基于BIM 與GIS 技術(shù)的公路工程可視化系統(tǒng)構(gòu)建

房曉亮，黃文衡，鄧 碩

（1.中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410014；2.長沙理工大學(xué)，長沙 410114）

近年來，公路建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，建設(shè)速度不斷提高，公路網(wǎng)絡(luò)也在不斷優(yōu)化，迫切需要提升公路工程項(xiàng)目全過程管理的數(shù)字化、智慧化水平。然而，公路工程項(xiàng)目具有路線長、路況復(fù)雜、管理構(gòu)件多及道路環(huán)境多變等特點(diǎn)，傳統(tǒng)管理方式難以滿足當(dāng)前施工快、周期短、效率高的公路工程建設(shè)、運(yùn)維和養(yǎng)護(hù)的需求。隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）技術(shù)的迅速發(fā)展，形成了高效可靠的空間數(shù)據(jù)集成與三維地理信息可視化能力[1]，使其逐漸成為公路工程數(shù)字孿生應(yīng)用的主要技術(shù)之一，正掀起一場(chǎng)公路工程行業(yè)的數(shù)字化革命[2]。

建筑信息模型（BIM）是通過建立建筑工程的精細(xì)三維模型，實(shí)現(xiàn)建筑相關(guān)構(gòu)件的幾何、屬性與狀態(tài)信息的存儲(chǔ)組織與關(guān)聯(lián)表達(dá)[3]。BIM 技術(shù)為工程項(xiàng)目管理提供了一種統(tǒng)一的、全生命周期的工程信息交流平臺(tái)，逐漸成為公路工程設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營和養(yǎng)護(hù)的重要生產(chǎn)力工具[4]。地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計(jì)算機(jī)軟硬件支持下，對(duì)地理空間數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、管理、分析和可視化的信息系統(tǒng)，因其在地理環(huán)境信息分析與表達(dá)方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、智能交通、智慧水利等領(lǐng)域[5]。相較而言，BIM 技術(shù)側(cè)重工程尺度的建筑信息精細(xì)表達(dá)，GIS 技術(shù)關(guān)注宏觀尺度的地物信息統(tǒng)一存儲(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)公路工程項(xiàng)目宏、微觀尺度的統(tǒng)一管理，迫切需要研究兩者技術(shù)的集成交互。近年來，一些企業(yè)和機(jī)構(gòu)已開始探索BIM 與GIS 技術(shù)的融合應(yīng)用，如趙塵衍等[6]應(yīng)用BIM 與GIS 技術(shù)輔助軌道交通工程的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維工作；方磊等[7]構(gòu)建智慧高速BIM+GIS 平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于BIM 與GIS 底座模型的智慧高速多源信息融合應(yīng)用；黎宇陽等[8]利用BIM 與GIS 技術(shù)有效提升了德會(huì)高速公路勘察設(shè)計(jì)與施工建設(shè)的管理效率。

總體而言，公路工程領(lǐng)域BIM 和GIS 的融合應(yīng)用仍存在BIM 與GIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換復(fù)雜、BIM 模型加載困難、可視化效果不佳等問題。本文首先利用Bentley 系列軟件構(gòu)建公路BIM 模型，然后借助CesiumLab 工具進(jìn)行BIM 模型輕量化。最后，基于React 和Cesium 技術(shù)實(shí)現(xiàn)公路工程可視化系統(tǒng)，為項(xiàng)目工作人員提供一種更方便、更高效的管理方式，從而有效提升公路工程施工、運(yùn)營、維護(hù)的管理效率。

1 公路BIM 模型構(gòu)建

Bentley 系列軟件是當(dāng)前BIM 設(shè)計(jì)的主流軟件之一，旗下OpenRoads Designer 軟件為一款功能完善、全面詳細(xì)的道路BIM 設(shè)計(jì)軟件，提供了勘測(cè)、排水、公用設(shè)施和道路詳細(xì)設(shè)計(jì)的一整套強(qiáng)大工具[9]，因此，本文選擇使用OpenRoads Designer 軟件構(gòu)建公路BIM 模型，包括路線繪制和路基構(gòu)建2 個(gè)步驟。

1.1 路線繪制

在構(gòu)建公路BIM模型時(shí)，需要依靠中線位置來確定公路位置。本文采用交點(diǎn)線文件導(dǎo)入法進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)。具體地，在OpenRoads Designer軟件中，創(chuàng)建一個(gè)新模型，或者選擇已經(jīng)創(chuàng)建好的模板創(chuàng)建模型，輸入模型名稱和文件路徑，并指定參考坐標(biāo)系和單位。通過“幾何圖形”模塊中的“從ASCII文件導(dǎo)入平面幾何圖形”導(dǎo)入交點(diǎn)線文件，選擇“從ASCII文件導(dǎo)入平縱面幾何圖形”導(dǎo)入縱斷面文件，繪制出的公路中心線如圖1所示。

圖1 路線繪制效果

縱斷面線設(shè)計(jì)完成后，通過選擇縱斷面線并懸停，在彈出的縱斷面線菜單中選擇“設(shè)置為激活縱斷面線”，此前可在縱斷面設(shè)計(jì)視圖中設(shè)計(jì)數(shù)條縱斷面線，利用該功能選擇其中一條激活作為最終縱斷面線，至此公路的平面和縱斷面已全部構(gòu)建完成，OpenRoads Designer 將在“平面線所在模型+3D”中自動(dòng)生成公路的三維線型。

1.2 路基構(gòu)建

路線構(gòu)建之后，進(jìn)行路基構(gòu)建，包括地形導(dǎo)入、創(chuàng)建廊道、創(chuàng)建模板和創(chuàng)建超高模型等。

1）地形導(dǎo)入，從外部導(dǎo)入地形數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為OpenRoads Designer 可識(shí)別的DTM 地形對(duì)象，同時(shí)將地形激活。

2）創(chuàng)建廊道，利用此前已經(jīng)建立好的路線文件和地形文件，定位待創(chuàng)建廊道路線的平面線和已激活的縱斷面線，通過“創(chuàng)建廊道”功能自動(dòng)創(chuàng)建廊道。

3）創(chuàng)建模板，通過模板編輯工具，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需求設(shè)計(jì)行車道、放坡、基層等組件并將其組裝成模板，將模板應(yīng)用在指定廊道上，并設(shè)置如起訖樁號(hào)、建模最大步長等控制參數(shù)，即可形成公路路基的整體三維模型，如圖2 所示。

圖2 公路路基三維建模效果

4）創(chuàng)建超高模型，將超高模型應(yīng)用到廊道，通過與模板中的約束相互作用，從而約束三維模型并對(duì)特定三維線進(jìn)行調(diào)整，使其更加貼近標(biāo)準(zhǔn)。公路模型建立完畢后，將公路模型導(dǎo)出為dgn 等通用格式即可。

2 BIM 與GIS 數(shù)據(jù)集成

為了更好地展示公路工程不同尺度的三維效果，除構(gòu)建公路BIM 數(shù)據(jù)外，還需要與公路工程相關(guān)的傾斜攝影數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)等GIS數(shù)據(jù)集成。本文采用了Cesium 進(jìn)行公路工程的三維數(shù)據(jù)集成展示，涉及工作包括BIM 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、模型輕量化、傾斜攝影數(shù)據(jù)處理和基礎(chǔ)場(chǎng)景搭建等。

2.1 BIM 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換及模型輕量化

本文設(shè)計(jì)的BIM 數(shù)據(jù)為dgn 格式，利用Cesium－Lab 中的“通用模型切片”功能將BIM 模型轉(zhuǎn)換成3D Tiles 的格式，實(shí)現(xiàn)BIM 模型輕量化，主要步驟如下。

1）在“輸入文件”中導(dǎo)入需要進(jìn)行輕量化的BIM模型文件。

2）在“資源庫”中選擇資源目錄，輸入文件名并點(diǎn)擊保存即可，如果不設(shè)置本地資源文件，系統(tǒng)自動(dòng)在內(nèi)存中創(chuàng)建資源文件。

3）根據(jù)不同數(shù)據(jù)類型和可視化要求，可選擇小場(chǎng)景處理器和八叉樹處理器2 種方式進(jìn)行通用模型處理。

4）再根據(jù)需要設(shè)置“壓縮參數(shù)”，設(shè)置輸出路徑作為生成的3D Tiles 存儲(chǔ)路徑，最后點(diǎn)擊提交處理即可。

2.2 傾斜攝影數(shù)據(jù)處理及基礎(chǔ)場(chǎng)景搭建

傾斜攝影數(shù)據(jù)是公路工程可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)場(chǎng)景數(shù)據(jù)源之一。DP-Modeler 是一款集精細(xì)化單體建模與Mesh 網(wǎng)格模型修飾于一體的新型三維建模軟件[10]，本文利用DP-Modeler 軟件進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)處理，由于DP-Modeler 支持的數(shù)據(jù)格式為obj，故首先需要將傾斜攝影數(shù)據(jù)（OSGB）和公路BIM 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為obj格式，再執(zhí)行以下步驟進(jìn)行傾斜攝影數(shù)據(jù)處理與基礎(chǔ)場(chǎng)景搭建。

1）修模范圍選定。打開DP-Modeler 軟件創(chuàng)建工程，分別導(dǎo)入傾斜攝影模型數(shù)據(jù)（OSGB）及其相匹配的obj 數(shù)據(jù)，通過工具箱—Tile 選擇—確定，進(jìn)行修模范圍選定。

2）傾斜攝影數(shù)據(jù)處理。該處理包括深挖和壓平2種方式：①深挖方案可采用刪除的方式進(jìn)行，也可采用沿建筑物底邊描線配合mesh 切割技術(shù)路線，將該建筑物上下一定米數(shù)范圍內(nèi)的瓦片全部刪除；②壓平方案可采用水面修飾的方式進(jìn)行壓平，但壓平通常會(huì)帶來瓦片碎片缺失或拉花現(xiàn)象，可通過橋接或補(bǔ)洞的方式進(jìn)行修補(bǔ)。

3）導(dǎo)出OSGB 模型。右鍵點(diǎn)擊“OBJ 修飾文件”進(jìn)行全部保存，然后點(diǎn)擊“導(dǎo)出”，選擇“全部導(dǎo)出”，接著選擇“導(dǎo)出OSGB”，OSGB 修飾結(jié)果將保存在該工程所屬文件夾中的OSGB_Edit 文件下，最后通過Cesium－Lab 進(jìn)行OSGB 轉(zhuǎn)3D Tiles。

4）基礎(chǔ)場(chǎng)景搭建。將公開的30 m DEM 數(shù)據(jù)和天地圖在線影像進(jìn)行疊加，同時(shí)將行政區(qū)劃等矢量數(shù)據(jù)疊加，形成公路工程的基礎(chǔ)地理場(chǎng)景，場(chǎng)景展示如圖3所示。

圖3 基礎(chǔ)場(chǎng)景搭建效果

3 公路工程可視化系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能介紹

本文基于Cesium 實(shí)現(xiàn)公路工程可視化系統(tǒng)的功能開發(fā)，構(gòu)建的公路工程可視化系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)加載顯示表格、點(diǎn)、線、傾斜攝影、BIM、影像和地形數(shù)據(jù)等，還具備漫游、定位、查詢功能，以幫助用戶更好地了解公路工程的情況。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果

通過公路BIM 與GIS 數(shù)據(jù)融合，較好地展示了公路建設(shè)所處的地形情況、設(shè)計(jì)成果，以及與現(xiàn)實(shí)世界的融合效果。公路BIM 可以展示公路工程不同層次的厚度和施工方式，以及路基的高度、寬度、厚度等細(xì)節(jié)，以便更好地了解公路的構(gòu)造和設(shè)計(jì)原理。借助GIS 數(shù)據(jù)還可以展示公路沿線的景觀和綠化情況，包括花壇、景觀樹、草坪等環(huán)境細(xì)節(jié)。如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)界面

此外，以BIM+GIS 為基底，還可以融合與公路工程相關(guān)的其他信息，如行車軌跡、施工進(jìn)度等。通過顯示車輛在行駛過程中的行為軌跡及其路面上的變化，幫助公路設(shè)計(jì)者更加準(zhǔn)確地了解路面的基本情況，進(jìn)而合理優(yōu)化路面設(shè)計(jì)和施工方案。通過監(jiān)控車輛在路面上的行駛軌跡，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路面損壞和變形等問題，提醒公路管理部門及時(shí)進(jìn)行維護(hù)，防止發(fā)生交通意外，如圖5 所示。

圖5 行車軌跡展示

4 結(jié)論

基于BIM 和GIS 技術(shù)能夠較好地解決公路工程管理過程中宏觀和微觀可視化需求，本文借助OpenRoads Designer、DP-Modeler、Cesium 等多種軟件工具，實(shí)現(xiàn)了公路BIM 建模、BIM 與GIS 集成、三維可視化等較為完整的一套公路工程可視化系統(tǒng)構(gòu)建流程。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效果表明，對(duì)公路BIM 模型和GIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行流程化處理，在GIS 場(chǎng)景中保留公路BIM 幾何信息和屬性信息完整性，有效實(shí)現(xiàn)了宏觀地理空間數(shù)據(jù)與微觀公路BIM 模型的互補(bǔ)融合，并發(fā)揮GIS 特有的量算、查詢、漫游等空間分析功能優(yōu)勢(shì)，能夠?yàn)楣饭こ添?xiàng)目提供更加直觀的可視化工程管理模式。然而，多源數(shù)據(jù)融合是構(gòu)建數(shù)字孿生的重要工作，本文在融合效果、現(xiàn)實(shí)世界聯(lián)動(dòng)、工程狀態(tài)更新等方面還有較大改進(jìn)空間。