郭 泽，谭衢霖，戴泽宇，秦晓春

（1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京交通大学 线路工程空间信息研究所，北京 100044）

随着铁路工程建设信息化的发展，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）在铁路工程全生命周期中得到了广泛的应用。互联网交互技术及实景三维地理信息技术的飞速发展，使得铁路三维信息化建设逐渐向分布式数据存储、网络化协同管理迈进。铁路工程作为一种线性带状工程，具有跨度长、范围广、信息量大等特点，而以Autodesk Revit 平台为代表的BIM 设计软件支持的地理空间范围较小，不具备地理信息的空间分析能力。目前，BIM+地理信息系统（GIS，Geographic Information System）的融合应用主要集中在PC 端，文献[1]基于Infraworks 平台研究了利用BIM 技术构建铁路三维场景的方法；文献[2]研究了BIM+GIS的铁路三维场景快速建立方法；文献[3]提出了一套完整的铁路设计BIM+GIS 解决方案。同时，随着WebGIS 与WebGL 技术的不断发展，网络三维可视化领域的研究不断增加，文献[4]利用Web 技术实现了融合BIM 技术的水利水电工程集成管理；文献[5]应用WebGL 技术实现铁路三维虚拟踏勘与遥感判释系统的设计。目前，融合WebGIS 技术与WebGL 技术的BIM 三维可视化技术在铁路工程建设领域的应用相对较少。本文研究了基于WebGIS 的铁路线路三维场景的构建流程，包括带状走廊地理环境的构建与BIM 场景融合，并利用ArcGIS Online 实现了融合BIM 的铁路三维场景的网络服务发布与功能应用，为铁路工程三维可视化、网络化协同管理，以及多专业协同设计提供了一种解决方案。

1 WebGIS 概述

WebGIS 是采用Web 网络交互技术的GIS，具有较好的跨平台性与广泛的应用性[6]。WebGIS 技术架构包括数据层、逻辑层和表现层，如图1 所示。数据层对需要发布的地图、场景图层进行编辑，储存到GIS 数据库服务器中，并发布至逻辑层中。表现层可通过浏览器访问或编辑修改数据层下的数据，从而实现数据层数据的更新与实时共享。目前，传统的WebGIS 正向三维可视化迈进，利用WebGL 技术在浏览器上实现三维绘图效果，使得WebGIS 表现力更加真实，应用更为广泛。

图1 WebGIS 技术架构

本文利用WebGIS 技术将铁路线路地理环境数据与铁路设施BIM 参数化建模数据存储在本地GIS 数据库与三维模型数据库中，通过GIS 服务器进行数据发布，从而在浏览器上实现三维漫游和功能应用。

2 铁路线路三维场景构建

铁路线路三维场景构建主要内容包括带状走廊三维地理环境构建和BIM 场景融合，如图2 所示。其中，带状走廊三维地理环境构建包括数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）构建与影像场景融合，利用DEM 构建带状走廊的三维地表数据，再通过公开的地图影像服务构建带状走廊影像数据，将DEM 与影像数据叠加后，构建带状走廊真实的三维地形。BIM 场景融合包括BIM 参数化建模与空间场景交互定位，利用参数化建模的思路可有效提高铁路工程模型建模速度与精度。铁路工程是与地形紧密结合的线状土木工程，具有跨度长、信息量大等特点，借助GIS 空间分析和三维可视化技术可实现三维场景综合信息利用与数据信息交换。

图2 基于WebGIS 的铁路线路三维场景构建主要内容

2.1 带状走廊三维地理场景构建

2.1.1 DEM 构建

目前，获取DEM 数据的方法有很多种[7]，每种获取方式的DEM 精度、速度、成本、更新程度、应用范围各不相同，如表1 所示。

表1 DEM 获取方式及对比

（1）地面测量：利用全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）定位测量，经高程转换后得到地面高程点并生成DEM；

（2）既有地形图：利用格网读点法、数字化仪手扶跟踪及扫描仪半自动采集等方法从现有地图上进行信息采集，并通过内插法生成DEM；

（3）航空摄影测量：通过空中三角形加密及立体像对得到地面点的三维坐标；

（4）激光扫描、干涉雷达：通过三维激光扫描、干涉雷达等方法直接获取DEM。

面向铁路工程的带状走廊地表DEM 的获取，一般宜采用航空摄影测量或激光扫描、干涉雷达获取的方法。若考虑成本因素，可采用精度较高的既有地形图数字化法。以航空摄影测量为代表的数字摄影测量系统，利用计算机进行影像匹配，通过解析摄影测量的方法，得到所拍摄物体的空间三维坐标，可自动化、大规模创建DEM。以某段铁路为例，采用航空摄影测量的方法，利用卫星立体像对构建出该区域DEM，再通过矢量化裁剪得到该线路带状DEM，如图3 所示。同时，可对该线路带状走廊的坡度、坡向等地形指标进行初步判断，如图4所示。

图3 铁路线路带状廊道DEM 示意

图4 铁路线路带状廊道坡度、坡向示意

2.1.2 影像场景融合

线路处于前期规划阶段时，可采用公共网络平台发布的地理信息来获取地表影像[8]。本文采用的地理信息地图投影方式为Web 墨卡托（Web Mercator）投影，该投影使用的大地基准面是WGS-84 椭球体，基于球面墨卡托的投影计算公式来进行网络格式化。设球面经纬度为(λ ,φ)，地图平面坐标为(E,N)，其投影计算公式为

其中，R为球体半径，取WGS-84 椭球的长半轴半径为6 378 137 m。

本文基于瓦片金字塔模型对采用的地图影像瓦片进行组织与管理。瓦片数据利用四叉树进行编码，缩放级别为0 的单张全球影像瓦片对应树的根节点，缩放等级每提高一级，上一级叶节点就分为4 个子节点，每个节点对应一块瓦片数据。可利用瓦片左上角坐标(i,j)对每个瓦片进行定位，其中，i、j均为整数，将0 级瓦片左上角坐标设置为(0 ,0)，对应第n级右下角瓦片的左上角坐标为(2n−1，2n−1)，各级瓦片左上角坐标及四叉树分割如图5 所示。

图5 瓦片左上角坐标及四叉树分割

根据经纬度(λ ,φ)计算每一等级瓦片左上角坐标(i,j)，当缩放等级为n级时，整个影像所在的区域被划分为 4n块，瓦片在x、y两个方向上各均分为2n等份，第n级瓦片的分辨率（单位：m/像素）为

投影坐标系与瓦片坐标系具有等比例关系，利用该等比例关系得到瓦片坐标与投影坐标的计算公式为

将公式（1）、（2）与公式（4）、（5）联立得到瓦片坐标与球面经纬度坐标间关系为

其中，ent为取整符号。

将获取到的该线路瓦片影像进行拼接，并按照带状走廊DEM 矢量范围对拼接后的瓦片影像进行裁剪，结果如图6 所示。将其与DEM 融合后得到该线路完整的带状走廊三维模型，如图7 所示。

图6 瓦片影像拼接结果

图7 融合DEM 带状走廊三维模型

2.2 BIM 场景融合

2.2.1 BIM 参数化建模

采用BIM 技术对铁路工程结构进行三维建模，可有效提高管理效率与信息化水平[9]。本文以铁路桥梁建模为例，基于Autodesk Revit 平台研究了BIM 参数化建模的具体应用。桥梁工程建模需遵循的步骤和流程如图8 所示，按该流程建模可确保模型的准确性、通用性及易用性。确定项目的建模标准后，完成项目基本设置，再依次按照桥梁下部结构、上部结构、相关附属件进行模型创建，并对模型进行核查。

图8 桥梁工程参数建模流程

在Autodesk Revit 平台上，需针对铁路工程的组成构件及构件特点自行建立族库，其中，铁路箱梁族实例如图9 所示。实际工程中，桥梁桩基数量较多，手动定位较困难，本文采用Dynamo 可视化编程插件放置桥梁桩基模型来保证建模数据的精度。桥墩建模与桩基建模相似，采用Dynamo 插件放置桥墩模型，将放置完成后的桥墩模型与桥墩中心平面位置及高程进行核对。箱梁的参数化建模依据桥墩位置、采用Dynamo 插件进行箱梁族模型放样，箱梁族模型放样结果如图10 所示。

图9 铁路箱梁族模型实例

图10 箱梁族放样模型结果

2.2.2 空间场景交互定位

在GIS 平台下通常采用空间大地坐标(B,L,H)作为数据的基本表达方式[10]，而在以Autodesk Revit为代表的BIM 设计平台中通常采用空间直角坐标(X,Y,Z)作为数据的基本表达方式。为实现BIM 与GIS 地理环境的融合，在相同的基准下，需将空间直角坐标(X,Y,Z)转换成为空间大地坐标系(B,L,H)，转换方式如下

其中：

N为卯酉圈半径；a为参考椭球长半轴；b为参考椭球短半轴。

本文以某铁路线路车站场景构建为例，将空间直角坐标下的BIM 转化为大地坐标。利用ArcGIS 平台将BIM 与带状走廊三维场景相结合，实现了BIM与PC 端GIS 平台的交互融合，如图11 所示。在PC端完成铁路场景三维漫游、数据查询等基本功能，可为铁路设计方案比选提供三维交互场景。

图11 BIM 与PC 端GIS 平台的交互融合

3 应用实例

目前，BIM 与GIS 的融合交互主要以PC 端软件为主，随着Web 技术与WebGL 网页三维绘图技术的发展，BIM 与GIS 的三维场景交互逐渐向网页端发展。本文利用ArcGIS Online 实现了本地三维场景的网络服务发布与基本功能应用 。基于ArcGIS Online，将某条铁路线路的BIM 参数化模型与三维带状走廊融合后构建的本地三维模型打包成SLPK 场景图层包，并实现网络服务发布。同时，在网页端，实现了融合BIM 三维地理场景功能应用，如图12 所示，包含三维漫游、距离测量、面积测量、剖视分析、淹没分析等基本应用功能，对铁路工程多专业协同设计，综合信息化管理提供了有力支持。

图12 三维场景功能应用

4 结束语

本文研究基于WebGIS 的铁路线路三维场景构建方法，在网页端融合了铁路工程BIM 与带状走廊三维地理环境可视化漫游技术，实现了三维数据的可视化管理与综合利用。为铁路工程建设提供了地理信息数据与三维模型数据，便于工程设计与管理人员进行实时交互，提升铁路工程建设信息化水平。