基于CIM的工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)研究

文｜北京理正軟件股份有限公司 曾艷 楊國平 崔年治 張志剛

引言

近年來，勘察成果數(shù)據(jù)的管理、展示、再利用方面的軟件作品有很多，主要分為兩種：一是軟件廠商編制的商品化集成展示軟件，如理正巖土BIM 集成展示平臺(tái)，其中有地質(zhì)專題可用于勘察成果的展示與共享，但這個(gè)軟件只是單機(jī)工具軟件，只解決集成展示問題，不解決發(fā)布與共享問題。二是一些勘察單位自籌資金基于GIS技術(shù)建立了各種地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、勘察數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，如北京市勘察院、青島市勘察院、鎮(zhèn)江市規(guī)劃局等。這些系統(tǒng)能夠解決勘察成果的積累問題，但都存在如下問題：采用私有云模式，系統(tǒng)建設(shè)成本很高；數(shù)據(jù)入庫工作量巨大；一般組織內(nèi)使用，與外部人員共享困難；基于GIS，展示效果欠佳；未提供再利用接口。造成這種模式不能在整個(gè)業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。

隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、城市信息模型（CIM）等新技術(shù)發(fā)展，以及行業(yè)內(nèi)勘探、物探、航測(cè)手段的不斷進(jìn)步，出現(xiàn)了鉆探數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、傾斜攝影、激光點(diǎn)云等多源數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)單一數(shù)據(jù)展示和交付模式已經(jīng)不能滿足需求。因此，構(gòu)建全息、高精度工程勘察模型，疊加多維數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合展示，已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)。

本文提出基于CIM 技術(shù)，重新構(gòu)建符合BIM 理念的新一代“勘察數(shù)字化發(fā)布展示云平臺(tái)”的構(gòu)想，試圖解決前文提到的五個(gè)問題，對(duì)平臺(tái)的定位、功能、架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，并在平臺(tái)搭建成功后，采用實(shí)際案例進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

1 平臺(tái)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)的定位

勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)基于BIM 理念，作為“勘察BIM 一體化系統(tǒng)”的重要組成部分，其在一體化系統(tǒng)中位置如圖1所示。整個(gè)一體化系統(tǒng)，主要由“野外勘探采集APP、勘察生產(chǎn)管理云平臺(tái)、三維勘察CAD 軟件、勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)”四大部分組成。其中，勘察生產(chǎn)管理云平臺(tái)負(fù)責(zé)協(xié)同生產(chǎn)，下達(dá)勘探任務(wù)，接收野外勘探采集數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)土工試樣測(cè)試任務(wù)，監(jiān)控工程進(jìn)度等；三維勘察CAD 主要進(jìn)行內(nèi)業(yè)整理、完成勘察報(bào)告、生成圖件報(bào)表、三維模型、并完成數(shù)字化提交；野外勘探采集APP 負(fù)責(zé)接受勘探任務(wù)，錄入并上報(bào)野外勘探數(shù)據(jù)。

勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)（后文簡(jiǎn)稱“展示平臺(tái)”）主要用于將“勘察全數(shù)字化交付成果”實(shí)現(xiàn)云端發(fā)布、可視化展現(xiàn)、高效率檢索、權(quán)限化共享與再利用。其使用對(duì)象包括土木建筑工程全生命期的各個(gè)參與方，如建設(shè)單位、總承包單位、勘測(cè)院、設(shè)計(jì)院、施工企業(yè)和政府監(jiān)管部門等。主要用于勘察成果展示匯報(bào)、工程方案三維可視化研討、歷史資料再利用等場(chǎng)合。

1.2 展示平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

圖1 發(fā)布展示平臺(tái)在勘察BIM 一體化系統(tǒng)中的定位

展示平臺(tái)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，包括網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器層、數(shù)據(jù)庫層、平臺(tái)層和功能層共五層。自下而上分別為：網(wǎng)絡(luò)層，基于公有云技術(shù)部署，能夠支持多租戶，傳輸與存儲(chǔ)具備很高的安全性，并具有負(fù)載均衡能力，以應(yīng)對(duì)海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問，用戶不必部署硬件、組網(wǎng)與運(yùn)維，而是以年租用的方式使用，可大幅降低使用維護(hù)門檻；服務(wù)器層，包括Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS 服務(wù)器、BIM 服務(wù)器和文件服務(wù)器等，可按照負(fù)載要求擴(kuò)展，以滿足不斷增長(zhǎng)的勘察工程交付成果的存儲(chǔ)、展示、查詢與再利用；數(shù)據(jù)庫層包括原始數(shù)據(jù)、內(nèi)業(yè)整理數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)、構(gòu)建筑物模型數(shù)據(jù)、其它數(shù)據(jù)等；平臺(tái)層基于開源三維地球cesium 框架，構(gòu)建出適合地質(zhì)三維數(shù)字化發(fā)布與展示的理正CIM平臺(tái)，包括在線GIS 圖層發(fā)布、BIM 圖層發(fā)布、各種格式轉(zhuǎn)換引擎，以及滿足地質(zhì)體展示、剖切、渲染等特殊引擎；功能層，在理正CIM 平臺(tái)和MIS 平臺(tái)基礎(chǔ)上，開發(fā)一系列功能，構(gòu)建出整個(gè)展示平臺(tái)。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)與難點(diǎn)

（1）地質(zhì)體的輕量化與瓦片化技術(shù)

地質(zhì)BIM 模型中的地層體具有特殊結(jié)構(gòu)特征，諸如連續(xù)場(chǎng)區(qū)地層面片數(shù)量巨大、透鏡體等形狀不規(guī)則、地層聯(lián)通性導(dǎo)致難以進(jìn)行面片分組等問題，主要研究?jī)身?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：一是地質(zhì)體的輕量化處理，采用三角網(wǎng)簡(jiǎn)化、相似圖元合并、紋理去重等；二是構(gòu)建地質(zhì)體三維模型瓦片，針對(duì)地質(zhì)體特點(diǎn)進(jìn)行地層模型LOD 分組，通過屬性進(jìn)行圖元聯(lián)接運(yùn)算；最后，通過展示平臺(tái)進(jìn)行模型貼圖、顯示比例設(shè)置等，實(shí)現(xiàn)海量異構(gòu)模型的平滑融合展示。

（2）不同精度三維地形的融合

因cesium 平臺(tái)中三維地形數(shù)據(jù)為金字塔分級(jí)瓦片數(shù)據(jù)，在展示場(chǎng)景中只能有一份，所以直接采用cesium 是不能展示項(xiàng)目范圍內(nèi)的高精度三維地形的。為了顯示局部范圍高精度項(xiàng)目地形，需要完成兩項(xiàng)工作：首先，要完成局部高精地形與基礎(chǔ)地形融合，將項(xiàng)目范圍內(nèi)各級(jí)地形瓦片進(jìn)行替換，同時(shí)原始地形瓦片也必需保留，以供不顯示項(xiàng)目時(shí)使用。其次，需要建立高精度瓦片內(nèi)存索引，修改cesium 中瓦片調(diào)度邏輯，當(dāng)渲染引擎發(fā)現(xiàn)某個(gè)項(xiàng)目高精度瓦片已經(jīng)進(jìn)入視野，就要用高精度瓦片替換基礎(chǔ)瓦片。

（3）基于Web 技術(shù)的地質(zhì)體實(shí)時(shí)剖切

在對(duì)地質(zhì)成果進(jìn)行展示匯報(bào)時(shí)，除了常規(guī)的展示內(nèi)容與方式外，對(duì)三維地質(zhì)體的剖切展示是必不可少的，這與建筑BIM中的構(gòu)件也是完全不同的。剖切展示又分為兩種情況，一種是截面剖切展示，并不需要真的把地質(zhì)體切開為兩個(gè)實(shí)體，而是利用顯卡中的三角面片進(jìn)行實(shí)時(shí)遮蔽運(yùn)算，隱藏掉切掉的三角面片，達(dá)到剖切展示的效果，但往往剖切面不會(huì)自動(dòng)填充巖性圖例，展示效果欠佳；另一種是實(shí)體剖切，要把地質(zhì)體進(jìn)行水平、豎向切分，或者挖溝、挖洞、場(chǎng)地平整等運(yùn)算，其結(jié)果是剖出了新的地質(zhì)體，剖切面上也自然會(huì)有巖性圖例填充，展示效果非常好。因?yàn)槠是羞\(yùn)算的計(jì)算量十分巨大，邏輯算法非常復(fù)雜，在Web 瀏覽器模式下，前端代碼實(shí)現(xiàn)剖切有很大的難度，運(yùn)算也會(huì)非常慢。所以一般情況下都是在服務(wù)器端進(jìn)行剖切，而將剖切結(jié)果返回到前端進(jìn)行展示。

（4）地質(zhì)BIM 模型在線發(fā)布技術(shù)

針對(duì)cesium 平臺(tái)不具備在線發(fā)布BIM模型的問題，需要開發(fā)BIM 模型在線轉(zhuǎn)換服務(wù)。這些服務(wù)利用多線程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BIM 模型的排隊(duì)后臺(tái)轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換一般分為兩步，首先要將原始BIM 文件格式（如rvt）進(jìn)行輕量化，實(shí)現(xiàn)數(shù)模分離；然后對(duì)輕量化后的模型進(jìn)行三維瓦片化處理，滿足CIM 平臺(tái)中的展示需求。因?yàn)檗D(zhuǎn)換過程復(fù)雜，環(huán)節(jié)多，涉及的軟件也很多，因此其運(yùn)行的穩(wěn)定性不容易保證。為了解決轉(zhuǎn)換服務(wù)死鎖或崩潰造成的服務(wù)失效，采用部署相應(yīng)的進(jìn)程守護(hù)服務(wù)，監(jiān)控服務(wù)程序的狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異?？梢躁P(guān)閉死鎖進(jìn)程并重啟的方式。

圖2 基于CIM 的工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)總體架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)研究

圍繞工程勘察數(shù)字化交付成果發(fā)布、展示和再利用需求，搭建了勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)，其總體功能框圖如圖3。

展示平臺(tái)主要包括發(fā)布、展示、檢索、分析、共享、接口六大部分功能，提供Web 與移動(dòng)APP 兩種客戶端。分別如下：

應(yīng)依據(jù)企業(yè)實(shí)際情況和市場(chǎng)人才培養(yǎng)需要，加大資源投入和校園建設(shè)。建設(shè)多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、旅游專業(yè)實(shí)驗(yàn)室、校外實(shí)踐教學(xué)基地等；以便于學(xué)生了解、學(xué)習(xí)和掌握旅游業(yè)前沿業(yè)務(wù)的流程，培養(yǎng)市場(chǎng)需要的旅游專業(yè)人才。根據(jù)學(xué)校實(shí)際情況，在原有實(shí)訓(xùn)條件基礎(chǔ)上，升級(jí)改造配備調(diào)酒、茶藝實(shí)訓(xùn)室、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字語言實(shí)訓(xùn)室等，突出本地特色地位。

（1）交付成果在線發(fā)布

為了解決全勘察數(shù)字化交付數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理和在線發(fā)布問題，在三維勘察CAD 軟件設(shè)計(jì)一鍵導(dǎo)入功能，將勘察全數(shù)字化交付數(shù)據(jù)包一鍵上傳。在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫、文檔入庫、模型清理化轉(zhuǎn)換、地物坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；并可自動(dòng)完成模型與資料的關(guān)聯(lián)掛接，極大地降低了數(shù)據(jù)處理工作的難度，提高工作效率。

圖3 基于CIM 的工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(tái)功能框圖

展示平臺(tái)提供了在線補(bǔ)充其他構(gòu)建筑模型、管線模型等功能?？芍С纸^大部分主流BIM 模型格式，也可支持顯示激光點(diǎn)云、傾斜攝影等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)地質(zhì)模型與其他模型在Web 端流暢綜合展示，提高綜合展示效果，有利于成果方案的討論。

（2）模型及屬性數(shù)據(jù)的展示

針對(duì)海量、多源異構(gòu)、多尺度、多級(jí)勘察數(shù)據(jù)的綜合展示效果和效率優(yōu)化問題，研發(fā)Cesium 封裝及關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建勘察數(shù)字化發(fā)布展示云平臺(tái)，以圖層樹方式組織管理，支持分組或單個(gè)控制地形、地圖、矢量圖層、BIM 模型等實(shí)體的顯示、隱藏、透明顯示，查看地層及物理力學(xué)指標(biāo)信息，提供爆炸圖、豎向放縮、巖性花紋、影像圖貼圖等多種顯示方式，方便操作人員查看數(shù)據(jù)。

（3）精準(zhǔn)屬性、空間復(fù)合搜索方式

根據(jù)對(duì)象的屬性值，自定義高級(jí)查詢條件進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索。也支持地圖區(qū)域繪制圓形、矩形、多邊形、點(diǎn)緩沖、線緩沖、圓形緩沖查詢邊界、地物實(shí)時(shí)查詢、輸入坐標(biāo)范圍的空間檢索方式，并且支持屬性與空間復(fù)合檢索。實(shí)現(xiàn)多維度精準(zhǔn)檢索及定位，提高共享協(xié)作效率。

可以對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行豎向、水平向、斜向、指定軌跡線的靈活剖切，直觀查看地質(zhì)體內(nèi)部構(gòu)造，并可通過剝層查看各地層的相互關(guān)系。

可設(shè)置漫游路徑，模擬在三維模型中飛行過程，查看周圍地質(zhì)等環(huán)境。對(duì)成果分析、再利用提供有利分析手段。

（5）成果共享

權(quán)限安全機(jī)制：統(tǒng)一授權(quán)管理，實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)登錄。可單獨(dú)設(shè)置不同人員、角色的功能權(quán)限；不同人員通過用戶名、密碼登錄云平臺(tái)后，根據(jù)擁有的功能和數(shù)據(jù)權(quán)限自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)的功能菜單和工程數(shù)據(jù)，保證了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性。

方便的共享、再利用方式：對(duì)于發(fā)布的成果資源，提供二維碼共享方式，分享給系統(tǒng)外人員，并可控制時(shí)間期限；web 端提供瀏覽網(wǎng)頁的方式，查看輕量化的展示成果。

（6）提供再利用接口

提供組件式WebAPI 二次開發(fā)接口，方便用戶在線訪問發(fā)布的數(shù)據(jù)與模型，定制實(shí)現(xiàn)更為豐富的應(yīng)用。

3 實(shí)際工程驗(yàn)證展示

以深圳某市政快速路工程為例，該工程全長(zhǎng)約37.4 公里，以橋梁、隧道及地面道路方式進(jìn)入城市大道。工程規(guī)模較大，場(chǎng)地復(fù)雜程度、巖土條件復(fù)雜程度均為一級(jí)，技術(shù)人員搜集1455 個(gè)鉆孔資料，376個(gè)橫縱剖斷面，收錄到理正三維勘察軟件中，統(tǒng)計(jì)分析，成圖成表，生成勘察報(bào)告，建三維模型后，自動(dòng)生成了數(shù)字交付數(shù)據(jù)包（成果圖表、數(shù)據(jù)庫、三維模型按數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)目錄進(jìn)行了自動(dòng)歸類），一鍵提交到工程數(shù)字化發(fā)布展示云平臺(tái)，無縫對(duì)接各圖層目錄，無需繁瑣收集整理過程，標(biāo)準(zhǔn)化處理，簡(jiǎn)捷高效。并導(dǎo)入了橋、防波堤、隧道、管線構(gòu)建筑物模型、傾斜攝影進(jìn)行綜合展示（圖4、5）。可視化顯示鉆孔、地層、剖線，控制顯隱，形象地展示巖土分層的分布規(guī)律，展示效果良好，便于方案討論、分析。

4 總結(jié)

基于CIM 技術(shù)，構(gòu)建工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示云平臺(tái)，在技術(shù)上可以滿足勘察數(shù)字化成果的發(fā)布、展示、再利用需求。在發(fā)布環(huán)節(jié)，通過一鍵提交在線發(fā)布功能，可以大幅度降低前期數(shù)據(jù)處理工作量與難度；在展示效果上，三維展示模式極大地提升了展示效果，有利于成果展示與方案討論；再利用環(huán)節(jié)，Web 無插件瀏覽，移動(dòng)APP 的引入，共享連接方式以及WebAPI 接口的提供等，給成果再利用帶來了極大方便性。在推廣模式上，可以降低用戶使用資金門檻，有利于大批量推廣。

圖4 構(gòu)筑物、地質(zhì)模型輕量化展示

圖5 剖切結(jié)果展示