赵 强，张 鹏，蔡新立，2，周月凌，丁春生

（1.安徽建筑大学 环境与能源学院，安徽 合肥 230601；2.安徽省城乡绿色发展和城市更新研究院，安徽 合肥 230601；3.安徽省智慧城市工程技术研究中心，安徽 合肥 230601）

随着国内城市化的快速发展，居民对于公共交通基础设施的需求不断攀升，作为城市交通重要支点的轨道交通在城市发展中越发重要。解决城市轨道交通多源数据集成与展示的问题，对打破数据壁垒、跨越数据鸿沟、实现数字化交付与信息化共享具有重要意义[1]。近年来，轨道交通在BIM 与GIS 结合方面已有了诸多成果。冯增文等[2]以雄安新区R1 线为例，将无人机倾斜摄影测量应用于城市轨道交通建模；范登科等[3]对铁路工程BIM模型进行格式转换，基于Skyline 三维GIS 平台实现可视化；袁红等[4]分析了BIM 与GIS 技术于地下空间工程设计的可行性，总结了主流集成平台与转换方式。然而目前对于大范围精确地理空间环境下实现BIM 模型的地理配准与模型构件对象级管理的研究相对较少。

本文提出以BIM 与GIS 技术结合为核心，以Cesium 地图引擎为依托，开发城市轨道交通三维可视化管理平台。从轨道交通环境地形的GIS 数据采集，BIM 模型搭建、整合与处理，到最后在平台内集成加载各类数据，实现多源数据集成与地理配准，并搭建数据库收集管理运维信息。建立图像信息、构件信息、监测信息等关键要素与模型的双向链接关系，实现城市地理信息、轨道交通模型、运维监测信息的多元链接。

1 多源数据的概念与集成框架

1.1 BIM+GIS 技术

由于需要处理大量复杂且高度碎片化的信息，城市轨道交通全生命周期内的每个阶段都需要有效的信息沟通与共享。以建筑全生命周期信息化管理为核心的BIM，为项目管理提供了先进的数字化工具与信息共享平台，实现了对象级的模型数据协调管理，提高了项目的可控性[5]。其次，不同的地质环境、水文信息及场地条件变化造成了城市轨道交通建设决策困难。GIS 为解决这些问题提供了一条途径，以管理大范围地理空间数据为核心，为城市轨道交通工程提供精确的地理场景信息与多种空间信息数据，实现BIM 在宏观三维GIS 场景中的可视化应用与分析，帮助管理者从宏观、科学的角度做出正确决策。

城市轨道交通BIM 模型涉及地下站台、附属设施、机电设备等诸多专业数据，GIS 模型则集成了城市地形地貌、轨道交通路线等数据，主要数据格式如表1 所示。

表1 BIM 与GIS 主要数据格式

1.2 多源数据集成框架

综合考虑Web 平台的开发与需求，选择基于开源Cesium 地图引擎搭建Web 平台，利用Revit软件建立城市轨道交通BIM 模型，倾斜摄影技术获取GIS 地形数据，BIMserver 解析处理BIM 模型文件，GeoServer 处理发布地形数据、矢量数据。使用Vue 作为前端框架，借助Elementui、CSS 进行界面优化，通过Html、JavaScript 等编程语言开发，平台主要开发环境如表2 所示。

表2 平台主要开发环境

Web 平台选用开发便捷、维护升级简单的B/S架构设计。平台系统自下而上依次为数据采集层、数据层、业务逻辑层、展示层，系统架构如图1所示。数据采集层获取平台展示所需的模型、地形地貌数据以及各类传感器采集的相关监测数据并传输至数据层进行处理。数据层则通过BIM 服务器、GIS服务器与其他信息数据库实现各类数据的处理与发布，业务逻辑层处于数据层与展示层之间，主要提供数据与功能业务的接口，是实现整个系统的逻辑载体，其核心是BIM 服务器与GIS 服务器的跨域结合，如图2 所示。展示层位于系统架构的最顶层，实现数据的输出与输出，为用户提供交互式操作界面。

图1 系统架构

图2 BIM 服务器与GIS 服务器结合

2 多源数据的采集

2.1 地形环境数据

三维地形数据是搭建城市轨道交通信息化模型的基础。Cesium 地图引擎支持加载由流式瓦片数据生成的地形：STK World Terrain 与Small Terrain。STK World Terrain 是一种基于量化网格（quantized mesh）、可以充分利用WebGL 中的着色器渲染的高分辨率地形；Small Terrain 是一种基于高度图（heightmap）的中高等分辨率地形，地形显示效果不如量化网格地形，但可基本满足研究工作使用需求。

通过倾斜摄影技术可获取所需的Small Terrain地形文件。倾斜摄影技术从五个不同的角度同步采集高分辨率图像纹理，不仅能够以极高的精度还原所摄区域的真实地形地貌，还能嵌入密集的地理信息。操控搭载倾斜摄影设备的无人机对轨道交通区域沿线地形航拍，得到该地区地形数据并处理成tif 文件[6]。将多个tif 文件整合为一个文件，并对其属性进行处理，配置CTB（Cesium Terrain Builder）工作环境，将tif 数据文件转换为以四叉树方式管理数据的金字塔结构terrain 文件，转换流程如图3 所示。平台调用terrain 地形文件，实现离线加载真实地形，相较于调用STK World Terrain，可显著提高研究区域地形数据的加载与渲染效率。

图3 Small Terrain 文件转换流程

2.2 轨道交通矢量数据

城市轨道交通轨道线路、站台区域、地面出入口位置等数据通常为矢量数据，这些矢量数据不能直接在Web 平台加载，需要进行数据处理与发布。Geoserver 是以地图数据发布为核心的管理平台，具有地图创建灵活、数据共享方便等优势。Geoserver实施WMS（Web Map Service）标准，集成了多种地图接口，利用tomcat 服务器部署Geoserver，上传shp 等格式的矢量数据，设置线样式后发布，平台调用加载Geoserver 的WMS 服务。

2.3 轨道交通BIM 数据

为实现各专业协同作业，对城市轨道交通模型进行拆分建模，后根据各模块的功能关系、空间关系、连接关系进行拼接组合，搭建完整的轨道交通BIM 模型。由于涉及多专业协同沟通、共享数据，而数据格式存在差异，BIM 模型难以跨专业交互共享，整合困难。为了实现各专业模型的协同管理，需要将BIM 模型转换成统一的格式。

工业基础类（IFC）是Building SMART 为BIM应用提出的开放数据标准，提供了清晰的语义信息结构，为BIM 模型的交互共享奠定了基础[7]。将BIM 模型统一导出为IFC 格式文件后，通过BIM服务器中的IFCEngine 解析层处理IFC 文件，并依据构件的属性类别拆分模型。

BIMserver 管理解析的IFC 文件不能直接于平台加载，需要转换为3D Tiles 格式。IFC 到3D Tiles的转换包含四个关键步骤：IFC 格式文件按类解析、IFC 格式文件导出为OBJ 格式文件、OBJ 格式文件转换为glTF 格式文件、glTF 格式文件添加语义信息数据得到3D Tiles 格式文件[8]，其流程如图4所示。

图4 BIM 模型格式转换流程

BIMserver 遍历IFC 模型，将其按建筑构件类型（如墙、门、柱、楼梯、窗户等）划分并生成IFC模型文件与JSON 语义文件，IFC 模型文件用于存储模型的几何外形，JSON 文件则用于保存属性信息。IFC 文件整体转换为OBJ 格式文件会导致转换后模型组件的属性信息丢失，按构件分解IFC文件可保留每个组件的属性信息。IFCOpenshell是BIMserver 解析IFC 的关键开源软件库，也为IFC 格式文件转换OBJ 格式文件提供了框架，基于IFCOpensell 框架使用IFCCovert Tool 得到每个组件的OBJ 格式文件与mtl 材质信息文件。

glTF 格式是实现高效渲染的中转格式文件，其内部结构与WebGL 的渲染机制基本一致，因此更加符合WebGL 的平台需要。其中glTF 格式文件是描述整个三维场景结构与数据配置的JSON 文本，bin 文件主要是存储几何体的基本数据，例如顶点、材质、外法向量等[9]。使用obj2gltf Tool 工具，将OBJ 文件转换为glTF 文件。

glTF 格式文件已经可以实现BIM 模型于平台的加载与三维可视化，但模型构件属性查询与读取，减少用户端硬件需求的LOD 加载并不能实现，因此需要将glTF 格式文件进一步转换得到3D Tiles 格式文件。3D Tiles 格式文件由JSON 格式的瓦片集组织文件与组织节点所对应的模型文件组成。瓦片组织文件主要描述了瓦片的空间分布与LOD 划分，模型文件决定了所展示的对象。b3dm是其模型文件中用途最多、使用最频繁的瓦片数据种类，由文件头（FileHead）、记录渲染相关数据的特征表（FeatureTable）、记录属性相关数据的批量表（BatchTable）与存储模型数据的glb 文件组成，如图5 所示，glb 文件为二进制的glTF 格式文件。使用开源程序3D-Tiles-Validator 将glTF格式文件与JSON 语义文件合并成为b3dm 格式文件。

图5 b3dm 数据结构

为了评估IFC 至3D Tiles 转换流程的性能与文件大小的变化，对IFC 实例模型进行测试，测试结果如表3 所示。

The ZnS films were deposited at different RF powers(100, 150, 200, and 250 W) during the same deposition time 75 min, and Ar: 10−2 mbar gas pressure. The different deposit parameters are summarized in Table 1.

表3 IFC 至3D Tiles 转换时间与数据大小

3 模型的坐标转换

3.1 局部坐标与全局坐标的转换

Cesium 地图引擎中地球坐标系为全局笛卡尔空间直角坐标系统，坐标原点为地球的几何中心，X 轴指向中央经线，Y 轴指向东经90 度经线，Z 轴指向北极点。于Cesium 地图引擎中加载BIM 模型，坐标系为局部笛卡尔空间直角坐标系统，坐标原点一般位于瓦片数据集包裹范围的中心点，X 轴指向正东方向，Y 轴指向正北方向，Z 轴垂直于地表指向正上方。两坐标系之变的转换矩阵Tt 的计算方法如下[10]：

式中：（x1y1z1）为模型局部笛卡尔空间直角坐标系原点于全局笛卡尔空间直角坐标系中的坐标位置，各对应坐标轴之间的夹角为θx，θy，θz。

3.2 模型位置的调整

BIM 模型局部坐标系经平台加载转化为全局坐标系，往往存在模型与地形位置不匹配、模型朝向或角度偏差等问题，需要对模型进一步调整。在笛卡尔空间直角坐标系中可运用计算机图形学中的仿射知识进行空间位置的变换，例如：平移、旋转、缩放等[11]。

为实现BIM 模型的整体平移变换，首先获取当前瓦片数据集包裹范围的中心点作为局部坐标系原点，世界坐标为（xyz），由其局部坐标与世界坐标可以得到上文4x4 转换矩阵Tt，局部坐标系平移向量左乘转换矩阵Tt得到世界坐标系坐标（x′y′z′），使用目标点向量减去原始点向量即可得到世界坐标系下的平移向量（TxTyTz），将其赋予瓦片集模型，即可实现模型的平移，计算方法如下：

图解如图6 所示。

图6 模型平移矩阵获取

BIM 模型的整体平移旋转，则需要在获取平移矩阵的基础上添加旋转矩阵，模型初始中心为坐标原点，坐标系为o-xyz，模型中心点由o 平移至o′，坐标系变为o′-xyz，再经历旋转，坐标系为o′-x′y′z′。oo′ 为向量ρ，o′ρ为向量γ′，oρ为向量γ，则有γ=ρ+γ′。oo′ 于o′-xyz 下的坐标为（TxTyTz），p点于o-xyz 下的坐标为（xyz），p 点于o′-x′y′z′ 下的坐标为（x′y′z′），旋转矩阵为R，则有：

将上式转换为变换矩阵则为：

式中Ux，Uy，Uz为坐标系o′-x′y′z′ 的x′ 在原坐标系o-xyz 的方向余弦，Vx，Vy，Vz为坐标系o′-x′y′z′ 的y′在原坐标系o-xyz 的方向余弦，Nx，Ny，Nz为坐标系o′-x′y′z′ 的y′ 在原坐标系o-xyz 的方向余弦。图解如图7 所示：

图7 模型平移旋转坐标系变化

4 应用研究

本文以合肥市轨道交通三号线为例进行研究。该工程东起于瑶海区相城路站，西南止于肥西县幸福坝站，全长37.2 km。作为一条穿越合肥中心城区的东西向轨道线，其沿途城市建筑风貌差异巨大，地下空间管线复杂，项目涉及高架桥，湖底隧道等特殊工程，给工程建设与管理带来了极大挑战。

根据其业务需求创建Web 平台，主要有三大模块，分别为可视化平台、数字化移交、运行监测管理。可视化平台模块以BIM 与GIS 的融合场景为核心，实现地表模型精细展示、BIM 模型精准部署、实时查看城市轨道交通周边环境状况、站点位置分布情况、重点区域快速跳转等。图8 为平台使用地下开挖功能展示幸福坝站地质情况、周边建筑与站台。

图8 幸福坝站地下展示

数字化移交模块主要是业务数据的管理，该模块依靠BIM 技术对象级别的数据管理，将业务数据与构件属性动态关联，使平台清楚展示数据的层次结构，并直接维护构件对象上的数据。例如，用户可以对城市轨道交通站台模型构件执行诸如修改、隐藏、隔离、透明化等操作，实现全生命周期的数字化管理，图9 为幸福坝站台建筑构件的属性展示。

图9 幸福坝站建筑构件展示

运行监测管理模块通过各类传感器实时接收各类数据，并使用WebSocket 与本平台对接连调，通过Echarts 模块实现动态展示检测数据，并在系统中处理后，建立索引分区存储于数据库中。当监测数据异常或监控面板发现异常时，将于系统发布预警，自动跳转至异常区域，并通知管理人员处理。

5 结论

本文以BIM 与GIS 技术结合为核心，开发基于Cesium 地图引擎的城市轨道交通Web 管理平台，解决了城市轨道交通工程各专业协调困难问题，阐述了BIM 模型与GIS 数据以Web 服务为链接相结合的关键技术，实现了城市轨道交通BIM与GIS 的多源数据集成与地理配准，并于合肥市地铁三号线验证，得到以下结论。

（1）倾斜摄影技术能够快速、全面、真实地反映地物环境，数据量小且信息丰富，可以实现复杂区域地形环境快速且精确地建模，为城市轨道交通提供真实的地理环境场景。

（2）Cesium 开源地图引擎开发灵活，支持加载多种数据格式，并与Web 服务结合紧密，能够实现大范围场景的快速渲染，适合作为BIM 与GIS 多源数据的集成平台。

（3）研究只针对城市轨道交通周边地形与BIM模型等静态模型于平台的加载，轨道列车运行作为动态模型数据平台并不能实时监测展示，这也是下一步的研究方向。