Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范》內(nèi)容解析

黃一昕,楊全亮,蔣函珂,范登科

(1.中國(guó)鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司科技信息化部,北京 100844； 3.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300308)

1 編制背景

隨著數(shù)字化時(shí)代的到來(lái)，3S技術(shù)(RS，GPS，GIS)在我國(guó)迅速發(fā)展[1]，在資源管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、國(guó)防以及軍事等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[2-3]。在鐵路行業(yè)，為了順應(yīng)時(shí)代信息化的發(fā)展趨勢(shì)，應(yīng)用地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)技術(shù)構(gòu)建鐵路地理信息系統(tǒng)已逐漸成為鐵路信息化建設(shè)與管理領(lǐng)域中極具前景的發(fā)展方向之一[4-5]，建設(shè)現(xiàn)代化的鐵路地理信息系統(tǒng)要求迫切[6]。

三維GIS技術(shù)憑借對(duì)客觀世界真實(shí)的表達(dá)與展示[7]，已廣泛應(yīng)用于鐵路工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)各個(gè)階段，其形成的信息化服務(wù)平臺(tái)極大地提高了項(xiàng)目數(shù)字化和智能化水平，形成了以京張、京雄、川藏為代表的鐵路工程。此外，三維GIS技術(shù)可以與BIM(Building Information Modeling)技術(shù)結(jié)合，深化多領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用，共同建造鐵路工程信息模型，為鐵路工程建設(shè)的信息化、可視化管理提供技術(shù)手段[8]。

目前，鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)在定義、處理、分析、傳遞和共享等方面存在數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一、信息共享差、管理難度大等問題。因此，編制新的數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范，以約束相關(guān)技術(shù)路線和方案，保證鐵路地理信息系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的采集、處理、交換、更新、組織、管理和使用的層面上達(dá)成統(tǒng)一。

2 現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的地理信息標(biāo)準(zhǔn)缺少一套完整的、詳細(xì)的、可用于鐵路工程要素表達(dá)、組織和管理的三維地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。各項(xiàng)獨(dú)立的地理信息標(biāo)準(zhǔn)無(wú)法科學(xué)有效地規(guī)范鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)。

例如，在GB/T 25529—2010《地理信息分類與編碼規(guī)則》[9]中，只將鐵路劃分為交通類地理要素。對(duì)鐵路工程要素的描述相對(duì)簡(jiǎn)單，關(guān)注度和粒度還處于比較低的水平，缺少對(duì)鐵路相關(guān)基建設(shè)施、構(gòu)筑物、四電系統(tǒng)等細(xì)節(jié)的全面定義和詳細(xì)組織。在GB/T 19710—2005《地理信息 元數(shù)據(jù)》[10]中，針對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行描述的元數(shù)據(jù)元素非常全面，但缺少對(duì)鐵路工程要素模型元數(shù)據(jù)的定義。在CH/T 901616—2012《基礎(chǔ)地理信息 三維模型生產(chǎn)規(guī)范》[11]和CH/T 9017—2012《基礎(chǔ)地理信息 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)規(guī)范》[12]中，缺少對(duì)鐵路三維實(shí)體對(duì)象的關(guān)注程度和層次深度，其語(yǔ)義層次、邏輯關(guān)系表達(dá)不明確。

因此，亟需編制適用于鐵路工程的三維地理信息數(shù)據(jù)的技術(shù)規(guī)范。Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范》就是結(jié)合鐵路行業(yè)的自身特點(diǎn)，在總結(jié)既有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，科學(xué)性、系統(tǒng)性地對(duì)我國(guó)鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、更新、管理和應(yīng)用做出規(guī)定，填補(bǔ)了我國(guó)在鐵路工程中規(guī)范化使用地理信息數(shù)據(jù)的空白，滿足當(dāng)前提升地理信息服務(wù)能力和技術(shù)水平的迫切需要，為進(jìn)一步推廣鐵路工程的數(shù)字化和信息化奠定良好的制度基礎(chǔ)。

3 標(biāo)準(zhǔn)編制原則

(1)應(yīng)反映新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用，統(tǒng)一數(shù)據(jù)要求，實(shí)現(xiàn)信息共享。

(2)實(shí)現(xiàn)鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新、管理與應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)化，體現(xiàn)技術(shù)運(yùn)用的科學(xué)性、先進(jìn)性和適用性。

(3)結(jié)合三維地理信息在鐵路行業(yè)中的應(yīng)用特點(diǎn)及實(shí)際需要，吸納近年科研成果和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，提高指導(dǎo)性和可操作性。

4 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范》共分為8章，包括：總則，術(shù)語(yǔ)和符號(hào)，坐標(biāo)系統(tǒng)及其轉(zhuǎn)換，要素分類與編碼規(guī)則，元數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新，數(shù)據(jù)組織與管理，數(shù)據(jù)交換與互操作，數(shù)據(jù)質(zhì)量，另有5個(gè)附錄。本文主要對(duì)具有鐵路工程特色的章節(jié)進(jìn)行闡述。

4.1 模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換精度

本規(guī)范規(guī)定鐵路工程三維地理信息模型在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)，宜采用頂點(diǎn)級(jí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換或?qū)ο蠹?jí)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。這是由于鐵路工程三維模型數(shù)據(jù)一般由多個(gè)獨(dú)立構(gòu)件裝配而成，各構(gòu)件都有獨(dú)立的定位定姿參數(shù)，因此坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是逐構(gòu)件(對(duì)象級(jí))進(jìn)行的，一般使用平移、旋轉(zhuǎn)、縮放進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。在進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換時(shí)通常存在兩類變形，一是由地圖投影參數(shù)不同而引起的變形，二是由地球曲率影響引起的變形。

其中，地圖投影參數(shù)引起的變形主要是由高斯投影的子午線收斂角造成，即距離投影子午線越遠(yuǎn)，偏角越大，緯度越高偏角越大。通過數(shù)學(xué)計(jì)算驗(yàn)證，在同一個(gè)位置不同長(zhǎng)度的模型計(jì)算得出的子午線收斂角十分接近，因此，對(duì)于不同長(zhǎng)度的模型使用同一個(gè)收斂角改正值即可達(dá)到十分高的幾何精度，為保證轉(zhuǎn)換精度無(wú)需對(duì)模型進(jìn)行拆分。由地球曲率造成的變形主要表現(xiàn)在長(zhǎng)度方向和橫向。通常，由于徑向偏差值較小，可忽略不計(jì)，最終指標(biāo)取橫向最大值。

4.2 要素分類與編碼

要素分類與編碼原則參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 25529—2010《地理信息分類與編碼規(guī)則》[9]的分類內(nèi)容，在“專業(yè)要素”(門類)→“基礎(chǔ)設(shè)施要素”(亞門類)→“交通基礎(chǔ)設(shè)施”(大類)下，存在名為“鐵路基礎(chǔ)設(shè)施及運(yùn)營(yíng)與管理要素”的中類項(xiàng)目(編碼為2510100000)，應(yīng)用該節(jié)點(diǎn)下預(yù)留的低5位，從GIS應(yīng)用的視角對(duì)鐵路工程要素進(jìn)行細(xì)分和編碼，補(bǔ)充完善更詳細(xì)的語(yǔ)義信息。

分類依據(jù)來(lái)源于兩個(gè)方面：一是根據(jù)鐵路BIM聯(lián)盟發(fā)布的《鐵路工程信息模型分類與編碼標(biāo)準(zhǔn)》[13]中對(duì)鐵路工程勘察設(shè)計(jì)階段各專業(yè)涉及內(nèi)容的劃分視角和方法，使BIM和GIS在語(yǔ)義層上的交換和融合更為順暢。二是根據(jù)國(guó)鐵集團(tuán)工管中心對(duì)鐵路工程建設(shè)管理信息平臺(tái)表達(dá)內(nèi)容提出的要求，重點(diǎn)劃分了鐵路工程周邊受關(guān)注的地理要素，以便于數(shù)據(jù)的分類組織管理和運(yùn)算分析。例如，鐵路工程要素模型的劃分是按照設(shè)計(jì)專業(yè)的不同分為場(chǎng)站段所、軌道、路基、橋涵、隧道及明洞等16大類，每一大類又根據(jù)其不同作用劃分為若干小類。例如，橋涵可分為人行橋、鐵路橋、公路橋、公鐵兩用橋等。

此外，針對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)維護(hù)階段涉及的要素，為保證鐵路地理信息數(shù)據(jù)在運(yùn)營(yíng)維護(hù)中的應(yīng)用延續(xù)性，經(jīng)與相關(guān)部門協(xié)商一致，本規(guī)范建立了與Q/CR520—2016《鐵路地理信息分類與編碼》[14]的映射關(guān)系，以確保兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)調(diào)使用。

4.3 模型分類與層次

本規(guī)范將鐵路工程三維地理信息模型按照模型類型劃分為地形模型、鐵路工程要素模型、建筑模型、其他模型四類。每個(gè)模型分別對(duì)應(yīng)四個(gè)細(xì)節(jié)層次(LOD，Level of details)，即LOD1、LOD2、LOD3、LOD4，如表1所示。

表1 Q/CR9157—2020模型分類與細(xì)節(jié)層次

其中，地形模型、建筑模型以及其他模型的類型劃分主要依據(jù)CJJT 157—2010《城市三維建筑技術(shù)規(guī)范》[15]，見表2。值得注意的是，鐵路工程要素模型指標(biāo)確定在參照交通設(shè)施模型基礎(chǔ)上，主要根據(jù)鐵路工程要素特點(diǎn)，將其層次劃分為線路中心線、概略模型、簡(jiǎn)化模型和精細(xì)模型。

表2 CJJT 157—2010模型分類與細(xì)節(jié)層次

本規(guī)范中對(duì)LOD細(xì)節(jié)層次的劃分，主要參考CRBIM 1004—2007《鐵路工程信息模型交付精度標(biāo)準(zhǔn)1.0版》[16]規(guī)范，模型精度基本等級(jí)規(guī)定如表3所示。其中，鐵路工程信息模型交付精度的LOD1.0、LOD2.0、LOD3.0、LOD3.5分別與本規(guī)范的LOD1、LOD2、LOD3、LOD4相對(duì)應(yīng)，為鐵路工程不同階段的模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)提供依據(jù)。需要注意的是在LOD4.0和LOD5.0為BIM精細(xì)等級(jí)，在鐵路工程三維地理信息中暫不涉及，這是由于GIS更加偏重模型宏觀場(chǎng)景的制作，對(duì)微觀的精細(xì)模型關(guān)注較少。

表3 CRBIM 1004—2007模型精度基本等級(jí)

4.4 模型數(shù)據(jù)組織

模型數(shù)據(jù)組織主要對(duì)地形模型、工程要素模型、建筑模型和其他模型的組織方式及采用各類組織方式的條件進(jìn)行了規(guī)定。例如，在對(duì)地形模型的數(shù)據(jù)組織中，鐵路大場(chǎng)景模型數(shù)據(jù)宜采用混合分辨率數(shù)據(jù)，帶狀的鐵路線路及沿鐵路線路一定范圍內(nèi)的地形模型與影像應(yīng)采用高分辨率數(shù)據(jù)，距鐵路線較遠(yuǎn)處應(yīng)采用低分辨率數(shù)據(jù)。

模型數(shù)據(jù)組織的編制依據(jù)包括兩個(gè)方面：一是在參照GBT37120—2018《軌道交通地理信息數(shù)據(jù)規(guī)范》[17]的內(nèi)容，采用GIS行業(yè)常用的分區(qū)、分塊組織方式。二是結(jié)合既有生產(chǎn)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)對(duì)鐵路模型數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展或精簡(jiǎn)，具體表現(xiàn)為根據(jù)模型在規(guī)劃、預(yù)可研、可研、施工圖四個(gè)階段的精度要求，用不同粒度對(duì)模型進(jìn)行分級(jí)組織和展示。以地形模型為例，按照分級(jí)組織方式，不同細(xì)節(jié)層次地形模型在三維場(chǎng)景中的表現(xiàn)形式示意如圖1～圖4所示，即規(guī)劃階段采用低精度DEM和TM衛(wèi)星影像制作三維地形模型；預(yù)可研階段采用低精度DEM和Google衛(wèi)星影像制作三維地形模型；可研階段可采用航拍獲取的高精度DEM和DOM制作三維地形模型；施工圖采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影獲取的高精度制作三維地形模型。

圖1 規(guī)劃階段三維地形模型

圖2 預(yù)可研階段三維地形模型

圖3 可研階段三維地形模型

圖4 施工圖階段三維地形模型

4.5 數(shù)據(jù)交換

數(shù)據(jù)交換中規(guī)定了以CityGML作為模型數(shù)據(jù)的交換格式，該項(xiàng)指標(biāo)的確定依據(jù)主要來(lái)源于兩個(gè)方面：一是CityGML是由國(guó)際地理信息標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布組織OGC提出的、可用地理標(biāo)記語(yǔ)言描述、易于解譯和交換的文本格式數(shù)據(jù)文件，起初用于城市三維地理信息的存儲(chǔ)，由于其具有可擴(kuò)展性，許多行業(yè)和領(lǐng)域基于CityGML的規(guī)則擴(kuò)展定義了滿足自身需要的模型格式，受到地理信息技術(shù)應(yīng)用者的廣泛關(guān)注和認(rèn)可。鐵路工程和城市兩者又在組成單元上存在很多交叉和重疊，無(wú)論從有標(biāo)準(zhǔn)可參照的角度，還是從專題相近性的角度看，CityGML都是最合適的選擇。

二是CityGML采用了面向?qū)ο蟮姆绞矫枋龊痛鎯?chǔ)三維地理信息數(shù)據(jù)，層次結(jié)構(gòu)清晰，被大多數(shù)軟件廠商支持。選擇它作為模型數(shù)據(jù)的交換格式，有利于銜接來(lái)自BIM的語(yǔ)義信息，使BIM和GIS間的數(shù)據(jù)交換更易于實(shí)現(xiàn)。

4.6 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查

目前現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范對(duì)鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查評(píng)定沒有明確的要求，本規(guī)范參考GB/T18316—2008《數(shù)字測(cè)繪成果質(zhì)量檢查與驗(yàn)收》[18]，將二級(jí)檢查一級(jí)驗(yàn)收方法應(yīng)用于鐵路工程模型數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查，制定了定性質(zhì)量檢查內(nèi)容及其評(píng)價(jià)方法，針對(duì)不同類型模型分別制定了質(zhì)量評(píng)價(jià)表的示例。

具體為：在對(duì)鐵路工程單元建模的過程中，要素模型是用來(lái)描述可被辨別的、獨(dú)立的地理實(shí)體，如橋梁、路基、站場(chǎng)等等，這些地理實(shí)體可以抽象為點(diǎn)、線、面、體來(lái)描述。由于每個(gè)實(shí)體都有其空間分布特征，因此，要素模型的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查項(xiàng)要包含位置精度，即平面精度和高程精度。此外，還需要對(duì)最終抽象建模的結(jié)果進(jìn)行檢查，即表達(dá)質(zhì)量。在表達(dá)質(zhì)量中，主要把握過程處理合理性和結(jié)果表達(dá)一致性兩個(gè)方面，兩者均從幾何結(jié)構(gòu)和紋理貼圖兩方面對(duì)質(zhì)量進(jìn)行約束和檢查。

5 結(jié)語(yǔ)

Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范》通過對(duì)鐵路工程涉及的地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，明確了各階段、不同類型、不同層次的模型的建模精度，便于設(shè)計(jì)專業(yè)根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求進(jìn)行建模，可合理避免各階段因過度建模所造成的浪費(fèi)。不論從數(shù)據(jù)獲取還是數(shù)據(jù)建模上都能有效降低生產(chǎn)成本。在數(shù)據(jù)交換方面，使用規(guī)范規(guī)定的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，有利于逐步統(tǒng)一行業(yè)內(nèi)的數(shù)據(jù)交換方式，可以節(jié)省不同用戶軟件重復(fù)開發(fā)數(shù)據(jù)接口的開發(fā)成本。

綜上所述，Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)規(guī)范》體現(xiàn)了三維地理信息技術(shù)運(yùn)用的先進(jìn)性、前瞻性，有力地推動(dòng)了我國(guó)鐵路工程三維地理信息數(shù)據(jù)相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，提高了我國(guó)鐵路工程全壽命周期信息管理的水平，滿足了我國(guó)鐵路工程信息化建設(shè)的需求。對(duì)完善貫穿鐵路設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理和維護(hù)全生命周期的“數(shù)字鐵路”，加快提高我國(guó)鐵路的信息化水平起到重大作用。