一種市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與三維GIS數(shù)據(jù)集成方法

陳 光,薛 梅,劉金榜,何興富,周智海

(重慶市勘測院,重慶 401121)

0 引 言

近年來,以協(xié)同工作和信息集成為目標(biāo)的建筑信息模型(Building Information Modeling,BIM)技術(shù)被廣泛推廣[1].然而,BIM主要被用于對單個(gè)項(xiàng)目工程的設(shè)計(jì)、管理應(yīng)用,很難顧及建筑周邊宏觀的地理環(huán)境因素的影響,而市政道路、公路建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施與大范圍沿線地形、地質(zhì)、景觀以及建成區(qū)現(xiàn)狀等關(guān)系密切[2].為了實(shí)現(xiàn)真正的從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工運(yùn)營的工程全生命周期數(shù)字化管理目標(biāo),越來越多的學(xué)者開展了BIM與地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System,GIS)的集成應(yīng)用研究.

現(xiàn)有BIM和GIS集成研究主要集中于工業(yè)基礎(chǔ)類(Industry Foundation Classes,IFC)與CityGML兩類標(biāo)準(zhǔn)之間的集成[3],而道路BIM具有特殊的語義結(jié)構(gòu),現(xiàn)有集成框架和方法在處理市政道路BIM和GIS集成的應(yīng)用中具有很大局限性.Deng[4]提出了BIM和3D GIS在不同細(xì)節(jié)層次上的映射框架,并且基于中間模式和實(shí)例比較實(shí)現(xiàn)了要素的相互轉(zhuǎn)換,但其并未涉及道路對象的信息交換.Lee[5]在IFC中增加定義了三維道路模型以表達(dá)其對象的語義信息;Rebolj[6]介紹了一種表達(dá)道路橫斷面的PMC模型,并且被引入為LandXML模式中的DesignCrossSectSurf元素定義.此類研究是在現(xiàn)有BIM模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展對道路對象的支持,實(shí)際上不同專業(yè)領(lǐng)域通過簡單模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信息交互的方法只保留了少量的語義信息,應(yīng)用局限性十分明顯[3].

本文提出一種市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與GIS集成方法,總體技術(shù)框架如圖1所示.首先,基于CityGML應(yīng)用程序域擴(kuò)展(Application Domain Extensions,ADE)框架對現(xiàn)有的道路模型進(jìn)行擴(kuò)展,形成支持完整道路要素的擴(kuò)展道路設(shè)計(jì)模型;然后,按照自底向上的語義順序解析LandXML道路設(shè)計(jì)交換格式文件,獲取道路設(shè)計(jì)方案的實(shí)體、幾何、屬性和要素關(guān)系信息;考慮到BIM對象與GIS模型的幾何表達(dá)差異,研究實(shí)現(xiàn)掃掠實(shí)體模型向邊界表面模型的方法;最后,以擴(kuò)展道路設(shè)計(jì)模型格式存儲轉(zhuǎn)換后的道路設(shè)計(jì)模型,實(shí)現(xiàn)與三維GIS模型數(shù)據(jù)的一體化集成展示.

圖1 總體技術(shù)框架圖Fig.1 Technical Framework

1 方法原理

1.1 擴(kuò)展道路設(shè)計(jì)模型定義

1)CityGML ADE擴(kuò)展框架

研究對比道路BIM設(shè)計(jì)模型和以CityGML為代表的GIS模型,可以發(fā)現(xiàn)道路設(shè)計(jì)模型中包含更多的實(shí)體、語義和幾何信息,因此,需要對GIS模型進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)之間的無縫集成.CityGML ADE是一種擴(kuò)展和添加模型的框架,允許對現(xiàn)有模型進(jìn)行擴(kuò)展,包括對現(xiàn)有的CityGML對象定義新的屬性以及建立新的對象模型.ADE被定義為擁有獨(dú)立命名空間的XML Schema Definition(XSD)文件[7],可以顯式地導(dǎo)入CityGML擴(kuò)展模塊中,并對XML模型文件進(jìn)行驗(yàn)證.

2)道路要素映射

現(xiàn)實(shí)中道路是由多種實(shí)體要素構(gòu)成,如路面鋪裝層、隔離帶、排水溝、路緣石等,如圖2所示.同時(shí),基于參數(shù)的道路設(shè)計(jì)過程引入了豐富的幾何要素來對道路實(shí)體對象進(jìn)行參數(shù)化表達(dá),如平面線形(直線、緩和曲線、圓曲線)、縱斷面(圓曲線、拋物線等)、橫斷面(路寬、路拱、超高、加寬等)等.建立CityGML ADE擴(kuò)展模型,首先需要構(gòu)建道路要素與ADE要素的映射關(guān)系.

圖2 路段實(shí)體要素關(guān)系示意圖[5]Fig.2 Sketch map of relationship of physical elements of road section

通過全面分析道路實(shí)體要素,根據(jù)應(yīng)用特征將道路要素分為實(shí)體要素和幾何要素兩大類.幾何要素為道路對象的基礎(chǔ)要素,主要表達(dá)道路幾何、拓?fù)涞刃畔?實(shí)體要素對應(yīng)具有語義信息的道路部件,每類部件又是由幾何要素和屬性信息構(gòu)成.對每類實(shí)體要素和幾何要素分別建立對應(yīng)的ADE要素,并賦予唯一的編碼標(biāo)識.

3)擴(kuò)展道路設(shè)計(jì)模型

本研究基于CityGML既有類,通過定義新的要素類的方式來建立道路擴(kuò)展模型,擴(kuò)展ADE定義在外部XML Schema文件中.ADE擴(kuò)展模型繼承自CityGML標(biāo)準(zhǔn)原生定義的交通模型類要素(_TransportationObject)的道路(Road)子要素.道路ADE擴(kuò)展模型包括兩個(gè)分支:擴(kuò)展路段要素(ADE RoadSegment)和擴(kuò)展空間約束要素(ADE SpatialConstraint).擴(kuò)展路段要素包括路段幾何要素和實(shí)體要素的構(gòu)成和屬性定義;擴(kuò)展空間約束則定義了路段要素幾何表達(dá)的基礎(chǔ)要素.根據(jù)要素映射結(jié)果構(gòu)建道路ADE擴(kuò)展模型如圖3所示.

圖3 道路的CityGML ADE擴(kuò)展模型UML圖Fig.3 UML diagram of road ADE CityGML extended model

1.2 語義化解析

本文采用自底向上的方式解析道路BIM模型文件,依次解析道路設(shè)計(jì)模型的幾何要素和屬性信息,然后根據(jù)要素關(guān)系還原道路實(shí)體要素.

路線設(shè)計(jì)是道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),路線通常由直線和各類曲線組合構(gòu)成,以表達(dá)道路中心在平面上連續(xù)的位置和方向信息,即平面線形[8].道路線形設(shè)計(jì)通常由直線、圓曲線和緩和曲線組合來構(gòu)成不同的復(fù)合線形.不同的偏移路線與道路中線共同構(gòu)成了道路橫斷面的框架結(jié)構(gòu).偏移路線與道路中線在LandXML中對應(yīng)的都是Alignment節(jié)點(diǎn),路線記錄之間沒有顯式關(guān)聯(lián)關(guān)系,研究通過制定命名規(guī)則實(shí)現(xiàn)同一路段不同路線之間的關(guān)聯(lián),即路線名稱的定義規(guī)則為:[路段名稱]+[子分段序號]+[方向]+[dlzx/部件類型].根據(jù)Alignment節(jié)點(diǎn)的name屬性來查找道路中線及其偏移線,并根據(jù)命名,確定偏移線之間的部件對象(車行道、人行道等)的關(guān)聯(lián).

當(dāng)路線發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí),不同橫斷面位置的偏移線的長度存在差別,路線的線形構(gòu)成也相互不同,本研究采用道路樁號輔助,實(shí)現(xiàn)不同位置道路橫斷面線形的相互關(guān)聯(lián).根據(jù)對路段細(xì)節(jié)特征的要求,以道路中心為橫向基準(zhǔn),沿道路走向設(shè)置固定間隔的樁位(如公里樁、百米樁等),沿樁位位置作道路中線的法線,與道路偏移線相交的點(diǎn)位記為相同的樁號,從而實(shí)現(xiàn)道路中線和偏移線在不同路段位置的關(guān)聯(lián),為后續(xù)路段特征表達(dá)提供支撐.

縱斷面線形設(shè)計(jì)與平面線形設(shè)計(jì)類似,通常由直線段和圓形曲線或?qū)ΨQ拋物線組合構(gòu)成,在LandXML文件Alignment元素下的Profile子元素表達(dá),包括曲面縱斷面(ProfSurf)和設(shè)計(jì)縱斷面(ProfAlign).通過綜合同一路線的平面和縱斷面線形設(shè)計(jì),可以得到該路線的三維幾何信息.

LandXML中采用離散采樣橫斷面信息來組織表達(dá)道路設(shè)計(jì)方案.橫斷面設(shè)計(jì)模式如圖4所示.CrossSect元素下的每個(gè)DesignCrossSectSurf子元素為構(gòu)成當(dāng)前橫斷面的一個(gè)部件,包含其名稱、位置(中線的左側(cè)或右側(cè))、形狀(輪廓節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)串)等信息.橫斷面部件通常按照設(shè)計(jì)順序依次排列:中間隔離部件,右側(cè)從中間向右外側(cè)(直到邊坡),左側(cè)從中間向左外側(cè)(直到邊坡).部件的幾何特征通常是多邊形,如矩形,則CrossSectPnt中按順時(shí)針方向列出各節(jié)點(diǎn)的"代碼"和橫斷面平面坐標(biāo)(x,y).解析橫斷面信息的步驟:首先,根據(jù)"side"屬性,先把當(dāng)前橫斷面一側(cè)的所有部件信息全部讀出,然后根據(jù)每個(gè)部件的位置(x坐標(biāo))來判斷路段的橫向結(jié)構(gòu).

上述解析得到的幾何要素中,平面線形和縱斷面線形聯(lián)合可表達(dá)為三維曲線,道路橫斷面幾何對象節(jié)點(diǎn)沿相應(yīng)的三維曲線進(jìn)行平移,形成的掃掠實(shí)體模型即為道路實(shí)體要素.根據(jù)橫斷面DesignCrossSectSurf要素的name屬性可以確定各橫斷面部件實(shí)體對象的類別.

圖4 道路橫斷面的LandXML設(shè)計(jì)模式Fig.4 LandXML schema def i nition of road cross section

上述解析得到的幾何要素中,平面線形和縱斷面線形聯(lián)合可表達(dá)為三維曲線,道路橫斷面幾何對象節(jié)點(diǎn)沿相應(yīng)的三維曲線進(jìn)行平移,形成的掃掠實(shí)體模型即為道路實(shí)體要素.根據(jù)橫斷面DesignCrossSectSurf要素的name屬性可以確定各橫斷面部件實(shí)體對象的類別.

1.3 幾何模型轉(zhuǎn)換

道路設(shè)計(jì)模型通常是基于橫斷面部件裝配模型和道路平縱線形設(shè)計(jì)生成的掃掠實(shí)體模型(Swept Solid),要將其轉(zhuǎn)換為CityGML ADE中定義的邊界表面模型(Boundary Representation, BRep)[9],需要執(zhí)行要素表面模型轉(zhuǎn)換,具體過程如下:

1)將掃掠平面和掃掠線坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)值;然后,定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)基于掃掠面和掃掠線生成邊界表面,設(shè)掃掠平面的邊為AB,A=(XA,YA,ZA),B=(XB,YB,ZB),掃掠向量V=(XV,YV,ZV),掃掠后邊點(diǎn)坐標(biāo)如下:

2)新生成的掃掠平面為AA'B'B可直接轉(zhuǎn)換為邊界表面.

當(dāng)掃掠線為曲線時(shí),可將其表示為一系列相連的點(diǎn)串,如下:

設(shè)曲線中點(diǎn)Pn位置的切線向量為Tn,定義如下:

3)在掃掠平面邊界上選定點(diǎn)A=(XA,YA,ZA,0),則其對應(yīng)在掃掠曲面上的近似點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式如下:

式中,Mn由Tn構(gòu)成(式(5)),N為掃掠曲線所在平面的法向量.

以上方法難以應(yīng)對路段加寬和超高情況.從行車安全考慮,車道通常存在加寬設(shè)計(jì),即在進(jìn)入彎道和離開彎道時(shí),車行道路面寬度存在漸變(通常為車行道偏移線發(fā)生加寬偏移),并且道路橫斷面也存在超高處理,即外側(cè)路面高于內(nèi)側(cè)路面.對于超高和加寬設(shè)計(jì)路段,無法利用上述掃掠實(shí)體轉(zhuǎn)換方法生成表面實(shí)體模型.本研究以道路中線與偏移線的空間約束關(guān)系為基礎(chǔ),通過離散化處理來獲得路段表面模型:采用前述橫斷面線形關(guān)聯(lián)的方法(等步長采樣和法線相交)將加寬和超高路段劃分為離散的面片;根據(jù)兩側(cè)線形位置上的部件(隔離帶、路緣石等)寬度尺寸修正面片寬度;結(jié)合部件厚度信息重新定位面片位置.

道路設(shè)計(jì)模型中,橫斷面的位置是以sta屬性字段中記錄的道路樁號來標(biāo)識.因此,需要對道路幾何模型進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,來得到模型在真實(shí)世界的絕對位置.通常情況下,道路設(shè)計(jì)軟件都是在三維數(shù)字地形數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上開展設(shè)計(jì)工作,而LandXML道路設(shè)計(jì)模型文件的路線要素中記錄有每條直線路段的起始點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值,該坐標(biāo)值對應(yīng)的坐標(biāo)系與地形數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系保持一致.因此,本研究以道路平面線性的絕對坐標(biāo)位置為參照,根據(jù)部件對象在橫斷面上的偏移值來計(jì)算得到其絕對坐標(biāo)值.

2 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)以尹朝社周邊市政道路工程項(xiàng)目的道路設(shè)計(jì)成果為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖5a所示,利用本文方法將其與周邊三維GIS模型數(shù)據(jù)進(jìn)行集成應(yīng)用.項(xiàng)目位于重慶市九龍坡區(qū),區(qū)域地形起伏較大,北高南低,高低臺地明顯,共含3條次干路、1條支路,設(shè)計(jì)道路總長約3 km.項(xiàng)目以Autodesk Civil 3D 2015為道路BIM設(shè)計(jì)平臺,以項(xiàng)目區(qū)域的1:500地形圖數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù),通過地形曲面構(gòu)建、平面線性設(shè)計(jì)、縱斷面設(shè)計(jì)、橫斷面裝配設(shè)計(jì)等過程,完成三維道路設(shè)計(jì)模型的制作,并輸出LandXML格式的道路設(shè)計(jì)文件作為本文集成實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)源.

實(shí)驗(yàn)以自主研發(fā)的集景三維數(shù)字城市平臺為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,按照本研究設(shè)計(jì)的CityGML ADE擴(kuò)展道路模型和轉(zhuǎn)換方法對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理,并在平臺中集成加載轉(zhuǎn)換后的模型數(shù)據(jù)和周邊場景數(shù)據(jù).最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5b所示,圖中紅色線條為包括邊坡在內(nèi)的道路范圍線,其內(nèi)部為道路設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)換后的CityGML模型數(shù)據(jù).從整體集成效果來看,道路設(shè)計(jì)模型與區(qū)域現(xiàn)狀三維模型接合完整,包括與已有道路、以及周邊地形的接合效果均滿足三維GIS展示要求.

圖5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體集成對比Fig.5 Comparison of entire integrated results of experimental data

進(jìn)一步檢查道路模型集成結(jié)果,以Civil 3D中某一路段的橫斷面裝配設(shè)計(jì)為參照,如圖6a所示,查看對應(yīng)路段GIS模型的細(xì)部特征.橫斷面裝配設(shè)計(jì)包括以下部件:邊坡、人行道、路緣石、車行道等,中間無隔離帶部件.路段集成實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6b所示,從橫斷面結(jié)構(gòu)來看,集成模型準(zhǔn)確反映了裝配設(shè)計(jì),其中設(shè)計(jì)模型中部件與偏移線關(guān)聯(lián),使得集成模型中兩側(cè)車行道寬度不一致.另外,實(shí)驗(yàn)平臺根據(jù)道路設(shè)計(jì)模型中預(yù)置的部件造型材質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)化默認(rèn)的紋理貼圖,集成模型具有很好的仿真可視化效果.

圖6 路段橫斷面細(xì)部集成效果對比圖Fig.6 Comparison of road section transformation results

對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的交叉口路段,選擇項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)的T型交叉口設(shè)計(jì)模型為實(shí)驗(yàn)參照對象,如圖7a所示,該交叉口由支路與主干道平面相交構(gòu)成,路面未采用渠化設(shè)計(jì).由于該區(qū)域臺地地勢高程變化較大,因此采取了多級高邊坡開挖設(shè)計(jì).檢查交叉口細(xì)部集成模型,路段之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)完整,路段間橫斷面模型接合準(zhǔn)確,兩側(cè)多級邊坡模型準(zhǔn)確反映實(shí)際設(shè)計(jì)成果.

圖7 道路交叉口細(xì)部集成效果對比圖Fig.7 Detail integration eあect contrast of road intersection

實(shí)驗(yàn)對比其他道路模型交換集成方法,將道路工程分別導(dǎo)出為LandXML格式和IMX格式的交換文件,然后直接導(dǎo)入商業(yè)平臺Autodesk InfraWorks,與工程周邊的數(shù)字表面模型集成展示.可視化效果如圖8所示,可以看出,道路BIM模型的平面線形、縱斷面,以及橫斷面邊坡的幾何信息被集成保留,然而,路面和邊坡的紋理、以及多級邊坡幾何特征均被丟失,集成后的道路橫斷面裝配信息也未能完整表達(dá)原道路工程的橫斷面裝配設(shè)計(jì).

圖8 傳統(tǒng)交換格式集成道路BIM工程對比實(shí)驗(yàn)Fig.8 Comparison experiment of traditional interchange formats of integrated road BIM

通過整體到細(xì)部、橫斷面結(jié)構(gòu)到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、以及紋理和高程等設(shè)計(jì)要素的模型集成和對比分析,可以看出,本研究設(shè)計(jì)的CityGML ADE擴(kuò)展道路模型完整地承載了道路BIM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),同時(shí)模型轉(zhuǎn)換集成方法在轉(zhuǎn)換過程中較好地保持了設(shè)計(jì)成果的空間、語義、拓?fù)涞刃畔?尹朝社項(xiàng)目包含了典型市政道路設(shè)計(jì)的綜合特征,通過對本文方法的集成實(shí)驗(yàn)分析證明了該方法的有效性.

3 結(jié)束語

本文以CityGML標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),研究建立了擴(kuò)展道路設(shè)計(jì)模型,支持道路BIM設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)與三維GIS模型數(shù)據(jù)的集成存儲和表達(dá);然后,研究了基于LandXML標(biāo)準(zhǔn)交換格式文件的道路設(shè)計(jì)模型解析方法,并建立了參數(shù)化設(shè)計(jì)模型向GIS模型的幾何轉(zhuǎn)換方法.實(shí)驗(yàn)分析表明本文方法在要素完整性和結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)較好.通過集成市政道路BIM設(shè)計(jì)模型和GIS數(shù)據(jù),一方面,可以利用豐富的三維城市模型輔助市政道路規(guī)劃設(shè)計(jì),綜合考量城市景觀和拆遷范圍,優(yōu)化道路設(shè)計(jì)方案,另一方面,可以實(shí)現(xiàn)從微觀到宏觀的三維空間數(shù)據(jù)的管理與可視化分析,支撐大規(guī)模道路工程的協(xié)同分析和共享應(yīng)用,提高數(shù)據(jù)應(yīng)用效率.