基于GIS+BIM的數(shù)字化地質(zhì)調(diào)查軟件開發(fā)與應(yīng)用

石碧波，張曦，胡曉斌

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 地質(zhì)路基設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 工程勘察研究院，湖北 武漢 430063）

0 引言

近年來，GIS技術(shù)以其海量的地圖與高程數(shù)據(jù)支持、強(qiáng)大的空間分析能力、多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)的存儲與管理能力，成為支撐地質(zhì)調(diào)查信息化、數(shù)字化、智能化的重要手段。

BIM模型可以完整準(zhǔn)確地表達(dá)鐵路工程對象，還可直觀、便捷地獲取承載的設(shè)計(jì)信息，為鐵路信息化管理提供了新思路，使橋梁、隧道、路基、車站等多專業(yè)模型能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享、傳遞及協(xié)同管理［1-2］。

地質(zhì)調(diào)查是鐵路勘察的第一步。不同的工點(diǎn)類型（橋梁、隧道、路基、車站）地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)各不相同，若能事先將工點(diǎn)BIM模型導(dǎo)入GIS平臺，在GIS平臺上根據(jù)工點(diǎn)類型開展地質(zhì)調(diào)查策劃，將極大提高地質(zhì)調(diào)查的針對性，為后續(xù)勘探與設(shè)計(jì)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1 既有研究概述

國內(nèi)外用于地質(zhì)調(diào)查的常用軟件有REGMAP（澳大利亞昆士蘭地調(diào)所）、FieldLog（加拿大地調(diào)局）、Geo-Mapper（美國加州大學(xué)伯克利地球資源中心）、ArcPad（美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司）、DGSInfo（中國地質(zhì)調(diào)查局）等。這類軟件主要服務(wù)于礦產(chǎn)資源、土地資源、環(huán)境資源、測量制圖等領(lǐng)域，且主要基于較大型的GIS平臺。

近年來，以奧維互動地圖為代表的輕量級GIS平臺，越來越多地在鐵路、公路、礦山、國土調(diào)查等領(lǐng)域開展應(yīng)用。潘言勇［3］以奧維互動地圖、ArcGIS平臺和便攜式GPS終端作為3S技術(shù)手段，總結(jié)了對鐵路項(xiàng)目進(jìn)行環(huán)保驗(yàn)收調(diào)查的方法。張金龍［4］利用奧維互動地圖內(nèi)置的影像地圖與CAD接口，開展公路可行性方案比選研究。王志紅等［5］重點(diǎn)研究奧維互動地圖在野外地質(zhì)調(diào)查行程規(guī)劃中的應(yīng)用，包括目的地導(dǎo)航、定點(diǎn)記錄與拍照、基礎(chǔ)的外業(yè)資料整理。王家峰［6］在國土調(diào)查中采用ArcGIS軟件，將需要外業(yè)核查舉證的圖斑導(dǎo)出可供奧維地圖讀取的kml文件，再通過奧維互動地圖（PC端）進(jìn)行路線規(guī)劃、任務(wù)分配。彭正泉等［7］總結(jié)了奧維互動地圖的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)采集、編輯與格式轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸出接口等功能，并在礦區(qū)調(diào)查中進(jìn)行應(yīng)用。彭振等［8］總結(jié)了奧維地圖的導(dǎo)航、定位、高程、影像、數(shù)據(jù)編輯、數(shù)據(jù)記錄在野外地質(zhì)救援、地災(zāi)遙感解譯、土地后備資源調(diào)查中的應(yīng)用。上述研究與應(yīng)用主要基于奧維互動地圖等GIS平臺本身的功能。

在GIS與BIM融合的技術(shù)應(yīng)用方面也有一些研究成果。安曉波［9］在某高速公路BIM工作中，采用奧維互動地圖，對無人機(jī)航測的航線及像控點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃和布置，提高了航測效率與精度，也加快了BIM建模過程。石碩、黃旎詩等［1-2］基于BIM與GIS融合技術(shù)，開展了鐵路工程信息化管理系統(tǒng)研究，主要著眼于施工過程管理方面。侯宇飛等［10］總結(jié)了BIM+GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)在鐵路橋梁施工管理中的應(yīng)用。戴林發(fā)寶等［11］基于CAD/BIM+GIS技術(shù)，開展了不同階段過江隧道設(shè)計(jì)研究。目前GIS與BIM融合技術(shù)的應(yīng)用與研究，主要集中在施工運(yùn)維管理與設(shè)計(jì)方面。

2 基于GIS+BIM的地質(zhì)調(diào)查解決方案

2.1 GIS平臺的選擇

奧維互動地圖具有跨平臺（支持Windows、Android、iOS）、接口友好（AutoCAD插件、ArcMap插件）、支持?jǐn)?shù)據(jù)格式豐富 （kml/kmz、gpx、plt、dxf、dwg、shp、dae、slpk等）等優(yōu)越性能，近年來迅速成為調(diào)查領(lǐng)域的熱門軟件。根據(jù)國家測繪主管部門的要求，奧維互動地圖已經(jīng)下架了Google系列地圖、Bing地圖等，但提供了自定義地圖接口，可接入ArcGIS地圖和開源地圖服務(wù)。此外，奧維互動地圖還提供了開放的調(diào)查模板開發(fā)接口，便于定制地質(zhì)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)化模板。

作為GIS平臺，奧維互動地圖的主要缺點(diǎn)是三維功能偏弱，難以支持大型的BIM模型或傾斜攝影模型；而ArcGIS則對BIM模型有著強(qiáng)大的接入和展示能力，且可將模型發(fā)布成kml、slpk等文件格式，與奧維互動地圖進(jìn)行數(shù)據(jù)互通。因此，推薦采用奧維互動地圖、ArcGIS平臺作為地質(zhì)調(diào)查的GIS平臺。

2.2 BIM模型的接入

BIM模型發(fā)布是BIM和GIS集成的重要工作，目前主流平臺的BIM模型主要包括Revit模型、Bentley模型和CATIA模型。

（1）Revit模型發(fā)布。Revit模型是ArcGIS原生支持的BIM格式。在ArcGISPro軟件導(dǎo)入Revit模型，先定義投影坐標(biāo)系后，再將Revit模型打包成slpk格式，通過發(fā)布工具上傳模型的集成至GIS場景中。

（2）Bentley模型發(fā)布。Bentley模型發(fā)布主要格式為dgn格式，需要利用FME軟件將dgn數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為obj格式，再將obj模型批量導(dǎo)入gdb數(shù)據(jù)庫中，然后打包成slpk格式，通過發(fā)布工具上傳模型的集成至GIS場景中。

（3）CATIA模型發(fā)布。CATIA模型發(fā)布時(shí)一般先導(dǎo)出為stp格式，然后將stp格式輸出為obj格式，再使用模型批量導(dǎo)入工具將模型導(dǎo)入到gdb數(shù)據(jù)庫中，最后將模型打包成slpk格式，通過發(fā)布工具上傳模型的集成至GIS場景中。

橋梁、隧道、路基BIM模型接入GIS平臺見圖1。

圖1 橋梁、隧道、路基BIM模型接入GIS平臺

2.3 技術(shù)路線

地質(zhì)調(diào)查的具體技術(shù)路線見圖2。

圖2 地質(zhì)調(diào)查技術(shù)路線

（1）導(dǎo)入基礎(chǔ)資料。將鐵路線位、地形圖、區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)、礦區(qū)、地災(zāi)、遙感解譯、既有勘察等基礎(chǔ)地質(zhì)資料以及高清正射影像、傾斜模型、BIM模型，航片、衛(wèi)片等地理影像資料導(dǎo)入GIS平臺中（見圖3）。

圖3 導(dǎo)入基礎(chǔ)資料

（2）資料分析。在GIS平臺中對導(dǎo)入基礎(chǔ)資料進(jìn)行分析，對室內(nèi)地質(zhì)測繪與現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查進(jìn)行任務(wù)劃分。

（3）室內(nèi)地質(zhì)測繪。依據(jù)任務(wù)劃分，開展室內(nèi)地質(zhì)測繪與現(xiàn)場調(diào)查策劃。室內(nèi)地質(zhì)測繪示例見圖4，調(diào)查路線策劃示例見圖5。

圖4 室內(nèi)地質(zhì)測繪

圖5 調(diào)查路線策劃

（4）現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查。將室內(nèi)地質(zhì)測繪與調(diào)查策劃導(dǎo)入移動端（奧維地圖APP），開展現(xiàn)場調(diào)查，調(diào)查完成后，成果導(dǎo)入（或同步）至GIS平臺（網(wǎng)頁端、桌面端）。

3 關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)圖2所示的技術(shù)路線，需要解決3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：一是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（含地質(zhì)圖件、地圖影像、傾斜模型、BIM模型等）融合處理；二是地質(zhì)調(diào)查記錄模塊的開發(fā)；三是調(diào)查記錄的數(shù)據(jù)接口。

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)融合處理通過ArcGIS、奧維互動地圖本身的功能，輔以少量的二次開發(fā)就可以解決，在此重點(diǎn)闡述地質(zhì)調(diào)查記錄模塊與數(shù)據(jù)接口的開發(fā)。地質(zhì)調(diào)查記錄模塊的核心內(nèi)容為PC端與移動端通用的標(biāo)準(zhǔn)記錄模板（快速錄入與存儲調(diào)查數(shù)據(jù)）。

3.1 地質(zhì)調(diào)查模板編制

奧維地圖PC端提供了開放的模板編輯接口，內(nèi)置瀏覽器插件，兼容目前流行的HTML代碼（包括HTML5），同時(shí)內(nèi)置BootStrap3套件和jQuery庫。用戶在模板中輸入的數(shù)據(jù)以Json格式存儲在備注中。用戶可用HTML語言在模板中添加鏈接及相互關(guān)聯(lián)的輸入框，模板在外觀上使用網(wǎng)格和表單元素布局（見圖6）。

圖6 用戶模板接口

可采用Visual Studio Code等工具編輯地質(zhì)調(diào)查模板。主要依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》《鐵路工程特殊巖土勘察規(guī)程》《鐵路工程地質(zhì)手冊（1999）》《工程地質(zhì)手冊（第5版）》《滑坡崩塌泥石流災(zāi)害調(diào)查規(guī)范（1∶50 000）》《1∶50 000巖溶塌陷調(diào)查規(guī)范》《地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查規(guī)范》等，編制了10個(gè)常用模板（見圖7）。

圖7 常用地質(zhì)調(diào)查模板

模板采用單選、多選、輸入等多種形式，方便用戶填寫，提高輸入效率。以地質(zhì)調(diào)查模板（通用模板）為例進(jìn)行說明。調(diào)查點(diǎn)基本信息填寫見圖8，項(xiàng)目名稱、工程名稱、天氣、里程、偏移、高程為輸入填寫；勘察階段為單選輸入；位置描述、冠詞可單選，當(dāng)選項(xiàng)不滿足要求時(shí)，可在方框內(nèi)輸入；經(jīng)距、緯距會依據(jù)用戶設(shè)置的關(guān)聯(lián)點(diǎn)方案自動更新。地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造填寫見圖9。

圖8 基本信息填寫

圖9 地貌與構(gòu)造填寫

覆蓋層、基巖模板設(shè)為可折疊樣式，覆蓋層填寫見圖10。填寫內(nèi)容包括時(shí)代、成因、定名、顏色、狀態(tài)、厚度、描述、施工等級。基巖主要描述內(nèi)容除時(shí)代、定名等之外，還包括層面、節(jié)理、錘擊反應(yīng)等（見圖11）。地表水、地下水、不良地質(zhì)、特殊巖土等填寫見圖12。滑坡詳細(xì)描述填寫見圖13。

圖10 覆蓋層填寫

圖11 層面與節(jié)理填寫

圖12 水文與特殊地質(zhì)填寫

圖13 滑坡詳細(xì)調(diào)查

地質(zhì)調(diào)查系列模板可通過奧維地圖PC端發(fā)送至APP端，現(xiàn)場填寫直接在APP端模板進(jìn)行。

3.2 地質(zhì)調(diào)查數(shù)據(jù)接口編制

調(diào)查數(shù)據(jù)可通過室內(nèi)測繪+現(xiàn)場調(diào)查2階段共同完成，完成后調(diào)查點(diǎn)數(shù)據(jù)可在奧維地圖PC端導(dǎo)出為kml+附件（含照片、視頻、錄音）形式，調(diào)查點(diǎn)文字內(nèi)容存儲在kml文件中。采用C#代碼編制接口軟件，解析kml文件，讀取調(diào)查內(nèi)容及照片，可導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)化word文檔并導(dǎo)入自主研發(fā)的地質(zhì)勘察信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中（見圖14）。

圖14 導(dǎo)出word界面

4 結(jié)論

基于GIS+BIM的數(shù)字化地質(zhì)調(diào)查軟件已在長贛高鐵定測中全面推廣應(yīng)用，軟件主要優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）通過在奧維地圖、ArcGIS進(jìn)行室內(nèi)地質(zhì)測繪與地質(zhì)調(diào)查策劃，提高了現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查的針對性，有助于從宏觀上把控地質(zhì)調(diào)查的重點(diǎn)；

（2）標(biāo)準(zhǔn)化的地質(zhì)調(diào)查模板既提高了調(diào)查記錄的效率，還對經(jīng)驗(yàn)欠缺的工程師具有引導(dǎo)學(xué)習(xí)的作用；

（3）數(shù)據(jù)接口軟件提高了調(diào)查成果資料整理效率，也實(shí)現(xiàn)了調(diào)查數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化。

通過實(shí)際應(yīng)用，也發(fā)現(xiàn)一些問題及需要改進(jìn)的地方：

（1）室內(nèi)地質(zhì)測繪與調(diào)查策劃需要在奧維地圖和ArcGIS之間切換，鑒于ArcGIS功能更全面（包含奧維地圖功能），以后可統(tǒng)一在ArcGIS上開展該項(xiàng)工作，并編制與移動端的接口；

（2）數(shù)據(jù)接口軟件應(yīng)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)面及地層統(tǒng)計(jì)分析等功能；

（3）應(yīng)進(jìn)一步挖掘通過調(diào)查數(shù)據(jù)輔助編制地質(zhì)說明的功能；

（4）應(yīng)增加調(diào)查工作量統(tǒng)計(jì)功能。