面向GIS應(yīng)用的鐵路工程三維信息模型數(shù)據(jù)交換方法

李 浩， 趙國堂， 范丁元， 范登科

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044;2.中國鐵路廣州局集團有限公司建設(shè)管理處，廣東 廣州510088;3.中國鐵路總公司，北京100844;4.西南交通大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，四川峨眉山614202;5.中國鐵路設(shè)計集團有限公司測繪地理信息研究院，天津300251)

鐵路工程三維信息模型RIM(railway engineering 3D information model)是在鐵路全生命周期建設(shè)過程中用于信息查詢和展示、要素組織和管理、統(tǒng)計算量分析等多種業(yè)務(wù)實施的數(shù)字化信息載體.借鑒BIM(building information modeling)理念和技術(shù)，鐵路行業(yè)早已著手大力推進RIM在設(shè)計、施工和管理等階段的數(shù)據(jù)和平臺建設(shè)，并取得了一定的成果.面對鐵路工程的大場景、長線性、多尺度等特點，BIM難以有效解決模型在可視化表達中的動態(tài)快速調(diào)度、交互式空間分析、鐵路工程選線等問題，GIS(geographic information system)技術(shù)為解決上述問題提供了可行的方案［1］.當(dāng)前，上述兩種技術(shù)對RIM的互操作能力還處于較低水平，二者間的信息共享主要通過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方式來實現(xiàn).因此，當(dāng)在GIS平臺中采用BIM構(gòu)建的鐵路工程三維信息模型開展應(yīng)用時，需要首先借助特定的格式轉(zhuǎn)換方法實現(xiàn)信息的交換和傳遞.

由于BIM模型所附帶的信息要比GIS模型豐富，當(dāng)前國內(nèi)外研究主要關(guān)注于BIM模型向GIS模型的單向通用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換.El-Mekawy在分析IFC(industry foundation classes)向CityGML(city geography markup language)單向格式轉(zhuǎn)換局限性的基礎(chǔ)上，提出了以語義映射和擴展CityGML概念模型作為二者融合的解決方案［2］.通過提取三維模型表面幾何、計算頂點坐標(biāo)等4步處理，Wu與Hsieh將IFC模型轉(zhuǎn)換為GML(geography markup language)格式［3］.Hijazi等建立起 IFC 與 CityGML擴展包 UtilityNetworkADE(applicationdomain extensions)間的語義映射，實現(xiàn)了建筑內(nèi)部構(gòu)筑物的信息交換［4］.借助AutoCAD圖形引擎，張建平提出了將IFC實體模型轉(zhuǎn)換為表面模型的方法［5］.以語義約束為手段，趙霞等實現(xiàn)了RVT(autodesk revit)模型到 CityGML 模型的格式轉(zhuǎn)換［6］.呂慧玲等通過建立IFC數(shù)據(jù)模型到CityGML各層級的映射模型，描述了一種從IFC模型到CityGML多層次細節(jié)模型的完整轉(zhuǎn)換方法［7］.劉金巖等提出了可以實現(xiàn)BIM和GIS集成的IFC和CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架，并探討了其在水利工程全生命周期中的應(yīng)用前景［8］.LIU等通過模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了IFC實體模型在GIS場景中的應(yīng)用［9］.石若明等在提取模型信息的基礎(chǔ)上，將IFC實體模型轉(zhuǎn)換為GML表面模型，最終實現(xiàn)古建筑模型在GIS環(huán)境下的共享［10］.朱亮采等用語義映射的方法，實現(xiàn)了IFC到CityGML幾何與語義信息的轉(zhuǎn)換［11］.當(dāng)前研究成果僅關(guān)注于BIM與GIS二者間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的研究，還沒有適用于鐵路工程三維信息模型的數(shù)據(jù)交換方法.

數(shù)據(jù)交換的意義遠大于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，這是因為BIM偏重于單體信息模型及其構(gòu)造單元的精細建模，而GIS關(guān)注于大范圍地表場景的快速制作和高效展示，為了打通二者之間信息共享的橋梁，僅采用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方法是不夠的，還需要解決RIM信息模型與三維GIS場景無縫集成，同時兼顧簡化模型并降低細節(jié)層次的問題，從而實現(xiàn)跨平臺應(yīng)用時RIM信息模型在數(shù)據(jù)層和邏輯層的信息共享和融合.為此，本文提出一種面向GIS應(yīng)用的鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)交換方法，以避免重復(fù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)造成的資源耗用，進一步提高BIM與GIS平臺間的互操作能力.

1 RIM相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 RIM的存儲與表達

為了將鐵路工程要素各類語義和屬性信息關(guān)聯(lián)到三維幾何模型上構(gòu)成RIM，同時兼顧鐵路行業(yè)各部門對RIM的應(yīng)用需要，鐵路BIM聯(lián)盟各理事單位研究制定了用于RIM存儲和表達的多種解決方案，主要分為基于BIM的方式和基于GIS的方式兩大類.

以BIM通用數(shù)據(jù)格式IFC及Building Smart為其制定的存儲標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，鐵路BIM聯(lián)盟在IFCProduct、IFCCivilElement等特征類型下擴展了多種鐵路工程要素的語義和屬性，并以擴展后的IFC作為 RIM的標(biāo)準(zhǔn)存儲和交換格式［12］.因此，RIM標(biāo)準(zhǔn)文件存儲記錄的是以STEP或XML語言描述的特征要素.從應(yīng)用的角度，RIM的存儲方式依賴所使用的 BIM軟件平臺，Autodesk的 rvt、Dassoft的3dxml以及Bentley的dgn是當(dāng)前RIM在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的主要存儲格式，一般方法是根據(jù)需求定義新的要素類型，或在模型上附加鐵路工程要素的語義和屬性.

鐵路BIM聯(lián)盟在廣泛調(diào)研后指出，符合GIS存儲標(biāo)準(zhǔn)的RIM模型存儲和交換格式為OGC(OpenGeospatialConsortium)組織制定的CityGML，借助該標(biāo)準(zhǔn)中提供的ADE擴展機制，同樣可以實現(xiàn)對鐵路工程要素語義和屬性的擴展［13-14］.然而，CityGML 在幾何造型、語義邏輯關(guān)系、算量分析等方面所表現(xiàn)出的局限性決定了其作為RIM標(biāo)準(zhǔn)存儲格式的適宜性比IFC低.與所采用的GIS三維平臺相關(guān)，在實際鐵路三維項目應(yīng)用中用于RIM幾何信息存儲的格式主要有Microsoft DirectX多媒體編程接口的 x、Wavefront的 obj、Skyline的 3dml、OpenSceneGraph 的 osg，RIM 的語義和屬性信息則以xml、xls等文本文件或數(shù)據(jù)庫記錄的形式進行存儲和交換.

借鑒BIM理念和技術(shù)，以參數(shù)化建模、變更設(shè)計和算量分析為目標(biāo)，RIM常采用構(gòu)造實體表達法CSG(constructive solid geometry).當(dāng)需要借助GIS平臺實現(xiàn)RIM快速渲染、瀏覽和展示時，邊界表達法Brep(boundary representation)取代CSG成為RIM采用的主要方式.

圖1以剖面效果展示了某一特定鐵路工程要素——橋梁分別采用兩種表達方法時的區(qū)別，其中左側(cè)CSG表達的橋體為實心結(jié)構(gòu)，右側(cè)Brep表達的橋體為表面包圍的空殼結(jié)構(gòu).綜上所述，應(yīng)用環(huán)境和平臺決定了RIM所應(yīng)采用的存儲格式和表達方式.當(dāng)前，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是解決RIM跨平臺應(yīng)用的最有效方法.

圖1 不同表達法剖面效果展示Fig.1 Profile effects by using different expressions

1.2 RIM的跨平臺應(yīng)用

以BIM與GIS信息融合和數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)，國內(nèi)外涌現(xiàn)出許多面向標(biāo)準(zhǔn)交換格式IFC與CityGML之間的轉(zhuǎn)換方法研究［15-16］.在實際項目生產(chǎn)中對RIM開展跨平臺應(yīng)用時，由于各軟件廠商在IFC存儲方式的理解上存在差異，在交換中信息錯漏的情況時有發(fā)生，同時各類商業(yè)平臺對CityGML的支持能力有限，以至于當(dāng)前研究方法的適用性不高.當(dāng)前，實現(xiàn)RIM跨平臺應(yīng)用的方法主要有以下兩類:

(1)以軟件平臺自身數(shù)據(jù)格式直接或間接交換.例如Autodesk Revit等BIM系列軟件以fbx作為內(nèi)部數(shù)據(jù)交換格式，TerraExplorer實現(xiàn)了將該格式導(dǎo)入到三維GIS場景下集成的間接數(shù)據(jù)交換.借助Navisworks平臺，可以將大部分BIM模型導(dǎo)出為kml格式，實現(xiàn)在Google Earth等三維GIS平臺下模型數(shù)據(jù)共享.

(2)以CAD通用標(biāo)準(zhǔn)格式為中轉(zhuǎn)的信息獨立交換.被廣泛支持的三維幾何信息存儲格式包括Autodesk 的 dwg，Microsoft的 Direct X，Wavefront的obj，屬性信息存儲格式包括Microsoft的xls，擴展標(biāo)記語言xml等.跨平臺集成時，根據(jù)目標(biāo)GIS平臺的支持能力，首先確定各類信息應(yīng)采用的交換格式，繼而將RIM所包含的幾何、語義、屬性信息分別獨立轉(zhuǎn)儲在上述不同格式的文件中，最終實現(xiàn)轉(zhuǎn)儲信息在三維GIS平臺上的集成.FME作為一款商業(yè)化可定制的格式轉(zhuǎn)換平臺，能夠?qū)vt、ifc等BIM模型轉(zhuǎn)換為幾何信息以x、obj等格式存儲，屬性信息以xls、txt格式存儲的形式，三維 GIS平臺(如TerraExplorer、ArcScene)可將其做為數(shù)據(jù)源導(dǎo)入以滿足跨平臺應(yīng)用的需要.

2 RIMTrans模型數(shù)據(jù)交換方法

面向RIM信息模型在GIS平臺集成的應(yīng)用需求，本文提出一種基于多元信息分離和獨立存儲、支持簡化層次細節(jié)和場景構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)交換方法——RIMTrans.該方法能高效、精確地將RIM信息模型集成到三維GIS場景中，使成果滿足鐵路工程設(shè)計階段和施工階段的場景展示、進度管理、算量分析等業(yè)務(wù)需要.

圖2展示了RIMTrans方法的整體技術(shù)流程.

在技術(shù)層面上RIMTrans從以下3個方面完成了整個數(shù)據(jù)交換過程:

圖2 RIMTrans數(shù)據(jù)交換技術(shù)流程Fig.2 RIMTrans data exchange technology process

(1)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換.綜合采用提取、離散、轉(zhuǎn)義、關(guān)聯(lián)、映射等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將RIM信息模型所附帶的幾何、語義和屬性3類信息，分別存儲為符合GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入接口標(biāo)準(zhǔn)的記錄形式.

(2)多層次細節(jié)簡化.利用合并、融合等手段，減少RIM模型附帶的冗余信息，從幾何和語義兩個層面降低信息模型的復(fù)雜度，保留最基本最有價值的信息，并使成果模型在三維GIS平臺下高效表達與展示，降低系統(tǒng)運行負荷.

(3)場景組織與構(gòu)建.將建模時各鐵路工程要素的位置和姿態(tài)參數(shù)精確換算到真實的地理場景坐標(biāo)系下，并逐一建立起相應(yīng)的空間位置索引，以恢復(fù)它們彼此之間的空間關(guān)聯(lián)和拓撲關(guān)系，與多層次細節(jié)簡化相結(jié)合，重新組織鐵路工程要素的層次邏輯關(guān)系.

3 RIMTrans中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 幾何特征提取與離散化

如1.1所述，RIM模型的幾何表達方式可分為CSG和Brep兩類，而GIS平臺下的三維模型數(shù)據(jù)通常使用Brep表達.在二者格式轉(zhuǎn)換過程中，幾何特征提取與離散化是最為重要的一個環(huán)節(jié)，可以實現(xiàn)幾何信息從CSG到Brep表達方式的變換.RIMTrans中幾何信息轉(zhuǎn)換流程如圖3所示，按RIM模型的表達方式分為兩個階段共4個步驟:

(1)幾何特征提取.當(dāng)RIM模型的表達方式為CSG時，需要通過該階段處理轉(zhuǎn)換為Brep表達.即首先從構(gòu)成CSG的各單元要素中獲取得到描述幾何特征的參數(shù)，如長、寬、圓心、半徑等，重新生成包圍三維體的外表面，構(gòu)成集合SBrep;分析單元要素彼此之間的拓撲關(guān)系，對集合SBrep中具有包含、重合等關(guān)系的面要素執(zhí)行異或邏輯運算，刪除共用、重疊的部分，該階段最終得到構(gòu)成RIM模型三維體外包圍殼的面要素集.

圖4以相交的兩個幾何實體示意了通過分析面要素間拓撲關(guān)系，在幾何特征提取階段刪除冗余面要素，最終獲取外包圍殼的方法.由于二者相交，圓柱體側(cè)表面被長方體分割為A1、A2和A33個部分，同時長方體頂面被圓柱體分割為B1和B2兩部分，底面被分割為C1和C2兩部分，通過分析拓撲關(guān)系，A2和B2、C2分別位于長方體與圓柱體構(gòu)成的空間Ω和Σ內(nèi)，不參與構(gòu)成組合體的外包圍殼，應(yīng)從外殼面構(gòu)成的集合中刪除，圖4右側(cè)示意了最終處理結(jié)果.

圖3 RIMTrans幾何信息轉(zhuǎn)換流程Fig.3 RIMTrans geometric information conversion process

圖4 通過分析面要素間的拓撲關(guān)系刪除冗余幾何部分Fig.4 Geometrical redundancy eradication via analysis of topological relations between surfaces

(2)幾何特征離散.當(dāng)RIM模型以Brep表達時，通過這一階段的處理將其轉(zhuǎn)換為滿足GIS集成需要的Mesh數(shù)據(jù).Mesh是一種采用連續(xù)鄰接的三角面近似替代原始光滑面的網(wǎng)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，作為各類3D圖形引擎的主要輸出方式，能夠高效地表達幾何信息.執(zhí)行離散處理時，需要首先確定擬合精度和擬合樣式，前者決定了以曲線作為邊界的幾何面Mesh轉(zhuǎn)換前后的相似度，使用曲線上相鄰采樣點間的弧段到其直線段間的最大距離Dfrag作為測度;后者則決定了Mesh格網(wǎng)的組織方式，任意網(wǎng)形的Mesh結(jié)構(gòu)均可由扇形(Fan)、條帶(Strip)、獨立(Isolate)3類結(jié)構(gòu)單元組合而成.擬合精度與擬合樣式對幾何特征Mesh轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響分別如圖5和圖6所示.依照確定的擬合精度和擬合樣式在幾何面的邊界線上采樣結(jié)點，采用現(xiàn)有成熟的三角網(wǎng)構(gòu)筑算法，輸出為以Mesh結(jié)構(gòu)表達的、可用于GIS平臺展示與集成的三維幾何模型數(shù)據(jù).

圖5 擬合精度Dfrag對Mesh結(jié)果的影響Fig.5 Effect of fitting accuracy Dfragon Mes h

圖6 擬合樣式(Fan、Strip、Isolate)組合為Mesh結(jié)構(gòu)Fig.6 Fitting pattern(Fan，Strip，Isolate)of Mesh structure

3.2 語義關(guān)聯(lián)與映射

RIM模型附帶的語義信息主要是指鐵路工程要素的特征類型定義和描述，由要素分類編碼(Classification Id)和存儲對象類型(ObjectType)兩部分構(gòu)成，如圖7所示.

圖7 RIMTrans中RIM語義信息內(nèi)容與交換方法Fig.7 RIM semantic information contents and exchange method in RIMTrans

要素分類編碼應(yīng)遵循既有鐵路工程信息模型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［17］中的有關(guān)規(guī)定，采用十位編碼結(jié)構(gòu)，當(dāng)ObjectType為用戶定義類型時，通過編碼值索引其類型定義.在RIMTrans格式轉(zhuǎn)換方法中，保持該編碼值在信息交換前后不變，以確保要素類型語義在傳遞時的一致性.

存儲對象類型(ObjectType)語義則嚴(yán)格參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［12］中關(guān)于實體定義和類型定義的內(nèi)容執(zhí)行交換.通常情況下，作為RIM模型載體的數(shù)據(jù)格式本身不具有解析這類語義的能力，RIMTrans通過建立固有類型定義與RIM要素類型定義之間的映射關(guān)系，實現(xiàn)RIM語義信息的傳遞.例如，當(dāng)RIM模型以IFC格式存儲時，建立IFC實體類型與RIM橋梁單項工程涉及部分實體類型間的映射關(guān)系如表1所示.

表1 IFC實體類型與RIM橋梁部分實體類型的映射關(guān)系Tab.1 Mapping relationship between IFC entity type and part of RIM bridge entity type

由表1可知，建立的實體類型映射關(guān)系為一對多，為了將相同的IFC實體類型與不同的RIM實體類型相對應(yīng)，需要在IFC數(shù)據(jù)中增加標(biāo)示實體類型的自定義屬性或枚舉，把RIM模型包含的存儲對象類型語義完整、正確地傳遞到GIS應(yīng)用環(huán)境中.

3.3 屬性傳遞

作為描述實體要素特征的非幾何信息，屬性依附于實體對象而存在.不同數(shù)據(jù)格式對屬性的命名、數(shù)據(jù)類型、約束條件等內(nèi)容有不同的定義和規(guī)范方式.對RIM模型數(shù)據(jù)而言，屬性信息一般包括屬性(屬性集)名稱、關(guān)聯(lián)關(guān)系、屬性類型、屬性值數(shù)據(jù)類型和屬性值內(nèi)容5個部分.在RIMTrans格式轉(zhuǎn)換方法中，直接引用IFC規(guī)定的屬性定義和描述方式作為標(biāo)準(zhǔn)交換格式.當(dāng)具體實施屬性信息交換時，以文本記錄所屬實體對象ID、屬性(屬性集)名稱、屬性值內(nèi)容，屬性類型和屬性值數(shù)據(jù)類型則轉(zhuǎn)換成以IFC定義的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)類型字段，建立屬性元數(shù)據(jù)用以描述屬性集和屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.在GIS平臺上集成應(yīng)用時，上述屬性信息通過實體對象ID與相應(yīng)的幾何特征關(guān)聯(lián)，以數(shù)據(jù)庫記錄的形式進行存儲.RIMTrans方法的屬性信息交換及與幾何特征的關(guān)聯(lián)過程如圖8所示.

圖8 屬性信息交換及與幾何特征關(guān)聯(lián)過程Fig.8 Associate process of attribute information exchange and geometric characteristics

3.4 多層次細節(jié)簡化

如1.1節(jié)所述，在三維GIS場景中，通常采用Brep作為模型的表達方式，而為了應(yīng)對操作中場景視角和范圍頻繁變化的情況，降低系統(tǒng)運行負荷，動態(tài)地加載適宜體量的模型，幾乎所有的三維GIS平臺都支持對多層次細節(jié)信息模型的訪問.與GIS模型相比，由BIM軟件制作生產(chǎn)的RIM信息模型具有更豐富的細節(jié)，當(dāng)許多模型同時加載到同一個三維GIS場景時，系統(tǒng)將負擔(dān)海量數(shù)據(jù)的緩沖，而其中大部分數(shù)據(jù)是冗余或不必要的，這就需要通過RIMTrans中的簡化處理，丟棄次要內(nèi)容，以生成較低層次細節(jié)的模型.

與格式轉(zhuǎn)換相同，簡化處理的內(nèi)容包括幾何、語義和屬性3部分，以語義融合為主導(dǎo)，幾何和屬性隨之簡化.其中語義融合的依據(jù)為RIM建模過程中各要素的裝配層級和邏輯組織關(guān)系.以鐵路橋梁結(jié)構(gòu)模型為例，圖9展示了以組織關(guān)系樹結(jié)構(gòu)為核心，從橋墩和基礎(chǔ)(三級裝配)簡化為下部結(jié)構(gòu)(二級裝配)的處理過程.

圖9 鐵路橋梁結(jié)構(gòu)模型的簡化處理過程(從三級裝配簡化到二級裝配)Fig.9 Simplified process of structural model of railway bridge(from three-level assembly to secondary assembly)

在上述降低模型層次細節(jié)的示例中，以橋墩和基礎(chǔ)為主的三級裝配成為需要被簡化處理的語義信息，依據(jù)建模時構(gòu)成的上下層級組織關(guān)系，將二者語義融合為父結(jié)點語義“下部結(jié)構(gòu)”，相應(yīng)地，二者幾何信息則借助3.1節(jié)的特征提取和離散化技術(shù)，將墩身底部和基礎(chǔ)上部的共用面刪除，構(gòu)造出新的無縫連接連續(xù)Mesh結(jié)構(gòu)，在完成與下部結(jié)構(gòu)語義關(guān)聯(lián)后，將原始的橋墩和基礎(chǔ)的幾何、語義、屬性三類信息刪除，當(dāng)所有三級裝配內(nèi)容完成上述處理后，模型的細節(jié)層次被簡化到二級.類似地，可實現(xiàn)RIM信息模型任意細節(jié)層次的簡化處理.

4 實驗與驗證

基于達索建模軟件提供的CAA(component application architecture)二次開發(fā)API(application programming interface)函數(shù)接口，設(shè)計并實現(xiàn)了以RIMTrans格式轉(zhuǎn)換方法為核心的功能模塊，以其作為本文實驗的基礎(chǔ)工具.GIS集成平臺則選用Skyline TerraExplorer.實驗數(shù)據(jù)來源于既有RIM建模成果，包括鐵路工程中橋梁、隧道、軌道、路基4類單項工程的設(shè)計模型數(shù)據(jù).所有實驗數(shù)據(jù)均符合RIM建模規(guī)范，實體要素包含的語義、屬性等各類信息，以及彼此之間的邏輯組織關(guān)系嚴(yán)格遵循鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.實驗數(shù)據(jù)概況見表2.

從表2可以看出，4個RIM實驗數(shù)據(jù)的里程長度、構(gòu)件數(shù)量、屬性集類型數(shù)目各不相同，而且這4類單項工程關(guān)注的設(shè)計對象不同，所包含的構(gòu)件類型也具有特殊性.其中，軌道模型數(shù)據(jù)的里程長度最長，包含的構(gòu)件數(shù)量最多，然而包含的構(gòu)件種類最少;相反，橋梁模型的里程長度最短，包含的構(gòu)件數(shù)量最少，構(gòu)件種類最多.以上4個實驗數(shù)據(jù)的幾何外觀造型如圖10所示.上述概況表明，反映于不同的實驗數(shù)據(jù)，通過RIMTrans方法處理和轉(zhuǎn)換的幾何、語義、屬性3類信息在數(shù)據(jù)量、復(fù)雜度等方面，具有不同的代表性.

表2 實驗RIM模型數(shù)據(jù)概況Tab.2 Overview of experimental RIM model data

圖10 實驗采用的RIM模型幾何造型Fig.10 RIM models used in the experiment

從構(gòu)造Mesh的三角面數(shù)量、內(nèi)存占用大小兩個方面，對比上述實驗?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)多層次細節(jié)簡化處理前后的效果，統(tǒng)計結(jié)果見表3.實驗表明，隧道模型簡化的效果最優(yōu)，能夠大幅減少Mesh面的數(shù)量，降低計算機內(nèi)存的耗用，路基模型的效果次之，而構(gòu)造軌道和橋梁模型Mesh的三角面不但沒有被簡化，反而數(shù)量增多，且占用更多的計算機資源.這是因為隧道模型相鄰環(huán)拱、路基模型相鄰填筑層之間具有相同的共用面，簡化處理時刪除原有構(gòu)造共用面的節(jié)點，同時合并相鄰的外殼面，重構(gòu)后的Mesh網(wǎng)型得以簡化;而橋梁模型(如橋墩和基座)和軌道模型(如軌道板和鋼軌)相鄰構(gòu)件間的共用面均為相互包含關(guān)系，由于多層次細節(jié)處理時需要采用兩面要素輪廓上離散的節(jié)點重構(gòu)外殼，導(dǎo)致需要更多的三角面構(gòu)造Mesh網(wǎng)型，增添了冗余的信息.因此，是否應(yīng)該對RIM執(zhí)行多層次細節(jié)簡化處理，取決于模型構(gòu)件之間共用面的拓撲關(guān)系.

表3 多層次細節(jié)簡化實驗結(jié)果Tab.3 Experimental results of multi-level detail facilitation

分別從效率、完整性和正確性3個方面對轉(zhuǎn)換過程和結(jié)果進行測評.由于語義信息和屬性信息的交換過程不涉及復(fù)雜的算法，因而影響RIMTrans執(zhí)行效率的主要是幾何特征提取和離散處理過程.其中，取決于待處理幾何表面的形式，刪除內(nèi)部共用面的布爾運算效率差異明顯;另一方面，擬合精度參數(shù)Dfrag不僅決定了Mesh結(jié)點和網(wǎng)格的數(shù)量，也直接影響了Mesh離散處理的運算復(fù)雜度.完整性檢驗是指評價幾何、語義、屬性3類信息在格式轉(zhuǎn)換前后是否丟失，正確性檢驗則評價上述信息是否發(fā)生錯誤、不一致或歧義.實驗測試與評價結(jié)果如表4所示，與原始RIM模型相比，轉(zhuǎn)換后模型信息的完整性達85%，正確性達100%.

表4中各項評價指標(biāo)表明，對于相同的RIM模型，RIMTrans方法的轉(zhuǎn)換效率隨擬合精度參數(shù)Dfrag的增大而提高，Dfrag取值越小，曲線邊界上需要采樣的結(jié)點數(shù)越多，Mesh網(wǎng)格越密集，構(gòu)建Mesh網(wǎng)格耗費的時間越多.不同實驗數(shù)據(jù)間相比，由于里程長度短，構(gòu)件總數(shù)少，幾何造型復(fù)雜度低，橋梁模型轉(zhuǎn)換的速度最快;隧道模型的里程長度、構(gòu)件總數(shù)和幾何造型復(fù)雜度在4個實驗數(shù)據(jù)中處于平均水平，轉(zhuǎn)換速度適中;軌道模型里程長度最長，構(gòu)件總數(shù)最多，盡管構(gòu)件類型數(shù)量在所有實驗數(shù)據(jù)中最少，卻需要對所有構(gòu)件逐一執(zhí)行處理運算，轉(zhuǎn)換效率最低;路基模型的構(gòu)件數(shù)量雖然不多，然而它與地質(zhì)體相關(guān)程度高，模型中包含了由復(fù)雜曲面構(gòu)成的地質(zhì)層幾何信息，增加了Mesh轉(zhuǎn)換處理的時間耗用，效率降低的情況顯著.綜上統(tǒng)計時間數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，時間耗用降低可達70%.

表4 實驗測試與評價結(jié)果Tab.4 Experimental test and evaluation results

由于建立了詳細完備的實體定義、屬性類型、屬性值數(shù)據(jù)類型的映射和對應(yīng)關(guān)系表，自編的工具軟件可控性高，同時原始RIM模型內(nèi)構(gòu)件之間的邏輯組織關(guān)系條理清晰，經(jīng)對比檢查，格式轉(zhuǎn)換后各單項工程三維信息模型附帶的幾何、語義和屬性3類信息沒有發(fā)生丟失或錯誤情況，由于對橋梁和隧道模型執(zhí)行了多層次簡化處理，3類信息的完整程度降低，實驗效果良好.

圖11展示了所有實驗數(shù)據(jù)在三維GIS平臺下的集成效果.

圖11 實驗數(shù)據(jù)在Skyline TerraExplorer中的集成效果Fig.11 Experimental results in Skyline TerraExplorer

5 結(jié)論

本文提出一種面向GIS應(yīng)用的鐵路工程三維信息模型格式轉(zhuǎn)換方法RIMTrans，該方法綜合利用三維模型體表面特征提取、面元拆分與離散、Mesh網(wǎng)形構(gòu)建等算法，結(jié)合規(guī)范化的映射機制和標(biāo)準(zhǔn)存儲方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對RIM模型所包含幾何、語義和屬性3類信息的快速、完整和正確交換.實驗結(jié)果表明，RIM模型造型復(fù)雜度與Mesh擬合精度是影響格式轉(zhuǎn)換效率和幾何表達效果的兩個最重要因素，在實際GIS平臺模型集成應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)需求配置合理的參數(shù).當(dāng)前，RIMTrans方法已在多個鐵路工程三維設(shè)計項目中得到應(yīng)用和推廣，初步解決了RIM模型跨GIS平臺的集成應(yīng)用問題，提高了設(shè)計模型的重用性和數(shù)據(jù)的共享性，降低了因重復(fù)設(shè)計導(dǎo)致的資源浪費.未來進一步的研究將關(guān)注于RIMTrans方法對模型紋理信息的傳遞和交換，以及模型輕量化的技術(shù)路線，并致力于將該方法擴展到更多、更廣泛的鐵路工程專業(yè)領(lǐng)域，提高RIM在三維GIS平臺下應(yīng)用的技術(shù)水平.

致謝:中國鐵路設(shè)計集團有限公司內(nèi)部引導(dǎo)課題(721599，721783).

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