徐晓雅, 王章琼*, 李雷烈, 赵歧林, 周意, 蔡永辉

(1.武汉工程大学土木工程与建筑学院, 武汉 430074; 2.长江航道勘察设计院(武汉)有限公司, 武汉 430040)

在交通强国战略的驱动下,中国山岭隧道的数量和长度不断增加,面临的地质条件也更加复杂,利用三维建模技术构建的信息化模型不仅可以直观展示拟建隧道、还可以承载多源信息、实现隧道多源信息的管理[1-3]。

在国家大力推进“数字中国”建设的背景下,三维建模技术得到了进一步的发展与应用。建筑信息模型(building information modeling,BIM)技术通过构建信息化模型表达建筑物物理和功能特性、集成多源信息,具有可视化、参数化及信息共享等优点[4-6]。利用BIM技术构建隧道信息化模型成为新的隧道模型构建方式,但仍存在与实际地理环境脱离的缺点[7-9]。地理信息系统(geographic information system,GIS)技术在空间定位、地质建模方面有很大的优势[10-11]。倾斜摄影技术作为新的地理数据采集手段,具有数据采集精度准、效率高,成本低等特点[12-13]。信息化模型的创建与应用成为工程建设中必不可少的一部分,随着三维建模技术的不断发展,如何快速、便捷、准确的构建三维隧道信息化模型至关重要。

为此,以黄龙山隧道为依托,开展山岭隧道地上地下一体化建模方法研究,提出一套BIM、GIS、倾斜摄影技术融合的建模方法。采用BIM技术构建隧道结构模型、倾斜摄影技术构建地表三维实景模型、GIS技术构建三维地质模型,并通过数据转换、坐标匹配实现多源模型的集成。该方法可实现隧道信息化模型的快速构建,真实呈现山岭隧道地上地下全貌,为实景三维中国部件级建设提供思路,为智慧隧道建设、数字孪生隧道建设提供基础模型。

1 多源数据融合方案

1.1 模型数据标准

BIM、GIS、倾斜摄影数据标准不同,在集成一体化模型时,需要对模型数据进行格式转换。

1.1.1 BIM数据标准

工程基础类(industry foundation classes,IFC)标准[14]是目前BIM模型最常见的数据模型标准,采用面向对象的规范化语言Express定义建筑物和工程数据,可以描述建筑物、设备、结构和其他建筑要素的几何构造和行为属性。IFC标准具有强大的兼容性和可扩展性,可以在许多BIM软件中使用,实现建筑项目不同阶段之间的数据交换和共享。

1.1.2 GIS数据标准

CityGML(city geography markup language)是一种基于可扩展性标记语言XML,常用于数据存储交换的开放式数据模型[15]。CityGML定义了城市和区域中最常见的地表目标的类型及相互关系,用于存储城市和地形的三维数字模型,并充分考虑了区域模型的几何特征、语义、拓扑关系和外观等方面属性,在GIS领域得到广泛的应用。

1.1.3 倾斜摄影数据标准

倾斜摄影模型文件常见的格式是OSGB和3D Tiles。其中,OSGB(open scene gragh binary)是开源的三维渲染引擎OSG(open scene graph)数据文件格式的二进制版本,也是Context Capture常用的数据存储格式。OSGB是以瓦片的形式存在,其数据包括存储不同等级瓦片的Data文件夹和存储模型坐标信息的XML文件,要实现完整模型的浏览,需要为其配置索引文件。

1.2 多源数据融合方案

为实现不同数据标准的隧道结构模型、地表三维实景模型和三维地质模型融合,提出利用MapGIS 3D SceneBuilder集成多源数据模型的技术方案,如图1所示。

图1 数据融合技术方案

MapGIS 3D SceneBuilder是一款基于MapGIS平台的三维场景建模软件,支持多种数据格式的导入和输出。采用MapGIS 3D SceneBuilder作为数据集成平台,将BIM模型导出为IFC格式,将OSGB格式的地表三维实景模型通过mcx索引的方式导入三维场景建模软件中浏览展示,三维地质模型直接转入三维场景建模软件中。最后通过坐标配准,可以实现多源数据的集成展示。

BIM模型在导入MapGIS 3D SceneBuilder的过程中,通常会出现属性数据丢失、渲染效果差等现象。为了更好地管理模型数据,采用开源框架Three.js搭建场景,进行Revit二次开发,编写可以将数据导出为gltf格式的转换接口,将隧道结构模型数据转换成Three.js支持的标准数据格式,既解决了属性数据和几何数据丢失的问题,又保证了隧道结构模型的渲染效果。为验证插件的适用性,从Revit官网下载官方示例模型,并自建隧道模型,经gltf数据转换插件处理的模型,转换效果较好,导出的数据保留了大部分纹理和属性信息,如图2所示。

图2 模型转换效果对比图

在数据转换插件中引入Draco库,通过gltf-pipeline对数据进行编码压缩,在数据转换的同时完成模型的轻量化。官方示例模型文件较小,轻量化效果不明显;自建隧道模型转换后,大小缩小近15倍,轻量化效果明显,如表1所示。

表1 模型轻量化效果对比

2 山岭隧道三维建模方法

2.1 工程概况

以黄龙山隧道为例,验证山岭隧道地上地下一体化三维建模方法的可行性。黄龙山隧道位于湖北省武汉市江夏区光谷一路,隧道全长412 m,净宽10 m,净高6.93 m,为分离式双线隧道,各设2车道。隧道南北贯穿黄龙山,山顶为黄龙山公园,植被茂盛,周边交通复杂,建筑密集。

2.2 隧道结构模型创建

采用Revit软件进行隧道结构建模,与其他主流BIM建模软件相比,Revit不仅支持更加简单高效的参数化建模;还拥有开源的图形编程插件Dynamo,可以简化重复性的作业方式。使用Revit和Dynamo交互建模的方式,能够简化建模步骤,提升建模速度,提高山岭隧道模型的准确性和共享性,建模流程如图3所示。

图3 山岭隧道结构模型构建流程图

2.2.1 隧道构件分类

依据《公路工程信息模型应用统一标准》(JTG/T 2420—2020),将隧道结构按照构件用途和施工工序分为：主体、洞门、辅助通道、防排水、路面,每部分分为3个等级,实现隧道构件的分类管理,避免信息的冗余和混乱,如表2所示。

表2 隧道构件分类

2.2.2 隧道参数化族构件建模

隧道构件分类后,利用Revit中的可载入族进行隧道构件的参数化建模。可载入族是利用Revit中自带的族样板进行创建的,可以对其属性进行设置。其步骤为：①采用放样融合的方式创建可载入族;②根据设计方案的尺寸构建轮廓族;③设置放样的路径和角度,载入轮廓族;④进行融合并赋予构件相应的材质,实现单个构件族模型的创建。

隧道采用复合式支护结构,依据设计方案,利用在Revit中定义好的标准族构件样板快速构建不同类型的构件模型,并通过修改参数调整模型长度和放样角度,不同参数驱动的衬砌模型如图4所示。

a为衬砌倾斜的角度

2.2.3 隧道中心线绘制

隧道中心线通常是一条三维空间曲线,在Revit中难以直接手动绘制三维曲线,因此,采用Dynamo创建三维曲线。根据隧道平面图和纵断面图读取隧道中心线要素,将其整理成曲线要素表,利用Dynamo节点File.ToData识别要素,通过节点PlaneCurve.ByData和CentralCurve.ByData实现三维曲线的绘制。

2.2.4 族构件参数批量设置

Revit中族参数需要在绘制族构件的时候进行设置,但当参数值发生变化时,需要将族构件打开进行信息变更,隧道工程中族构件较多,在实际应用中,隧道BIM模型的维护更新极为不易。为此,采用Dynamo进行隧道族构件的参数批量设置,将不同隧道族构件的参数及其名称整理成参数设置表,通过Data.importExcel节点读取参数,形成参数列表,使用Patameter.Add节点实现参数名称的创建。流程如图5所示。

图5 族构件参数批量设置流程图

2.2.5 族构件自适应拼接

基于Dynamo编写可以实现隧道族构件自适应拼接的程序,主要由数据读取、数据处理、构件放置和参数驱动4个模块组成。通过该程序解算隧道中心线,获取族构件对应的位置信息,然后采用单点载入的方式与Revit交互,实现构件模型的拼接,该建模过程可表示为

(1)

式(1)中：F为隧道模型;F(·)为Dynamo脚本;xi为隧道族构件参数;y和z分别为平曲线和竖曲线。

数据读取模块是利用File.ToData节点读取提前整理成.xlsx格式的平曲线要素表、竖曲线要素表和构件参数表;数据处理模块是将读取的数据整理成Dynamo可识别的列表元素,主要利用Data.ImportExcel、List.Transpose等节点;构件放置模块主要使用FamyliInstance.ByMileage节点,利用该节点将族构件基于点载入,并通过输入参数改变族构件与隧道线路的斜交角度,实现隧道构件方位角的变换;参数驱动主要是通过Element.SetParameterByName节点输入Element、ParamentName、value参数,实现构件快速赋值。

在Revit中新建项目,设置好项目单位、载入构件族,然后通过Dynamo进行族构件的自适应拼接,实现完整隧道模型的创建,如图6所示。

图6 隧道模型

2.3 三维实景模型创建

山岭隧道地形地貌复杂、植被分布密集,地表不利因素多,采用无人机倾斜摄影技术可以地表三维实景建模。倾斜摄影技术可以快速获取高分辨率影像数据,提高工作效率,降低成本,准确获取地理位置信息,有效还原地面真实纹理和色彩信息,直观展示地形特征和地物的细节。三维实景建模流程分为外业航飞和内业数据处理,如图7所示。

不规则三角网(triangulated irregular network,TIN);数字地表模型(digital surface model,DSM);数字正射影像图(digital orthophoto map,DOM)

2.3.1 外业航飞

采用大疆精灵4 RTK无人机采集黄龙山隧道地表影像数据,这款无人机具有定位精度高,操作简单,抗风能力强等优势。首先熟悉黄龙山隧道的大致范围及周边情况,确定航飞范围及路线;利用无人机操纵搭载的多视角倾斜摄影相机和定位设备,从倾斜和垂直5个角度获取高质量和高分辨率的区域图像和各图像独立的POS数据,发挥倾斜摄影的全方位、全自动、高效率、高精度的场景获取优势。

2.3.2 内业数据处理

采用Context Capture软件进行内业数据处理,首先集成图像及其对应的POS数据,作为初始值进行多视影像联合平差,降低不同视角带来的误差影响;再对稀疏点云进行加密,获取能够反映真实地物特征的密集点云,构建三角网模型;最后将影像纹理映射到三角网模型上,得到三维实景模型,如图8所示。

图8 三维实景模型

2.4 三维地质模型创建

采用MapGIS软件进行三维地质建模,该软件可根据实际数据情况及建模精度要求选择合适的地质建模方法,具有高效、智能、高精度等优势。以倾斜摄影数据为基础,首先建立倾斜摄影点云模型。采用滤波技术对点云数据进行处理降噪、表面点分类和平滑等操作,将地面点分离,如图9所示。

图9 点云滤波效果图

经过滤波处理后,使用插值法来填补地面点数据中的空洞,进而构建不规则三角网(triangulated irregular network,TIN),并生成TIFF格式的数字高程模型(digital elevation model,DEM),如图10所示。

图10 隧道DEM

将得到的DEM数据作为约束表面设置建模边界,对钻孔数据进行插值并提取分层信息,基于钻孔约束分区法完成三维地质建模,如图11所示。

图11 三维地质模型

3 数据融合与模型展示

使用MapGIS 3DSceneBuilder作为数据集成平台,将隧道结构模型、倾斜摄影模型、三维地质模型等多源数据导入,并利用坐标匹配技术,将这些模型的多源信息进行融合,从而得到山岭隧道地上地下一体化三维模型。利用MapGIS 3Dclient for WebGL和开源框架three.js,将MapGIS 3D SceneBuilder集成的模型数据进行缓存,然后利用MapGIS IGServer进行模型数据发布,通过调用URL实现模型数据的加载,如图12所示。

图12 山岭隧道地上地下一体化模型

4 结论

(1)基于BIM+Dynamo进行山岭隧道结构建模,编写实现隧道族构件自适应拼接的Dynamo程序,简化建模步骤,提高山岭隧道模型的准确性和交互性。

(2)对Revit进行二次开发,重新设计数据导出接口,开发可以直接导出gltf格式的插件,同时引入Draco库,提高数据转换的效率,实现模型轻量化。

(3)基于BIM+GIS+倾斜摄影融合技术,提出山岭隧道地上地下一体化三维建模方法,即通过将BIM技术创建的隧道结构模型、倾斜摄影获取的三维实景模型和MapGIS创建的三维地质模型融合,实现地上地下一体化三维建模。同时采用分布式数据管理的方式,充分发挥开源框架Three.js能够精细化渲染BIM模型的优势,避免隧道结构模型属性信息丢失,数据冗余等问题,确保建模的准确性和可靠性。

随着BIM、GIS等技术的不断发展,三维信息模型越来越重要,将针对模型融合、属性信息更新、可视化表达、信息管理等问题进行深入研究,进一步完善系统数据存储、实际应用等功能,挖掘模型潜在价值,扩展应用能力,以期实现隧道工程全生命周期智能化、数字化管理。