基于BIM+GIS 的城市軌道交通多源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與集成方法研究

趙 強(qiáng)，張 鵬，蔡新立，2，周月凌，丁春生

（1.安徽建筑大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.安徽省城鄉(xiāng)綠色發(fā)展和城市更新研究院，安徽 合肥 230601；3.安徽省智慧城市工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230601）

隨著國(guó)內(nèi)城市化的快速發(fā)展，居民對(duì)于公共交通基礎(chǔ)設(shè)施的需求不斷攀升，作為城市交通重要支點(diǎn)的軌道交通在城市發(fā)展中越發(fā)重要。解決城市軌道交通多源數(shù)據(jù)集成與展示的問(wèn)題，對(duì)打破數(shù)據(jù)壁壘、跨越數(shù)據(jù)鴻溝、實(shí)現(xiàn)數(shù)字化交付與信息化共享具有重要意義[1]。近年來(lái)，軌道交通在BIM 與GIS 結(jié)合方面已有了諸多成果。馮增文等[2]以雄安新區(qū)R1 線為例，將無(wú)人機(jī)傾斜攝影測(cè)量應(yīng)用于城市軌道交通建模；范登科等[3]對(duì)鐵路工程BIM模型進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，基于Skyline 三維GIS 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)可視化；袁紅等[4]分析了BIM 與GIS 技術(shù)于地下空間工程設(shè)計(jì)的可行性，總結(jié)了主流集成平臺(tái)與轉(zhuǎn)換方式。然而目前對(duì)于大范圍精確地理空間環(huán)境下實(shí)現(xiàn)BIM 模型的地理配準(zhǔn)與模型構(gòu)件對(duì)象級(jí)管理的研究相對(duì)較少。

本文提出以BIM 與GIS 技術(shù)結(jié)合為核心，以Cesium 地圖引擎為依托，開(kāi)發(fā)城市軌道交通三維可視化管理平臺(tái)。從軌道交通環(huán)境地形的GIS 數(shù)據(jù)采集，BIM 模型搭建、整合與處理，到最后在平臺(tái)內(nèi)集成加載各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)集成與地理配準(zhǔn)，并搭建數(shù)據(jù)庫(kù)收集管理運(yùn)維信息。建立圖像信息、構(gòu)件信息、監(jiān)測(cè)信息等關(guān)鍵要素與模型的雙向鏈接關(guān)系，實(shí)現(xiàn)城市地理信息、軌道交通模型、運(yùn)維監(jiān)測(cè)信息的多元鏈接。

1 多源數(shù)據(jù)的概念與集成框架

1.1 BIM+GIS 技術(shù)

由于需要處理大量復(fù)雜且高度碎片化的信息，城市軌道交通全生命周期內(nèi)的每個(gè)階段都需要有效的信息溝通與共享。以建筑全生命周期信息化管理為核心的BIM，為項(xiàng)目管理提供了先進(jìn)的數(shù)字化工具與信息共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)象級(jí)的模型數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)管理，提高了項(xiàng)目的可控性[5]。其次，不同的地質(zhì)環(huán)境、水文信息及場(chǎng)地條件變化造成了城市軌道交通建設(shè)決策困難。GIS 為解決這些問(wèn)題提供了一條途徑，以管理大范圍地理空間數(shù)據(jù)為核心，為城市軌道交通工程提供精確的地理場(chǎng)景信息與多種空間信息數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)BIM 在宏觀三維GIS 場(chǎng)景中的可視化應(yīng)用與分析，幫助管理者從宏觀、科學(xué)的角度做出正確決策。

城市軌道交通BIM 模型涉及地下站臺(tái)、附屬設(shè)施、機(jī)電設(shè)備等諸多專業(yè)數(shù)據(jù)，GIS 模型則集成了城市地形地貌、軌道交通路線等數(shù)據(jù)，主要數(shù)據(jù)格式如表1 所示。

表1 BIM 與GIS 主要數(shù)據(jù)格式

1.2 多源數(shù)據(jù)集成框架

綜合考慮Web 平臺(tái)的開(kāi)發(fā)與需求，選擇基于開(kāi)源Cesium 地圖引擎搭建Web 平臺(tái)，利用Revit軟件建立城市軌道交通BIM 模型，傾斜攝影技術(shù)獲取GIS 地形數(shù)據(jù)，BIMserver 解析處理BIM 模型文件，GeoServer 處理發(fā)布地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)。使用Vue 作為前端框架，借助Elementui、CSS 進(jìn)行界面優(yōu)化，通過(guò)Html、JavaScript 等編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，平臺(tái)主要開(kāi)發(fā)環(huán)境如表2 所示。

表2 平臺(tái)主要開(kāi)發(fā)環(huán)境

Web 平臺(tái)選用開(kāi)發(fā)便捷、維護(hù)升級(jí)簡(jiǎn)單的B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)。平臺(tái)系統(tǒng)自下而上依次為數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層、展示層，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)采集層獲取平臺(tái)展示所需的模型、地形地貌數(shù)據(jù)以及各類傳感器采集的相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并傳輸至數(shù)據(jù)層進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)層則通過(guò)BIM 服務(wù)器、GIS服務(wù)器與其他信息數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的處理與發(fā)布，業(yè)務(wù)邏輯層處于數(shù)據(jù)層與展示層之間，主要提供數(shù)據(jù)與功能業(yè)務(wù)的接口，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的邏輯載體，其核心是BIM 服務(wù)器與GIS 服務(wù)器的跨域結(jié)合，如圖2 所示。展示層位于系統(tǒng)架構(gòu)的最頂層，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出與輸出，為用戶提供交互式操作界面。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 BIM 服務(wù)器與GIS 服務(wù)器結(jié)合

2 多源數(shù)據(jù)的采集

2.1 地形環(huán)境數(shù)據(jù)

三維地形數(shù)據(jù)是搭建城市軌道交通信息化模型的基礎(chǔ)。Cesium 地圖引擎支持加載由流式瓦片數(shù)據(jù)生成的地形：STK World Terrain 與Small Terrain。STK World Terrain 是一種基于量化網(wǎng)格（quantized mesh）、可以充分利用WebGL 中的著色器渲染的高分辨率地形；Small Terrain 是一種基于高度圖（heightmap）的中高等分辨率地形，地形顯示效果不如量化網(wǎng)格地形，但可基本滿足研究工作使用需求。

通過(guò)傾斜攝影技術(shù)可獲取所需的Small Terrain地形文件。傾斜攝影技術(shù)從五個(gè)不同的角度同步采集高分辨率圖像紋理，不僅能夠以極高的精度還原所攝區(qū)域的真實(shí)地形地貌，還能嵌入密集的地理信息。操控搭載傾斜攝影設(shè)備的無(wú)人機(jī)對(duì)軌道交通區(qū)域沿線地形航拍，得到該地區(qū)地形數(shù)據(jù)并處理成tif 文件[6]。將多個(gè)tif 文件整合為一個(gè)文件，并對(duì)其屬性進(jìn)行處理，配置CTB（Cesium Terrain Builder）工作環(huán)境，將tif 數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換為以四叉樹(shù)方式管理數(shù)據(jù)的金字塔結(jié)構(gòu)terrain 文件，轉(zhuǎn)換流程如圖3 所示。平臺(tái)調(diào)用terrain 地形文件，實(shí)現(xiàn)離線加載真實(shí)地形，相較于調(diào)用STK World Terrain，可顯著提高研究區(qū)域地形數(shù)據(jù)的加載與渲染效率。

圖3 Small Terrain 文件轉(zhuǎn)換流程

2.2 軌道交通矢量數(shù)據(jù)

城市軌道交通軌道線路、站臺(tái)區(qū)域、地面出入口位置等數(shù)據(jù)通常為矢量數(shù)據(jù)，這些矢量數(shù)據(jù)不能直接在Web 平臺(tái)加載，需要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與發(fā)布。Geoserver 是以地圖數(shù)據(jù)發(fā)布為核心的管理平臺(tái)，具有地圖創(chuàng)建靈活、數(shù)據(jù)共享方便等優(yōu)勢(shì)。Geoserver實(shí)施WMS（Web Map Service）標(biāo)準(zhǔn)，集成了多種地圖接口，利用tomcat 服務(wù)器部署Geoserver，上傳shp 等格式的矢量數(shù)據(jù)，設(shè)置線樣式后發(fā)布，平臺(tái)調(diào)用加載Geoserver 的WMS 服務(wù)。

2.3 軌道交通BIM 數(shù)據(jù)

為實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同作業(yè)，對(duì)城市軌道交通模型進(jìn)行拆分建模，后根據(jù)各模塊的功能關(guān)系、空間關(guān)系、連接關(guān)系進(jìn)行拼接組合，搭建完整的軌道交通BIM 模型。由于涉及多專業(yè)協(xié)同溝通、共享數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)格式存在差異，BIM 模型難以跨專業(yè)交互共享，整合困難。為了實(shí)現(xiàn)各專業(yè)模型的協(xié)同管理，需要將BIM 模型轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的格式。

工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC）是Building SMART 為BIM應(yīng)用提出的開(kāi)放數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，提供了清晰的語(yǔ)義信息結(jié)構(gòu)，為BIM 模型的交互共享奠定了基礎(chǔ)[7]。將BIM 模型統(tǒng)一導(dǎo)出為IFC 格式文件后，通過(guò)BIM服務(wù)器中的IFCEngine 解析層處理IFC 文件，并依據(jù)構(gòu)件的屬性類別拆分模型。

BIMserver 管理解析的IFC 文件不能直接于平臺(tái)加載，需要轉(zhuǎn)換為3D Tiles 格式。IFC 到3D Tiles的轉(zhuǎn)換包含四個(gè)關(guān)鍵步驟：IFC 格式文件按類解析、IFC 格式文件導(dǎo)出為OBJ 格式文件、OBJ 格式文件轉(zhuǎn)換為glTF 格式文件、glTF 格式文件添加語(yǔ)義信息數(shù)據(jù)得到3D Tiles 格式文件[8]，其流程如圖4所示。

圖4 BIM 模型格式轉(zhuǎn)換流程

BIMserver 遍歷IFC 模型，將其按建筑構(gòu)件類型（如墻、門、柱、樓梯、窗戶等）劃分并生成IFC模型文件與JSON 語(yǔ)義文件，IFC 模型文件用于存儲(chǔ)模型的幾何外形，JSON 文件則用于保存屬性信息。IFC 文件整體轉(zhuǎn)換為OBJ 格式文件會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后模型組件的屬性信息丟失，按構(gòu)件分解IFC文件可保留每個(gè)組件的屬性信息。IFCOpenshell是BIMserver 解析IFC 的關(guān)鍵開(kāi)源軟件庫(kù)，也為IFC 格式文件轉(zhuǎn)換OBJ 格式文件提供了框架，基于IFCOpensell 框架使用IFCCovert Tool 得到每個(gè)組件的OBJ 格式文件與mtl 材質(zhì)信息文件。

glTF 格式是實(shí)現(xiàn)高效渲染的中轉(zhuǎn)格式文件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與WebGL 的渲染機(jī)制基本一致，因此更加符合WebGL 的平臺(tái)需要。其中g(shù)lTF 格式文件是描述整個(gè)三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)配置的JSON 文本，bin 文件主要是存儲(chǔ)幾何體的基本數(shù)據(jù)，例如頂點(diǎn)、材質(zhì)、外法向量等[9]。使用obj2gltf Tool 工具，將OBJ 文件轉(zhuǎn)換為glTF 文件。

glTF 格式文件已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)BIM 模型于平臺(tái)的加載與三維可視化，但模型構(gòu)件屬性查詢與讀取，減少用戶端硬件需求的LOD 加載并不能實(shí)現(xiàn)，因此需要將glTF 格式文件進(jìn)一步轉(zhuǎn)換得到3D Tiles 格式文件。3D Tiles 格式文件由JSON 格式的瓦片集組織文件與組織節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的模型文件組成。瓦片組織文件主要描述了瓦片的空間分布與LOD 劃分，模型文件決定了所展示的對(duì)象。b3dm是其模型文件中用途最多、使用最頻繁的瓦片數(shù)據(jù)種類，由文件頭（FileHead）、記錄渲染相關(guān)數(shù)據(jù)的特征表（FeatureTable）、記錄屬性相關(guān)數(shù)據(jù)的批量表（BatchTable）與存儲(chǔ)模型數(shù)據(jù)的glb 文件組成，如圖5 所示，glb 文件為二進(jìn)制的glTF 格式文件。使用開(kāi)源程序3D-Tiles-Validator 將glTF格式文件與JSON 語(yǔ)義文件合并成為b3dm 格式文件。

圖5 b3dm 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

為了評(píng)估IFC 至3D Tiles 轉(zhuǎn)換流程的性能與文件大小的變化，對(duì)IFC 實(shí)例模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3 所示。

The ZnS films were deposited at different RF powers(100, 150, 200, and 250 W) during the same deposition time 75 min, and Ar: 10?2 mbar gas pressure. The different deposit parameters are summarized in Table 1.

表3 IFC 至3D Tiles 轉(zhuǎn)換時(shí)間與數(shù)據(jù)大小

3 模型的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

3.1 局部坐標(biāo)與全局坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

Cesium 地圖引擎中地球坐標(biāo)系為全局笛卡爾空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)為地球的幾何中心，X 軸指向中央經(jīng)線，Y 軸指向東經(jīng)90 度經(jīng)線，Z 軸指向北極點(diǎn)。于Cesium 地圖引擎中加載BIM 模型，坐標(biāo)系為局部笛卡爾空間直角坐標(biāo)系統(tǒng)，坐標(biāo)原點(diǎn)一般位于瓦片數(shù)據(jù)集包裹范圍的中心點(diǎn)，X 軸指向正東方向，Y 軸指向正北方向，Z 軸垂直于地表指向正上方。兩坐標(biāo)系之變的轉(zhuǎn)換矩陣Tt 的計(jì)算方法如下[10]：

式中：（x1y1z1）為模型局部笛卡爾空間直角坐標(biāo)系原點(diǎn)于全局笛卡爾空間直角坐標(biāo)系中的坐標(biāo)位置，各對(duì)應(yīng)坐標(biāo)軸之間的夾角為θx，θy，θz。

3.2 模型位置的調(diào)整

BIM 模型局部坐標(biāo)系經(jīng)平臺(tái)加載轉(zhuǎn)化為全局坐標(biāo)系，往往存在模型與地形位置不匹配、模型朝向或角度偏差等問(wèn)題，需要對(duì)模型進(jìn)一步調(diào)整。在笛卡爾空間直角坐標(biāo)系中可運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)中的仿射知識(shí)進(jìn)行空間位置的變換，例如：平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等[11]。

為實(shí)現(xiàn)BIM 模型的整體平移變換，首先獲取當(dāng)前瓦片數(shù)據(jù)集包裹范圍的中心點(diǎn)作為局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，世界坐標(biāo)為（xyz），由其局部坐標(biāo)與世界坐標(biāo)可以得到上文4x4 轉(zhuǎn)換矩陣Tt，局部坐標(biāo)系平移向量左乘轉(zhuǎn)換矩陣Tt得到世界坐標(biāo)系坐標(biāo)（x′y′z′），使用目標(biāo)點(diǎn)向量減去原始點(diǎn)向量即可得到世界坐標(biāo)系下的平移向量（TxTyTz），將其賦予瓦片集模型，即可實(shí)現(xiàn)模型的平移，計(jì)算方法如下：

圖解如圖6 所示。

圖6 模型平移矩陣獲取

BIM 模型的整體平移旋轉(zhuǎn)，則需要在獲取平移矩陣的基礎(chǔ)上添加旋轉(zhuǎn)矩陣，模型初始中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系為o-xyz，模型中心點(diǎn)由o 平移至o′，坐標(biāo)系變?yōu)閛′-xyz，再經(jīng)歷旋轉(zhuǎn)，坐標(biāo)系為o′-x′y′z′。oo′ 為向量ρ，o′ρ為向量γ′，oρ為向量γ，則有γ=ρ+γ′。oo′ 于o′-xyz 下的坐標(biāo)為（TxTyTz），p點(diǎn)于o-xyz 下的坐標(biāo)為（xyz），p 點(diǎn)于o′-x′y′z′ 下的坐標(biāo)為（x′y′z′），旋轉(zhuǎn)矩陣為R，則有：

將上式轉(zhuǎn)換為變換矩陣則為：

式中Ux，Uy，Uz為坐標(biāo)系o′-x′y′z′ 的x′ 在原坐標(biāo)系o-xyz 的方向余弦，Vx，Vy，Vz為坐標(biāo)系o′-x′y′z′ 的y′在原坐標(biāo)系o-xyz 的方向余弦，Nx，Ny，Nz為坐標(biāo)系o′-x′y′z′ 的y′ 在原坐標(biāo)系o-xyz 的方向余弦。圖解如圖7 所示：

圖7 模型平移旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系變化

4 應(yīng)用研究

本文以合肥市軌道交通三號(hào)線為例進(jìn)行研究。該工程?hào)|起于瑤海區(qū)相城路站，西南止于肥西縣幸福壩站，全長(zhǎng)37.2 km。作為一條穿越合肥中心城區(qū)的東西向軌道線，其沿途城市建筑風(fēng)貌差異巨大，地下空間管線復(fù)雜，項(xiàng)目涉及高架橋，湖底隧道等特殊工程，給工程建設(shè)與管理帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

根據(jù)其業(yè)務(wù)需求創(chuàng)建Web 平臺(tái)，主要有三大模塊，分別為可視化平臺(tái)、數(shù)字化移交、運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理。可視化平臺(tái)模塊以BIM 與GIS 的融合場(chǎng)景為核心，實(shí)現(xiàn)地表模型精細(xì)展示、BIM 模型精準(zhǔn)部署、實(shí)時(shí)查看城市軌道交通周邊環(huán)境狀況、站點(diǎn)位置分布情況、重點(diǎn)區(qū)域快速跳轉(zhuǎn)等。圖8 為平臺(tái)使用地下開(kāi)挖功能展示幸福壩站地質(zhì)情況、周邊建筑與站臺(tái)。

圖8 幸福壩站地下展示

數(shù)字化移交模塊主要是業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的管理，該模塊依靠BIM 技術(shù)對(duì)象級(jí)別的數(shù)據(jù)管理，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與構(gòu)件屬性動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，使平臺(tái)清楚展示數(shù)據(jù)的層次結(jié)構(gòu)，并直接維護(hù)構(gòu)件對(duì)象上的數(shù)據(jù)。例如，用戶可以對(duì)城市軌道交通站臺(tái)模型構(gòu)件執(zhí)行諸如修改、隱藏、隔離、透明化等操作，實(shí)現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化管理，圖9 為幸福壩站臺(tái)建筑構(gòu)件的屬性展示。

圖9 幸福壩站建筑構(gòu)件展示

運(yùn)行監(jiān)測(cè)管理模塊通過(guò)各類傳感器實(shí)時(shí)接收各類數(shù)據(jù)，并使用WebSocket 與本平臺(tái)對(duì)接連調(diào)，通過(guò)Echarts 模塊實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)展示檢測(cè)數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)中處理后，建立索引分區(qū)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異?；虮O(jiān)控面板發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，將于系統(tǒng)發(fā)布預(yù)警，自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至異常區(qū)域，并通知管理人員處理。

5 結(jié)論

本文以BIM 與GIS 技術(shù)結(jié)合為核心，開(kāi)發(fā)基于Cesium 地圖引擎的城市軌道交通Web 管理平臺(tái)，解決了城市軌道交通工程各專業(yè)協(xié)調(diào)困難問(wèn)題，闡述了BIM 模型與GIS 數(shù)據(jù)以Web 服務(wù)為鏈接相結(jié)合的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市軌道交通BIM與GIS 的多源數(shù)據(jù)集成與地理配準(zhǔn)，并于合肥市地鐵三號(hào)線驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

（1）傾斜攝影技術(shù)能夠快速、全面、真實(shí)地反映地物環(huán)境，數(shù)據(jù)量小且信息豐富，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜區(qū)域地形環(huán)境快速且精確地建模，為城市軌道交通提供真實(shí)的地理環(huán)境場(chǎng)景。

（2）Cesium 開(kāi)源地圖引擎開(kāi)發(fā)靈活，支持加載多種數(shù)據(jù)格式，并與Web 服務(wù)結(jié)合緊密，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍場(chǎng)景的快速渲染，適合作為BIM 與GIS 多源數(shù)據(jù)的集成平臺(tái)。

（3）研究只針對(duì)城市軌道交通周邊地形與BIM模型等靜態(tài)模型于平臺(tái)的加載，軌道列車運(yùn)行作為動(dòng)態(tài)模型數(shù)據(jù)平臺(tái)并不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)展示，這也是下一步的研究方向。