Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數據技術規范》內容解析

黃一昕,楊全亮,蔣函珂,范登科

(1.中國鐵路經濟規劃研究院有限公司,北京 100038； 2.中國國家鐵路集團有限公司科技信息化部,北京 100844； 3.中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

1 編制背景

隨著數字化時代的到來，3S技術(RS，GPS，GIS)在我國迅速發展[1]，在資源管理、規劃設計、環境監測、交通運輸、國防以及軍事等領域得到廣泛的應用[2-3]。在鐵路行業，為了順應時代信息化的發展趨勢，應用地理信息系統(Geographic Information System，GIS)技術構建鐵路地理信息系統已逐漸成為鐵路信息化建設與管理領域中極具前景的發展方向之一[4-5]，建設現代化的鐵路地理信息系統要求迫切[6]。

三維GIS技術憑借對客觀世界真實的表達與展示[7]，已廣泛應用于鐵路工程的規劃、設計、建設、運營維護各個階段，其形成的信息化服務平臺極大地提高了項目數字化和智能化水平，形成了以京張、京雄、川藏為代表的鐵路工程。此外，三維GIS技術可以與BIM(Building Information Modeling)技術結合，深化多領域的協同應用，共同建造鐵路工程信息模型，為鐵路工程建設的信息化、可視化管理提供技術手段[8]。

目前，鐵路工程三維地理信息數據在定義、處理、分析、傳遞和共享等方面存在數據格式不統一、信息共享差、管理難度大等問題。因此，編制新的數據技術規范，以約束相關技術路線和方案，保證鐵路地理信息系統在數據的采集、處理、交換、更新、組織、管理和使用的層面上達成統一。

2 現有標準研究現狀

目前，國內外現有的地理信息標準缺少一套完整的、詳細的、可用于鐵路工程要素表達、組織和管理的三維地理信息數據技術標準體系。各項獨立的地理信息標準無法科學有效地規范鐵路三維地理信息數據。

例如，在GB/T 25529—2010《地理信息分類與編碼規則》[9]中，只將鐵路劃分為交通類地理要素。對鐵路工程要素的描述相對簡單，關注度和粒度還處于比較低的水平，缺少對鐵路相關基建設施、構筑物、四電系統等細節的全面定義和詳細組織。在GB/T 19710—2005《地理信息 元數據》[10]中，針對坐標系統進行描述的元數據元素非常全面，但缺少對鐵路工程要素模型元數據的定義。在CH/T 901616—2012《基礎地理信息 三維模型生產規范》[11]和CH/T 9017—2012《基礎地理信息 三維模型數據庫規范》[12]中，缺少對鐵路三維實體對象的關注程度和層次深度，其語義層次、邏輯關系表達不明確。

因此，亟需編制適用于鐵路工程的三維地理信息數據的技術規范。Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數據技術規范》就是結合鐵路行業的自身特點，在總結既有經驗的基礎上，科學性、系統性地對我國鐵路工程三維地理信息數據的生產、更新、管理和應用做出規定，填補了我國在鐵路工程中規范化使用地理信息數據的空白，滿足當前提升地理信息服務能力和技術水平的迫切需要，為進一步推廣鐵路工程的數字化和信息化奠定良好的制度基礎。

3 標準編制原則

(1)應反映新技術發展和應用，統一數據要求，實現信息共享。

(2)實現鐵路三維地理信息數據生產、更新、管理與應用的標準化，體現技術運用的科學性、先進性和適用性。

(3)結合三維地理信息在鐵路行業中的應用特點及實際需要，吸納近年科研成果和建設經驗，提高指導性和可操作性。

4 標準主要內容

Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數據技術規范》共分為8章，包括：總則，術語和符號，坐標系統及其轉換，要素分類與編碼規則，元數據和三維數據生產、更新，數據組織與管理，數據交換與互操作，數據質量，另有5個附錄。本文主要對具有鐵路工程特色的章節進行闡述。

4.1 模型坐標轉換精度

本規范規定鐵路工程三維地理信息模型在進行坐標轉換時，宜采用頂點級坐標轉換或對象級坐標轉換。這是由于鐵路工程三維模型數據一般由多個獨立構件裝配而成，各構件都有獨立的定位定姿參數，因此坐標轉換是逐構件(對象級)進行的，一般使用平移、旋轉、縮放進行坐標轉換。在進行坐標轉換時通常存在兩類變形，一是由地圖投影參數不同而引起的變形，二是由地球曲率影響引起的變形。

其中，地圖投影參數引起的變形主要是由高斯投影的子午線收斂角造成，即距離投影子午線越遠，偏角越大，緯度越高偏角越大。通過數學計算驗證，在同一個位置不同長度的模型計算得出的子午線收斂角十分接近，因此，對于不同長度的模型使用同一個收斂角改正值即可達到十分高的幾何精度，為保證轉換精度無需對模型進行拆分。由地球曲率造成的變形主要表現在長度方向和橫向。通常，由于徑向偏差值較小，可忽略不計，最終指標取橫向最大值。

4.2 要素分類與編碼

要素分類與編碼原則參照國家標準GB/T 25529—2010《地理信息分類與編碼規則》[9]的分類內容，在“專業要素”(門類)→“基礎設施要素”(亞門類)→“交通基礎設施”(大類)下，存在名為“鐵路基礎設施及運營與管理要素”的中類項目(編碼為2510100000)，應用該節點下預留的低5位，從GIS應用的視角對鐵路工程要素進行細分和編碼，補充完善更詳細的語義信息。

分類依據來源于兩個方面：一是根據鐵路BIM聯盟發布的《鐵路工程信息模型分類與編碼標準》[13]中對鐵路工程勘察設計階段各專業涉及內容的劃分視角和方法，使BIM和GIS在語義層上的交換和融合更為順暢。二是根據國鐵集團工管中心對鐵路工程建設管理信息平臺表達內容提出的要求，重點劃分了鐵路工程周邊受關注的地理要素，以便于數據的分類組織管理和運算分析。例如，鐵路工程要素模型的劃分是按照設計專業的不同分為場站段所、軌道、路基、橋涵、隧道及明洞等16大類，每一大類又根據其不同作用劃分為若干小類。例如，橋涵可分為人行橋、鐵路橋、公路橋、公鐵兩用橋等。

此外，針對鐵路運營維護階段涉及的要素，為保證鐵路地理信息數據在運營維護中的應用延續性，經與相關部門協商一致，本規范建立了與Q/CR520—2016《鐵路地理信息分類與編碼》[14]的映射關系，以確保兩項標準的協調使用。

4.3 模型分類與層次

本規范將鐵路工程三維地理信息模型按照模型類型劃分為地形模型、鐵路工程要素模型、建筑模型、其他模型四類。每個模型分別對應四個細節層次(LOD，Level of details)，即LOD1、LOD2、LOD3、LOD4，如表1所示。

表1 Q/CR9157—2020模型分類與細節層次

其中，地形模型、建筑模型以及其他模型的類型劃分主要依據CJJT 157—2010《城市三維建筑技術規范》[15]，見表2。值得注意的是，鐵路工程要素模型指標確定在參照交通設施模型基礎上，主要根據鐵路工程要素特點，將其層次劃分為線路中心線、概略模型、簡化模型和精細模型。

表2 CJJT 157—2010模型分類與細節層次

本規范中對LOD細節層次的劃分，主要參考CRBIM 1004—2007《鐵路工程信息模型交付精度標準1.0版》[16]規范，模型精度基本等級規定如表3所示。其中，鐵路工程信息模型交付精度的LOD1.0、LOD2.0、LOD3.0、LOD3.5分別與本規范的LOD1、LOD2、LOD3、LOD4相對應，為鐵路工程不同階段的模型數據生產提供依據。需要注意的是在LOD4.0和LOD5.0為BIM精細等級，在鐵路工程三維地理信息中暫不涉及，這是由于GIS更加偏重模型宏觀場景的制作，對微觀的精細模型關注較少。

表3 CRBIM 1004—2007模型精度基本等級

4.4 模型數據組織

模型數據組織主要對地形模型、工程要素模型、建筑模型和其他模型的組織方式及采用各類組織方式的條件進行了規定。例如，在對地形模型的數據組織中，鐵路大場景模型數據宜采用混合分辨率數據，帶狀的鐵路線路及沿鐵路線路一定范圍內的地形模型與影像應采用高分辨率數據，距鐵路線較遠處應采用低分辨率數據。

模型數據組織的編制依據包括兩個方面：一是在參照GBT37120—2018《軌道交通地理信息數據規范》[17]的內容，采用GIS行業常用的分區、分塊組織方式。二是結合既有生產項目經驗對鐵路模型數據進行擴展或精簡，具體表現為根據模型在規劃、預可研、可研、施工圖四個階段的精度要求，用不同粒度對模型進行分級組織和展示。以地形模型為例，按照分級組織方式，不同細節層次地形模型在三維場景中的表現形式示意如圖1～圖4所示，即規劃階段采用低精度DEM和TM衛星影像制作三維地形模型；預可研階段采用低精度DEM和Google衛星影像制作三維地形模型；可研階段可采用航拍獲取的高精度DEM和DOM制作三維地形模型；施工圖采用無人機傾斜攝影獲取的高精度制作三維地形模型。

圖1 規劃階段三維地形模型

圖2 預可研階段三維地形模型

圖3 可研階段三維地形模型

圖4 施工圖階段三維地形模型

4.5 數據交換

數據交換中規定了以CityGML作為模型數據的交換格式，該項指標的確定依據主要來源于兩個方面：一是CityGML是由國際地理信息標準發布組織OGC提出的、可用地理標記語言描述、易于解譯和交換的文本格式數據文件，起初用于城市三維地理信息的存儲，由于其具有可擴展性，許多行業和領域基于CityGML的規則擴展定義了滿足自身需要的模型格式，受到地理信息技術應用者的廣泛關注和認可。鐵路工程和城市兩者又在組成單元上存在很多交叉和重疊，無論從有標準可參照的角度，還是從專題相近性的角度看，CityGML都是最合適的選擇。

二是CityGML采用了面向對象的方式描述和存儲三維地理信息數據，層次結構清晰，被大多數軟件廠商支持。選擇它作為模型數據的交換格式，有利于銜接來自BIM的語義信息，使BIM和GIS間的數據交換更易于實現。

4.6 數據質量檢查

目前現有標準和規范對鐵路工程三維地理信息數據質量檢查評定沒有明確的要求，本規范參考GB/T18316—2008《數字測繪成果質量檢查與驗收》[18]，將二級檢查一級驗收方法應用于鐵路工程模型數據質量檢查，制定了定性質量檢查內容及其評價方法，針對不同類型模型分別制定了質量評價表的示例。

具體為：在對鐵路工程單元建模的過程中，要素模型是用來描述可被辨別的、獨立的地理實體，如橋梁、路基、站場等等，這些地理實體可以抽象為點、線、面、體來描述。由于每個實體都有其空間分布特征，因此，要素模型的數據質量檢查項要包含位置精度，即平面精度和高程精度。此外，還需要對最終抽象建模的結果進行檢查，即表達質量。在表達質量中，主要把握過程處理合理性和結果表達一致性兩個方面，兩者均從幾何結構和紋理貼圖兩方面對質量進行約束和檢查。

5 結語

Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數據技術規范》通過對鐵路工程涉及的地理信息數據進行組織管理，明確了各階段、不同類型、不同層次的模型的建模精度，便于設計專業根據技術規范要求進行建模，可合理避免各階段因過度建模所造成的浪費。不論從數據獲取還是數據建模上都能有效降低生產成本。在數據交換方面，使用規范規定的、統一的數據交換方式進行數據交換，有利于逐步統一行業內的數據交換方式，可以節省不同用戶軟件重復開發數據接口的開發成本。

綜上所述，Q/CR9157—2020《鐵路三維地理信息數據技術規范》體現了三維地理信息技術運用的先進性、前瞻性，有力地推動了我國鐵路工程三維地理信息數據相關技術的進步，提高了我國鐵路工程全壽命周期信息管理的水平，滿足了我國鐵路工程信息化建設的需求。對完善貫穿鐵路設計、建設、運營、管理和維護全生命周期的“數字鐵路”，加快提高我國鐵路的信息化水平起到重大作用。