面向GIS應用的鐵路工程三維信息模型數據交換方法

李 浩， 趙國堂， 范丁元， 范登科

(1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044;2.中國鐵路廣州局集團有限公司建設管理處，廣東 廣州510088;3.中國鐵路總公司，北京100844;4.西南交通大學經濟管理學院，四川峨眉山614202;5.中國鐵路設計集團有限公司測繪地理信息研究院，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過程中用于信息查詢和展示、要素組織和管理、統計算量分析等多種業務實施的數字化信息載體.借鑒BIM(building information modeling)理念和技術，鐵路行業早已著手大力推進RIM在設計、施工和管理等階段的數據和平臺建設，并取得了一定的成果.面對鐵路工程的大場景、長線性、多尺度等特點，BIM難以有效解決模型在可視化表達中的動態快速調度、交互式空間分析、鐵路工程選線等問題，GIS(geographic information system)技術為解決上述問題提供了可行的方案［1］.當前，上述兩種技術對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數據格式轉換的方式來實現.因此，當在GIS平臺中采用BIM構建的鐵路工程三維信息模型開展應用時，需要首先借助特定的格式轉換方法實現信息的交換和傳遞.

由于BIM模型所附帶的信息要比GIS模型豐富，當前國內外研究主要關注于BIM模型向GIS模型的單向通用數據格式轉換.El-Mekawy在分析IFC(industry foundation classes)向CityGML(city geography markup language)單向格式轉換局限性的基礎上，提出了以語義映射和擴展CityGML概念模型作為二者融合的解決方案［2］.通過提取三維模型表面幾何、計算頂點坐標等4步處理，Wu與Hsieh將IFC模型轉換為GML(geography markup language)格式［3］.Hijazi等建立起 IFC 與 CityGML擴展包 UtilityNetworkADE(applicationdomain extensions)間的語義映射，實現了建筑內部構筑物的信息交換［4］.借助AutoCAD圖形引擎，張建平提出了將IFC實體模型轉換為表面模型的方法［5］.以語義約束為手段，趙霞等實現了RVT(autodesk revit)模型到 CityGML 模型的格式轉換［6］.呂慧玲等通過建立IFC數據模型到CityGML各層級的映射模型，描述了一種從IFC模型到CityGML多層次細節模型的完整轉換方法［7］.劉金巖等提出了可以實現BIM和GIS集成的IFC和CityGML數據轉換框架，并探討了其在水利工程全生命周期中的應用前景［8］.LIU等通過模型數據格式轉換，實現了IFC實體模型在GIS場景中的應用［9］.石若明等在提取模型信息的基礎上，將IFC實體模型轉換為GML表面模型，最終實現古建筑模型在GIS環境下的共享［10］.朱亮采等用語義映射的方法，實現了IFC到CityGML幾何與語義信息的轉換［11］.當前研究成果僅關注于BIM與GIS二者間數據格式轉換的研究，還沒有適用于鐵路工程三維信息模型的數據交換方法.

數據交換的意義遠大于數據格式轉換，這是因為BIM偏重于單體信息模型及其構造單元的精細建模，而GIS關注于大范圍地表場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，僅采用數據格式轉換的方法是不夠的，還需要解決RIM信息模型與三維GIS場景無縫集成，同時兼顧簡化模型并降低細節層次的問題，從而實現跨平臺應用時RIM信息模型在數據層和邏輯層的信息共享和融合.為此，本文提出一種面向GIS應用的鐵路工程信息模型數據交換方法，以避免重復數據生產造成的資源耗用，進一步提高BIM與GIS平臺間的互操作能力.

1 RIM相關技術現狀

1.1 RIM的存儲與表達

為了將鐵路工程要素各類語義和屬性信息關聯到三維幾何模型上構成RIM，同時兼顧鐵路行業各部門對RIM的應用需要，鐵路BIM聯盟各理事單位研究制定了用于RIM存儲和表達的多種解決方案，主要分為基于BIM的方式和基于GIS的方式兩大類.

以BIM通用數據格式IFC及Building Smart為其制定的存儲標準為基礎，鐵路BIM聯盟在IFCProduct、IFCCivilElement等特征類型下擴展了多種鐵路工程要素的語義和屬性，并以擴展后的IFC作為 RIM的標準存儲和交換格式［12］.因此，RIM標準文件存儲記錄的是以STEP或XML語言描述的特征要素.從應用的角度，RIM的存儲方式依賴所使用的 BIM軟件平臺，Autodesk的 rvt、Dassoft的3dxml以及Bentley的dgn是當前RIM在業務應用中的主要存儲格式，一般方法是根據需求定義新的要素類型，或在模型上附加鐵路工程要素的語義和屬性.

鐵路BIM聯盟在廣泛調研后指出，符合GIS存儲標準的RIM模型存儲和交換格式為OGC(OpenGeospatialConsortium)組織制定的CityGML，借助該標準中提供的ADE擴展機制，同樣可以實現對鐵路工程要素語義和屬性的擴展［13-14］.然而，CityGML 在幾何造型、語義邏輯關系、算量分析等方面所表現出的局限性決定了其作為RIM標準存儲格式的適宜性比IFC低.與所采用的GIS三維平臺相關，在實際鐵路三維項目應用中用于RIM幾何信息存儲的格式主要有Microsoft DirectX多媒體編程接口的 x、Wavefront的 obj、Skyline的 3dml、OpenSceneGraph 的 osg，RIM 的語義和屬性信息則以xml、xls等文本文件或數據庫記錄的形式進行存儲和交換.

借鑒BIM理念和技術，以參數化建模、變更設計和算量分析為目標，RIM常采用構造實體表達法CSG(constructive solid geometry).當需要借助GIS平臺實現RIM快速渲染、瀏覽和展示時，邊界表達法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方法時的區別，其中左側CSG表達的橋體為實心結構，右側Brep表達的橋體為表面包圍的空殼結構.綜上所述，應用環境和平臺決定了RIM所應采用的存儲格式和表達方式.當前，數據格式轉換是解決RIM跨平臺應用的最有效方法.

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

1.2 RIM的跨平臺應用

以BIM與GIS信息融合和數據共享為目標，國內外涌現出許多面向標準交換格式IFC與CityGML之間的轉換方法研究［15-16］.在實際項目生產中對RIM開展跨平臺應用時，由于各軟件廠商在IFC存儲方式的理解上存在差異，在交換中信息錯漏的情況時有發生，同時各類商業平臺對CityGML的支持能力有限，以至于當前研究方法的適用性不高.當前，實現RIM跨平臺應用的方法主要有以下兩類:

(1)以軟件平臺自身數據格式直接或間接交換.例如Autodesk Revit等BIM系列軟件以fbx作為內部數據交換格式，TerraExplorer實現了將該格式導入到三維GIS場景下集成的間接數據交換.借助Navisworks平臺，可以將大部分BIM模型導出為kml格式，實現在Google Earth等三維GIS平臺下模型數據共享.

(2)以CAD通用標準格式為中轉的信息獨立交換.被廣泛支持的三維幾何信息存儲格式包括Autodesk 的 dwg，Microsoft的 Direct X，Wavefront的obj，屬性信息存儲格式包括Microsoft的xls，擴展標記語言xml等.跨平臺集成時，根據目標GIS平臺的支持能力，首先確定各類信息應采用的交換格式，繼而將RIM所包含的幾何、語義、屬性信息分別獨立轉儲在上述不同格式的文件中，最終實現轉儲信息在三維GIS平臺上的集成.FME作為一款商業化可定制的格式轉換平臺，能夠將rvt、ifc等BIM模型轉換為幾何信息以x、obj等格式存儲，屬性信息以xls、txt格式存儲的形式，三維 GIS平臺(如TerraExplorer、ArcScene)可將其做為數據源導入以滿足跨平臺應用的需要.

2 RIMTrans模型數據交換方法

面向RIM信息模型在GIS平臺集成的應用需求，本文提出一種基于多元信息分離和獨立存儲、支持簡化層次細節和場景構建的模型數據交換方法——RIMTrans.該方法能高效、精確地將RIM信息模型集成到三維GIS場景中，使成果滿足鐵路工程設計階段和施工階段的場景展示、進度管理、算量分析等業務需要.

圖2展示了RIMTrans方法的整體技術流程.

在技術層面上RIMTrans從以下3個方面完成了整個數據交換過程:

圖2 RIMTrans數據交換技術流程Fig.2 RIMTrans data exchange technology process

(1)數據格式轉換.綜合采用提取、離散、轉義、關聯、映射等數據處理技術，將RIM信息模型所附帶的幾何、語義和屬性3類信息，分別存儲為符合GIS系統數據輸入接口標準的記錄形式.

(2)多層次細節簡化.利用合并、融合等手段，減少RIM模型附帶的冗余信息，從幾何和語義兩個層面降低信息模型的復雜度，保留最基本最有價值的信息，并使成果模型在三維GIS平臺下高效表達與展示，降低系統運行負荷.

(3)場景組織與構建.將建模時各鐵路工程要素的位置和姿態參數精確換算到真實的地理場景坐標系下，并逐一建立起相應的空間位置索引，以恢復它們彼此之間的空間關聯和拓撲關系，與多層次細節簡化相結合，重新組織鐵路工程要素的層次邏輯關系.

3 RIMTrans中的關鍵技術

3.1 幾何特征提取與離散化

如1.1所述，RIM模型的幾何表達方式可分為CSG和Brep兩類，而GIS平臺下的三維模型數據通常使用Brep表達.在二者格式轉換過程中，幾何特征提取與離散化是最為重要的一個環節，可以實現幾何信息從CSG到Brep表達方式的變換.RIMTrans中幾何信息轉換流程如圖3所示，按RIM模型的表達方式分為兩個階段共4個步驟:

(1)幾何特征提取.當RIM模型的表達方式為CSG時，需要通過該階段處理轉換為Brep表達.即首先從構成CSG的各單元要素中獲取得到描述幾何特征的參數，如長、寬、圓心、半徑等，重新生成包圍三維體的外表面，構成集合SBrep;分析單元要素彼此之間的拓撲關系，對集合SBrep中具有包含、重合等關系的面要素執行異或邏輯運算，刪除共用、重疊的部分，該階段最終得到構成RIM模型三維體外包圍殼的面要素集.

圖4以相交的兩個幾何實體示意了通過分析面要素間拓撲關系，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，圓柱體側表面被長方體分割為A1、A2和A33個部分，同時長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，通過分析拓撲關系，A2和B2、C2分別位于長方體與圓柱體構成的空間Ω和Σ內，不參與構成組合體的外包圍殼，應從外殼面構成的集合中刪除，圖4右側示意了最終處理結果.

圖3 RIMTrans幾何信息轉換流程Fig.3 RIMTrans geometric information conversion process

圖4 通過分析面要素間的拓撲關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RIM模型以Brep表達時，通過這一階段的處理將其轉換為滿足GIS集成需要的Mesh數據.Mesh是一種采用連續鄰接的三角面近似替代原始光滑面的網形數據結構，作為各類3D圖形引擎的主要輸出方式，能夠高效地表達幾何信息.執行離散處理時，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轉換前后的相似度，使用曲線上相鄰采樣點間的弧段到其直線段間的最大距離Dfrag作為測度;后者則決定了Mesh格網的組織方式，任意網形的Mesh結構均可由扇形(Fan)、條帶(Strip)、獨立(Isolate)3類結構單元組合而成.擬合精度與擬合樣式對幾何特征Mesh轉換結果的影響分別如圖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點，采用現有成熟的三角網構筑算法，輸出為以Mesh結構表達的、可用于GIS平臺展示與集成的三維幾何模型數據.

圖5 擬合精度Dfrag對Mesh結果的影響Fig.5 Effect of fitting accuracy Dfragon Mes h

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

3.2 語義關聯與映射

RIM模型附帶的語義信息主要是指鐵路工程要素的特征類型定義和描述，由要素分類編碼(Classification Id)和存儲對象類型(ObjectType)兩部分構成，如圖7所示.

圖7 RIMTrans中RIM語義信息內容與交換方法Fig.7 RIM semantic information contents and exchange method in RIMTrans

要素分類編碼應遵循既有鐵路工程信息模型相關標準［17］中的有關規定，采用十位編碼結構，當ObjectType為用戶定義類型時，通過編碼值索引其類型定義.在RIMTrans格式轉換方法中，保持該編碼值在信息交換前后不變，以確保要素類型語義在傳遞時的一致性.

存儲對象類型(ObjectType)語義則嚴格參照有關標準［12］中關于實體定義和類型定義的內容執行交換.通常情況下，作為RIM模型載體的數據格式本身不具有解析這類語義的能力，RIMTrans通過建立固有類型定義與RIM要素類型定義之間的映射關系，實現RIM語義信息的傳遞.例如，當RIM模型以IFC格式存儲時，建立IFC實體類型與RIM橋梁單項工程涉及部分實體類型間的映射關系如表1所示.

表1 IFC實體類型與RIM橋梁部分實體類型的映射關系Tab.1 Mapping relationship between IFC entity type and part of RIM bridge entity type

由表1可知，建立的實體類型映射關系為一對多，為了將相同的IFC實體類型與不同的RIM實體類型相對應，需要在IFC數據中增加標示實體類型的自定義屬性或枚舉，把RIM模型包含的存儲對象類型語義完整、正確地傳遞到GIS應用環境中.

3.3 屬性傳遞

作為描述實體要素特征的非幾何信息，屬性依附于實體對象而存在.不同數據格式對屬性的命名、數據類型、約束條件等內容有不同的定義和規范方式.對RIM模型數據而言，屬性信息一般包括屬性(屬性集)名稱、關聯關系、屬性類型、屬性值數據類型和屬性值內容5個部分.在RIMTrans格式轉換方法中，直接引用IFC規定的屬性定義和描述方式作為標準交換格式.當具體實施屬性信息交換時，以文本記錄所屬實體對象ID、屬性(屬性集)名稱、屬性值內容，屬性類型和屬性值數據類型則轉換成以IFC定義的相應標準類型字段，建立屬性元數據用以描述屬性集和屬性之間的關聯關系.在GIS平臺上集成應用時，上述屬性信息通過實體對象ID與相應的幾何特征關聯，以數據庫記錄的形式進行存儲.RIMTrans方法的屬性信息交換及與幾何特征的關聯過程如圖8所示.

圖8 屬性信息交換及與幾何特征關聯過程Fig.8 Associate process of attribute information exchange and geometric characteristics

3.4 多層次細節簡化

如1.1節所述，在三維GIS場景中，通常采用Brep作為模型的表達方式，而為了應對操作中場景視角和范圍頻繁變化的情況，降低系統運行負荷，動態地加載適宜體量的模型，幾乎所有的三維GIS平臺都支持對多層次細節信息模型的訪問.與GIS模型相比，由BIM軟件制作生產的RIM信息模型具有更豐富的細節，當許多模型同時加載到同一個三維GIS場景時，系統將負擔海量數據的緩沖，而其中大部分數據是冗余或不必要的，這就需要通過RIMTrans中的簡化處理，丟棄次要內容，以生成較低層次細節的模型.

與格式轉換相同，簡化處理的內容包括幾何、語義和屬性3部分，以語義融合為主導，幾何和屬性隨之簡化.其中語義融合的依據為RIM建模過程中各要素的裝配層級和邏輯組織關系.以鐵路橋梁結構模型為例，圖9展示了以組織關系樹結構為核心，從橋墩和基礎(三級裝配)簡化為下部結構(二級裝配)的處理過程.

圖9 鐵路橋梁結構模型的簡化處理過程(從三級裝配簡化到二級裝配)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節的示例中，以橋墩和基礎為主的三級裝配成為需要被簡化處理的語義信息，依據建模時構成的上下層級組織關系，將二者語義融合為父結點語義“下部結構”，相應地，二者幾何信息則借助3.1節的特征提取和離散化技術，將墩身底部和基礎上部的共用面刪除，構造出新的無縫連接連續Mesh結構，在完成與下部結構語義關聯后，將原始的橋墩和基礎的幾何、語義、屬性三類信息刪除，當所有三級裝配內容完成上述處理后，模型的細節層次被簡化到二級.類似地，可實現RIM信息模型任意細節層次的簡化處理.

4 實驗與驗證

基于達索建模軟件提供的CAA(component application architecture)二次開發API(application programming interface)函數接口，設計并實現了以RIMTrans格式轉換方法為核心的功能模塊，以其作為本文實驗的基礎工具.GIS集成平臺則選用Skyline TerraExplorer.實驗數據來源于既有RIM建模成果，包括鐵路工程中橋梁、隧道、軌道、路基4類單項工程的設計模型數據.所有實驗數據均符合RIM建模規范，實體要素包含的語義、屬性等各類信息，以及彼此之間的邏輯組織關系嚴格遵循鐵路工程信息模型數據存儲標準的規定.實驗數據概況見表2.

從表2可以看出，4個RIM實驗數據的里程長度、構件數量、屬性集類型數目各不相同，而且這4類單項工程關注的設計對象不同，所包含的構件類型也具有特殊性.其中，軌道模型數據的里程長度最長，包含的構件數量最多，然而包含的構件種類最少;相反，橋梁模型的里程長度最短，包含的構件數量最少，構件種類最多.以上4個實驗數據的幾何外觀造型如圖10所示.上述概況表明，反映于不同的實驗數據，通過RIMTrans方法處理和轉換的幾何、語義、屬性3類信息在數據量、復雜度等方面，具有不同的代表性.

表2 實驗RIM模型數據概況Tab.2 Overview of experimental RIM model data

圖10 實驗采用的RIM模型幾何造型Fig.10 RIM models used in the experiment

從構造Mesh的三角面數量、內存占用大小兩個方面，對比上述實驗模型數據多層次細節簡化處理前后的效果，統計結果見表3.實驗表明，隧道模型簡化的效果最優，能夠大幅減少Mesh面的數量，降低計算機內存的耗用，路基模型的效果次之，而構造軌道和橋梁模型Mesh的三角面不但沒有被簡化，反而數量增多，且占用更多的計算機資源.這是因為隧道模型相鄰環拱、路基模型相鄰填筑層之間具有相同的共用面，簡化處理時刪除原有構造共用面的節點，同時合并相鄰的外殼面，重構后的Mesh網型得以簡化;而橋梁模型(如橋墩和基座)和軌道模型(如軌道板和鋼軌)相鄰構件間的共用面均為相互包含關系，由于多層次細節處理時需要采用兩面要素輪廓上離散的節點重構外殼，導致需要更多的三角面構造Mesh網型，增添了冗余的信息.因此，是否應該對RIM執行多層次細節簡化處理，取決于模型構件之間共用面的拓撲關系.

表3 多層次細節簡化實驗結果Tab.3 Experimental results of multi-level detail facilitation

分別從效率、完整性和正確性3個方面對轉換過程和結果進行測評.由于語義信息和屬性信息的交換過程不涉及復雜的算法，因而影響RIMTrans執行效率的主要是幾何特征提取和離散處理過程.其中，取決于待處理幾何表面的形式，刪除內部共用面的布爾運算效率差異明顯;另一方面，擬合精度參數Dfrag不僅決定了Mesh結點和網格的數量，也直接影響了Mesh離散處理的運算復雜度.完整性檢驗是指評價幾何、語義、屬性3類信息在格式轉換前后是否丟失，正確性檢驗則評價上述信息是否發生錯誤、不一致或歧義.實驗測試與評價結果如表4所示，與原始RIM模型相比，轉換后模型信息的完整性達85%，正確性達100%.

表4中各項評價指標表明，對于相同的RIM模型，RIMTrans方法的轉換效率隨擬合精度參數Dfrag的增大而提高，Dfrag取值越小，曲線邊界上需要采樣的結點數越多，Mesh網格越密集，構建Mesh網格耗費的時間越多.不同實驗數據間相比，由于里程長度短，構件總數少，幾何造型復雜度低，橋梁模型轉換的速度最快;隧道模型的里程長度、構件總數和幾何造型復雜度在4個實驗數據中處于平均水平，轉換速度適中;軌道模型里程長度最長，構件總數最多，盡管構件類型數量在所有實驗數據中最少，卻需要對所有構件逐一執行處理運算，轉換效率最低;路基模型的構件數量雖然不多，然而它與地質體相關程度高，模型中包含了由復雜曲面構成的地質層幾何信息，增加了Mesh轉換處理的時間耗用，效率降低的情況顯著.綜上統計時間數據與傳統作業方式相比，時間耗用降低可達70%.

表4 實驗測試與評價結果Tab.4 Experimental test and evaluation results

由于建立了詳細完備的實體定義、屬性類型、屬性值數據類型的映射和對應關系表，自編的工具軟件可控性高，同時原始RIM模型內構件之間的邏輯組織關系條理清晰，經對比檢查，格式轉換后各單項工程三維信息模型附帶的幾何、語義和屬性3類信息沒有發生丟失或錯誤情況，由于對橋梁和隧道模型執行了多層次簡化處理，3類信息的完整程度降低，實驗效果良好.

圖11展示了所有實驗數據在三維GIS平臺下的集成效果.

圖11 實驗數據在Skyline TerraExplorer中的集成效果Fig.11 Experimental results in Skyline TerraExplorer

5 結論

本文提出一種面向GIS應用的鐵路工程三維信息模型格式轉換方法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網形構建等算法，結合規范化的映射機制和標準存儲方法，能夠實現對RIM模型所包含幾何、語義和屬性3類信息的快速、完整和正確交換.實驗結果表明，RIM模型造型復雜度與Mesh擬合精度是影響格式轉換效率和幾何表達效果的兩個最重要因素，在實際GIS平臺模型集成應用中，應根據需求配置合理的參數.當前，RIMTrans方法已在多個鐵路工程三維設計項目中得到應用和推廣，初步解決了RIM模型跨GIS平臺的集成應用問題，提高了設計模型的重用性和數據的共享性，降低了因重復設計導致的資源浪費.未來進一步的研究將關注于RIMTrans方法對模型紋理信息的傳遞和交換，以及模型輕量化的技術路線，并致力于將該方法擴展到更多、更廣泛的鐵路工程專業領域，提高RIM在三維GIS平臺下應用的技術水平.

致謝:中國鐵路設計集團有限公司內部引導課題(721599，721783).

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