论文推荐|一种市政道路BIM设计模型与三维GIS数据集成方法
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作者信息
陈 光，薛 梅，刘金榜，何兴富，周智海（重庆市勘测院，重庆 401121）
摘要
针对现有市政道路模型交换标准的不足，以及道路BIM设计模型与GIS模型集成中的几何、语义信息缺失等问题，提出一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成的方法，其核心是以CityGML模型标准为基础，重新定义了扩展后的道路设计模型；通过要素语义解析、几何模型转换等过程实现道路模型和GIS数据的集成存储与表达。以重庆市九龙坡区尹朝社周边市政道路设计工程为例，进行道路BIM设计模型与现状城市三维模型数据的集成实验，结果表明，方法较好地保留了道路设计模型的整体结构、横断面特征、路段拓扑信息等，并且扩展定义的道路设计模型完整地存储和表达了道路设计要素。方法在城市规划设计延伸应用上具有广阔的前景。
【关键词】道路设计；CityGML；建筑信息模型；Civil 3D；地理信息系统
【中图分类号】P208 【文献标识码】B 【文章编号】1672-1586（2018）03-0082-05
引文格式：陈 光, 薛 梅, 刘金榜, 等. 一种市政道路BIM设计模型与三维GIS数据集成方法[J].地理信息世界,2018,25(3):82-86.
引 言
近年来，以协同工作和信息集成为目标的建筑信息模（Building Information Modeling，BIM）技术被广泛推广。然而，BIM主要被用于对单个项目工程的设计、管理应用，很难顾及建筑周边宏观的地理环境因素的影响，而市政道路、公路建设项目的实施与大范围沿线地形、地质、景观以及建成区现状等关系密切。为了实现真正的从规划设计到施工运营的工程全生命周期数字化管理目标，越来越多的学者开展了BIM与地理信息系（Geographic Information System，GIS）的集成应用研究。现有BIM和GIS集成研究主要集中于工业基础类（Industry Foundation Classes，IFC）与CityGML两类标准之间的集成，而道路BIM具有特殊的语义结构，现有集成框架和方法在处理市政道路BIM和GIS集成的应用中具有很大局限性。Deng提出了BIM和3D GIS在不同细节层次上的映射框架，并且基于中间模式和实例比较实现了要素的相互转换，但其并未涉及道路对象的信息交换。Lee在IFC中增加定义了三维道路模型以表达其对象的语义信息；Rebolj介绍了一种表达道路横断面的PMC模型，并且被引入为LandXML模式中的DesignCrossSectSurf元素定义。此类研究是在现有BIM模型基础上扩展对道路对象的支持，实际上不同专业领域通过简单模型转换实现信息交互的方法只保留了少量的语义信息，应用局限性十分明显。
本文提出一种市政道路BIM设计模型与GIS集成方法，总体技术框架如图1所示。首先，基于CityGML应用程序域扩展（Application Domain Extensions，ADE）框架对现有的道路模型进行扩展，形成支持完整道路要素的扩展道路设计模型；然后，按照自底向上的语义顺序解析LandXML道路设计交换格式文件，获取道路设计方案的实体、几何、属性和要素关系信息；考虑到BIM对象与GIS模型的几何表达差异，研究实现扫掠实体模型向边界表面模型的方法；最后，以扩展道路设计模型格式存储转换后的道路设计模型，实现与三维GIS模型数据的一体化集成展示。
图1 总体技术框架图
Fig.1 Technical Framework
1 、方法原理
1.1 扩展道路设计模型定义
1）CityGML ADE扩展框架
研究对比道路BIM设计模型和以CityGML为代表的GIS模型，可以发现道路设计模型中包含更多的实体、语义和几何信息，因此，需要对GIS模型进行扩展以实现模型数据之间的无缝集成。CityGML ADE是一种扩展和添加模型的框架，允许对现有模型进行扩展，包括对现有的CityGML对象定义新的属性以及建立新的对象模型。ADE被定义为拥有独立命名空间的XML Schema Definition（XSD）文件，可以显式地导入CityGML扩展模块中，并对XML模型文件进行验证。
2）道路要素映射
现实中道路是由多种实体要素构成，如路面铺装层、隔离带、排水沟、路缘石等，如图2所示。同时，基于参数的道路设计过程引入了丰富的几何要素来对道路实体对象进行参数化表达，如平面线形（直线、缓和曲线、圆曲线）、纵断面（圆曲线、抛物线等）、横断面（路宽、路拱、超高、加宽等）等。建立CityGML ADE扩展模型，首先需要构建道路要素与ADE要素的映射关系。
图2 路段实体要素关系示意图
Fig.2 Sketch map of relationship of physical elements of road section
通过全面分析道路实体要素，根据应用特征将道路要素分为实体要素和几何要素两大类。几何要素为道路对象的基础要素，主要表达道路几何、拓扑等信息。实体要素对应具有语义信息的道路部件，每类部件又是由几何要素和属性信息构成。对每类实体要素和几何要素分别建立对应的ADE要素，并赋予唯一的编码标识。
3）扩展道路设计模型
本研究基于CityGML既有类，通过定义新的要素类的方式来建立道路扩展模型，扩展ADE定义在外部XMLSchema文件中。ADE扩展模型继承自CityGML标准原生定义的交通模型类要素（_TransportationObject）的道路（Road）子要素。道路ADE扩展模型包括两个分支：扩展路段要素（ADE RoadSegment）和扩展空间约束要素（ADE SpatialConstraint）。扩展路段要素包括路段几何要素和实体要素的构成和属性定义；扩展空间约束则定义了路段要素几何表达的基础要素。根据要素映射结果构建道路ADE扩展模型如图3所示。
图3 道路的CityGML ADE扩展模型UML图
Fig.3 UML diagram of road ADE CityGML extended model
1.2 语义化解析
本文采用自底向上的方式解析道路BIM模型文件，依次解析道路设计模型的几何要素和属性信息，然后根据要素关系还原道路实体要素。
路线设计是道路设计的基础，路线通常由直线和各类曲线组合构成，以表达道路中心在平面上连续的位置和方向信息，即平面线形。道路线形设计通常由直线、圆曲线和缓和曲线组合来构成不同的复合线形。不同的偏移路线与道路中线共同构成了道路横断面的框架结构。偏移路线与道路中线在LandXML中对应的都是Alignment节点，路线记录之间没有显式关联关系，研究通过制定命名规则实现同一路段不同路线之间的关联，即路线名称的定义规则为：[路段名称]+[子分段序号]+[方向]+[dlzx/部件类型]。根据Alignment节点的name属性来查找道路中线及其偏移线，并根据命名，确定偏移线之间的部件对象（车行道、人行道等）的关联。
当路线发生转向时，不同横断面位置的偏移线的长度存在差别，路线的线形构成也相互不同，本研究采用道路桩号辅助，实现不同位置道路横断面线形的相互关联。根据对路段细节特征的要求，以道路中心为横向基准，沿道路走向设置固定间隔的桩位（如公里桩、百米桩等），沿桩位位置作道路中线的法线，与道路偏移线相交的点位记为相同的桩号，从而实现道路中线和偏移线在不同路段位置的关联，为后续路段特征表达提供支撑。
纵断面线形设计与平面线形设计类似，通常由直线段和圆形曲线或对称抛物线组合构成，在LandXML文件Alignment元素下的Profile子元素表达，包括曲面纵断面（ProfSurf）和设计纵断面（ProfAlign）。通过综合同一路线的平面和纵断面线形设计，可以得到该路线的三维几何信息。
LandXML中采用离散采样横断面信息来组织表达道路设计方案。横断面设计模式如图4所示。CrossSect元素下的每个DesignCrossSectSurf子元素为构成当前横断面的一个部件，包含其名称、位置（中线的左侧或右侧）、形状（轮廓节点坐标串）等信息。横断面部件通常按照设计顺序依次排列：中间隔离部件，右侧从中间向右外侧（直到边坡），左侧从中间向左外侧（直到边坡）。部件的几何特征通常是多边形，如矩形，则CrossSectPnt中按顺时针方向列出各节点的“代码”和横断面平面坐标(x ,y )。解析横断面信息的步骤：首先，根据“side”属性，先把当前横断面一侧的所有部件信息全部读出，然后根据每个部件的位置（x 坐标）来判断路段的横向结构。
上述解析得到的几何要素中，平面线形和纵断面线形联合可表达为三维曲线，道路横断面几何对象节点沿相应的三维曲线进行平移，形成的扫掠实体模型即为道路实体要素。根据横断面DesignCrossSectSurf要素的name属性可以确定各横断面部件实体对象的类别。
图4 道路横断面的LandXML设计模式
Fig.4 LandXML schema definition of road cross section
上述解析得到的几何要素中，平面线形和纵断面线形联合可表达为三维曲线，道路横断面几何对象节点沿相应的三维曲线进行平移，形成的扫掠实体模型即为道路实体要素。根据横断面DesignCrossSectSurf要素的name属性可以确定各横断面部件实体对象的类别。
1.3 几何模型转换
道路设计模型通常是基于横断面部件装配模型和道路平纵线形设计生成的扫掠实体模型（Swept Solid），要将其转换为CityGML ADE中定义的边界表面模型（Boundary Representation,BRep），需要执行要素表面模型转换，具体过程如下：
1）将扫掠平面和扫掠线坐标值转换为世界坐标系统下的坐标值；然后，定义函数实现基于扫掠面和扫掠线生成边界表面，设扫掠平面的边为AB，A=(XA,YA,ZA)，B=(XB,YB,ZB)，扫掠向量V=(XV,YV,ZV)，扫掠后边点坐标如下：
2）新生成的扫掠平面为AA＇B＇B可直接转换为边界表面。
当扫掠线为曲线时，可将其表示为一系列相连的点串，如下：
设曲线中点Pn位置的切线向量为Tn，定义如下：
3）在扫掠平面边界上选定点A=(XA ,YA ,ZA,0)，则其对应在扫掠曲面上的近似点坐标计算公式如下：
式中，Mn由Tn构成（式(5)），N 为扫掠曲线所在平面的法向量。
以上方法难以应对路段加宽和超高情况。从行车安全考虑，车道通常存在加宽设计，即在进入弯道和离开弯道时，车行道路面宽度存在渐变（通常为车行道偏移线发生加宽偏移），并且道路横断面也存在超高处理，即外侧路面高于内侧路面。对于超高和加宽设计路段，无法利用上述扫掠实体转换方法生成表面实体模型。本研究以道路中线与偏移线的空间约束关系为基础，通过离散化处理来获得路段表面模型：采用前述横断面线形关联的方法（等步长采样和法线相交）将加宽和超高路段划分为离散的面片；根据两侧线形位置上的部件（隔离带、路缘石等）宽度尺寸修正面片宽度；结合部件厚度信息重新定位面片位置。道路设计模型中，横断面的位置是以sta属性字段中记录的道路桩号来标识。因此，需要对道路几何模型进行坐标转换，来得到模型在真实世界的绝对位置。
通常情况下，道路设计软件都是在三维数字地形数据基础上开展设计工作，而LandXML道路设计模型文件的路线要素中记录有每条直线路段的起始点和终点坐标值，该坐标值对应的坐标系与地形数据的坐标系保持一致。因此，本研究以道路平面线性的绝对坐标位置为参照，根据部件对象在横断面上的偏移值来计算得到其绝对坐标值。
2、 实验与分析
实验以尹朝社周边市政道路工程项目的道路设计成果为实验数据，如图5a所示，利用本文方法将其与周边三维GIS模型数据进行集成应用。项目位于重庆市九龙坡区，区域地形起伏较大，北高南低，高低台地明显，共含3条次干路、1条支路，设计道路总长约3 km。项目以Autodesk Civil 3D 2015为道路BIM设计平台，以项目区域的1:500地形图数据为基础数据，通过地形曲面构建、平面线性设计、纵断面设计、横断面装配设计等过程，完成三维道路设计模型的制作，并输出LandXML格式的道路设计文件作为本文集成实验的数据源。
实验以自主研发的集景三维数字城市平台为实验环境，按照本研究设计的CityGML ADE扩展道路模型和转换方法对实验数据进行转换处理，并在平台中集成加载转换后的模型数据和周边场景数据。最终实验结果如图5b所示，图中红色线条为包括边坡在内的道路范围线，其内部为道路设计成果转换后的CityGML模型数据。从整体集成效果来看，道路设计模型与区域现状三维模型接合完整，包括与已有道路、以及周边地形的接合效果均满足三维GIS展示要求。
a 尹朝社Civil 3D道路BIM设计成果
a Civil 3D road BIM design results of Yinchao club
b 道路BIM与周边三维GIS数据集成
b Integration of road BIM and 3D GIS data
图5 实验数据整体集成对比
Fig.5 Comparison of entire integrated results of experimental data
进一步检查道路模型集成结果，以Civil 3D中某一路段的横断面装配设计为参照，如图6a所示，查看对应路段GIS模型的细部特征。横断面装配设计包括以下部件：边坡、人行道、路缘石、车行道等，中间无隔离带部件。路段集成实验结果如图6b所示，从横断面结构来看，集成模型准确反映了装配设计，其中设计模型中部件与偏移线关联，使得集成模型中两侧车行道宽度不一致。另外，实验平台根据道路设计模型中预置的部件造型材质进行自动化默认的纹理贴图，集成模型具有很好的仿真可视化效果。
a 道路横断面装配设计
a Assembly design of road cross section
b 对应路段横断面模型集成效果
b Integration result of road section
图6 路段横断面细部集成效果对比图
Fig.6 Comparison of road section transformation results
对于结构复杂的交叉口路段，选择项目区域内的T型交叉口设计模型为实验参照对象，如图7a所示，该交叉口由支路与主干道平面相交构成，路面未采用渠化设计。由于该区域台地地势高程变化较大，因此采取了多级高边坡开挖设计。检查交叉口细部集成模型，路段之间的拓扑结构完整，路段间横断面模型接合准确，两侧多级边坡模型准确反映实际设计成果。
a 道路交叉口BIM设计
a BIM design of road intersection
b 交叉口集成效果
b Integrated of corresponding road intersection
图7 道路交叉口细部集成效果对比图
Fig.7 Detail integration effect contrast of road intersection
实验对比其他道路模型交换集成方法，将道路工程分别导出为LandXML格式和IMX格式的交换文件，然后直接导入商业平台Autodesk InfraWorks，与工程周边的数字表面模型集成展示。可视化效果如图8所示，
a 道路BIM以LandXML格式集成效果
a Integration of road BIM in landXML format
b 道路BIM以IMX格式集成效果
b Integration of road BIM in IMX format
图8 传统交换格式集成道路BIM工程对比实验
Fig.8 Comparison experiment of traditional interchange formats of integrated road BIM
可以看出，道路BIM模型的平面线形、纵断面，以及横断面边坡的几何信息被集成保留，然而，路面和边坡的纹理、以及多级边坡几何特征均被丢失，集成后的道路横断面装配信息也未能完整表达原道路工程的横断面装配设计。
通过整体到细部、横断面结构到拓扑结构、以及纹理和高程等设计要素的模型集成和对比分析，可以看出，本研究设计的CityGML ADE扩展道路模型完整地承载了道路BIM设计数据，同时模型转换集成方法在转换过程中较好地保持了设计成果的空间、语义、拓扑等信息。尹朝社项目包含了典型市政道路设计的综合特征，通过对本文方法的集成实验分析证明了该方法的有效性。
3、 结束语
本文以CityGML标准为基础，研究建立了扩展道路设计模型，支持道路BIM设计模型数据与三维GIS模型数据的集成存储和表达；然后，研究了基于LandXML标准交换格式文件的道路设计模型解析方法，并建立了参数化设计模型向GIS模型的几何转换方法。实验分析表明本文方法在要素完整性和结构准确性方面表现较好。通过集成市政道路BIM设计模型和GIS数据，一方面，可以利用丰富的三维城市模型辅助市政道路规划设计，综合考量城市景观和拆迁范围，优化道路设计方案，另一方面，可以实现从微观到宏观的三维空间数据的管理与可视化分析，支撑大规模道路工程的协同分析和共享应用，提高数据应用效率。
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编辑 /呼慧珊 审核 /杨志如
指导：万剑华教授(微信号wjh18266613129)