論三維GIS 及Unity 3D 技術(shù)管理的可視化構(gòu)建

龍 琰，鄧新賀

（1.河南省鶴新高速公路有限公司，河南 鄭州 450000；2.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽 471000）

三維地理信息系統(tǒng)（Geographic Information Systems，GIS） 及Unity 3D 應(yīng)用非常廣泛，已被公路、橋梁和隧道等建筑工程領(lǐng)域所應(yīng)用。通過三維GIS及Unity 3D 技術(shù)進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)建模，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)、計(jì)算、管理和分析服務(wù)等，解決工程量計(jì)算、橋梁合攏關(guān)鍵技術(shù)、隧道施工難點(diǎn)等。這些都為高速公路施工進(jìn)度管理系統(tǒng)的可視化和動(dòng)態(tài)化的管理提供了新思路和新途徑，構(gòu)建多平臺(tái)三維GIS 和Unity 3D共享數(shù)據(jù)與進(jìn)度管理系統(tǒng)能夠從多視角對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行全面的評(píng)估[1]。鑒于此，本文應(yīng)用三維GIS Unity 3D 技術(shù)，分析鶴壁至輝縣高速公路施工進(jìn)度的管理功能、架構(gòu)和目標(biāo)，以及系統(tǒng)建設(shè)中的關(guān)鍵性技術(shù)等問題。

1 系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)及功能、架構(gòu)

1.1 三維GIS 及Unity 3D 系統(tǒng)構(gòu)建目標(biāo)

實(shí)現(xiàn)高速公路施工數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)的無縫集成是系統(tǒng)構(gòu)建的目標(biāo)之一[2]，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感、場景、地形等空間數(shù)據(jù)，及橋涵和道路的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的無縫集成與管理。利用三維GIS 及Unity 3D 的空間信息分析功能、管理功能和場景功能，可對(duì)各施工圖層和標(biāo)段設(shè)計(jì)圖層進(jìn)行管理，并對(duì)各圖層進(jìn)行疊加分析，實(shí)現(xiàn)其與空間圖層、監(jiān)測數(shù)據(jù)等的連接與交換功能，以及快速查詢與統(tǒng)計(jì)分析功能等，使高速公路施工管理工作實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化和科學(xué)化，增強(qiáng)其管理能力，提高其管理水平。

1.2 三維GIS 及Unity 3D 系統(tǒng)功能分析

利用高速公路的相關(guān)構(gòu)造物構(gòu)建三維施工模型，管理并計(jì)算工程量，這是高速公路施工管理系統(tǒng)的中心目標(biāo)，更是核心。依據(jù)施工過程中的空間數(shù)據(jù)庫，可進(jìn)行Unity 3D 和三維GIS 中的場景模塊和三維建模技術(shù)、空間分析等，建設(shè)一個(gè)集場景瀏覽、施工進(jìn)度的動(dòng)態(tài)化建模、工程量計(jì)算及可視化等為一體的現(xiàn)代管理系統(tǒng)，進(jìn)而有效控制高速公路的建設(shè)成本和管理工期。

高速公路施工進(jìn)度管理系統(tǒng)的另一重要功能是實(shí)時(shí)發(fā)布和管理施工數(shù)據(jù)。通過GIS 及Unity 3D 開發(fā)施工進(jìn)度管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)施工進(jìn)度（三維動(dòng)態(tài)模型）、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)在線查詢、工程量計(jì)算等的信息化、實(shí)時(shí)化和智能化，以為施工方和項(xiàng)目管理者提供信息服務(wù)。

1.3 三維GIS 及Unity 3D 系統(tǒng)管理架構(gòu)

按照鶴壁至輝縣高速公路的信息管理需求及施工特征，以GIS 為支撐，進(jìn)行多層次構(gòu)建的Unity 3D 施工進(jìn)度管理系統(tǒng)。圖1 為高速公路施工進(jìn)度管理系統(tǒng)模型。

由圖1 可知，確保應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層的多層次無縫切換，施工進(jìn)度管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入同步，可以互相檢索，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理。如場景瀏覽數(shù)據(jù)庫、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫和施工進(jìn)度數(shù)據(jù)庫等。其中施工進(jìn)度和地理空間等數(shù)據(jù)可通過專題方式進(jìn)行構(gòu)建，在應(yīng)用業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)庫層、場景瀏覽層等分別設(shè)置空間數(shù)據(jù)引擎，確保施工進(jìn)度與地理空間的快速查詢與數(shù)據(jù)等的同步性[3]。應(yīng)用層包括業(yè)務(wù)處理、管理和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)布等，應(yīng)用層能夠?qū)崿F(xiàn)所有專題性的服務(wù)功能，以及各專題數(shù)據(jù)之間的連接，不斷更新數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)各業(yè)務(wù)多視角評(píng)估目標(biāo)。

施工單位需要查詢和錄入施工進(jìn)度的相關(guān)數(shù)據(jù)時(shí)，可從服務(wù)器中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，無需與其進(jìn)行交互操作。圖1 中高速公路的施工進(jìn)度管理系統(tǒng)，按照施工進(jìn)度及標(biāo)段的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并借助數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，應(yīng)用服務(wù)器開發(fā)出數(shù)據(jù)庫的諸多功能，如查詢功能、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能、施工進(jìn)度狀況、計(jì)算工程量、數(shù)據(jù)管理和場景瀏覽，以及三維可視化分析功能等服務(wù)，進(jìn)而對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)施工信息的發(fā)布和快速施工決策。

2 三維GIS 及Unity 3D 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)管理

2.1 Unity 3D 超強(qiáng)的引擎功能

Unity 3D 引擎功能強(qiáng)大，以創(chuàng)建幾乎任何復(fù)雜的場景。將BIM 嵌入U(xiǎn)nity 3D 施工進(jìn)度管理圖可用于工程進(jìn)度模擬、變更施工設(shè)計(jì)模型，實(shí)時(shí)更新設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)管理，確保在同一時(shí)空中的施工進(jìn)度、地理空間及場景瀏覽等數(shù)據(jù)的無縫集成。如道路施工、水系施工、綠化施工等，Unity 3D 自帶的尋路系統(tǒng)，應(yīng)用于施工進(jìn)度數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)模擬，甚至接入大數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 三維GIS 及Unity 3D 動(dòng)態(tài)傳輸

在傳統(tǒng)的GIS 領(lǐng)域內(nèi)，信息主要是以二維平面地圖的形式呈現(xiàn)給使用者。這種普通二維GIS 空間地圖，對(duì)移動(dòng)設(shè)備的硬件條件要求較低，數(shù)據(jù)傳輸量較小，影響施工進(jìn)度數(shù)據(jù)庫的管理。需升級(jí)三維GIS 技術(shù)，滿足施工數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集和動(dòng)態(tài)管理。相比二維GIS，三維GIS 為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的平臺(tái)，多維度空間分析功能更加強(qiáng)大。但是，三維GIS 對(duì)計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和計(jì)算機(jī)硬件也提出了更高要求，如先進(jìn)的圖形卡、工作站以及帶觸摸功能的投影設(shè)備等，以匹配三維GIS 技術(shù)的動(dòng)態(tài)交互可視化功能，Untiy 強(qiáng)大的引擎功能在數(shù)據(jù)傳輸方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，配合3D 展示真實(shí)施工場景，形成三維模型可視化的有機(jī)整合和場景呈現(xiàn)，完好地解決了高速公路施工動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)變化快，工程數(shù)據(jù)量龐大，多源海量的工程數(shù)據(jù)傳輸過慢信息滯后問題。

2.3 三維模型的數(shù)據(jù)導(dǎo)入與查詢

三維GIS 及Unity 3D 技術(shù)支持下，對(duì)項(xiàng)目地理分布數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存、管理和運(yùn)算功能非常強(qiáng)大?；赨nity 3D 的三維BIM 技術(shù)查詢功能，能夠?qū)崟r(shí)掌握現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)、歷史設(shè)計(jì)及施工進(jìn)度等的屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)，屬性數(shù)據(jù)與圖形數(shù)據(jù)間可以互相檢索，并能統(tǒng)計(jì)屬性數(shù)據(jù)和繪制專題圖，進(jìn)而為構(gòu)建計(jì)算工程量和施工進(jìn)度的三維模型提供數(shù)據(jù)[4]。采用Unity 3D 的三維BIM 技術(shù)既實(shí)現(xiàn)常規(guī)的數(shù)字化錄入功能，也能夠在時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)庫中提供數(shù)據(jù)導(dǎo)入、動(dòng)態(tài)化檢驗(yàn)及管理等功能，為施工進(jìn)度模型實(shí)時(shí)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)。因此，在三維GIS 及Unity 3D 技術(shù)加持下，高速公路的路面、橋涵和路基等的施工狀態(tài)可形象而生動(dòng)地呈現(xiàn)出來，并能對(duì)該模型進(jìn)行縮小、放大、平移、旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)漫游和操作的可視化。

同時(shí)，三維GIS 在工程量的計(jì)算功能中，根據(jù)各個(gè)標(biāo)段上報(bào)的施工數(shù)據(jù)，應(yīng)用三維模型中的剖分計(jì)算和可視化模塊，對(duì)各施工量進(jìn)行交互計(jì)算，以圖件報(bào)表方式輸出計(jì)算數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)恢復(fù)、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查等進(jìn)行維護(hù)，進(jìn)而確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

3 施工進(jìn)度管理的場景化和可視化構(gòu)建

3.1 分段管理技術(shù)

地理空間內(nèi)，此高速公路的分布形狀為線狀，空間位置定位以線性參照模型去定位。在GIS 技術(shù)中，采用Untiy 3D 引擎的技術(shù)方案進(jìn)行BIM 的形象展示，任意點(diǎn)的空間位置都能通過三維坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定位。因此，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)層、地理空間層及動(dòng)態(tài)施工層等的數(shù)據(jù)能夠無縫集成，就要先構(gòu)建定位模型兩種聯(lián)系。這就要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)化的分段計(jì)算。

常用的動(dòng)態(tài)分段計(jì)算方法主要有固定分段算法、屬性變長法、內(nèi)插法及曲線要素法等。這些算法均能夠?qū)崿F(xiàn)二維空間坐標(biāo)與線性模型的連接[5]。因此，計(jì)算高速公路各個(gè)點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)，要依據(jù)公路路面坡度和路基傾斜度反算其高程。具體應(yīng)用時(shí)，為確保標(biāo)段劃分在設(shè)計(jì)和建設(shè)模式上的一致性，故選用固定分段法進(jìn)行計(jì)算，且計(jì)算的標(biāo)段與所分段間的一致性較強(qiáng)，能夠有效地對(duì)工程量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

3.2 場景可視化模型建構(gòu)

高速公路建設(shè)是一項(xiàng)系統(tǒng)性工程，工程量大且復(fù)雜。既有路面路基建設(shè)，又有邊坡、橋梁、涵洞和匝道的建設(shè)，以及護(hù)欄、隔離帶、服務(wù)區(qū)、人行天橋等的建設(shè)，項(xiàng)目復(fù)雜多變。應(yīng)用GIS Unity 3D軟件和其他軟件共同建構(gòu)三維模型，能夠確保系統(tǒng)顯示的可視化和一體化。然而，許多高速公路設(shè)計(jì)均是利用CAD 制圖，無法模擬施工過程，但應(yīng)用三維GIS Unity 3D 可視化技術(shù)后，可以通過場景建設(shè)模擬施工過程，解決建筑設(shè)計(jì)與施工的難點(diǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速公路施工進(jìn)度與三維模型的動(dòng)態(tài)化。

由于高速公路的施工進(jìn)度并無事前預(yù)知性，若要識(shí)別出設(shè)計(jì)中的不合理之處，就要通過建模方式對(duì)施工現(xiàn)場、施工路面、路基及構(gòu)筑物等應(yīng)用GIS和Unity 3D 技術(shù)進(jìn)行施工狀態(tài)的場景化和可視化，并動(dòng)態(tài)建模。三維動(dòng)態(tài)建模通常要先構(gòu)建模型，而后通過逐幀播放，方實(shí)現(xiàn)其可視化。對(duì)路基和路面來說，可以按照施工狀態(tài)生成DEM 界面，且以此切割構(gòu)建高速公路的三維模型[6]，該模型能夠通過透明方式、三角網(wǎng)方式對(duì)未施工部分進(jìn)行顯示，或通過不同色彩在施工虛擬場景中進(jìn)行標(biāo)示。

3.3 工程量的計(jì)算方法

在高速公路施工中，施工進(jìn)度及三維設(shè)計(jì)等模型都是矢量幾何模型。此類模型的建模與其他三維模型的建模方式不同，其為基于面的模型，而基于面的三維模型可以對(duì)形體的空間輪廓及表面形態(tài)等進(jìn)行細(xì)致的刻畫，更利于數(shù)據(jù)的顯示和更新，但對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行整體表示及對(duì)其空間進(jìn)行分析的難度較大。相關(guān)研究顯示，混合數(shù)據(jù)模型能夠綜合利用體模型與面模型的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合施工進(jìn)度中的三維動(dòng)態(tài)模型特征提出基于GIS 及Unity 3D 技術(shù)的工程量計(jì)算流程。

4 結(jié)束語

三維GIS 及Unity 3D 技術(shù)構(gòu)建的高速公路施工進(jìn)度管理模型已在鶴壁至輝縣高速公路建設(shè)中得到應(yīng)用，且非常成功。該高速公路采用三維GIS Unity 3D 動(dòng)態(tài)模型，并結(jié)合工程指揮部的要求，在路基進(jìn)度、隧道和橋梁進(jìn)度、整體進(jìn)度等方面都實(shí)行了定制化開發(fā)。在施工中，按照分項(xiàng)工程的不同結(jié)構(gòu)對(duì)每個(gè)標(biāo)段進(jìn)行分級(jí)，以結(jié)構(gòu)塊方式作為展示系統(tǒng)的整體形象。完成某個(gè)結(jié)構(gòu)塊的施工后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)錄入相應(yīng)數(shù)據(jù)，業(yè)主及監(jiān)理都能利用系統(tǒng)平臺(tái)或系統(tǒng)手機(jī)APP 隨時(shí)查看工程的施工細(xì)節(jié)，且按照現(xiàn)場檢測結(jié)果備案，從而為后期養(yǎng)護(hù)及運(yùn)營管理提供數(shù)據(jù)支持，為實(shí)現(xiàn)高速公路施工進(jìn)度管理目標(biāo)提供了有效的方案。