BIM地形建模技術在高速鐵路測繪中的應用

劉孟涵

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

隨著高速鐵路建設的蓬勃發展，鐵路建設規模逐漸增大，采用的技術也更加復雜，傳統的鐵路建設項目管理方式已經不能滿足當前階段的發展要求，這就對鐵路建設項目的管理提出了更高的要求。在這個背景下，BIM技術應運而生，其在工程建設項目中的應用愈來愈普及。國內眾多專家學者也就近些年來BIM技術在國內外的發展現狀進行了研究。紀博雅等[1]對比總結了BIM技術在國內外的發展研究現狀；谷子[2]就BIM技術在工程項目上的應用現狀進行了研究；陳松[3]通過工程實例，論述BIM技術在建筑施工安全管理方面的應用，彌補了傳統管理手段中存在的很多問題。但是，現階段的研究大多集中在建筑設計領域，有關BIM技術在鐵路建設方面的應用，也多為面向線路、路基、軌道、橋隧等結構設計方向的探討研究[4-5]，而專門針對測繪方向地表模型創建工作的相關介紹卻寥寥無幾。以下介紹創建BIM地表模型的方法及其在項目中的實際應用情況，探索BIM技術應用于測繪領域的可能性，助力“智慧鐵路”的建設。

1 鐵路BIM地形建模技術

1.1 BIM技術應用于鐵路建設的優勢

BIM(建筑信息建模)是以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型。

它改變了傳統的建設模式，可最大限度地實現工程價值。

BIM技術在小場景工程項目中的應用已十分普及，相關技術的發展也趨于成熟。而對于鐵路這類大場景的工程項目，各方面的應用還處在“摸著石頭過河”的探索階段，但BIM技術自身特點所帶來的優勢不容忽視。

(1)可視化

將鐵路工程中的施工信息以直觀的三維立體模型形式呈現在人們眼前，能有效提升施工的質量與效率，降低造價，實現對工程建設全過程的監督管理[6]。

(2)協調性

鐵路建設涉及較多單位，涵蓋多個專業。在設計階段，不同專業之間及時的溝通交流對工程項目的順利開展尤為重要。BIM技術的協調性提供了很好的協同工作平臺，實時的數據同步能夠打破各專業間的設計壁壘，提高鐵路工程的施工效率[7]，避免施工過程中因設計不合理帶來的工期延誤，降低經濟損失。

(3)模擬性

運用BIM技術，能夠有效控制工程造價。通過對施工過程的模擬仿真，規避項目施工階段可能存在的安全隱患，減少人員傷亡與經濟損失。

1.2 鐵路BIM技術與建筑BIM技術的區別

相較于建筑BIM技術，鐵路BIM技術針對的是大場景、大體量、呈帶狀的三維模型構建，這與建筑模型相對集中的結構特點有很大不同。呈帶狀分布的鐵路線路，無論是設計階段對大面積區域地形情況的掌握，還是施工階段對不同坐標系的轉換，都比傳統建筑BIM技術要復雜多變。鐵路BIM地形模型可以為鐵路其它設計專業進行BIM設計提供可靠的三維空間數據，減少設計工作者不必要的工作量，提高生產效率，進而為鐵路項目的運營管理維護提供諸多便利。

1.3 鐵路BIM地形建模技術

基于鐵路BIM需求，充分利用航空攝影測量、機載激光雷達、GPS測量、三維地理信息等技術，為設計專業提供周邊三維地形模型。創建鐵路BIM地形模型的技術流程如圖1所示，依據航測獲取的點云數據，或者利用航空攝影測量技術獲取高分影像數據，經過一系列的數據處理(如空三加密、點云濾波等)，得到數字高程模型(DEM)和數字正射影像圖(DOM)，通過地形曲面創建、地表材質鋪貼以及地形裁切三大步驟，最終形成鐵路沿線的鐵路BIM地形模型。

圖1 鐵路BIM地形建模流程

1.4 鐵路BIM地形模型的作用

在鐵路項目中，測繪專業主要負責全線地形三維場景創建(如圖2所示)。這項工作是其他各專業開展設計的基礎，具有十分重要的意義。

圖2 CATIA平臺下的三維地表模型

(1)路基專業

①三維地形模型能夠直觀審視設計工點區域的土地使用情況，制定合理的征地拆遷方案，減少不必要的經濟損失。②三維場景能夠真實反映設計工點全部的實際情況，為二維設計專業提供連續的設計參考[8]。如帶擋墻路基坡度的確定，僅憑借于二維斷面圖無法全面了解邊坡環境的起伏變化，可視化的三維場景能夠提供有效的放坡參考(如圖3所示)。③為合理安排排水口位置提供可靠的依據。

(2)橋梁專業

借助地形模型能夠準確判斷涵洞位置的設計是否合理；通過橋墩位置和周邊地物的空間位置關系，判斷橋墩位置是否合理(如圖4所示)；由路橋過渡交接處的BIM模型，可以對路橋之間銜接的合理性作出判斷。

(3)隧道專業

三維地形模型可為洞口設計提供可靠的依據[9]。

圖3 三維場景展示路基設計工點區域周邊環境

圖4 三維地形為橋墩位置設計提供參考

2 鐵路BIM地形建模在鹽通鐵路中的應用

2.1 項目概況

鹽通鐵路是國家“八縱八橫”高鐵網第一縱—沿海鐵路的一部分。新建鹽城至南通鐵路位于江蘇省鹽城市、南通市境內，北起鹽城站(與徐宿淮鹽鐵路貫通)，向南經鹽城市所轄的亭湖區、城南新區、大豐區、東臺市，南通市所轄的海安縣、如皋市、通州區、港閘區，引入在建滬通鐵路南通西站，全長156.686 km。

2.2 鹽通線BIM地形建模

鹽通鐵路BIM地形建模采用了bin格式的dem原始數據，通過點云分類技術提取地面點，于地形范圍框內生成地表模型。將影像圖進行縮放后，沿帶狀地形進行投影，模擬鹽通鐵路所經區域的真實場景(如圖5所示)，關鍵步驟如下。

(1)地形曲面制作

在CATIA中導入地面點云數據，通過設置合理的構網間距生成地形曲面。

(2)地形曲面貼圖

在CATIA中創建包裹材質，然后加載對應的影像圖，根據地形坐標、施工坐標系偏移值等參數，經過一系列計算得到鋪貼比例值，將材質影像投影到地形曲面，完成貼圖。

(3)地形曲面裁切

為保證相關專業(路基、站場和隧道)特殊工點的模型不被地表覆蓋，根據專業需求，按照裁切范圍線對地形模型進行切割。

圖5 鐵路沿線的鐵路BIM地形模型

3 技術問題探討

(1)軟件平臺選擇

支持地形模型創建的BIM軟件有很多，如Autodesk REVIT、Bentley、AutoCAD Civil 3D、CATIA等。結合BIM項目各專業間協同設計的技術要求以及軟件自身的限制條件，從以下幾個方面進行對比分析，最終選擇CATIA軟件平臺來進行建模。

①數據承載能力：CATIA軟件平臺有較強的數據承載能力，可一次性加載數十公里級長度的地形點云數據，在點云數據的批量處理方面有較大優勢，且生成的地形模型與實際線路區域高程點擬合較好。

②材質貼圖質量：點云數據生成的地形曲面只能表達線路途經區域的地面高低起伏，而地形影像能真實反映工程區域的地物地貌，為項目工程的規劃和設計提供可靠的依據。因此，影像貼圖的質量是影響整個地表模型信息表達的重要因素，也是影響場景觀賞效果的關鍵所在。相較于其他軟件，CATIA軟件在鋪貼0.2 m分辨率的影像時不存在影像虛化的現象，可將清晰度的損失降到最低，滿足了信息表達的基本要求和觀賞效果的最佳狀態。

③裁切工具靈活：地形模型是其他各專業展開設計的依托和基礎。為符合工程實際情況，需要測繪專業對有需求的設計工點進行地形裁切。CATIA靈活的切割工具能夠處理復雜的閉合范圍曲線，可操作性更強。

CATIA軟件本身也存在一些局限性，如對高分辨影像的處理能力較差，加載后無法完成影像投影等。為滿足工程設計的不同需求，靈活的軟件開發接口為優化設計方案、提升建模質量提供了條件[10]。CATIA軟件的局限性可通過開放API接口來解決。如針對繁瑣重復的建模操作步驟，可以通過開發批量建模插件來實現[11]。

(2)數據處理方法

原始的dem數據需要經過分類處理。如項目范圍內水田區域的點云缺失，將造成點云構網時無法滿足最小間距要求，生成的地表模型在水田區域會形成缺口，強行增大間距又會造成地形邊緣弧化，無法滿足地形間的連續性要求?？刹捎弥夭蓸拥姆椒?，在GlobalMapper中對點云進行重新構網，以保證水面高程點的連續性，避免地表模型出現缺口。

4 結論和展望

將BIM技術應用于鹽通鐵路三維建模，為設計人員進行合理設計提供了可靠的參考依據，其碰撞分析功能為各專業間協同設計提供了有效的檢查工具，針對項目全生命周期的管理方式更是為鐵路交付使用后的運營維護提供了便利。BIM創建的地形模型文件數據信息量大，在與其他專業的模型一同加載時耗時較長，降低了協同設計的工作效率。下一步，應尋求一個合理的優化方案，在保證模型精度的前提下，將原始模型文件壓縮為更小的輕量化文件，以大幅提升海量數據的加載及調度能力，提高系統的運作效率[12]。

BIM(建筑信息建模)以三維數字技術為基礎，集成了建筑工程項目各種相關信息的工程數據模型。而GIS是用來收集、存儲、分析、管理和呈現與位置有關的數據的一種管理模式[13]。BIM與GIS的有效整合，既能彌補GIS技術在微觀領域的數據缺失，實現GIS領域的拓展與延伸，又為BIM提供了宏觀領域的空間信息，提升了BIM的應用價值[14]。

搭建BIM與GIS之間無縫對接的橋梁，實現兩個領域數據共享，保證信息的無損對接是我們努力的方向。BIM+GIS的鐵路建設信息化管理平臺是一個多維信息融合的可視化平臺，可存儲海量數據，更好地滿足對鐵路線路的實時動態掌握，最終實現“智慧鐵路”建設[15]。