基于BIM 與GIS 技術的公路工程可視化系統(tǒng)構建

房曉亮，黃文衡，鄧 碩

（1.中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，長沙 410014；2.長沙理工大學，長沙 410114）

近年來，公路建設規(guī)模日益擴大，建設速度不斷提高，公路網絡也在不斷優(yōu)化，迫切需要提升公路工程項目全過程管理的數字化、智慧化水平。然而，公路工程項目具有路線長、路況復雜、管理構件多及道路環(huán)境多變等特點，傳統(tǒng)管理方式難以滿足當前施工快、周期短、效率高的公路工程建設、運維和養(yǎng)護的需求。隨著建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，簡稱GIS）技術的迅速發(fā)展，形成了高效可靠的空間數據集成與三維地理信息可視化能力[1]，使其逐漸成為公路工程數字孿生應用的主要技術之一，正掀起一場公路工程行業(yè)的數字化革命[2]。

建筑信息模型（BIM）是通過建立建筑工程的精細三維模型，實現建筑相關構件的幾何、屬性與狀態(tài)信息的存儲組織與關聯表達[3]。BIM 技術為工程項目管理提供了一種統(tǒng)一的、全生命周期的工程信息交流平臺，逐漸成為公路工程設計、施工、運營和養(yǎng)護的重要生產力工具[4]。地理信息系統(tǒng)（GIS）是在計算機軟硬件支持下，對地理空間數據進行采集、存儲、管理、分析和可視化的信息系統(tǒng)，因其在地理環(huán)境信息分析與表達方面的獨特優(yōu)勢，被廣泛應用于城市規(guī)劃、智能交通、智慧水利等領域[5]。相較而言，BIM 技術側重工程尺度的建筑信息精細表達，GIS 技術關注宏觀尺度的地物信息統(tǒng)一存儲，為實現公路工程項目宏、微觀尺度的統(tǒng)一管理，迫切需要研究兩者技術的集成交互。近年來，一些企業(yè)和機構已開始探索BIM 與GIS 技術的融合應用，如趙塵衍等[6]應用BIM 與GIS 技術輔助軌道交通工程的設計、施工、運維工作；方磊等[7]構建智慧高速BIM+GIS 平臺，實現基于BIM 與GIS 底座模型的智慧高速多源信息融合應用；黎宇陽等[8]利用BIM 與GIS 技術有效提升了德會高速公路勘察設計與施工建設的管理效率。

總體而言，公路工程領域BIM 和GIS 的融合應用仍存在BIM 與GIS 數據轉換復雜、BIM 模型加載困難、可視化效果不佳等問題。本文首先利用Bentley 系列軟件構建公路BIM 模型，然后借助CesiumLab 工具進行BIM 模型輕量化。最后，基于React 和Cesium 技術實現公路工程可視化系統(tǒng)，為項目工作人員提供一種更方便、更高效的管理方式，從而有效提升公路工程施工、運營、維護的管理效率。

1 公路BIM 模型構建

Bentley 系列軟件是當前BIM 設計的主流軟件之一，旗下OpenRoads Designer 軟件為一款功能完善、全面詳細的道路BIM 設計軟件，提供了勘測、排水、公用設施和道路詳細設計的一整套強大工具[9]，因此，本文選擇使用OpenRoads Designer 軟件構建公路BIM 模型，包括路線繪制和路基構建2 個步驟。

1.1 路線繪制

在構建公路BIM模型時，需要依靠中線位置來確定公路位置。本文采用交點線文件導入法進行BIM設計。具體地，在OpenRoads Designer軟件中，創(chuàng)建一個新模型，或者選擇已經創(chuàng)建好的模板創(chuàng)建模型，輸入模型名稱和文件路徑，并指定參考坐標系和單位。通過“幾何圖形”模塊中的“從ASCII文件導入平面幾何圖形”導入交點線文件，選擇“從ASCII文件導入平縱面幾何圖形”導入縱斷面文件，繪制出的公路中心線如圖1所示。

圖1 路線繪制效果

縱斷面線設計完成后，通過選擇縱斷面線并懸停，在彈出的縱斷面線菜單中選擇“設置為激活縱斷面線”，此前可在縱斷面設計視圖中設計數條縱斷面線，利用該功能選擇其中一條激活作為最終縱斷面線，至此公路的平面和縱斷面已全部構建完成，OpenRoads Designer 將在“平面線所在模型+3D”中自動生成公路的三維線型。

1.2 路基構建

路線構建之后，進行路基構建，包括地形導入、創(chuàng)建廊道、創(chuàng)建模板和創(chuàng)建超高模型等。

1）地形導入，從外部導入地形數據并將其轉換為OpenRoads Designer 可識別的DTM 地形對象，同時將地形激活。

2）創(chuàng)建廊道，利用此前已經建立好的路線文件和地形文件，定位待創(chuàng)建廊道路線的平面線和已激活的縱斷面線，通過“創(chuàng)建廊道”功能自動創(chuàng)建廊道。

3）創(chuàng)建模板，通過模板編輯工具，根據標準需求設計行車道、放坡、基層等組件并將其組裝成模板，將模板應用在指定廊道上，并設置如起訖樁號、建模最大步長等控制參數，即可形成公路路基的整體三維模型，如圖2 所示。

圖2 公路路基三維建模效果

4）創(chuàng)建超高模型，將超高模型應用到廊道，通過與模板中的約束相互作用，從而約束三維模型并對特定三維線進行調整，使其更加貼近標準。公路模型建立完畢后，將公路模型導出為dgn 等通用格式即可。

2 BIM 與GIS 數據集成

為了更好地展示公路工程不同尺度的三維效果，除構建公路BIM 數據外，還需要與公路工程相關的傾斜攝影數據、影像數據、DEM 數據和矢量數據等GIS數據集成。本文采用了Cesium 進行公路工程的三維數據集成展示，涉及工作包括BIM 數據格式轉換、模型輕量化、傾斜攝影數據處理和基礎場景搭建等。

2.1 BIM 數據格式轉換及模型輕量化

本文設計的BIM 數據為dgn 格式，利用Cesium－Lab 中的“通用模型切片”功能將BIM 模型轉換成3D Tiles 的格式，實現BIM 模型輕量化，主要步驟如下。

1）在“輸入文件”中導入需要進行輕量化的BIM模型文件。

2）在“資源庫”中選擇資源目錄，輸入文件名并點擊保存即可，如果不設置本地資源文件，系統(tǒng)自動在內存中創(chuàng)建資源文件。

3）根據不同數據類型和可視化要求，可選擇小場景處理器和八叉樹處理器2 種方式進行通用模型處理。

4）再根據需要設置“壓縮參數”，設置輸出路徑作為生成的3D Tiles 存儲路徑，最后點擊提交處理即可。

2.2 傾斜攝影數據處理及基礎場景搭建

傾斜攝影數據是公路工程可視化系統(tǒng)的基礎場景數據源之一。DP-Modeler 是一款集精細化單體建模與Mesh 網格模型修飾于一體的新型三維建模軟件[10]，本文利用DP-Modeler 軟件進行傾斜攝影數據處理，由于DP-Modeler 支持的數據格式為obj，故首先需要將傾斜攝影數據（OSGB）和公路BIM 模型數據轉換為obj格式，再執(zhí)行以下步驟進行傾斜攝影數據處理與基礎場景搭建。

1）修模范圍選定。打開DP-Modeler 軟件創(chuàng)建工程，分別導入傾斜攝影模型數據（OSGB）及其相匹配的obj 數據，通過工具箱—Tile 選擇—確定，進行修模范圍選定。

2）傾斜攝影數據處理。該處理包括深挖和壓平2種方式：①深挖方案可采用刪除的方式進行，也可采用沿建筑物底邊描線配合mesh 切割技術路線，將該建筑物上下一定米數范圍內的瓦片全部刪除；②壓平方案可采用水面修飾的方式進行壓平，但壓平通常會帶來瓦片碎片缺失或拉花現象，可通過橋接或補洞的方式進行修補。

3）導出OSGB 模型。右鍵點擊“OBJ 修飾文件”進行全部保存，然后點擊“導出”，選擇“全部導出”，接著選擇“導出OSGB”，OSGB 修飾結果將保存在該工程所屬文件夾中的OSGB_Edit 文件下，最后通過Cesium－Lab 進行OSGB 轉3D Tiles。

4）基礎場景搭建。將公開的30 m DEM 數據和天地圖在線影像進行疊加，同時將行政區(qū)劃等矢量數據疊加，形成公路工程的基礎地理場景，場景展示如圖3所示。

圖3 基礎場景搭建效果

3 公路工程可視化系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)功能介紹

本文基于Cesium 實現公路工程可視化系統(tǒng)的功能開發(fā)，構建的公路工程可視化系統(tǒng)可以實現加載顯示表格、點、線、傾斜攝影、BIM、影像和地形數據等，還具備漫游、定位、查詢功能，以幫助用戶更好地了解公路工程的情況。

3.2 系統(tǒng)實現效果

通過公路BIM 與GIS 數據融合，較好地展示了公路建設所處的地形情況、設計成果，以及與現實世界的融合效果。公路BIM 可以展示公路工程不同層次的厚度和施工方式，以及路基的高度、寬度、厚度等細節(jié)，以便更好地了解公路的構造和設計原理。借助GIS 數據還可以展示公路沿線的景觀和綠化情況，包括花壇、景觀樹、草坪等環(huán)境細節(jié)。如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)界面

此外，以BIM+GIS 為基底，還可以融合與公路工程相關的其他信息，如行車軌跡、施工進度等。通過顯示車輛在行駛過程中的行為軌跡及其路面上的變化，幫助公路設計者更加準確地了解路面的基本情況，進而合理優(yōu)化路面設計和施工方案。通過監(jiān)控車輛在路面上的行駛軌跡，及時發(fā)現路面損壞和變形等問題，提醒公路管理部門及時進行維護，防止發(fā)生交通意外，如圖5 所示。

圖5 行車軌跡展示

4 結論

基于BIM 和GIS 技術能夠較好地解決公路工程管理過程中宏觀和微觀可視化需求，本文借助OpenRoads Designer、DP-Modeler、Cesium 等多種軟件工具，實現了公路BIM 建模、BIM 與GIS 集成、三維可視化等較為完整的一套公路工程可視化系統(tǒng)構建流程。系統(tǒng)實現效果表明，對公路BIM 模型和GIS 數據進行流程化處理，在GIS 場景中保留公路BIM 幾何信息和屬性信息完整性，有效實現了宏觀地理空間數據與微觀公路BIM 模型的互補融合，并發(fā)揮GIS 特有的量算、查詢、漫游等空間分析功能優(yōu)勢，能夠為公路工程項目提供更加直觀的可視化工程管理模式。然而，多源數據融合是構建數字孿生的重要工作，本文在融合效果、現實世界聯動、工程狀態(tài)更新等方面還有較大改進空間。