面向GIS應(yīng)用的鐵路工程三維信息模型數(shù)據(jù)交換方法

李 浩， 趙國(guó)堂， 范丁元， 范登科

(1.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044;2.中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司建設(shè)管理處，廣東 廣州510088;3.中國(guó)鐵路總公司，北京100844;4.西南交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，四川峨眉山614202;5.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司測(cè)繪地理信息研究院，天津300251)

鐵路工程三維信息模型RIM(railway engineering 3D information model)是在鐵路全生命周期建設(shè)過(guò)程中用于信息查詢(xún)和展示、要素組織和管理、統(tǒng)計(jì)算量分析等多種業(yè)務(wù)實(shí)施的數(shù)字化信息載體.借鑒BIM(building information modeling)理念和技術(shù)，鐵路行業(yè)早已著手大力推進(jìn)RIM在設(shè)計(jì)、施工和管理等階段的數(shù)據(jù)和平臺(tái)建設(shè)，并取得了一定的成果.面對(duì)鐵路工程的大場(chǎng)景、長(zhǎng)線性、多尺度等特點(diǎn)，BIM難以有效解決模型在可視化表達(dá)中的動(dòng)態(tài)快速調(diào)度、交互式空間分析、鐵路工程選線等問(wèn)題，GIS(geographic information system)技術(shù)為解決上述問(wèn)題提供了可行的方案［1］.當(dāng)前，上述兩種技術(shù)對(duì)RIM的互操作能力還處于較低水平，二者間的信息共享主要通過(guò)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方式來(lái)實(shí)現(xiàn).因此，當(dāng)在GIS平臺(tái)中采用BIM構(gòu)建的鐵路工程三維信息模型開(kāi)展應(yīng)用時(shí)，需要首先借助特定的格式轉(zhuǎn)換方法實(shí)現(xiàn)信息的交換和傳遞.

由于BIM模型所附帶的信息要比GIS模型豐富，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究主要關(guān)注于BIM模型向GIS模型的單向通用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換.El-Mekawy在分析IFC(industry foundation classes)向CityGML(city geography markup language)單向格式轉(zhuǎn)換局限性的基礎(chǔ)上，提出了以語(yǔ)義映射和擴(kuò)展CityGML概念模型作為二者融合的解決方案［2］.通過(guò)提取三維模型表面幾何、計(jì)算頂點(diǎn)坐標(biāo)等4步處理，Wu與Hsieh將IFC模型轉(zhuǎn)換為GML(geography markup language)格式［3］.Hijazi等建立起 IFC 與 CityGML擴(kuò)展包 UtilityNetworkADE(applicationdomain extensions)間的語(yǔ)義映射，實(shí)現(xiàn)了建筑內(nèi)部構(gòu)筑物的信息交換［4］.借助AutoCAD圖形引擎，張建平提出了將IFC實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為表面模型的方法［5］.以語(yǔ)義約束為手段，趙霞等實(shí)現(xiàn)了RVT(autodesk revit)模型到 CityGML 模型的格式轉(zhuǎn)換［6］.呂慧玲等通過(guò)建立IFC數(shù)據(jù)模型到CityGML各層級(jí)的映射模型，描述了一種從IFC模型到CityGML多層次細(xì)節(jié)模型的完整轉(zhuǎn)換方法［7］.劉金巖等提出了可以實(shí)現(xiàn)BIM和GIS集成的IFC和CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換框架，并探討了其在水利工程全生命周期中的應(yīng)用前景［8］.LIU等通過(guò)模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了IFC實(shí)體模型在GIS場(chǎng)景中的應(yīng)用［9］.石若明等在提取模型信息的基礎(chǔ)上，將IFC實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為GML表面模型，最終實(shí)現(xiàn)古建筑模型在GIS環(huán)境下的共享［10］.朱亮采等用語(yǔ)義映射的方法，實(shí)現(xiàn)了IFC到CityGML幾何與語(yǔ)義信息的轉(zhuǎn)換［11］.當(dāng)前研究成果僅關(guān)注于BIM與GIS二者間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的研究，還沒(méi)有適用于鐵路工程三維信息模型的數(shù)據(jù)交換方法.

數(shù)據(jù)交換的意義遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，這是因?yàn)锽IM偏重于單體信息模型及其構(gòu)造單元的精細(xì)建模，而GIS關(guān)注于大范圍地表場(chǎng)景的快速制作和高效展示，為了打通二者之間信息共享的橋梁，僅采用數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方法是不夠的，還需要解決RIM信息模型與三維GIS場(chǎng)景無(wú)縫集成，同時(shí)兼顧簡(jiǎn)化模型并降低細(xì)節(jié)層次的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)應(yīng)用時(shí)RIM信息模型在數(shù)據(jù)層和邏輯層的信息共享和融合.為此，本文提出一種面向GIS應(yīng)用的鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)交換方法，以避免重復(fù)數(shù)據(jù)生產(chǎn)造成的資源耗用，進(jìn)一步提高BIM與GIS平臺(tái)間的互操作能力.

1 RIM相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 RIM的存儲(chǔ)與表達(dá)

為了將鐵路工程要素各類(lèi)語(yǔ)義和屬性信息關(guān)聯(lián)到三維幾何模型上構(gòu)成RIM，同時(shí)兼顧鐵路行業(yè)各部門(mén)對(duì)RIM的應(yīng)用需要，鐵路BIM聯(lián)盟各理事單位研究制定了用于RIM存儲(chǔ)和表達(dá)的多種解決方案，主要分為基于BIM的方式和基于GIS的方式兩大類(lèi).

以BIM通用數(shù)據(jù)格式IFC及Building Smart為其制定的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，鐵路BIM聯(lián)盟在IFCProduct、IFCCivilElement等特征類(lèi)型下擴(kuò)展了多種鐵路工程要素的語(yǔ)義和屬性，并以擴(kuò)展后的IFC作為 RIM的標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)和交換格式［12］.因此，RIM標(biāo)準(zhǔn)文件存儲(chǔ)記錄的是以STEP或XML語(yǔ)言描述的特征要素.從應(yīng)用的角度，RIM的存儲(chǔ)方式依賴(lài)所使用的 BIM軟件平臺(tái)，Autodesk的 rvt、Dassoft的3dxml以及Bentley的dgn是當(dāng)前RIM在業(yè)務(wù)應(yīng)用中的主要存儲(chǔ)格式，一般方法是根據(jù)需求定義新的要素類(lèi)型，或在模型上附加鐵路工程要素的語(yǔ)義和屬性.

鐵路BIM聯(lián)盟在廣泛調(diào)研后指出，符合GIS存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的RIM模型存儲(chǔ)和交換格式為OGC(OpenGeospatialConsortium)組織制定的CityGML，借助該標(biāo)準(zhǔn)中提供的ADE擴(kuò)展機(jī)制，同樣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鐵路工程要素語(yǔ)義和屬性的擴(kuò)展［13-14］.然而，CityGML 在幾何造型、語(yǔ)義邏輯關(guān)系、算量分析等方面所表現(xiàn)出的局限性決定了其作為RIM標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式的適宜性比IFC低.與所采用的GIS三維平臺(tái)相關(guān)，在實(shí)際鐵路三維項(xiàng)目應(yīng)用中用于RIM幾何信息存儲(chǔ)的格式主要有Microsoft DirectX多媒體編程接口的 x、Wavefront的 obj、Skyline的 3dml、OpenSceneGraph 的 osg，RIM 的語(yǔ)義和屬性信息則以xml、xls等文本文件或數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的形式進(jìn)行存儲(chǔ)和交換.

借鑒BIM理念和技術(shù)，以參數(shù)化建模、變更設(shè)計(jì)和算量分析為目標(biāo)，RIM常采用構(gòu)造實(shí)體表達(dá)法CSG(constructive solid geometry).當(dāng)需要借助GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)RIM快速渲染、瀏覽和展示時(shí)，邊界表達(dá)法Brep(boundary representation)取代CSG成為RIM采用的主要方式.

圖1以剖面效果展示了某一特定鐵路工程要素——橋梁分別采用兩種表達(dá)方法時(shí)的區(qū)別，其中左側(cè)CSG表達(dá)的橋體為實(shí)心結(jié)構(gòu)，右側(cè)Brep表達(dá)的橋體為表面包圍的空殼結(jié)構(gòu).綜上所述，應(yīng)用環(huán)境和平臺(tái)決定了RIM所應(yīng)采用的存儲(chǔ)格式和表達(dá)方式.當(dāng)前，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是解決RIM跨平臺(tái)應(yīng)用的最有效方法.

圖1 不同表達(dá)法剖面效果展示Fig.1 Profile effects by using different expressions

1.2 RIM的跨平臺(tái)應(yīng)用

以BIM與GIS信息融合和數(shù)據(jù)共享為目標(biāo)，國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出許多面向標(biāo)準(zhǔn)交換格式IFC與CityGML之間的轉(zhuǎn)換方法研究［15-16］.在實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)中對(duì)RIM開(kāi)展跨平臺(tái)應(yīng)用時(shí)，由于各軟件廠商在IFC存儲(chǔ)方式的理解上存在差異，在交換中信息錯(cuò)漏的情況時(shí)有發(fā)生，同時(shí)各類(lèi)商業(yè)平臺(tái)對(duì)CityGML的支持能力有限，以至于當(dāng)前研究方法的適用性不高.當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)RIM跨平臺(tái)應(yīng)用的方法主要有以下兩類(lèi):

(1)以軟件平臺(tái)自身數(shù)據(jù)格式直接或間接交換.例如Autodesk Revit等BIM系列軟件以fbx作為內(nèi)部數(shù)據(jù)交換格式，TerraExplorer實(shí)現(xiàn)了將該格式導(dǎo)入到三維GIS場(chǎng)景下集成的間接數(shù)據(jù)交換.借助Navisworks平臺(tái)，可以將大部分BIM模型導(dǎo)出為kml格式，實(shí)現(xiàn)在Google Earth等三維GIS平臺(tái)下模型數(shù)據(jù)共享.

(2)以CAD通用標(biāo)準(zhǔn)格式為中轉(zhuǎn)的信息獨(dú)立交換.被廣泛支持的三維幾何信息存儲(chǔ)格式包括Autodesk 的 dwg，Microsoft的 Direct X，Wavefront的obj，屬性信息存儲(chǔ)格式包括Microsoft的xls，擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言xml等.跨平臺(tái)集成時(shí)，根據(jù)目標(biāo)GIS平臺(tái)的支持能力，首先確定各類(lèi)信息應(yīng)采用的交換格式，繼而將RIM所包含的幾何、語(yǔ)義、屬性信息分別獨(dú)立轉(zhuǎn)儲(chǔ)在上述不同格式的文件中，最終實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)儲(chǔ)信息在三維GIS平臺(tái)上的集成.FME作為一款商業(yè)化可定制的格式轉(zhuǎn)換平臺(tái)，能夠?qū)vt、ifc等BIM模型轉(zhuǎn)換為幾何信息以x、obj等格式存儲(chǔ)，屬性信息以xls、txt格式存儲(chǔ)的形式，三維 GIS平臺(tái)(如TerraExplorer、ArcScene)可將其做為數(shù)據(jù)源導(dǎo)入以滿(mǎn)足跨平臺(tái)應(yīng)用的需要.

2 RIMTrans模型數(shù)據(jù)交換方法

面向RIM信息模型在GIS平臺(tái)集成的應(yīng)用需求，本文提出一種基于多元信息分離和獨(dú)立存儲(chǔ)、支持簡(jiǎn)化層次細(xì)節(jié)和場(chǎng)景構(gòu)建的模型數(shù)據(jù)交換方法——RIMTrans.該方法能高效、精確地將RIM信息模型集成到三維GIS場(chǎng)景中，使成果滿(mǎn)足鐵路工程設(shè)計(jì)階段和施工階段的場(chǎng)景展示、進(jìn)度管理、算量分析等業(yè)務(wù)需要.

圖2展示了RIMTrans方法的整體技術(shù)流程.

在技術(shù)層面上RIMTrans從以下3個(gè)方面完成了整個(gè)數(shù)據(jù)交換過(guò)程:

圖2 RIMTrans數(shù)據(jù)交換技術(shù)流程Fig.2 RIMTrans data exchange technology process

(1)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換.綜合采用提取、離散、轉(zhuǎn)義、關(guān)聯(lián)、映射等數(shù)據(jù)處理技術(shù)，將RIM信息模型所附帶的幾何、語(yǔ)義和屬性3類(lèi)信息，分別存儲(chǔ)為符合GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入接口標(biāo)準(zhǔn)的記錄形式.

(2)多層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化.利用合并、融合等手段，減少RIM模型附帶的冗余信息，從幾何和語(yǔ)義兩個(gè)層面降低信息模型的復(fù)雜度，保留最基本最有價(jià)值的信息，并使成果模型在三維GIS平臺(tái)下高效表達(dá)與展示，降低系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷.

(3)場(chǎng)景組織與構(gòu)建.將建模時(shí)各鐵路工程要素的位置和姿態(tài)參數(shù)精確換算到真實(shí)的地理場(chǎng)景坐標(biāo)系下，并逐一建立起相應(yīng)的空間位置索引，以恢復(fù)它們彼此之間的空間關(guān)聯(lián)和拓?fù)潢P(guān)系，與多層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化相結(jié)合，重新組織鐵路工程要素的層次邏輯關(guān)系.

3 RIMTrans中的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 幾何特征提取與離散化

如1.1所述，RIM模型的幾何表達(dá)方式可分為CSG和Brep兩類(lèi)，而GIS平臺(tái)下的三維模型數(shù)據(jù)通常使用Brep表達(dá).在二者格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，幾何特征提取與離散化是最為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)幾何信息從CSG到Brep表達(dá)方式的變換.RIMTrans中幾何信息轉(zhuǎn)換流程如圖3所示，按RIM模型的表達(dá)方式分為兩個(gè)階段共4個(gè)步驟:

(1)幾何特征提取.當(dāng)RIM模型的表達(dá)方式為CSG時(shí)，需要通過(guò)該階段處理轉(zhuǎn)換為Brep表達(dá).即首先從構(gòu)成CSG的各單元要素中獲取得到描述幾何特征的參數(shù)，如長(zhǎng)、寬、圓心、半徑等，重新生成包圍三維體的外表面，構(gòu)成集合SBrep;分析單元要素彼此之間的拓?fù)潢P(guān)系，對(duì)集合SBrep中具有包含、重合等關(guān)系的面要素執(zhí)行異或邏輯運(yùn)算，刪除共用、重疊的部分，該階段最終得到構(gòu)成RIM模型三維體外包圍殼的面要素集.

圖4以相交的兩個(gè)幾何實(shí)體示意了通過(guò)分析面要素間拓?fù)潢P(guān)系，在幾何特征提取階段刪除冗余面要素，最終獲取外包圍殼的方法.由于二者相交，圓柱體側(cè)表面被長(zhǎng)方體分割為A1、A2和A33個(gè)部分，同時(shí)長(zhǎng)方體頂面被圓柱體分割為B1和B2兩部分，底面被分割為C1和C2兩部分，通過(guò)分析拓?fù)潢P(guān)系，A2和B2、C2分別位于長(zhǎng)方體與圓柱體構(gòu)成的空間Ω和Σ內(nèi)，不參與構(gòu)成組合體的外包圍殼，應(yīng)從外殼面構(gòu)成的集合中刪除，圖4右側(cè)示意了最終處理結(jié)果.

圖3 RIMTrans幾何信息轉(zhuǎn)換流程Fig.3 RIMTrans geometric information conversion process

圖4 通過(guò)分析面要素間的拓?fù)潢P(guān)系刪除冗余幾何部分Fig.4 Geometrical redundancy eradication via analysis of topological relations between surfaces

(2)幾何特征離散.當(dāng)RIM模型以Brep表達(dá)時(shí)，通過(guò)這一階段的處理將其轉(zhuǎn)換為滿(mǎn)足GIS集成需要的Mesh數(shù)據(jù).Mesh是一種采用連續(xù)鄰接的三角面近似替代原始光滑面的網(wǎng)形數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，作為各類(lèi)3D圖形引擎的主要輸出方式，能夠高效地表達(dá)幾何信息.執(zhí)行離散處理時(shí)，需要首先確定擬合精度和擬合樣式，前者決定了以曲線作為邊界的幾何面Mesh轉(zhuǎn)換前后的相似度，使用曲線上相鄰采樣點(diǎn)間的弧段到其直線段間的最大距離Dfrag作為測(cè)度;后者則決定了Mesh格網(wǎng)的組織方式，任意網(wǎng)形的Mesh結(jié)構(gòu)均可由扇形(Fan)、條帶(Strip)、獨(dú)立(Isolate)3類(lèi)結(jié)構(gòu)單元組合而成.擬合精度與擬合樣式對(duì)幾何特征Mesh轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響分別如圖5和圖6所示.依照確定的擬合精度和擬合樣式在幾何面的邊界線上采樣結(jié)點(diǎn)，采用現(xiàn)有成熟的三角網(wǎng)構(gòu)筑算法，輸出為以Mesh結(jié)構(gòu)表達(dá)的、可用于GIS平臺(tái)展示與集成的三維幾何模型數(shù)據(jù).

圖5 擬合精度Dfrag對(duì)Mesh結(jié)果的影響Fig.5 Effect of fitting accuracy Dfragon Mes h

圖6 擬合樣式(Fan、Strip、Isolate)組合為Mesh結(jié)構(gòu)Fig.6 Fitting pattern(Fan，Strip，Isolate)of Mesh structure

3.2 語(yǔ)義關(guān)聯(lián)與映射

RIM模型附帶的語(yǔ)義信息主要是指鐵路工程要素的特征類(lèi)型定義和描述，由要素分類(lèi)編碼(Classification Id)和存儲(chǔ)對(duì)象類(lèi)型(ObjectType)兩部分構(gòu)成，如圖7所示.

圖7 RIMTrans中RIM語(yǔ)義信息內(nèi)容與交換方法Fig.7 RIM semantic information contents and exchange method in RIMTrans

要素分類(lèi)編碼應(yīng)遵循既有鐵路工程信息模型相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［17］中的有關(guān)規(guī)定，采用十位編碼結(jié)構(gòu)，當(dāng)ObjectType為用戶(hù)定義類(lèi)型時(shí)，通過(guò)編碼值索引其類(lèi)型定義.在RIMTrans格式轉(zhuǎn)換方法中，保持該編碼值在信息交換前后不變，以確保要素類(lèi)型語(yǔ)義在傳遞時(shí)的一致性.

存儲(chǔ)對(duì)象類(lèi)型(ObjectType)語(yǔ)義則嚴(yán)格參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［12］中關(guān)于實(shí)體定義和類(lèi)型定義的內(nèi)容執(zhí)行交換.通常情況下，作為RIM模型載體的數(shù)據(jù)格式本身不具有解析這類(lèi)語(yǔ)義的能力，RIMTrans通過(guò)建立固有類(lèi)型定義與RIM要素類(lèi)型定義之間的映射關(guān)系，實(shí)現(xiàn)RIM語(yǔ)義信息的傳遞.例如，當(dāng)RIM模型以IFC格式存儲(chǔ)時(shí)，建立IFC實(shí)體類(lèi)型與RIM橋梁?jiǎn)雾?xiàng)工程涉及部分實(shí)體類(lèi)型間的映射關(guān)系如表1所示.

表1 IFC實(shí)體類(lèi)型與RIM橋梁部分實(shí)體類(lèi)型的映射關(guān)系Tab.1 Mapping relationship between IFC entity type and part of RIM bridge entity type

由表1可知，建立的實(shí)體類(lèi)型映射關(guān)系為一對(duì)多，為了將相同的IFC實(shí)體類(lèi)型與不同的RIM實(shí)體類(lèi)型相對(duì)應(yīng)，需要在IFC數(shù)據(jù)中增加標(biāo)示實(shí)體類(lèi)型的自定義屬性或枚舉，把RIM模型包含的存儲(chǔ)對(duì)象類(lèi)型語(yǔ)義完整、正確地傳遞到GIS應(yīng)用環(huán)境中.

3.3 屬性傳遞

作為描述實(shí)體要素特征的非幾何信息，屬性依附于實(shí)體對(duì)象而存在.不同數(shù)據(jù)格式對(duì)屬性的命名、數(shù)據(jù)類(lèi)型、約束條件等內(nèi)容有不同的定義和規(guī)范方式.對(duì)RIM模型數(shù)據(jù)而言，屬性信息一般包括屬性(屬性集)名稱(chēng)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、屬性類(lèi)型、屬性值數(shù)據(jù)類(lèi)型和屬性值內(nèi)容5個(gè)部分.在RIMTrans格式轉(zhuǎn)換方法中，直接引用IFC規(guī)定的屬性定義和描述方式作為標(biāo)準(zhǔn)交換格式.當(dāng)具體實(shí)施屬性信息交換時(shí)，以文本記錄所屬實(shí)體對(duì)象ID、屬性(屬性集)名稱(chēng)、屬性值內(nèi)容，屬性類(lèi)型和屬性值數(shù)據(jù)類(lèi)型則轉(zhuǎn)換成以IFC定義的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型字段，建立屬性元數(shù)據(jù)用以描述屬性集和屬性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系.在GIS平臺(tái)上集成應(yīng)用時(shí)，上述屬性信息通過(guò)實(shí)體對(duì)象ID與相應(yīng)的幾何特征關(guān)聯(lián)，以數(shù)據(jù)庫(kù)記錄的形式進(jìn)行存儲(chǔ).RIMTrans方法的屬性信息交換及與幾何特征的關(guān)聯(lián)過(guò)程如圖8所示.

圖8 屬性信息交換及與幾何特征關(guān)聯(lián)過(guò)程Fig.8 Associate process of attribute information exchange and geometric characteristics

3.4 多層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化

如1.1節(jié)所述，在三維GIS場(chǎng)景中，通常采用Brep作為模型的表達(dá)方式，而為了應(yīng)對(duì)操作中場(chǎng)景視角和范圍頻繁變化的情況，降低系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷，動(dòng)態(tài)地加載適宜體量的模型，幾乎所有的三維GIS平臺(tái)都支持對(duì)多層次細(xì)節(jié)信息模型的訪問(wèn).與GIS模型相比，由BIM軟件制作生產(chǎn)的RIM信息模型具有更豐富的細(xì)節(jié)，當(dāng)許多模型同時(shí)加載到同一個(gè)三維GIS場(chǎng)景時(shí)，系統(tǒng)將負(fù)擔(dān)海量數(shù)據(jù)的緩沖，而其中大部分?jǐn)?shù)據(jù)是冗余或不必要的，這就需要通過(guò)RIMTrans中的簡(jiǎn)化處理，丟棄次要內(nèi)容，以生成較低層次細(xì)節(jié)的模型.

與格式轉(zhuǎn)換相同，簡(jiǎn)化處理的內(nèi)容包括幾何、語(yǔ)義和屬性3部分，以語(yǔ)義融合為主導(dǎo)，幾何和屬性隨之簡(jiǎn)化.其中語(yǔ)義融合的依據(jù)為RIM建模過(guò)程中各要素的裝配層級(jí)和邏輯組織關(guān)系.以鐵路橋梁結(jié)構(gòu)模型為例，圖9展示了以組織關(guān)系樹(shù)結(jié)構(gòu)為核心，從橋墩和基礎(chǔ)(三級(jí)裝配)簡(jiǎn)化為下部結(jié)構(gòu)(二級(jí)裝配)的處理過(guò)程.

圖9 鐵路橋梁結(jié)構(gòu)模型的簡(jiǎn)化處理過(guò)程(從三級(jí)裝配簡(jiǎn)化到二級(jí)裝配)Fig.9 Simplified process of structural model of railway bridge(from three-level assembly to secondary assembly)

在上述降低模型層次細(xì)節(jié)的示例中，以橋墩和基礎(chǔ)為主的三級(jí)裝配成為需要被簡(jiǎn)化處理的語(yǔ)義信息，依據(jù)建模時(shí)構(gòu)成的上下層級(jí)組織關(guān)系，將二者語(yǔ)義融合為父結(jié)點(diǎn)語(yǔ)義“下部結(jié)構(gòu)”，相應(yīng)地，二者幾何信息則借助3.1節(jié)的特征提取和離散化技術(shù)，將墩身底部和基礎(chǔ)上部的共用面刪除，構(gòu)造出新的無(wú)縫連接連續(xù)Mesh結(jié)構(gòu)，在完成與下部結(jié)構(gòu)語(yǔ)義關(guān)聯(lián)后，將原始的橋墩和基礎(chǔ)的幾何、語(yǔ)義、屬性三類(lèi)信息刪除，當(dāng)所有三級(jí)裝配內(nèi)容完成上述處理后，模型的細(xì)節(jié)層次被簡(jiǎn)化到二級(jí).類(lèi)似地，可實(shí)現(xiàn)RIM信息模型任意細(xì)節(jié)層次的簡(jiǎn)化處理.

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

基于達(dá)索建模軟件提供的CAA(component application architecture)二次開(kāi)發(fā)API(application programming interface)函數(shù)接口，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了以RIMTrans格式轉(zhuǎn)換方法為核心的功能模塊，以其作為本文實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)工具.GIS集成平臺(tái)則選用Skyline TerraExplorer.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于既有RIM建模成果，包括鐵路工程中橋梁、隧道、軌道、路基4類(lèi)單項(xiàng)工程的設(shè)計(jì)模型數(shù)據(jù).所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均符合RIM建模規(guī)范，實(shí)體要素包含的語(yǔ)義、屬性等各類(lèi)信息，以及彼此之間的邏輯組織關(guān)系嚴(yán)格遵循鐵路工程信息模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)概況見(jiàn)表2.

從表2可以看出，4個(gè)RIM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的里程長(zhǎng)度、構(gòu)件數(shù)量、屬性集類(lèi)型數(shù)目各不相同，而且這4類(lèi)單項(xiàng)工程關(guān)注的設(shè)計(jì)對(duì)象不同，所包含的構(gòu)件類(lèi)型也具有特殊性.其中，軌道模型數(shù)據(jù)的里程長(zhǎng)度最長(zhǎng)，包含的構(gòu)件數(shù)量最多，然而包含的構(gòu)件種類(lèi)最少;相反，橋梁模型的里程長(zhǎng)度最短，包含的構(gòu)件數(shù)量最少，構(gòu)件種類(lèi)最多.以上4個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的幾何外觀造型如圖10所示.上述概況表明，反映于不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過(guò)RIMTrans方法處理和轉(zhuǎn)換的幾何、語(yǔ)義、屬性3類(lèi)信息在數(shù)據(jù)量、復(fù)雜度等方面，具有不同的代表性.

表2 實(shí)驗(yàn)RIM模型數(shù)據(jù)概況Tab.2 Overview of experimental RIM model data

圖10 實(shí)驗(yàn)采用的RIM模型幾何造型Fig.10 RIM models used in the experiment

從構(gòu)造Mesh的三角面數(shù)量、內(nèi)存占用大小兩個(gè)方面，對(duì)比上述實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛿?shù)據(jù)多層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化處理前后的效果，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3.實(shí)驗(yàn)表明，隧道模型簡(jiǎn)化的效果最優(yōu)，能夠大幅減少M(fèi)esh面的數(shù)量，降低計(jì)算機(jī)內(nèi)存的耗用，路基模型的效果次之，而構(gòu)造軌道和橋梁模型Mesh的三角面不但沒(méi)有被簡(jiǎn)化，反而數(shù)量增多，且占用更多的計(jì)算機(jī)資源.這是因?yàn)樗淼滥Ｐ拖噜彮h(huán)拱、路基模型相鄰填筑層之間具有相同的共用面，簡(jiǎn)化處理時(shí)刪除原有構(gòu)造共用面的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)合并相鄰的外殼面，重構(gòu)后的Mesh網(wǎng)型得以簡(jiǎn)化;而橋梁模型(如橋墩和基座)和軌道模型(如軌道板和鋼軌)相鄰構(gòu)件間的共用面均為相互包含關(guān)系，由于多層次細(xì)節(jié)處理時(shí)需要采用兩面要素輪廓上離散的節(jié)點(diǎn)重構(gòu)外殼，導(dǎo)致需要更多的三角面構(gòu)造Mesh網(wǎng)型，增添了冗余的信息.因此，是否應(yīng)該對(duì)RIM執(zhí)行多層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化處理，取決于模型構(gòu)件之間共用面的拓?fù)潢P(guān)系.

表3 多層次細(xì)節(jié)簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of multi-level detail facilitation

分別從效率、完整性和正確性3個(gè)方面對(duì)轉(zhuǎn)換過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行測(cè)評(píng).由于語(yǔ)義信息和屬性信息的交換過(guò)程不涉及復(fù)雜的算法，因而影響RIMTrans執(zhí)行效率的主要是幾何特征提取和離散處理過(guò)程.其中，取決于待處理幾何表面的形式，刪除內(nèi)部共用面的布爾運(yùn)算效率差異明顯;另一方面，擬合精度參數(shù)Dfrag不僅決定了Mesh結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格的數(shù)量，也直接影響了Mesh離散處理的運(yùn)算復(fù)雜度.完整性檢驗(yàn)是指評(píng)價(jià)幾何、語(yǔ)義、屬性3類(lèi)信息在格式轉(zhuǎn)換前后是否丟失，正確性檢驗(yàn)則評(píng)價(jià)上述信息是否發(fā)生錯(cuò)誤、不一致或歧義.實(shí)驗(yàn)測(cè)試與評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示，與原始RIM模型相比，轉(zhuǎn)換后模型信息的完整性達(dá)85%，正確性達(dá)100%.

表4中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)表明，對(duì)于相同的RIM模型，RIMTrans方法的轉(zhuǎn)換效率隨擬合精度參數(shù)Dfrag的增大而提高，Dfrag取值越小，曲線邊界上需要采樣的結(jié)點(diǎn)數(shù)越多，Mesh網(wǎng)格越密集，構(gòu)建Mesh網(wǎng)格耗費(fèi)的時(shí)間越多.不同實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)間相比，由于里程長(zhǎng)度短，構(gòu)件總數(shù)少，幾何造型復(fù)雜度低，橋梁模型轉(zhuǎn)換的速度最快;隧道模型的里程長(zhǎng)度、構(gòu)件總數(shù)和幾何造型復(fù)雜度在4個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中處于平均水平，轉(zhuǎn)換速度適中;軌道模型里程長(zhǎng)度最長(zhǎng)，構(gòu)件總數(shù)最多，盡管構(gòu)件類(lèi)型數(shù)量在所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中最少，卻需要對(duì)所有構(gòu)件逐一執(zhí)行處理運(yùn)算，轉(zhuǎn)換效率最低;路基模型的構(gòu)件數(shù)量雖然不多，然而它與地質(zhì)體相關(guān)程度高，模型中包含了由復(fù)雜曲面構(gòu)成的地質(zhì)層幾何信息，增加了Mesh轉(zhuǎn)換處理的時(shí)間耗用，效率降低的情況顯著.綜上統(tǒng)計(jì)時(shí)間數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)作業(yè)方式相比，時(shí)間耗用降低可達(dá)70%.

表4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Experimental test and evaluation results

由于建立了詳細(xì)完備的實(shí)體定義、屬性類(lèi)型、屬性值數(shù)據(jù)類(lèi)型的映射和對(duì)應(yīng)關(guān)系表，自編的工具軟件可控性高，同時(shí)原始RIM模型內(nèi)構(gòu)件之間的邏輯組織關(guān)系條理清晰，經(jīng)對(duì)比檢查，格式轉(zhuǎn)換后各單項(xiàng)工程三維信息模型附帶的幾何、語(yǔ)義和屬性3類(lèi)信息沒(méi)有發(fā)生丟失或錯(cuò)誤情況，由于對(duì)橋梁和隧道模型執(zhí)行了多層次簡(jiǎn)化處理，3類(lèi)信息的完整程度降低，實(shí)驗(yàn)效果良好.

圖11展示了所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在三維GIS平臺(tái)下的集成效果.

圖11 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在Skyline TerraExplorer中的集成效果Fig.11 Experimental results in Skyline TerraExplorer

5 結(jié)論

本文提出一種面向GIS應(yīng)用的鐵路工程三維信息模型格式轉(zhuǎn)換方法RIMTrans，該方法綜合利用三維模型體表面特征提取、面元拆分與離散、Mesh網(wǎng)形構(gòu)建等算法，結(jié)合規(guī)范化的映射機(jī)制和標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)RIM模型所包含幾何、語(yǔ)義和屬性3類(lèi)信息的快速、完整和正確交換.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，RIM模型造型復(fù)雜度與Mesh擬合精度是影響格式轉(zhuǎn)換效率和幾何表達(dá)效果的兩個(gè)最重要因素，在實(shí)際GIS平臺(tái)模型集成應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)需求配置合理的參數(shù).當(dāng)前，RIMTrans方法已在多個(gè)鐵路工程三維設(shè)計(jì)項(xiàng)目中得到應(yīng)用和推廣，初步解決了RIM模型跨GIS平臺(tái)的集成應(yīng)用問(wèn)題，提高了設(shè)計(jì)模型的重用性和數(shù)據(jù)的共享性，降低了因重復(fù)設(shè)計(jì)導(dǎo)致的資源浪費(fèi).未來(lái)進(jìn)一步的研究將關(guān)注于RIMTrans方法對(duì)模型紋理信息的傳遞和交換，以及模型輕量化的技術(shù)路線，并致力于將該方法擴(kuò)展到更多、更廣泛的鐵路工程專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，提高RIM在三維GIS平臺(tái)下應(yīng)用的技術(shù)水平.

致謝:中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司內(nèi)部引導(dǎo)課題(721599，721783).

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