GIS-BIM在铁路工程建设管理中的应用研究

郝 蕊，王辉麟，卢文龙，徐晓磊

（中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081）

铁路工程项目线状分布、地域广泛、施工复杂，传统管理模式下难以实现多维信息的准确高效传递与集成管理，需要利用信息模型对铁路工程在其全生命周期内所涉及的资源、活动和产品等进行有效地组织和管理，一般的模型信息只是描述客观现实，并不具备信息承载的能力，所以利用地理信息系统（GIS，Geographic Information System）技术–建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）为施工管理提供可视化、信息化的手段，提高各阶段信息共享水平，节约成本，避免浪费。

以空间分析和三维可视化为核心技术的GIS提供了研究地理实体要素的手段和方案，以GIS为技术基础的平台可以满足用户对铁路工程全局性表达的需求。而高精度的BIM模型不仅为GIS提供重要的数据源，其本身整合了建筑的图形、非图形信息，将信息参数化集成，实现数据驱动模型，满足用户对工程的精细化管理要求。因此，BIM和GIS的融合可以深化多领域的协同应用，为铁路工程建设的信息化、可视化管理提供技术手段。

1 铁路工程建设数据存储与共享

1.1 铁路工程建设数据存储

地理信息系统具有完整的空间和属性数据的管理特性，铁路信息资源与地理信息存在紧密的关联性和依附性，可以将其空间和属性信息有机地结合起来，从空间和属性两个方面对要素进行查询、定位和分析。因此，铁路工程建设的空间、非空间数据的存储和集成共享十分重要。

GIS存储管理的数据不仅具有一般属性数据，而且还包括与位置有关的空间特征数据，例如空间位置、投影方式、地理要素间的关系等；空间数据可以采用文件的形式存储，但是这种方式数据易丢失，而且也不能满足用户对空间数据并发访问的需求，因此，可以采用统一的DBMS存储空间数据和属性数据，并在数据库上增加一个空间数据管理层，利用特殊的表结构来实现空间数据和属性数据的无缝集成等[1]。

本文研究了一种Oracle+ArcSDE的数据存储架构。将铁路工程建设数据存储为shp格式，利用空间数据引擎ArcSDE将数据批量加载到空间数据库中，并创建相关的属性表，在这些属性表与ArcSDE业务表具有一列相同的属性字段，空间数据与属性数据可以通过这个字段关联起来，实现地理空间数据与非空间数据在空间数据库的存储。

1.2 铁路工程建设数据集成与共享

以SOA作为基础架构，该架构以Web服务作为信息共享的主要实现技术手段，搭建一个可复用的资源环境[2]。将既有的铁路工程业务系统的数据，使用标准的接口封装成Web服务，通过发布与调用完成使用过程。基于SOA架构的数据集成，整合了业务系统积累的实时数据，将空间数据和属性数据有机融合，通过应用系统级的共享，实现了数据的基础与共享。其数据流程如图1所示。

2 基于GIS-BIM技术的可视化模型构建

图1 数据流程图

BIM 模型是建筑信息参数化的集成，模型中所集成的信息都可以通过参数化的手段进行关联，一旦模型中某个参数发生改变，模型实体能自动地进行更改，这就为铁路工程建设的精细化、可视化管理提供一种新的管理思路。但是铁路工程是具备地理属性的，因此还需要借助地理信息的空间分析，将GIS-BIM两者有效融合，构建一个具备空间场景的三维工程建设模型，对施工环境和施工现场有效的监督与管理，为用户提供一个既可以全局把控又可以精细管理的技术手段。

2.1 基于参数化规则快速建模技术的GIS模型构建

在建筑物高度集群化的时代，绝大多数的建筑物层与层的结构基本都是重复排列的，在获取建筑物某层的局部特征便可获取这一层的全部特征，甚至可以获取整栋建筑物的特征，正是基于这种特征才为参数化规则建模提供了可能[3]。铁路工程的工程结构是有规律的按照一定地理空间重复排列，其构件参数可以定义各种几何特性，按照一定的公式或者数学法则相互关联，从而通过设定构件参数建立模型，因此可以选择应用参数驱动模型的手段建立三维场景。

这种技术思想是在一个GIS环境下，制作二维矢量数据（含高程信息），调用GIS属性数据，利用参数化规则文件驱动生成模型。选用CityEngine软件，通过编写CGA（Computer Generated Architecture）规则，提取二维数据属性，激活二维数据对象，参数化驱动生成三维模型，同时能够产生大范围的模型及多种建筑物样式。这样生成的三维模型具备地理属性，便于编辑与操作。参数化规则建模示意图如图2所示。

图2 参数化规则建模示意图

CGA规则建模的基本思想是定义规则，并反复优化设计更多的模型细节[4]，CGA是一种内嵌Cityengine中的编程语言，通过编程的思想描述对二维平面的参数化设置，并将结果赋予一个或者多个对象。CGA规则可对模型进行平移、拉伸、旋转、切割、贴纹理、模型替换等操作，常见的命令如下，构建的模型如图3所示。

t(tx,ty,tz) 平移 ；

r(rx,ry,rz) 旋转 ；

s(sx,sy,sz) 形状调整；

center(axes-selector) 设置为平面中心；

i(“**.obj”) 替代为别的模型；

extrude(Height)拉伸；

split(z) 切分。

图3 参数化规则建模构建模型

2.2 基于数据格式转换的GIS-BIM数据融合

BIM是基于工业基础类（IFC，Industrial Foundation Classes）扩展语义要素，形成存储标准，3D GIS是应用CityGML三维模型数据标准的存储框架，因为存储和表达的差异，导致二者不能各自在软件平台上互相友好支持，目前，关于IFC与CityGML整合主要在转换框架的设计、基于标准扩展机制的整合、基于数据格式的转换。本文研究了信息模型在BIM和GIS领域及其软件平台间无损转换和无缝衔接的方法，提出一种基于FME格式转换软件平台对模型进行处理分析和应用，实现了精细模型的跨地域展示，其流程如图4所示。

图4 BIM与GIS数据转换流程

研究思路是应用数据格式转换软件FEM将BIM模型放入GIS环境中。BIM模型来自Revit软件的RVT格式，利用FME在Revit软件里的插件，将RVT格式转换为一种中间格式RVZ，然后将RVZ文件导入FME软件平台中，按照要素特征，调整配置合理的参数，最终转换为shp格式文件，利用ESRI软件功能处理所有文件，这种方式导出模型的姿态与原始Revit模型相一致。

从外观上来讲，这种格式转换方式不需要人工干预，颜色和透明度会保持比较完整；在属性方面，RVZ的中间格式保留了大部分BIM信息；从模型体量来说，RVZ格式的文件体量是原文件的1/7，因此转换的GIS模型体量小，信息比较完整。对比如表1所示，效果图如图5所示。

表1 BIM格式与GIS格式比对表

图5 BIM转换为GIS模型对比图

2.3 基于倾斜摄影的三维地形模型构建

铁路工程建设地理信息系统引入倾斜摄影技术，通过在飞行平台上搭载多台传感器（目前常用的是五镜头相机），从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取完整准确的地面物体。采集影像数据后，利用建模软件将采集的数据进行建模，地物建模采用Smart 3D软件，通过计算机图形计算，生成点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型。区域整体三维建模方法生产路线如图6所示。

图6 区域整体三维建模方法生产路线图

本文采用的场景数据由无人机采集，无人机航拍的影像经过建模软件处理可以产生一些数据格式，因为铁路工程建设地理信息系统基于ESRI软件，因此生成适用于ESRI软件的spk格式。这样就实现了利用无人机+Smart 3D，构建了施工的场景模型。

3 应用案例

目前，基于GIS-BIM技术构建的铁路工程建设地理信息系统在郑万（郑州南站—万州北站）铁路试点应用，辅助高铁建设管理。在郑万河南线第2标段40 km范围内实现了倾斜摄影和三维建模及GISBIM的综合展示功能。

通过无人机5个角度倾斜摄影，生成点云并贴图，最终生成地表模型。飞行摄影范围包括：线路两侧各100 m、梁场和拌合站等，采用WGS84（World Geodetic System 1984）坐标系，飞行高度在150 m～200 m，比例尺精度设置为1:500，形成的场景图如图7所示。

图7 基于倾斜摄影的场景模型

应用参数化规则建模技术，为郑万第2标段40 km建立桥梁的三维模型。基础数据结构如表2所示，以铁路工程桥梁为例，提取数据的属性信息，形成二维数据面，如图8所示，然后对其数据进行拉伸，将二维数据转换成三维模型。并对模型进行细化、切割、替换、贴纹理，使模型更趋近现实，构建完成的三维场景可以基于WebGIS技术发布服务，用户可以在Web端查看，如图9所示。该结构模型的精度可以达到所需的颗粒度，生成局部场景的效果图及关键施工工艺过程的展示动画。

表2 梁体数据结构

图8 具备属性数据的面要素

图9 三维铁路桥梁服务图

4 结束语

铁路工程建设地理信息系统基于互联网建设，集成共享铁路工程管理平台业务数据，以决策支持的可视化为目标，以地理信息技术为支撑，服务与铁路工程建设各参与方的二三维一体化支撑系统。目前，该系统已经在一些铁路工程建设单位进行试点应用，取得良好的效果。在未来的发展中，GIS与BIM将深度融合，在地理环境中有效支撑大范围的BIM数据集，利用数据库系统对其进行高效管理，从而支持对大规模工程的协同分析和共享应用，提升铁路行业的核心竞争力。

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