基于空天地多源數據的鐵路三維大場景構建與應用系統

張銀虎，鄭倫英，劉 強

（中鐵工程設計咨詢集團有限公司 航測遙感研究院，北京 100055）

鐵路工程勘察設計工作一般在由（1∶2 000）～（1∶50 000）比例尺平面地形圖[1]構建的二維場景中進行，而由于平面地形圖采用等高線、地物邊界線或特定符號表現地形、地貌及地物信息，其構建的鐵路沿線二維場景存在缺乏立體感、不直觀的問題[2]，不便于鐵路設計人員進行地形和地貌特征的識別分析、現場踏勘和工程設計。

近年來，隨著遙感測繪技術及三維信息化技術的發展，針對傳統二維場景存在的不足，諸多學者展開了三維地理信息空間場景及三維地理信息系統（GIS，Geographic Information System）在公路和鐵路線路工程勘察設計中的應用研究工作。苗沛基等人[3]提出了融合傾斜攝影影像與激光雷達點云數據的公路沿線真實三維場景模型的構建方法；韓雨書[4]針對公路工程，研究了基于三維GIS的三維立體化展現技術及智能選線動態規劃方法；張鈺等人[5]提出了應用地形圖和高清正射影像等基礎測繪資料來生成鐵路沿線三維地形模型的方法；朱穎等人[6]針對鐵路三維GIS技術的應用，提出了一套面向鐵路行業的三維場景快速構建一體化技術；易思蓉等人[7]設計了基于虛擬地理環境的鐵路數字化選線系統，該系統能夠滿足重大工程選址選線和海外選線的需求。

以空–天–地多源空間數據為依托，鐵路勘察人員可以在計算機上構建鐵路沿線多時相、多分辨率的三維大場景，從而為專業設計人員提供最直觀的三維空間設計環境，進行室內三維虛擬踏勘和設計方案分析決策，這樣有效地縮短勘察設計工期，降低作業成本。本文結合鐵路勘察設計工作特點，提出了不同階段多源空間數據獲取方法和鐵路三維大場景的構建方法，并設計基于空天地多源數據的鐵路三維大場景構建與應用系統（簡稱：鐵路三維大場景應用系統），以滿足鐵路工程勘察設計中三維踏勘、專業設計驗證及方案展示分析的應用需求。

1 多源空間數據獲取

隨著航天航空技術、網絡通信技術和信息技術的快速發展，地理空間信息數據獲取的能力不斷增強，形成了以多源、高分辨率為特點的高效、多樣、快速的空天地一體化數據獲取手段。多源空間數據經過計算機智能處理可以輸出數字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）、數字表面模型（DSM，Digital Surface Model）、數字正射影像圖（DOM，Digital Orthophoto Map）、數字線劃圖（DLG，Digital Line Graph）、地形三維模型、實景三維模型、建筑信息模型（BIM，Building Information Model）等多種類型數據，進而為鐵路勘察設計階段三維大場景構建提供全面、可靠的三維空間數據。

鐵路工程勘察設計包括線路規劃、預可行性研究、可行性研究、初步設計、施工圖設計等階段[8]。在不同的勘察設計階段，鐵路三維大場景構建所使用的多源空間數據類型及獲取方法各不相同。不同勘測設計階段多源空間數據類型及其獲取方法如表1所示。

表1 不同勘察設計階段多源空間數據類型及其獲取方法

1.1 衛星遙感影像數據

衛星遙感影像數據主要用于鐵路的線路規劃、預可行性研究、可行性研究等階段[9]，經過影像預處理、空三加密、立體測圖、正射糾正、拼接裁切等作業，制作比例尺為1∶2 000～1∶50 000的地形圖、DEM、DOM等數據產品，也可基于衛星影像立體像對制作類似于實景三維模型的三維大場景數據[10]。

1.2 航空遙感數據

航空遙感是指以飛機或氣球作為傳感器搭載平臺的空中遙感技術。鐵路勘察設計通常利用直升機和無人機進行中低空垂直航空攝影、傾斜航空攝影及機載雷達測量，獲取航攝影像數據和LiDAR點云數據。這些數據可用于制作鐵路工程可行性研究、初步設計及施工圖設計階段的DLG、DEM、DOM、地形三維模型、實景三維模型。航空遙感數據的處理過程如圖1所示。

圖1 航空遙感數據處理過程

1.3 專業調查數據

專業調查數據是指線路、站場、地質、環保、橋梁、隧道、路基等專業根據勘察設計需要，收集、測量和現場調查獲得的矢量數據、柵格影像數據、文本表格屬性數據等。

1.4 線路設計數據

線路設計數據指各專業設計成果數據，主要包括二維/三維矢量圖形數據、線路平豎曲線表、橋梁表、隧道表、路基表、車站表等。

在施工圖設計階段，根據設計資料制作全線的三維設計模型數據。要設計的BIM包括車站、隧道、橋梁、軌道、接觸網、站場等內容，如圖2所示。

圖2 要設計的BIM

2 鐵路三維大場景構建方法

鐵路三維大場景構建，即基于三維GIS，融合航天遙感、航空攝影、無人機、傾斜攝影、機載激光雷達、地面測量數據、線路設計數據、專業調查數據等多源空間數據，建立一個真實、可量測的三維空間大場景，為設計人員在計算機屏幕上提供直觀的三維設計環境。

鐵路三維大場景涵蓋了各專業應用層及成果層數據，涉及的數據種類繁多、信息量大，且各專業間數據類型、格式要求、坐標系統不一致，因此需要統一數據標準、明確數據格式，并對不同數據源進行數據預處理、坐標系設置及轉換、模型輕量化處理、場景空間設置等操作，以便于多源空間數據的管理及場景顯示。鐵路三維大場景構建技術過程如圖3所示。

圖3 鐵路三維大場景構建技術過程

2.1 多源數據格式標準化處理

為了提高鐵路三維大場景構建數據處理效率，在參照相關國家及行業標準的基礎上，本文對各專業空間數據格式標準進行了統一，如表2所示。

表2 鐵路三維大場景多源空間數據格式標準

2.2 多源數據預處理

多源數據預處理包括數據分類、格式轉化，坐標系設置、坐標轉換等流程。DEM數據需要結合實測縱橫斷面、道路、重點地段數據進行融合，以提高模型高程精度，并加注說明信息。專業三維設計模型數據，特別是軌道和接觸網線這種大范圍的長大模型，在設置對應的坐標投影信息后，還需通過坐標轉換將模型坐標轉換到地理空間坐標系下，以防止模型頂點錯位。

2.3 多源數據輕量化處理

各專業三維設計模型構件精度涵蓋LOD 1.0～LOD 5.0級[11]，需要對數據進行輕量化處理及構建緩存金字塔，以滿足快速顯示瀏覽、信息提取及三維設計需要。各專業三維設計模型大多基于Bentley軟件制作，需先利用Bentley軟件插件將設計模型轉為UDBX（Universal Spatial Database Extension）格式，進行第一次模型輕量化處理，再利用超圖（SuperMap）軟件組件生成模型緩存數據，達到層級快速顯示的目的。

地理空間數據包括實景三維模型、DLG、DEM、DOM等數據，其數據類型多、數據量大，在經過數據格式轉換后，還需要進行數據分層、傾斜入庫、生成緩存等輕量化處理。

2.4 多源數據組織管理

鐵路三維大場景中存儲的數據內容多樣，各類數據在數據來源、應用階段等方面有較大的差別，需要根據空間位置、幾何精度、屬性數據等信息對各類數據源進行一體化組織和管理，以便于選擇合適的地理空間數據。

因此，對于多源空間數據，需要按設計專業進行分類存儲，主要包括航遙、地質、隧道、橋梁、路基、站場、環保、線路、站場等專業，使數據來源清晰明確，以滿足后續專業調取和分析使用。

3 鐵路三維大場景應用系統研發

3.1 系統研發目標

鐵路三維大場景應用系統研發目標為采用三維GIS與BIM技術，融合多源空間數據，對鐵路沿線一定范圍內的三維大場景進行重建，并在重建的三維大場景中實現瀏覽、漫游、量測、標注、驗證設計方案等功能[12]，同時為各級專業交互設計提供專用數據接口，以解決傳統二維平面場景存在的場景顯示不直觀、不全面、勘察設計數據交互煩瑣等問題。

3.2 系統總體架構

根據鐵路勘察設計各階段及各專業設計業務需求，結合三維GIS與BIM技術，采用C/S框架對系統的總體架構進行設計，如圖4所示。

圖4 系統總體架構

（1）網絡層

網絡層主要包含局域網與互聯網，為各鐵路設計專業的數據交互提供高效的數據傳輸通道，實現各級用戶隨時隨地通過客戶端對服務端的多類型數據進行獲取與更新。

（2）基礎設施層

基礎設施層為鐵路三維大場景應用系統提供所需的服務器、網絡、硬件存儲設施、安全設備等資源，以確保所屬不同類別的專業設計人員可以分權限、分類別的安全訪問與編輯數據庫的私有及公共數據，從而保證系統高效穩定運行。

（3）數據層

數據層包含用于三維大場景構建的三維模型數據、專業調查數據及勘察設計過程文件數據。三維模型數據包括DOM數據、DEM數據、激光雷達點云數據、實景三維模型數據、BIM數據等，專業調查數據包括線路、站場、地質、環保等專業的矢量調查數據，文件數據包含項目文檔、報表文檔、圖片及視頻文件等數據。

（4）數據計算處理與模型層

數據計算處理與模型層為系統實現三維虛擬踏勘及專業設計驗證提供了數據計算與模型處理支持。三維數據處理模塊主要實現對空間數據的處理，三維踏勘與設計驗證模塊主要為線路三維虛擬踏勘和專業設計驗證提供輔助計算工具，方案展示分析模塊主要用于設計方案的三維展示與分析決策。

（5）應用層

應用層主要指的是鐵路三維大場景應用系統及其配套的子系統。鐵路三維大場景應用系統及其配套的子系統之間可以實現不同設計階段數據的共享，各專業亦可在此基礎上結合專業需求定制個性化的配套子系統。

3.3 系統功能

結合鐵路工程勘察設計的業務需求，設計鐵路三維大場景應用系統的功能，如圖5所示。

圖5 系統功能

3.3.1 項目管理

項目管理模塊用于實現對整個工程的信息進行存儲及管理，包含新建工程、打開既有工程、保存工程及另保存工程的功能。

3.3.2 場景構建

在鐵路三維大場景應用系統中進行勘察設計作業時，需要首先利用場景構建模塊、基于多源空間數據對鐵路三維大場景進行構建。場景構建模塊包括地理空間數據的加載、三維設計線位的生成、計算機輔助設計（CAD，Computer Aided Design）圖形文件及DGN矢量文件的導入與導出、圖層屬性設置等功能。

3.3.3 三維踏勘及設計驗證

三維踏勘及設計驗證模塊提供常用的工具集，包含場景三維漫游、線路里程標注、重點工點標注、坐標及里程定位、空間量測、橫斷面計算分析等。

3.3.4 方案展示

方案展示模塊主要包括工點可視化分析、設計模型快速布設與線路漫游飛行等功能模塊，可實現鐵路線路方案快速巡游展示、重點工點三維可視化分析及橋梁、隧道、路基標準BIM的快速布設，輔助專業設計方案的三維展示與分析決策。

4 工程應用

4.1 三維虛擬踏勘

鐵路三維大場景應用系統可在計算機屏幕上構建一個大范圍、可量測、真實感的三維虛擬踏勘環境，并利用場景三維漫游、線路里程標注、坐標和里程定位等系統工具，輔助鐵路各專業設計人員進行室內線路三維虛擬踏勘。

在宜渝（宜昌—重慶）鐵路項目中，構建了全線68 km的三維大場景，輔助專業設計人員進行線路三維虛擬踏勘，開展了沿線滑坡、錯落、危巖落石、崩塌、巖堆、順層滑動等不良地質判釋工作，解決了CK9～CK20段受山高林密影響導致設計人員無法進行現場踏勘的問題，提高了勘察設計工作效率。

4.2 專業設計驗證

利用鐵路三維大場景系統，可以對鐵路重點工點線路走向方案及重點橋梁孔跨布設、隧道進出口位置選擇等進行驗證，輔助專業設計工作。

在文蒙（文山—蒙自）鐵路項目中，利用鐵路三維大場景系統對天生橋1號～3號橋段線路與左側立交匝道及右側山澗的位置關系進行多視角、全方位三維踏勘，進而驗證和優化線路設計方案。

在通蘇嘉甬（南通—蘇州—嘉興—寧波）鐵路項目施工圖設計階段，在構建的鐵路三維大場景中加載BIM設計模型，對橋梁、隧道設計模型與周邊市政公路、高速鐵路的相對關系進行核實，對設計方案的可行性進行驗證。

4.3 方案三維展示分析

在文蒙鐵路項目中，利用系統“線路漫游飛行”功能，沿線路設計方案進行不同飛行高度和速度的線路漫游展示，并借助錄屏軟件錄制方案展示視頻。在通蘇嘉甬鐵路項目中，利用系統“可視化分析”功能預先制作了多個重點工點的三維可視化分析方案，在方案展示時通過加載已有可視化分析方案，實現多個工點的快速切換和三維展示分析。

5 結束語

本文研究了鐵路三維大場景的構建方法并設計了鐵路三維大場景構建與應用系統，實現了鐵路三維場景構建、虛擬踏勘、設計驗證及方案展示的功能，與傳統二維場景相比，三維大場景可為鐵路設計人員提供一個更加直觀、全面、真實的三維設計環境，提高了鐵路勘察設計數字化、信息化水平，在鐵路建設項目中具有廣泛的推廣應用價值。

未來，本文將針對鐵路勘察設計、施工建設和運營維護相統一的鐵路三維數據庫建立，以及移動端、網頁端三維大場景應用系統研發等工作進行研究，以實現鐵路全生命周期數據標準統一、勘察數據采集智能化、勘察過程低碳化、勘察設計成果數字化的目標。