針對高鐵車站的三維模型格式轉換與集成展示

曹 方，李聰旭，年秋慧

（1.北京經緯信息技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081；3.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081）

隨著計算機圖形處理能力的高速發展，三維模型憑借其良好的展示效果在鐵路三維展示領域中備受關注，三維車站既能應用在車站設備的管理和運維，也能運用在車站綜合展示與旅客導航等領域。車站三維建模可以為車站管理和旅客服務打下良好的數據基礎。

傳統三維模型創建主要有基于CAD數據的傳統建模、數字攝影測量三維建模，以及基于激光掃描或雷達掃描的三維建模方式。通過運用數字攝影測量技術進行三維建模的數據生產流程，實現了三維地理信息系統的建設[1]。但是，不管采用何種方式的三維模型創建，成果數據大都是3D MAX模型數據。隨著BIM技術的迅速發展，很多高鐵車站在施工建設時期均采用了BIM技術進行施工指導，采用Revit軟件搭建建筑結構、雨棚鋼結構、幕墻及房建附屬設備的模型，形成了大量的BIM交付成果。

為了集成展示不同建模方式的車站模型，需將不同格式的模型成果進行數據轉換。本文分析了幾種不同三維建模和轉換軟件的特點，針對不同軟件生成三維模型的特性設計了不同的模型轉換流程，保留了原始模型所含有的信息并將其發布為W ebGIS服務，現場的應用測試表明，其真正實現了模型的互通和互操作。

1 三維建模、轉換軟件介紹及模型特點分析

1.1 3D MAX 軟件介紹及模型特點

3D Studio MAX，簡稱為3D MAX或3DS MAX，是基于PC系統的三維動畫渲染和制作軟件。

3D M AX模型具有良好的互通性，現有的全部三維軟件均能對其導出的公共格式模型進行操作和展示。用戶可以根據自己的需求使用不同的原數據進行三維模型的制作，不但可以根據設計圖紙按尺寸及材質進行制作，也可以使用激光點云數據和現場實景照片建模。極大地擴展了數據采集的方式，即使沒有目標對象的詳細設計圖也可以進行建模。

目前，不是所有高鐵車站均能提供詳細的設計文件。全部通過Revit建模并不現實，需要采取例如激光掃描、雷達掃描或現場拍攝等方法來獲取車站的設備信息，這時，就需要使用3D M AX手動對數據進行建模，得到車站的三維模型。

1.2 Revit軟件介紹及模型特點

Revit軟件是最先進的建筑設計和文檔系統，是專門為BIM而開發的一套可以實現建筑設計的整個生命周期的相互銜接和信息傳遞的軟件[2]。在建筑行業，Revit在一定程度上實現了建筑信息系統的集成，它通過應用關系數據庫來創建三維建筑模型，可以生成二維圖形并管理大量相關的非圖形工程項目數據。

Revit模型中，所有的圖紙、平面視圖、三維視圖和明細表都是建立在同一個建筑信息模型的數據庫中，它可以收集到建立在建筑信息模型中的所有數據，并在項目的其它表現形式中協調信息，以便于實現模型中的參數化（參數化是指模型中可以通過設置參數的形式建立各個建筑結構圖元之間的關系）。此外，模型和圖紙之間的緊密關聯性使得生成建筑三維模型的同時還可以同時生成建筑的平面視圖。

針對高鐵車站建模而言，Revit軟件生成的三維模型都具有每一個組件的基本信息，包括名稱、尺寸、材質等，這些信息將對車站日后的運維工作提供較大的幫助。同時，由于Revit模型均需要從建筑圖紙生成，所以其三維模型與圖紙完全一致，幾乎沒有誤差。

但Revit模型的缺點也由此而來，由于在施工時實際的建筑、管線、設備等均可能與設計圖紙有些許不同，而通過設計圖紙創建的模型無法反應這些信息。所以，使用Revit創建的三維高鐵站模型可能會與已經投入運營的高鐵站有些許出入，需要去現場調研并修改模型才能準確表現現有車站的狀態。另外，Rev it還存在模型不夠美觀、導出公共格式以后貼圖丟失等問題。

1.3 A rcGIS Pro軟件介紹及模型特點

A rcGIS Pro是新一代W eb GIS平臺，面向GIS專業人士全新打造的一款高效、具有強大生產力的桌面應用程序。A rcGIS Pro完全集成了智能制圖和A rcGIS A rcade兩大技術，這兩種技術都可以輕松制作出卓越的地圖[3]。

在A rcGIS Pro中，二維地圖和三維場景可以在同一應用內無縫移動，讓二維和三維不再割裂。A rcGIS Pro在M ap或Scene中可以加載和顯示二維或三維數據，可以創建多個二維或三維地圖并同時打開及關聯同步。

多面體 （Multipatch）文件作為ArcGIS Pro中可存儲面集合的 GIS 對象，能夠在數據庫中將 3D 對象的邊界表示為單個行。面可存儲表示要素組成部分的紋理、顏色、透明度和幾何信息。面中存儲的幾何信息可以是三角形、三角扇、三角條帶或環，如圖1所示[4]。所有多面體都將 z 值用于構建面的坐標系的一部分而存儲。盡管可以使用數字要素屬性建立多面體的基礎 z 值模型，但此選項可能不支持使用嵌入式 z 值時可用的相同分析和交互選項。

圖1 多面體介紹

多面體文件以要素的形式存放在.gdb.mdb及數據庫中，具有良好的互通性、可編輯性，可隨意對其含有的屬性字段進行添加、刪除、編輯及各種SQL語句支持操作。多面體要素可以顯示包含紋理的三維模型，具有良好的可視化效果。

上述的2種車站三維模型均可用不同的操作轉換為多面體文件。通過A rcGIS PRO軟件對其添加任何信息，還可以經過配準與遙感數據及地形數據疊加展示，加強了三維車站的展示效果和高鐵車站信息化的完整度。

2 不同格式三維模型轉換流程

2.1 3D MAX模型的格式轉換流程

高鐵車站的3D M AX文件一般包括一個或多個.max文件及大量的圖片文件，其中，.max文件的主要作用是對模型及貼圖的位置進行描述，記錄每一個圖片文件在模型中的位置。而.m ax文件中對貼圖圖片的位置描述一般是絕對路徑，在進行模式轉換之前需要對.max文件重新指定貼圖位置。

使用3D M AX的倒出工具將模型導出為OBJ格式，與貼圖一起放入一個文件夾。使用A rcGIS工具將其拆分成多個精確到每個組件為單位的復數OBJ文件，轉換成多面體文件存入相應的數據庫中，并按需求合并。轉換流程如圖2所示。

圖2 3D MAX模型轉換為多面體的邏輯圖

2.2 Revit模型的格式轉換流程

確定軟件版本（文中所有操作均需要使用revit2017或以上版本進行），并安裝轉換過程中所需要使用的插件（fme-revit-2017-b17280-w in-x64插件）方可進行模型格式的轉換。

由于直接使用Revit導出的模型屬性信息有可能會缺失，故分成兩條線路分別導出三維模型信息與三維模型的屬性信息。最后將三維模型信息與屬性信息合并，得到含有全部屬性信息的三維模型。

三維模型導出路線：使用Revit導出FBX格式的三維模型，并使用3D MAX或其他工具將FBX模型導出為OBJ文件。使用A rcGIS將其轉換為多面體文件。亦可使用Revit軟件導出IFC（Industry Foundation Classes）[5]文檔完成此步驟。

屬性文件導出路線：使用fme for revit 2017插件導出rvz格式的模型，然后使用A rcGIS中的“Revit文件導出為FeatureClass”工具將其轉換為主要提供屬性信息存儲的FeatureClass。

使用Join Field工具導入三維模型導出的OBJ文件與屬性文件進行關聯，生成含有屬性信息的多面體文件并儲存在相應數據庫中。模型導出路線的邏輯如圖3所示。

3 基于WebGIS的車站三維集成展示

3.1 車站周邊地形數據的調整

結合地圖展示車站的實際位置，車站周邊的地形數據必不可少。但一般采集的車站周邊的數字高程模型（簡稱：DEM）[6]，均為未施工前的地形數據，所以需要對原始的DEM數據進行調整，制作出以車站一層為底面的DEM數據，地形與車站三維模型可以完美疊加。

制作一個與車站大小相同的面要素數據和一個高程值為車站底面高度的不規則三角網數據（TIN），以TIN為基準使用A rcG IS工具對面要素數據進行差值操作，其差值為車站底面高度，得到一個含有車站底面高度的三維面要素數據。將這個三維面要素數據轉換為DEM數據。

圖3 Revit模型轉換為多面體的邏輯圖

使用A rcGIS中的鑲嵌工具對原始DEM數據與車站DEM數據進行鑲嵌。若車站含有多個不同的底面數據，則需要使用腳本工具對其進行批量操作。操作方法及注意事項如下：

（1）目標DEM必須是一個現有的DEM數據集。該數據集可以是空DEM數據集，也可以是已包含數據的DEM數據集。鑲嵌操作在2個或多個相鄰DEM數據集，需要合并為一個實體，目標DEM被視為輸入DEM列表中的第一個DEM。

（2）對于不同分辨率的浮點型輸入DEM數據集或像元不對齊的情況，建議在運行鑲嵌之前，使用雙線性插值法或3次卷積插值法對所有數據進行重采樣；否則，鑲嵌將會使用最鄰近重采樣法自動對DEM數據集進行重采樣（該方法不適用于連續數據類型）。

（3）鑲嵌工具不使用輸出范圍環境設置，因為該工具往往用于創建超大型DEM數據集，而輸出范圍設置可能會意外裁剪數據。如果的確需要調整輸出范圍，則處理后可使用裁剪工具來裁剪目標DEM。剪裁后效果如圖4所示。

3.2 三維車站的空間位置校準

由于Revit、3D MAX等三維圖形制作軟件一般使用自定義的坐標系，所以，制作出來的三維數據需要經過空間位置校準才能與周邊的地形數據或遙感影像數據結合。

通過現場采集或者遙感圖描繪的方法獲得站房和雨棚的陽角坐標，之后只用A rcM AP軟件將車站模型根據獲取的陽角坐標進行空間位置校準。操作方法及注意事項如下：

（1）啟動 A rcMap，創建新地圖或打開現有地圖，將要編輯的數據添加到地圖上，向A rcM ap 中添加“編輯器”工具條及 “空間校正”工具條后啟動編輯會話，選擇要用于校正的輸入數據，選擇空間校正方法，創建位移連接，執行校正最后停止編輯會話并保存編輯內容。

圖4 通過調整后的DEM數據

（2）在A rcM AP軟件環境中，空間校正工具可用于對齊和整合數據。空間校正支持多種校正方法，可校正所有可編輯的數據源。由于空間校正在編輯會話中執行，因此可使用捕捉功能來增強校正效果。

（3）當完成了A rcMAP軟件的空間校準過程后，還需要對模型進行高程校準，使用ArcGIS PRO軟件加載模型及DEM數據，并使用圖層編輯工具手動將模型地面與DEM數據對齊并保存修改。與地形的配準如圖5所示。

3.3 WebGIS場景發布

若要實現在W ebGIS環境下的集成展示，我們要將需要展示的模型、地形及遙感圖分別發布成地圖服務或場景圖層，并在WebGIS場景中加載各組件，即可完成不同模型、地形及遙感圖的集成展示[7]。

圖5 配準過后的三維車站模型

3.3.1 地圖服務發布

地圖服務均需要在 A rcM ap 中創建相應的地圖[8]。將 A rcM ap 文檔發布為服務，需要執行以下步驟：在 A rcMap 中打開地圖文檔，從主菜單中選擇文件 > 共享為 > 服務。選擇發布服務，單擊下一步，從列表中選擇要使用的 GIS Server 連接。如果要使用的連接未列出，可單擊添加 A rcGIS Server以創建新連接[9]。選擇要將服務發布到的文件夾或創建一個用于包含此服務的新文件夾，單擊繼續為地圖服務設置所需屬性，隨后單擊分析按鈕，該操作可用于對地圖文檔進行檢查，看其是否能夠發布到服務器，最后點擊按鈕以發布服務。

3.3.2 場景圖層發布

發布場景圖層時需要將三維模型加載到A rcGIS PRO中，創建場景圖層包并上傳到Portal for ArcGIS中，將場景圖層包作為場景圖層發布[10]。發布后的場景如圖6所示。

圖6 疊加了車站模型、地形及遙感圖的WebGIS場景

3.4 模型應用

三維模型的相互轉換與W ebGIS集成展示已在實際工作中應用，例如，基于本模型研發的房建設備運維監管管理信息系統。原型車站三維場景預覽展示，如圖7所示。三維車站閘機定位信息預覽展示，如圖8所示。

圖7 三維車站預覽

圖8 三維車站閘機定位信息預覽

4 結束語

通過三維模型的相互轉換與W ebGIS集成展示方案，解決了不同來源的模型無法同時使用的問題，同時也解決了不同格式三維車站模型與地形和遙感影像無法集成展示的問題，現場應用結果表明，相比以往通過CAD圖紙展示車站及站內設備的方式，三維模型的應用及展示顯著提高了高鐵車站可視化管理水平。同時，其他系統也可以通過調用服務的方式使用車站的三維模型，獲取車站及其附屬設備的空間信息，實現對車站的全方位可視化管理。