基于空天地多源數(shù)據(jù)的鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建與應(yīng)用系統(tǒng)

張銀虎，鄭倫英，劉 強(qiáng)

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司 航測(cè)遙感研究院，北京 100055）

鐵路工程勘察設(shè)計(jì)工作一般在由（1∶2 000）～（1∶50 000）比例尺平面地形圖[1]構(gòu)建的二維場(chǎng)景中進(jìn)行，而由于平面地形圖采用等高線、地物邊界線或特定符號(hào)表現(xiàn)地形、地貌及地物信息，其構(gòu)建的鐵路沿線二維場(chǎng)景存在缺乏立體感、不直觀的問題[2]，不便于鐵路設(shè)計(jì)人員進(jìn)行地形和地貌特征的識(shí)別分析、現(xiàn)場(chǎng)踏勘和工程設(shè)計(jì)。

近年來，隨著遙感測(cè)繪技術(shù)及三維信息化技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)傳統(tǒng)二維場(chǎng)景存在的不足，諸多學(xué)者展開了三維地理信息空間場(chǎng)景及三維地理信息系統(tǒng)（GIS，Geographic Information System）在公路和鐵路線路工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究工作。苗沛基等人[3]提出了融合傾斜攝影影像與激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的公路沿線真實(shí)三維場(chǎng)景模型的構(gòu)建方法；韓雨書[4]針對(duì)公路工程，研究了基于三維GIS的三維立體化展現(xiàn)技術(shù)及智能選線動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法；張鈺等人[5]提出了應(yīng)用地形圖和高清正射影像等基礎(chǔ)測(cè)繪資料來生成鐵路沿線三維地形模型的方法；朱穎等人[6]針對(duì)鐵路三維GIS技術(shù)的應(yīng)用，提出了一套面向鐵路行業(yè)的三維場(chǎng)景快速構(gòu)建一體化技術(shù)；易思蓉等人[7]設(shè)計(jì)了基于虛擬地理環(huán)境的鐵路數(shù)字化選線系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠滿足重大工程選址選線和海外選線的需求。

以空–天–地多源空間數(shù)據(jù)為依托，鐵路勘察人員可以在計(jì)算機(jī)上構(gòu)建鐵路沿線多時(shí)相、多分辨率的三維大場(chǎng)景，從而為專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供最直觀的三維空間設(shè)計(jì)環(huán)境，進(jìn)行室內(nèi)三維虛擬踏勘和設(shè)計(jì)方案分析決策，這樣有效地縮短勘察設(shè)計(jì)工期，降低作業(yè)成本。本文結(jié)合鐵路勘察設(shè)計(jì)工作特點(diǎn)，提出了不同階段多源空間數(shù)據(jù)獲取方法和鐵路三維大場(chǎng)景的構(gòu)建方法，并設(shè)計(jì)基于空天地多源數(shù)據(jù)的鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建與應(yīng)用系統(tǒng)（簡稱：鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)），以滿足鐵路工程勘察設(shè)計(jì)中三維踏勘、專業(yè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證及方案展示分析的應(yīng)用需求。

1 多源空間數(shù)據(jù)獲取

隨著航天航空技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，地理空間信息數(shù)據(jù)獲取的能力不斷增強(qiáng)，形成了以多源、高分辨率為特點(diǎn)的高效、多樣、快速的空天地一體化數(shù)據(jù)獲取手段。多源空間數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算機(jī)智能處理可以輸出數(shù)字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）、數(shù)字表面模型（DSM，Digital Surface Model）、數(shù)字正射影像圖（DOM，Digital Orthophoto Map）、數(shù)字線劃圖（DLG，Digital Line Graph）、地形三維模型、實(shí)景三維模型、建筑信息模型（BIM，Building Information Model）等多種類型數(shù)據(jù)，進(jìn)而為鐵路勘察設(shè)計(jì)階段三維大場(chǎng)景構(gòu)建提供全面、可靠的三維空間數(shù)據(jù)。

鐵路工程勘察設(shè)計(jì)包括線路規(guī)劃、預(yù)可行性研究、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)等階段[8]。在不同的勘察設(shè)計(jì)階段，鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建所使用的多源空間數(shù)據(jù)類型及獲取方法各不相同。不同勘測(cè)設(shè)計(jì)階段多源空間數(shù)據(jù)類型及其獲取方法如表1所示。

表1 不同勘察設(shè)計(jì)階段多源空間數(shù)據(jù)類型及其獲取方法

1.1 衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)

衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)主要用于鐵路的線路規(guī)劃、預(yù)可行性研究、可行性研究等階段[9]，經(jīng)過影像預(yù)處理、空三加密、立體測(cè)圖、正射糾正、拼接裁切等作業(yè)，制作比例尺為1∶2 000～1∶50 000的地形圖、DEM、DOM等數(shù)據(jù)產(chǎn)品，也可基于衛(wèi)星影像立體像對(duì)制作類似于實(shí)景三維模型的三維大場(chǎng)景數(shù)據(jù)[10]。

1.2 航空遙感數(shù)據(jù)

航空遙感是指以飛機(jī)或氣球作為傳感器搭載平臺(tái)的空中遙感技術(shù)。鐵路勘察設(shè)計(jì)通常利用直升機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行中低空垂直航空攝影、傾斜航空攝影及機(jī)載雷達(dá)測(cè)量，獲取航攝影像數(shù)據(jù)和LiDAR點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)可用于制作鐵路工程可行性研究、初步設(shè)計(jì)及施工圖設(shè)計(jì)階段的DLG、DEM、DOM、地形三維模型、實(shí)景三維模型。航空遙感數(shù)據(jù)的處理過程如圖1所示。

圖1 航空遙感數(shù)據(jù)處理過程

1.3 專業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)

專業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)是指線路、站場(chǎng)、地質(zhì)、環(huán)保、橋梁、隧道、路基等專業(yè)根據(jù)勘察設(shè)計(jì)需要，收集、測(cè)量和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查獲得的矢量數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)、文本表格屬性數(shù)據(jù)等。

1.4 線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)指各專業(yè)設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)，主要包括二維/三維矢量圖形數(shù)據(jù)、線路平豎曲線表、橋梁表、隧道表、路基表、車站表等。

在施工圖設(shè)計(jì)階段，根據(jù)設(shè)計(jì)資料制作全線的三維設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)。要設(shè)計(jì)的BIM包括車站、隧道、橋梁、軌道、接觸網(wǎng)、站場(chǎng)等內(nèi)容，如圖2所示。

圖2 要設(shè)計(jì)的BIM

2 鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建方法

鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建，即基于三維GIS，融合航天遙感、航空攝影、無人機(jī)、傾斜攝影、機(jī)載激光雷達(dá)、地面測(cè)量數(shù)據(jù)、線路設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、專業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)等多源空間數(shù)據(jù)，建立一個(gè)真實(shí)、可量測(cè)的三維空間大場(chǎng)景，為設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)屏幕上提供直觀的三維設(shè)計(jì)環(huán)境。

鐵路三維大場(chǎng)景涵蓋了各專業(yè)應(yīng)用層及成果層數(shù)據(jù)，涉及的數(shù)據(jù)種類繁多、信息量大，且各專業(yè)間數(shù)據(jù)類型、格式要求、坐標(biāo)系統(tǒng)不一致，因此需要統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、明確數(shù)據(jù)格式，并對(duì)不同數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、坐標(biāo)系設(shè)置及轉(zhuǎn)換、模型輕量化處理、場(chǎng)景空間設(shè)置等操作，以便于多源空間數(shù)據(jù)的管理及場(chǎng)景顯示。鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)過程如圖3所示。

圖3 鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建技術(shù)過程

2.1 多源數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化處理

為了提高鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建數(shù)據(jù)處理效率，在參照相關(guān)國家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)各專業(yè)空間數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了統(tǒng)一，如表2所示。

表2 鐵路三維大場(chǎng)景多源空間數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)

2.2 多源數(shù)據(jù)預(yù)處理

多源數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)分類、格式轉(zhuǎn)化，坐標(biāo)系設(shè)置、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等流程。DEM數(shù)據(jù)需要結(jié)合實(shí)測(cè)縱橫斷面、道路、重點(diǎn)地段數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以提高模型高程精度，并加注說明信息。專業(yè)三維設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù)，特別是軌道和接觸網(wǎng)線這種大范圍的長大模型，在設(shè)置對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)投影信息后，還需通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將模型坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地理空間坐標(biāo)系下，以防止模型頂點(diǎn)錯(cuò)位。

2.3 多源數(shù)據(jù)輕量化處理

各專業(yè)三維設(shè)計(jì)模型構(gòu)件精度涵蓋LOD 1.0～LOD 5.0級(jí)[11]，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理及構(gòu)建緩存金字塔，以滿足快速顯示瀏覽、信息提取及三維設(shè)計(jì)需要。各專業(yè)三維設(shè)計(jì)模型大多基于Bentley軟件制作，需先利用Bentley軟件插件將設(shè)計(jì)模型轉(zhuǎn)為UDBX（Universal Spatial Database Extension）格式，進(jìn)行第一次模型輕量化處理，再利用超圖（SuperMap）軟件組件生成模型緩存數(shù)據(jù)，達(dá)到層級(jí)快速顯示的目的。

地理空間數(shù)據(jù)包括實(shí)景三維模型、DLG、DEM、DOM等數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)類型多、數(shù)據(jù)量大，在經(jīng)過數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，還需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分層、傾斜入庫、生成緩存等輕量化處理。

2.4 多源數(shù)據(jù)組織管理

鐵路三維大場(chǎng)景中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)內(nèi)容多樣，各類數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)來源、應(yīng)用階段等方面有較大的差別，需要根據(jù)空間位置、幾何精度、屬性數(shù)據(jù)等信息對(duì)各類數(shù)據(jù)源進(jìn)行一體化組織和管理，以便于選擇合適的地理空間數(shù)據(jù)。

因此，對(duì)于多源空間數(shù)據(jù)，需要按設(shè)計(jì)專業(yè)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，主要包括航遙、地質(zhì)、隧道、橋梁、路基、站場(chǎng)、環(huán)保、線路、站場(chǎng)等專業(yè)，使數(shù)據(jù)來源清晰明確，以滿足后續(xù)專業(yè)調(diào)取和分析使用。

3 鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)

3.1 系統(tǒng)研發(fā)目標(biāo)

鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)目標(biāo)為采用三維GIS與BIM技術(shù)，融合多源空間數(shù)據(jù)，對(duì)鐵路沿線一定范圍內(nèi)的三維大場(chǎng)景進(jìn)行重建，并在重建的三維大場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)瀏覽、漫游、量測(cè)、標(biāo)注、驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案等功能[12]，同時(shí)為各級(jí)專業(yè)交互設(shè)計(jì)提供專用數(shù)據(jù)接口，以解決傳統(tǒng)二維平面場(chǎng)景存在的場(chǎng)景顯示不直觀、不全面、勘察設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互煩瑣等問題。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)鐵路勘察設(shè)計(jì)各階段及各專業(yè)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)需求，結(jié)合三維GIS與BIM技術(shù)，采用C/S框架對(duì)系統(tǒng)的總體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體架構(gòu)

（1）網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要包含局域網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)，為各鐵路設(shè)計(jì)專業(yè)的數(shù)據(jù)交互提供高效的數(shù)據(jù)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)各級(jí)用戶隨時(shí)隨地通過客戶端對(duì)服務(wù)端的多類型數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與更新。

（2）基礎(chǔ)設(shè)施層

基礎(chǔ)設(shè)施層為鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)提供所需的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、硬件存儲(chǔ)設(shè)施、安全設(shè)備等資源，以確保所屬不同類別的專業(yè)設(shè)計(jì)人員可以分權(quán)限、分類別的安全訪問與編輯數(shù)據(jù)庫的私有及公共數(shù)據(jù)，從而保證系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包含用于三維大場(chǎng)景構(gòu)建的三維模型數(shù)據(jù)、專業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)及勘察設(shè)計(jì)過程文件數(shù)據(jù)。三維模型數(shù)據(jù)包括DOM數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)、實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)等，專業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)包括線路、站場(chǎng)、地質(zhì)、環(huán)保等專業(yè)的矢量調(diào)查數(shù)據(jù)，文件數(shù)據(jù)包含項(xiàng)目文檔、報(bào)表文檔、圖片及視頻文件等數(shù)據(jù)。

（4）數(shù)據(jù)計(jì)算處理與模型層

數(shù)據(jù)計(jì)算處理與模型層為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三維虛擬踏勘及專業(yè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)計(jì)算與模型處理支持。三維數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的處理，三維踏勘與設(shè)計(jì)驗(yàn)證模塊主要為線路三維虛擬踏勘和專業(yè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證提供輔助計(jì)算工具，方案展示分析模塊主要用于設(shè)計(jì)方案的三維展示與分析決策。

（5）應(yīng)用層

應(yīng)用層主要指的是鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)及其配套的子系統(tǒng)。鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)及其配套的子系統(tǒng)之間可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)階段數(shù)據(jù)的共享，各專業(yè)亦可在此基礎(chǔ)上結(jié)合專業(yè)需求定制個(gè)性化的配套子系統(tǒng)。

3.3 系統(tǒng)功能

結(jié)合鐵路工程勘察設(shè)計(jì)的業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)的功能，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)功能

3.3.1 項(xiàng)目管理

項(xiàng)目管理模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工程的信息進(jìn)行存儲(chǔ)及管理，包含新建工程、打開既有工程、保存工程及另保存工程的功能。

3.3.2 場(chǎng)景構(gòu)建

在鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)中進(jìn)行勘察設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)，需要首先利用場(chǎng)景構(gòu)建模塊、基于多源空間數(shù)據(jù)對(duì)鐵路三維大場(chǎng)景進(jìn)行構(gòu)建。場(chǎng)景構(gòu)建模塊包括地理空間數(shù)據(jù)的加載、三維設(shè)計(jì)線位的生成、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD，Computer Aided Design）圖形文件及DGN矢量文件的導(dǎo)入與導(dǎo)出、圖層屬性設(shè)置等功能。

3.3.3 三維踏勘及設(shè)計(jì)驗(yàn)證

三維踏勘及設(shè)計(jì)驗(yàn)證模塊提供常用的工具集，包含場(chǎng)景三維漫游、線路里程標(biāo)注、重點(diǎn)工點(diǎn)標(biāo)注、坐標(biāo)及里程定位、空間量測(cè)、橫斷面計(jì)算分析等。

3.3.4 方案展示

方案展示模塊主要包括工點(diǎn)可視化分析、設(shè)計(jì)模型快速布設(shè)與線路漫游飛行等功能模塊，可實(shí)現(xiàn)鐵路線路方案快速巡游展示、重點(diǎn)工點(diǎn)三維可視化分析及橋梁、隧道、路基標(biāo)準(zhǔn)BIM的快速布設(shè)，輔助專業(yè)設(shè)計(jì)方案的三維展示與分析決策。

4 工程應(yīng)用

4.1 三維虛擬踏勘

鐵路三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)可在計(jì)算機(jī)屏幕上構(gòu)建一個(gè)大范圍、可量測(cè)、真實(shí)感的三維虛擬踏勘環(huán)境，并利用場(chǎng)景三維漫游、線路里程標(biāo)注、坐標(biāo)和里程定位等系統(tǒng)工具，輔助鐵路各專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行室內(nèi)線路三維虛擬踏勘。

在宜渝（宜昌—重慶）鐵路項(xiàng)目中，構(gòu)建了全線68 km的三維大場(chǎng)景，輔助專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行線路三維虛擬踏勘，開展了沿線滑坡、錯(cuò)落、危巖落石、崩塌、巖堆、順層滑動(dòng)等不良地質(zhì)判釋工作，解決了CK9～CK20段受山高林密影響導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員無法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)踏勘的問題，提高了勘察設(shè)計(jì)工作效率。

4.2 專業(yè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證

利用鐵路三維大場(chǎng)景系統(tǒng)，可以對(duì)鐵路重點(diǎn)工點(diǎn)線路走向方案及重點(diǎn)橋梁孔跨布設(shè)、隧道進(jìn)出口位置選擇等進(jìn)行驗(yàn)證，輔助專業(yè)設(shè)計(jì)工作。

在文蒙（文山—蒙自）鐵路項(xiàng)目中，利用鐵路三維大場(chǎng)景系統(tǒng)對(duì)天生橋1號(hào)～3號(hào)橋段線路與左側(cè)立交匝道及右側(cè)山澗的位置關(guān)系進(jìn)行多視角、全方位三維踏勘，進(jìn)而驗(yàn)證和優(yōu)化線路設(shè)計(jì)方案。

在通蘇嘉甬（南通—蘇州—嘉興—寧波）鐵路項(xiàng)目施工圖設(shè)計(jì)階段，在構(gòu)建的鐵路三維大場(chǎng)景中加載BIM設(shè)計(jì)模型，對(duì)橋梁、隧道設(shè)計(jì)模型與周邊市政公路、高速鐵路的相對(duì)關(guān)系進(jìn)行核實(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)方案的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

4.3 方案三維展示分析

在文蒙鐵路項(xiàng)目中，利用系統(tǒng)“線路漫游飛行”功能，沿線路設(shè)計(jì)方案進(jìn)行不同飛行高度和速度的線路漫游展示，并借助錄屏軟件錄制方案展示視頻。在通蘇嘉甬鐵路項(xiàng)目中，利用系統(tǒng)“可視化分析”功能預(yù)先制作了多個(gè)重點(diǎn)工點(diǎn)的三維可視化分析方案，在方案展示時(shí)通過加載已有可視化分析方案，實(shí)現(xiàn)多個(gè)工點(diǎn)的快速切換和三維展示分析。

5 結(jié)束語

本文研究了鐵路三維大場(chǎng)景的構(gòu)建方法并設(shè)計(jì)了鐵路三維大場(chǎng)景構(gòu)建與應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了鐵路三維場(chǎng)景構(gòu)建、虛擬踏勘、設(shè)計(jì)驗(yàn)證及方案展示的功能，與傳統(tǒng)二維場(chǎng)景相比，三維大場(chǎng)景可為鐵路設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)更加直觀、全面、真實(shí)的三維設(shè)計(jì)環(huán)境，提高了鐵路勘察設(shè)計(jì)數(shù)字化、信息化水平，在鐵路建設(shè)項(xiàng)目中具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

未來，本文將針對(duì)鐵路勘察設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)相統(tǒng)一的鐵路三維數(shù)據(jù)庫建立，以及移動(dòng)端、網(wǎng)頁端三維大場(chǎng)景應(yīng)用系統(tǒng)研發(fā)等工作進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)鐵路全生命周期數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、勘察數(shù)據(jù)采集智能化、勘察過程低碳化、勘察設(shè)計(jì)成果數(shù)字化的目標(biāo)。