基于GIS+BIM的数字化地质调查软件开发与应用

2022-05-21石碧波张曦胡晓斌

铁路技术创新 2022年1期

关键词：测绘模板模型

石碧波，张曦，胡晓斌

（1.中铁第四勘察设计院集团有限公司地质路基设计研究院，湖北武汉 430063；2.中铁第四勘察设计院集团有限公司工程勘察研究院，湖北武汉 430063）

0 引言

近年来，GIS技术以其海量的地图与高程数据支持、强大的空间分析能力、多源异构大数据的存储与管理能力，成为支撑地质调查信息化、数字化、智能化的重要手段。

BIM模型可以完整准确地表达铁路工程对象，还可直观、便捷地获取承载的设计信息，为铁路信息化管理提供了新思路，使桥梁、隧道、路基、车站等多专业模型能够实现数据共享、传递及协同管理［1-2］。

地质调查是铁路勘察的第一步。不同的工点类型（桥梁、隧道、路基、车站）地质调查的重点各不相同，若能事先将工点BIM模型导入GIS平台，在GIS平台上根据工点类型开展地质调查策划，将极大提高地质调查的针对性，为后续勘探与设计奠定坚实基础。

1 既有研究概述

国内外用于地质调查的常用软件有REGMAP（澳大利亚昆士兰地调所）、FieldLog（加拿大地调局）、Geo-Mapper（美国加州大学伯克利地球资源中心）、ArcPad（美国环境系统研究所公司）、DGSInfo（中国地质调查局）等。这类软件主要服务于矿产资源、土地资源、环境资源、测量制图等领域，且主要基于较大型的GIS平台。

近年来，以奥维互动地图为代表的轻量级GIS平台，越来越多地在铁路、公路、矿山、国土调查等领域开展应用。潘言勇［3］以奥维互动地图、ArcGIS平台和便携式GPS终端作为3S技术手段，总结了对铁路项目进行环保验收调查的方法。张金龙［4］利用奥维互动地图内置的影像地图与CAD接口，开展公路可行性方案比选研究。王志红等［5］重点研究奥维互动地图在野外地质调查行程规划中的应用，包括目的地导航、定点记录与拍照、基础的外业资料整理。王家峰［6］在国土调查中采用ArcGIS软件，将需要外业核查举证的图斑导出可供奥维地图读取的kml文件，再通过奥维互动地图（PC端）进行路线规划、任务分配。彭正泉等［7］总结了奥维互动地图的坐标转换，数据采集、编辑与格式转换，数据输出接口等功能，并在矿区调查中进行应用。彭振等［8］总结了奥维地图的导航、定位、高程、影像、数据编辑、数据记录在野外地质救援、地灾遥感解译、土地后备资源调查中的应用。上述研究与应用主要基于奥维互动地图等GIS平台本身的功能。

在GIS与BIM融合的技术应用方面也有一些研究成果。安晓波［9］在某高速公路BIM工作中，采用奥维互动地图，对无人机航测的航线及像控点进行规划和布置，提高了航测效率与精度，也加快了BIM建模过程。石硕、黄旎诗等［1-2］基于BIM与GIS融合技术，开展了铁路工程信息化管理系统研究，主要着眼于施工过程管理方面。侯宇飞等［10］总结了BIM+GIS数据集成技术在铁路桥梁施工管理中的应用。戴林发宝等［11］基于CAD/BIM+GIS技术，开展了不同阶段过江隧道设计研究。目前GIS与BIM融合技术的应用与研究，主要集中在施工运维管理与设计方面。

2 基于GIS+BIM的地质调查解决方案

2.1 GIS平台的选择

奥维互动地图具有跨平台（支持Windows、Android、iOS）、接口友好（AutoCAD插件、ArcMap插件）、支持数据格式丰富（kml/kmz、gpx、plt、dxf、dwg、shp、dae、slpk等）等优越性能，近年来迅速成为调查领域的热门软件。根据国家测绘主管部门的要求，奥维互动地图已经下架了Google系列地图、Bing地图等，但提供了自定义地图接口，可接入ArcGIS地图和开源地图服务。此外，奥维互动地图还提供了开放的调查模板开发接口，便于定制地质调查标准化模板。

作为GIS平台，奥维互动地图的主要缺点是三维功能偏弱，难以支持大型的BIM模型或倾斜摄影模型；而ArcGIS则对BIM模型有着强大的接入和展示能力，且可将模型发布成kml、slpk等文件格式，与奥维互动地图进行数据互通。因此，推荐采用奥维互动地图、ArcGIS平台作为地质调查的GIS平台。

2.2 BIM模型的接入

BIM模型发布是BIM和GIS集成的重要工作，目前主流平台的BIM模型主要包括Revit模型、Bentley模型和CATIA模型。

（1）Revit模型发布。Revit模型是ArcGIS原生支持的BIM格式。在ArcGISPro软件导入Revit模型，先定义投影坐标系后，再将Revit模型打包成slpk格式，通过发布工具上传模型的集成至GIS场景中。

（2）Bentley模型发布。Bentley模型发布主要格式为dgn格式，需要利用FME软件将dgn数据转换为obj格式，再将obj模型批量导入gdb数据库中，然后打包成slpk格式，通过发布工具上传模型的集成至GIS场景中。

（3）CATIA模型发布。CATIA模型发布时一般先导出为stp格式，然后将stp格式输出为obj格式，再使用模型批量导入工具将模型导入到gdb数据库中，最后将模型打包成slpk格式，通过发布工具上传模型的集成至GIS场景中。

桥梁、隧道、路基BIM模型接入GIS平台见图1。

图1 桥梁、隧道、路基BIM模型接入GIS平台

2.3 技术路线

地质调查的具体技术路线见图2。

图2 地质调查技术路线

（1）导入基础资料。将铁路线位、地形图、区域地质、水文地质、矿区、地灾、遥感解译、既有勘察等基础地质资料以及高清正射影像、倾斜模型、BIM模型，航片、卫片等地理影像资料导入GIS平台中（见图3）。

图3 导入基础资料

（2）资料分析。在GIS平台中对导入基础资料进行分析，对室内地质测绘与现场地质调查进行任务划分。

（3）室内地质测绘。依据任务划分，开展室内地质测绘与现场调查策划。室内地质测绘示例见图4，调查路线策划示例见图5。

图4 室内地质测绘

图5 调查路线策划

（4）现场地质调查。将室内地质测绘与调查策划导入移动端（奥维地图APP），开展现场调查，调查完成后，成果导入（或同步）至GIS平台（网页端、桌面端）。

3 关键技术

要实现图2所示的技术路线，需要解决3项关键技术：一是基础数据（含地质图件、地图影像、倾斜模型、BIM模型等）融合处理；二是地质调查记录模块的开发；三是调查记录的数据接口。

基础数据融合处理通过ArcGIS、奥维互动地图本身的功能，辅以少量的二次开发就可以解决，在此重点阐述地质调查记录模块与数据接口的开发。地质调查记录模块的核心内容为PC端与移动端通用的标准记录模板（快速录入与存储调查数据）。

3.1 地质调查模板编制

奥维地图PC端提供了开放的模板编辑接口，内置浏览器插件，兼容目前流行的HTML代码（包括HTML5），同时内置BootStrap3套件和jQuery库。用户在模板中输入的数据以Json格式存储在备注中。用户可用HTML语言在模板中添加链接及相互关联的输入框，模板在外观上使用网格和表单元素布局（见图6）。

图6 用户模板接口

可采用Visual Studio Code等工具编辑地质调查模板。主要依据《铁路工程地质勘察规范》《铁路工程不良地质勘察规程》《铁路工程特殊岩土勘察规程》《铁路工程地质手册（1999）》《工程地质手册（第5版）》《滑坡崩塌泥石流灾害调查规范（1∶50 000）》《1∶50 000岩溶塌陷调查规范》《地质灾害调查规范》等，编制了10个常用模板（见图7）。

图7 常用地质调查模板

模板采用单选、多选、输入等多种形式，方便用户填写，提高输入效率。以地质调查模板（通用模板）为例进行说明。调查点基本信息填写见图8，项目名称、工程名称、天气、里程、偏移、高程为输入填写；勘察阶段为单选输入；位置描述、冠词可单选，当选项不满足要求时，可在方框内输入；经距、纬距会依据用户设置的关联点方案自动更新。地形地貌、地质构造填写见图9。

图8 基本信息填写

图9 地貌与构造填写

覆盖层、基岩模板设为可折叠样式，覆盖层填写见图10。填写内容包括时代、成因、定名、颜色、状态、厚度、描述、施工等级。基岩主要描述内容除时代、定名等之外，还包括层面、节理、锤击反应等（见图11）。地表水、地下水、不良地质、特殊岩土等填写见图12。滑坡详细描述填写见图13。

图10 覆盖层填写

图11 层面与节理填写

图12 水文与特殊地质填写

图13 滑坡详细调查

地质调查系列模板可通过奥维地图PC端发送至APP端，现场填写直接在APP端模板进行。

3.2 地质调查数据接口编制

调查数据可通过室内测绘+现场调查2阶段共同完成，完成后调查点数据可在奥维地图PC端导出为kml+附件（含照片、视频、录音）形式，调查点文字内容存储在kml文件中。采用C#代码编制接口软件，解析kml文件，读取调查内容及照片，可导出标准化word文档并导入自主研发的地质勘察信息系统数据库中（见图14）。