基于WebGIS 的鐵路線路三維場景構建

郭 澤，譚衢霖，戴澤宇，秦曉春

（1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京交通大學 線路工程空間信息研究所，北京 100044）

隨著鐵路工程建設信息化的發展，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）在鐵路工程全生命周期中得到了廣泛的應用。互聯網交互技術及實景三維地理信息技術的飛速發展，使得鐵路三維信息化建設逐漸向分布式數據存儲、網絡化協同管理邁進。鐵路工程作為一種線性帶狀工程，具有跨度長、范圍廣、信息量大等特點，而以Autodesk Revit 平臺為代表的BIM 設計軟件支持的地理空間范圍較小，不具備地理信息的空間分析能力。目前，BIM+地理信息系統（GIS，Geographic Information System）的融合應用主要集中在PC 端，文獻[1]基于Infraworks 平臺研究了利用BIM 技術構建鐵路三維場景的方法；文獻[2]研究了BIM+GIS的鐵路三維場景快速建立方法；文獻[3]提出了一套完整的鐵路設計BIM+GIS 解決方案。同時，隨著WebGIS 與WebGL 技術的不斷發展，網絡三維可視化領域的研究不斷增加，文獻[4]利用Web 技術實現了融合BIM 技術的水利水電工程集成管理；文獻[5]應用WebGL 技術實現鐵路三維虛擬踏勘與遙感判釋系統的設計。目前，融合WebGIS 技術與WebGL 技術的BIM 三維可視化技術在鐵路工程建設領域的應用相對較少。本文研究了基于WebGIS 的鐵路線路三維場景的構建流程，包括帶狀走廊地理環境的構建與BIM 場景融合，并利用ArcGIS Online 實現了融合BIM 的鐵路三維場景的網絡服務發布與功能應用，為鐵路工程三維可視化、網絡化協同管理，以及多專業協同設計提供了一種解決方案。

1 WebGIS 概述

WebGIS 是采用Web 網絡交互技術的GIS，具有較好的跨平臺性與廣泛的應用性[6]。WebGIS 技術架構包括數據層、邏輯層和表現層，如圖1 所示。數據層對需要發布的地圖、場景圖層進行編輯，儲存到GIS 數據庫服務器中，并發布至邏輯層中。表現層可通過瀏覽器訪問或編輯修改數據層下的數據，從而實現數據層數據的更新與實時共享。目前，傳統的WebGIS 正向三維可視化邁進，利用WebGL 技術在瀏覽器上實現三維繪圖效果，使得WebGIS 表現力更加真實，應用更為廣泛。

圖1 WebGIS 技術架構

本文利用WebGIS 技術將鐵路線路地理環境數據與鐵路設施BIM 參數化建模數據存儲在本地GIS 數據庫與三維模型數據庫中，通過GIS 服務器進行數據發布，從而在瀏覽器上實現三維漫游和功能應用。

2 鐵路線路三維場景構建

鐵路線路三維場景構建主要內容包括帶狀走廊三維地理環境構建和BIM 場景融合，如圖2 所示。其中，帶狀走廊三維地理環境構建包括數字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）構建與影像場景融合，利用DEM 構建帶狀走廊的三維地表數據，再通過公開的地圖影像服務構建帶狀走廊影像數據，將DEM 與影像數據疊加后，構建帶狀走廊真實的三維地形。BIM 場景融合包括BIM 參數化建模與空間場景交互定位，利用參數化建模的思路可有效提高鐵路工程模型建模速度與精度。鐵路工程是與地形緊密結合的線狀土木工程，具有跨度長、信息量大等特點，借助GIS 空間分析和三維可視化技術可實現三維場景綜合信息利用與數據信息交換。

圖2 基于WebGIS 的鐵路線路三維場景構建主要內容

2.1 帶狀走廊三維地理場景構建

2.1.1 DEM 構建

目前，獲取DEM 數據的方法有很多種[7]，每種獲取方式的DEM 精度、速度、成本、更新程度、應用范圍各不相同，如表1 所示。

表1 DEM 獲取方式及對比

（1）地面測量：利用全球導航衛星系統（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位測量，經高程轉換后得到地面高程點并生成DEM；

（2）既有地形圖：利用格網讀點法、數字化儀手扶跟蹤及掃描儀半自動采集等方法從現有地圖上進行信息采集，并通過內插法生成DEM；

（3）航空攝影測量：通過空中三角形加密及立體像對得到地面點的三維坐標；

（4）激光掃描、干涉雷達：通過三維激光掃描、干涉雷達等方法直接獲取DEM。

面向鐵路工程的帶狀走廊地表DEM 的獲取，一般宜采用航空攝影測量或激光掃描、干涉雷達獲取的方法。若考慮成本因素，可采用精度較高的既有地形圖數字化法。以航空攝影測量為代表的數字攝影測量系統，利用計算機進行影像匹配，通過解析攝影測量的方法，得到所拍攝物體的空間三維坐標，可自動化、大規模創建DEM。以某段鐵路為例，采用航空攝影測量的方法，利用衛星立體像對構建出該區域DEM，再通過矢量化裁剪得到該線路帶狀DEM，如圖3 所示。同時，可對該線路帶狀走廊的坡度、坡向等地形指標進行初步判斷，如圖4所示。

圖3 鐵路線路帶狀廊道DEM 示意

圖4 鐵路線路帶狀廊道坡度、坡向示意

2.1.2 影像場景融合

線路處于前期規劃階段時，可采用公共網絡平臺發布的地理信息來獲取地表影像[8]。本文采用的地理信息地圖投影方式為Web 墨卡托（Web Mercator）投影，該投影使用的大地基準面是WGS-84 橢球體，基于球面墨卡托的投影計算公式來進行網絡格式化。設球面經緯度為(λ ,φ)，地圖平面坐標為(E,N)，其投影計算公式為

其中，R為球體半徑，取WGS-84 橢球的長半軸半徑為6 378 137 m。

本文基于瓦片金字塔模型對采用的地圖影像瓦片進行組織與管理。瓦片數據利用四叉樹進行編碼，縮放級別為0 的單張全球影像瓦片對應樹的根節點，縮放等級每提高一級，上一級葉節點就分為4 個子節點，每個節點對應一塊瓦片數據。可利用瓦片左上角坐標(i,j)對每個瓦片進行定位，其中，i、j均為整數，將0 級瓦片左上角坐標設置為(0 ,0)，對應第n級右下角瓦片的左上角坐標為(2n?1，2n?1)，各級瓦片左上角坐標及四叉樹分割如圖5 所示。

圖5 瓦片左上角坐標及四叉樹分割

根據經緯度(λ ,φ)計算每一等級瓦片左上角坐標(i,j)，當縮放等級為n級時，整個影像所在的區域被劃分為 4n塊，瓦片在x、y兩個方向上各均分為2n等份，第n級瓦片的分辨率（單位：m/像素）為

投影坐標系與瓦片坐標系具有等比例關系，利用該等比例關系得到瓦片坐標與投影坐標的計算公式為

將公式（1）、（2）與公式（4）、（5）聯立得到瓦片坐標與球面經緯度坐標間關系為

其中，ent為取整符號。

將獲取到的該線路瓦片影像進行拼接，并按照帶狀走廊DEM 矢量范圍對拼接后的瓦片影像進行裁剪，結果如圖6 所示。將其與DEM 融合后得到該線路完整的帶狀走廊三維模型，如圖7 所示。

圖6 瓦片影像拼接結果

圖7 融合DEM 帶狀走廊三維模型

2.2 BIM 場景融合

2.2.1 BIM 參數化建模

采用BIM 技術對鐵路工程結構進行三維建模，可有效提高管理效率與信息化水平[9]。本文以鐵路橋梁建模為例，基于Autodesk Revit 平臺研究了BIM 參數化建模的具體應用。橋梁工程建模需遵循的步驟和流程如圖8 所示，按該流程建模可確保模型的準確性、通用性及易用性。確定項目的建模標準后，完成項目基本設置，再依次按照橋梁下部結構、上部結構、相關附屬件進行模型創建，并對模型進行核查。

圖8 橋梁工程參數建模流程

在Autodesk Revit 平臺上，需針對鐵路工程的組成構件及構件特點自行建立族庫，其中，鐵路箱梁族實例如圖9 所示。實際工程中，橋梁樁基數量較多，手動定位較困難，本文采用Dynamo 可視化編程插件放置橋梁樁基模型來保證建模數據的精度。橋墩建模與樁基建模相似，采用Dynamo 插件放置橋墩模型，將放置完成后的橋墩模型與橋墩中心平面位置及高程進行核對。箱梁的參數化建模依據橋墩位置、采用Dynamo 插件進行箱梁族模型放樣，箱梁族模型放樣結果如圖10 所示。

圖9 鐵路箱梁族模型實例

圖10 箱梁族放樣模型結果

2.2.2 空間場景交互定位

在GIS 平臺下通常采用空間大地坐標(B,L,H)作為數據的基本表達方式[10]，而在以Autodesk Revit為代表的BIM 設計平臺中通常采用空間直角坐標(X,Y,Z)作為數據的基本表達方式。為實現BIM 與GIS 地理環境的融合，在相同的基準下，需將空間直角坐標(X,Y,Z)轉換成為空間大地坐標系(B,L,H)，轉換方式如下

其中：

N為卯酉圈半徑；a為參考橢球長半軸；b為參考橢球短半軸。

本文以某鐵路線路車站場景構建為例，將空間直角坐標下的BIM 轉化為大地坐標。利用ArcGIS 平臺將BIM 與帶狀走廊三維場景相結合，實現了BIM與PC 端GIS 平臺的交互融合，如圖11 所示。在PC端完成鐵路場景三維漫游、數據查詢等基本功能，可為鐵路設計方案比選提供三維交互場景。

圖11 BIM 與PC 端GIS 平臺的交互融合

3 應用實例

目前，BIM 與GIS 的融合交互主要以PC 端軟件為主，隨著Web 技術與WebGL 網頁三維繪圖技術的發展，BIM 與GIS 的三維場景交互逐漸向網頁端發展。本文利用ArcGIS Online 實現了本地三維場景的網絡服務發布與基本功能應用 。基于ArcGIS Online，將某條鐵路線路的BIM 參數化模型與三維帶狀走廊融合后構建的本地三維模型打包成SLPK 場景圖層包，并實現網絡服務發布。同時，在網頁端，實現了融合BIM 三維地理場景功能應用，如圖12 所示，包含三維漫游、距離測量、面積測量、剖視分析、淹沒分析等基本應用功能，對鐵路工程多專業協同設計，綜合信息化管理提供了有力支持。

圖12 三維場景功能應用

4 結束語

本文研究基于WebGIS 的鐵路線路三維場景構建方法，在網頁端融合了鐵路工程BIM 與帶狀走廊三維地理環境可視化漫游技術，實現了三維數據的可視化管理與綜合利用。為鐵路工程建設提供了地理信息數據與三維模型數據，便于工程設計與管理人員進行實時交互，提升鐵路工程建設信息化水平。