新一代三維GIS技術在交通行業的創新應用

喬天榮，馬培果，劉平利，許連峰

（1.河南省地質調查院，河南 鄭州 450001；2.鄭州麥普空間規劃勘測設計有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省地質科學研究所，河南 鄭州 450001）

新一代三維GIS技術體系是以二三維一體化GIS技術為基礎框架，進一步拓展了全時空數據模型及其分析計算能力，完善了三維GIS理論體系。在數據層面，融合傾斜攝影、BIM、激光點云、三維場等多源異構數據，制定了開放的《空間三維模型數據格式》（S3M）標準，推動三維數據的開放、共享與互操作。在IT新技術方面，集成WebGL、虛擬現實（VR）、增強現實（AR）、3D打印等IT新技術，帶來更真實、更便捷的三維體驗，推動三維GIS 實現室外室內一體化、宏觀微觀一體化與空天/地表/地下一體化。本文將對交通領域的生態合作伙伴基于新一代三維GIS技術，結合IT新技術，在交通建設管理領域所做的創新應用進行闡述[1]。

1 “兩新一重”為交通建設帶來新機遇

2020-05-22發布的政府工作報告，明確了重點支持“兩新一重”的建設方針：即加強“新基建”，加強新型城鎮化建設，加強交通、水利等重大工程建設。重大交通工程包括高速公路、高速鐵路等優選項目，不但是短期內重點的投資方向，而且也是行業長期投資的目標；不僅要高質量建設，也要長期的高質量運營維護，因此必須要有新型信息化技術手段的保障。新一代三維GIS技術，將支撐重大交通工程的建設管理應用。

交通運輸部在近期多個信息化政策文件中也都明確表示推動以BIM（建筑信息模型）技術為核心的三維技術在交通設計、建設、運維等階段的全面應用，實現精細化規劃設計、動態化的施工管理和智慧化的運營養護，結合多源時空數據，建設BIM+GIS可視化平臺，大幅提升交通基礎設施建設和管理水平[2]。

智慧交通是交通行業信息化的趨勢，而三維GIS是智慧交通應用不可或缺的基礎之一。智慧交通不單是指交通設施的建設管理會更加智能化、智慧化，而且通過將交通實體對象信息轉換為可呈現、可分析、可管理的三維虛擬對象，可構建現實世界與虛擬世界并行的“數字孿生”體系，這將是未來智慧交通應用的重要工具與核心模式[3]。

2 新一代三維GIS技術在重大交通工程建設中的應用

交通工程建設，特別是重大交通工程建設，涵蓋了規劃設計、建設施工、運營養護等多個領域。新一代三維GIS是構建交通設施全面數字化的重要基礎。首先，它可以提供構建三維交通設施全要素場景的能力；其次，在全要素三維場景下，它能夠基于BIM數據為規劃設計提供便捷的分析與展現技術；再次，它還能夠與BIM和IoT結合，為建設施工提供施工場地、施工過程的精細化管理能力，為運營養護提供更加智能和便捷的分析與管理能力[4]。

2.1 構建全要素基底

智慧交通建設的基礎是全面的交通設施數字化，交通設施數字化的成果，一定是可呈現、可計算、可管理的三維交通設施全要素空間基底。交通設施空間全要素基底，是依據交通設施業務需要，構建精細化的設施模型對象數據，包括交通設施二維矢量與影像數據、交通設備設施三維模型數據、交通設施周邊環境二維、三維數據等。它不但能夠承載傳統交通建設、管理、養護等業務，也是交通設施監控、運行大數據挖掘等新業務方向的應用基礎。

基于新的測繪技術，通過BIM建模、傾斜攝影測量、激光點云采集等新型數據，可以構建出精細化交通設施三維基底，并且通過疊加視頻信息、交通動態狀態信息、IoT設備狀態信息、氣象、災害等環境信息，構建出一套支撐交通設施管理、運行、養護的全要素基底[5]。

SuperMap GIS軟件支撐多源異構三維數據融合的能力，能夠將交通設計BIM模型與地形數據、傾斜攝影數據、激光點云數據等三維數據融合，并疊加遙感影像、地質勘測等二維空間數據和氣象、地質勘測等環境數據，為交通設施管理搭建來源多樣、信息豐富、功能全面的三維全要素基底。

在全要素三維場景中，SuperMap GIS的二三維一體化技術，支持對各類二三維交通設施對象進行展示呈現、綜合查詢、疊加分析等操作，為交通設施管理提供豐富的應用手段[6]。

2.2 BIM+GIS輔助交通設施規劃設計

行業內各設計單位在重大工程項目中普遍采用BIM技術進行設計。BIM設計數據成果結合GIS多源數據呈現與分析能力，可以在設計階段為用戶提供設計過程的分析計算能力和直觀的設計成果呈現 能力。

SuperMap GIS在設計過程中為設計師提供精細的三維空間分析能力，支持將BIM設計模型快速導入GIS軟件平臺后，通過BIM數據與地形數據的鑲嵌，可以將道路模型與高精度地形精準融合，實現道路模型在地面上正確顯示；也可以提取BIM模型數據的建設邊界范圍，并且將提取結果與地形數據疊加，可以實時準確地計算設計方案中所占區域邊界以及統計設計方案中建設土地、人口等信息，為設計人員提供方便快捷的選線分析能力，輔助設計單位合理選線。

當最終設計方案確定后，將BIM模型導入到GIS平臺內，與地形、影像、傾斜等環境數據疊加，可以為建設單位、業主單體完整全面的展現設計方案。SuperMap GIS支持對多源異構數據進行綜合性的場景優化和服務發布，設計方案可以通過在線的方式提供給相關各方在線瀏覽與查詢，也可以通過手機端對三維場景進行瀏覽[7]。

2.3 協助交通設施實現智慧建造

智慧建造是交通建設的主要趨勢。基于BIM數據，通過疊加建設環境數據與施工現場的實時動態數據，可在SuperMap GIS三維基礎軟件平臺搭建一個動靜結合的施工虛擬環境。在三維環境中可以將龐雜的建設過程信息與BIM模型中精細化的交通對象進行關聯，實現交通建設過程的精細化管理，并基于IoT實時數據、施工過程進度數據與三維對象結果，實現施工過程的動態監管。

交通重大工程項目中的BIM模型數據通常可達到部件級的精度，SuperMap GIS支持海量精細化模型對象加載顯示與分析計算等功能，可以將龐大復雜的工程建設數據與建設對象進行關聯管理，所有建設圖紙、方案、監理過程數據、物料供給數據等都可以與BIM數據中具體的設施部件綁定，在三維GIS場景下實現對這些施工信息的查詢、統計及可視化渲染[8]。

SuperMap GIS支持對BIM模型的動態渲染，通過將BIM構建與工程進度信息結合，可以依據不同的施工進度對整個工程模型進行渲染顯示，從而協助用戶直觀了解整體工程進度情況，并且能夠通過進度動畫，動態展現一定時期內的建設進度變化情況。

3 新一代三維GIS技術支撐構建交通運輸 “數字孿生”

“數字孿生”是交通運輸行業信息化發展的一個重要的方向和應用場景，也是“智慧交通”可視化呈現的重要手段。“數字孿生”是在構建的要素全面完整、信息豐富的交通三維虛擬場景基礎之上，疊加動態交通狀態信息，形成一套與現實世界同步，可展示、可測量、可控制的動態虛擬場景，不但能夠在虛擬場景中同步現實世界，而且通過構建交通信息模型，還可以在三維虛擬空間中實現對交通管理控制的模擬仿真，以實現在虛擬空間中對現實世界的研究與預測[9]。

“數字孿生”的實現，其核心是3個技術支撐：大區域交通三維場景快速構建，海量動態交通信息實時展現和交通運輸模型的展現與仿真。

3.1 參數化建模技術構建高精度三維地圖

“數字孿生”首先要能夠快速構建一套完整的交通三維場景。

參數化建模技術，是在道路二維矢量數據的基礎上，根據道路設施分布、設計參數等信息，結合道路所在地形，利用GIS空間模型算法，自動生成三維道路模型，與道路實際形態基本一致。用戶通過簡單的數據輸入，依靠GIS軟件，就能夠實現大范圍交通設施快速建模。相對于手工BIM建模的成本周期更少，相比傾斜攝影測量和激光點云數據的精度更高，非常適合構建大范圍交通三維場景。SuperMap還能夠支持大范圍參數化模型與重點工程的BIM模型的融合應用，支撐更完整的交通應用。同時參數化建模可以配合三維模型生成道路交通規則拓撲信息，將車輛定位信息、交通事件信息等動態信息在三維模型上進行準確疊加，支持三維導航、交通運輸監管等 應用。

3.2 三維GIS場景下的實時動態交通監管

交通設施管理與運行監控中的動態數據在5G技術與北斗技術的加持下，時效性越來越強，數據量越來越大，在三維場景中將海量動態數據加載呈現，并進行管理、統計、分析，是“數字孿生”場景構建的第二個重要技術。

SuperMap GIS支持三維場景中多源海量動態信息的疊加呈現、統計與分析，不但能夠將北斗高精度定位信息在三維場景中同步動態呈現，而且能對接IoT流數據服務，將交通設施中傳感器信息在三維場景中以可視化的方式進行動態呈現。后臺構建電子圍欄等分析服務，對軌跡、形變等信息進行分析監控預警，統計其運行損耗，實現交通設施管理的實時監管[10]。

SuperMap GIS不但支持“BIM+GIS+IoT”三維服務在WebGL“零客戶端”應用，而且支持手機移動端的服務調用與應用呈現。“數字孿生”服務不再局限于管理單位內部，通過互聯網還可以實現對應用的廣泛發布。

3.3 高精度地圖下大場景交通仿真呈現

除了與現實世界信息同步，“數字孿生”場景也需要能夠支持交通模型的分析運算與結果呈現。交通仿真軟件能夠依據OD信息，分析計算一段時間內道路交通變化數值。SuperMap GIS支持在三維場景中，將變化數值通過道路拓撲規則轉化為每一條車道上的車輛模型運動軌跡，通過將抽象的數值變化展現為動態的虛擬場景，為交通仿真分析提供交通模擬展現的能力，通過可視化的技術讓專業的數據能夠被更多的非專業人士所準確了解，從而為專業數據構建更多的應用場景。

4 三維GIS技術在交通運輸行業應用的展望

超圖交通運輸領域的生態伙伴，已經基于新一代三維GIS技術在行業內進行應用探索，推動了一批優秀的應用項目。

4.1 基于三維的高速公路設施數字化管理系統

超圖的生態伙伴北京中交國通智能交通系統技術有限公司基于新一代三維GIS技術，應用三維掃描技術、三維精細化建模技術，并結合時空海量數據管理技術、三維動態顯示技術、交互式場景技術等，實現了高速公路環境信息快速采集、基礎設施精細化空間數據庫快速構建、高速公路基礎設施快速巡查和綜合管理，并可融合接入公路動態業務數據，為交通運行狀態監測及分析系統、智慧服務平臺提供基礎地理信息數據支持，全面提升高速公路數字化、智能化管理水平。

4.2 城市軌道交通全生命周期信息化管理平臺

超圖的生態伙伴北京城建勘測設計研究院有限責任公司基于新一代三維GIS技術，利用 GIS-BIM、云計算、物聯網感知、移動互聯網、大數據分析等技術，建立服務于軌道建設的輔助規劃、設計優化、施工監管、智慧運維的大數據智慧平臺，為管理者提供對工程質量、進度、安全、成本的全過程精細化管控和決策工具。平臺采用傾斜攝影技術進行地表真實環境建模，實現地上建筑物、綠化、道路景觀，進行真實的三維表達，并可進行自由漫游瀏覽、地鐵線路巡游及建筑物屬性信息查詢，能夠對地下管線以及地質進行BIM模型的建立，實現了GIS與BIM的有機結合，以便在地鐵施工時進行管線碰撞檢測分析，查看地質情況，指導地鐵站的建設施工。

5 結 語

隨著大數據、人工智能等新技術在交通運輸行業的深入應用，三維GIS技術與它們的結合，將推動三維GIS技術向智能化方向發展，并推動其成為交通信息部門的重要技術手段，實現對交通行業應用的智能高效管理。借助時空大數據和人工智能的數據挖掘與分析能力，交通三維GIS將能夠實現高精度設施與交通流量等信息的自動化采集，通過對海量交通信息的分析，三維GIS中的交通行為監管會更加智能并且具有準確的預見性，三維環境下的信息呈現手段也將更加豐富。在分布式技術加持下，三維的分析性能與渲染性能也將實現大幅度增長。基于新一代三維GIS技術與新型IT技術結合，將跟隨交通運輸行業信息化發展的步伐為行業應用提供堅實的支撐，創造更多的新模式、新應用。