面向GIS应用的铁路工程三维信息模型数据交换方法

李 浩， 赵国堂， 范丁元， 范登科

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044;2.中国铁路广州局集团有限公司建设管理处，广东 广州510088;3.中国铁路总公司，北京100844;4.西南交通大学经济管理学院，四川峨眉山614202;5.中国铁路设计集团有限公司测绘地理信息研究院，天津300251)

铁路工程三维信息模型RIM(railway engineering 3D information model)是在铁路全生命周期建设过程中用于信息查询和展示、要素组织和管理、统计算量分析等多种业务实施的数字化信息载体.借鉴BIM(building information modeling)理念和技术，铁路行业早已着手大力推进RIM在设计、施工和管理等阶段的数据和平台建设，并取得了一定的成果.面对铁路工程的大场景、长线性、多尺度等特点，BIM难以有效解决模型在可视化表达中的动态快速调度、交互式空间分析、铁路工程选线等问题，GIS(geographic information system)技术为解决上述问题提供了可行的方案［1］.当前，上述两种技术对RIM的互操作能力还处于较低水平，二者间的信息共享主要通过数据格式转换的方式来实现.因此，当在GIS平台中采用BIM构建的铁路工程三维信息模型开展应用时，需要首先借助特定的格式转换方法实现信息的交换和传递.

由于BIM模型所附带的信息要比GIS模型丰富，当前国内外研究主要关注于BIM模型向GIS模型的单向通用数据格式转换.El-Mekawy在分析IFC(industry foundation classes)向CityGML(city geography markup language)单向格式转换局限性的基础上，提出了以语义映射和扩展CityGML概念模型作为二者融合的解决方案［2］.通过提取三维模型表面几何、计算顶点坐标等4步处理，Wu与Hsieh将IFC模型转换为GML(geography markup language)格式［3］.Hijazi等建立起 IFC 与 CityGML扩展包 UtilityNetworkADE(applicationdomain extensions)间的语义映射，实现了建筑内部构筑物的信息交换［4］.借助AutoCAD图形引擎，张建平提出了将IFC实体模型转换为表面模型的方法［5］.以语义约束为手段，赵霞等实现了RVT(autodesk revit)模型到 CityGML 模型的格式转换［6］.吕慧玲等通过建立IFC数据模型到CityGML各层级的映射模型，描述了一种从IFC模型到CityGML多层次细节模型的完整转换方法［7］.刘金岩等提出了可以实现BIM和GIS集成的IFC和CityGML数据转换框架，并探讨了其在水利工程全生命周期中的应用前景［8］.LIU等通过模型数据格式转换，实现了IFC实体模型在GIS场景中的应用［9］.石若明等在提取模型信息的基础上，将IFC实体模型转换为GML表面模型，最终实现古建筑模型在GIS环境下的共享［10］.朱亮采等用语义映射的方法，实现了IFC到CityGML几何与语义信息的转换［11］.当前研究成果仅关注于BIM与GIS二者间数据格式转换的研究，还没有适用于铁路工程三维信息模型的数据交换方法.

数据交换的意义远大于数据格式转换，这是因为BIM偏重于单体信息模型及其构造单元的精细建模，而GIS关注于大范围地表场景的快速制作和高效展示，为了打通二者之间信息共享的桥梁，仅采用数据格式转换的方法是不够的，还需要解决RIM信息模型与三维GIS场景无缝集成，同时兼顾简化模型并降低细节层次的问题，从而实现跨平台应用时RIM信息模型在数据层和逻辑层的信息共享和融合.为此，本文提出一种面向GIS应用的铁路工程信息模型数据交换方法，以避免重复数据生产造成的资源耗用，进一步提高BIM与GIS平台间的互操作能力.

1 RIM相关技术现状

1.1 RIM的存储与表达

为了将铁路工程要素各类语义和属性信息关联到三维几何模型上构成RIM，同时兼顾铁路行业各部门对RIM的应用需要，铁路BIM联盟各理事单位研究制定了用于RIM存储和表达的多种解决方案，主要分为基于BIM的方式和基于GIS的方式两大类.

以BIM通用数据格式IFC及Building Smart为其制定的存储标准为基础，铁路BIM联盟在IFCProduct、IFCCivilElement等特征类型下扩展了多种铁路工程要素的语义和属性，并以扩展后的IFC作为 RIM的标准存储和交换格式［12］.因此，RIM标准文件存储记录的是以STEP或XML语言描述的特征要素.从应用的角度，RIM的存储方式依赖所使用的 BIM软件平台，Autodesk的 rvt、Dassoft的3dxml以及Bentley的dgn是当前RIM在业务应用中的主要存储格式，一般方法是根据需求定义新的要素类型，或在模型上附加铁路工程要素的语义和属性.

铁路BIM联盟在广泛调研后指出，符合GIS存储标准的RIM模型存储和交换格式为OGC(OpenGeospatialConsortium)组织制定的CityGML，借助该标准中提供的ADE扩展机制，同样可以实现对铁路工程要素语义和属性的扩展［13-14］.然而，CityGML 在几何造型、语义逻辑关系、算量分析等方面所表现出的局限性决定了其作为RIM标准存储格式的适宜性比IFC低.与所采用的GIS三维平台相关，在实际铁路三维项目应用中用于RIM几何信息存储的格式主要有Microsoft DirectX多媒体编程接口的 x、Wavefront的 obj、Skyline的 3dml、OpenSceneGraph 的 osg，RIM 的语义和属性信息则以xml、xls等文本文件或数据库记录的形式进行存储和交换.

借鉴BIM理念和技术，以参数化建模、变更设计和算量分析为目标，RIM常采用构造实体表达法CSG(constructive solid geometry).当需要借助GIS平台实现RIM快速渲染、浏览和展示时，边界表达法Brep(boundary representation)取代CSG成为RIM采用的主要方式.

图1以剖面效果展示了某一特定铁路工程要素——桥梁分别采用两种表达方法时的区别，其中左侧CSG表达的桥体为实心结构，右侧Brep表达的桥体为表面包围的空壳结构.综上所述，应用环境和平台决定了RIM所应采用的存储格式和表达方式.当前，数据格式转换是解决RIM跨平台应用的最有效方法.

图1 不同表达法剖面效果展示Fig.1 Profile effects by using different expressions

1.2 RIM的跨平台应用

以BIM与GIS信息融合和数据共享为目标，国内外涌现出许多面向标准交换格式IFC与CityGML之间的转换方法研究［15-16］.在实际项目生产中对RIM开展跨平台应用时，由于各软件厂商在IFC存储方式的理解上存在差异，在交换中信息错漏的情况时有发生，同时各类商业平台对CityGML的支持能力有限，以至于当前研究方法的适用性不高.当前，实现RIM跨平台应用的方法主要有以下两类:

(1)以软件平台自身数据格式直接或间接交换.例如Autodesk Revit等BIM系列软件以fbx作为内部数据交换格式，TerraExplorer实现了将该格式导入到三维GIS场景下集成的间接数据交换.借助Navisworks平台，可以将大部分BIM模型导出为kml格式，实现在Google Earth等三维GIS平台下模型数据共享.

(2)以CAD通用标准格式为中转的信息独立交换.被广泛支持的三维几何信息存储格式包括Autodesk 的 dwg，Microsoft的 Direct X，Wavefront的obj，属性信息存储格式包括Microsoft的xls，扩展标记语言xml等.跨平台集成时，根据目标GIS平台的支持能力，首先确定各类信息应采用的交换格式，继而将RIM所包含的几何、语义、属性信息分别独立转储在上述不同格式的文件中，最终实现转储信息在三维GIS平台上的集成.FME作为一款商业化可定制的格式转换平台，能够将rvt、ifc等BIM模型转换为几何信息以x、obj等格式存储，属性信息以xls、txt格式存储的形式，三维 GIS平台(如TerraExplorer、ArcScene)可将其做为数据源导入以满足跨平台应用的需要.

2 RIMTrans模型数据交换方法

面向RIM信息模型在GIS平台集成的应用需求，本文提出一种基于多元信息分离和独立存储、支持简化层次细节和场景构建的模型数据交换方法——RIMTrans.该方法能高效、精确地将RIM信息模型集成到三维GIS场景中，使成果满足铁路工程设计阶段和施工阶段的场景展示、进度管理、算量分析等业务需要.

图2展示了RIMTrans方法的整体技术流程.

在技术层面上RIMTrans从以下3个方面完成了整个数据交换过程:

图2 RIMTrans数据交换技术流程Fig.2 RIMTrans data exchange technology process

(1)数据格式转换.综合采用提取、离散、转义、关联、映射等数据处理技术，将RIM信息模型所附带的几何、语义和属性3类信息，分别存储为符合GIS系统数据输入接口标准的记录形式.

(2)多层次细节简化.利用合并、融合等手段，减少RIM模型附带的冗余信息，从几何和语义两个层面降低信息模型的复杂度，保留最基本最有价值的信息，并使成果模型在三维GIS平台下高效表达与展示，降低系统运行负荷.

(3)场景组织与构建.将建模时各铁路工程要素的位置和姿态参数精确换算到真实的地理场景坐标系下，并逐一建立起相应的空间位置索引，以恢复它们彼此之间的空间关联和拓扑关系，与多层次细节简化相结合，重新组织铁路工程要素的层次逻辑关系.

3 RIMTrans中的关键技术

3.1 几何特征提取与离散化

如1.1所述，RIM模型的几何表达方式可分为CSG和Brep两类，而GIS平台下的三维模型数据通常使用Brep表达.在二者格式转换过程中，几何特征提取与离散化是最为重要的一个环节，可以实现几何信息从CSG到Brep表达方式的变换.RIMTrans中几何信息转换流程如图3所示，按RIM模型的表达方式分为两个阶段共4个步骤:

(1)几何特征提取.当RIM模型的表达方式为CSG时，需要通过该阶段处理转换为Brep表达.即首先从构成CSG的各单元要素中获取得到描述几何特征的参数，如长、宽、圆心、半径等，重新生成包围三维体的外表面，构成集合SBrep;分析单元要素彼此之间的拓扑关系，对集合SBrep中具有包含、重合等关系的面要素执行异或逻辑运算，删除共用、重叠的部分，该阶段最终得到构成RIM模型三维体外包围壳的面要素集.

图4以相交的两个几何实体示意了通过分析面要素间拓扑关系，在几何特征提取阶段删除冗余面要素，最终获取外包围壳的方法.由于二者相交，圆柱体侧表面被长方体分割为A1、A2和A33个部分，同时长方体顶面被圆柱体分割为B1和B2两部分，底面被分割为C1和C2两部分，通过分析拓扑关系，A2和B2、C2分别位于长方体与圆柱体构成的空间Ω和Σ内，不参与构成组合体的外包围壳，应从外壳面构成的集合中删除，图4右侧示意了最终处理结果.

图3 RIMTrans几何信息转换流程Fig.3 RIMTrans geometric information conversion process

图4 通过分析面要素间的拓扑关系删除冗余几何部分Fig.4 Geometrical redundancy eradication via analysis of topological relations between surfaces

(2)几何特征离散.当RIM模型以Brep表达时，通过这一阶段的处理将其转换为满足GIS集成需要的Mesh数据.Mesh是一种采用连续邻接的三角面近似替代原始光滑面的网形数据结构，作为各类3D图形引擎的主要输出方式，能够高效地表达几何信息.执行离散处理时，需要首先确定拟合精度和拟合样式，前者决定了以曲线作为边界的几何面Mesh转换前后的相似度，使用曲线上相邻采样点间的弧段到其直线段间的最大距离Dfrag作为测度;后者则决定了Mesh格网的组织方式，任意网形的Mesh结构均可由扇形(Fan)、条带(Strip)、独立(Isolate)3类结构单元组合而成.拟合精度与拟合样式对几何特征Mesh转换结果的影响分别如图5和图6所示.依照确定的拟合精度和拟合样式在几何面的边界线上采样结点，采用现有成熟的三角网构筑算法，输出为以Mesh结构表达的、可用于GIS平台展示与集成的三维几何模型数据.

图5 拟合精度Dfrag对Mesh结果的影响Fig.5 Effect of fitting accuracy Dfragon Mes h

图6 拟合样式(Fan、Strip、Isolate)组合为Mesh结构Fig.6 Fitting pattern(Fan，Strip，Isolate)of Mesh structure

3.2 语义关联与映射

RIM模型附带的语义信息主要是指铁路工程要素的特征类型定义和描述，由要素分类编码(Classification Id)和存储对象类型(ObjectType)两部分构成，如图7所示.

图7 RIMTrans中RIM语义信息内容与交换方法Fig.7 RIM semantic information contents and exchange method in RIMTrans

要素分类编码应遵循既有铁路工程信息模型相关标准［17］中的有关规定，采用十位编码结构，当ObjectType为用户定义类型时，通过编码值索引其类型定义.在RIMTrans格式转换方法中，保持该编码值在信息交换前后不变，以确保要素类型语义在传递时的一致性.

存储对象类型(ObjectType)语义则严格参照有关标准［12］中关于实体定义和类型定义的内容执行交换.通常情况下，作为RIM模型载体的数据格式本身不具有解析这类语义的能力，RIMTrans通过建立固有类型定义与RIM要素类型定义之间的映射关系，实现RIM语义信息的传递.例如，当RIM模型以IFC格式存储时，建立IFC实体类型与RIM桥梁单项工程涉及部分实体类型间的映射关系如表1所示.

表1 IFC实体类型与RIM桥梁部分实体类型的映射关系Tab.1 Mapping relationship between IFC entity type and part of RIM bridge entity type

由表1可知，建立的实体类型映射关系为一对多，为了将相同的IFC实体类型与不同的RIM实体类型相对应，需要在IFC数据中增加标示实体类型的自定义属性或枚举，把RIM模型包含的存储对象类型语义完整、正确地传递到GIS应用环境中.

3.3 属性传递

作为描述实体要素特征的非几何信息，属性依附于实体对象而存在.不同数据格式对属性的命名、数据类型、约束条件等内容有不同的定义和规范方式.对RIM模型数据而言，属性信息一般包括属性(属性集)名称、关联关系、属性类型、属性值数据类型和属性值内容5个部分.在RIMTrans格式转换方法中，直接引用IFC规定的属性定义和描述方式作为标准交换格式.当具体实施属性信息交换时，以文本记录所属实体对象ID、属性(属性集)名称、属性值内容，属性类型和属性值数据类型则转换成以IFC定义的相应标准类型字段，建立属性元数据用以描述属性集和属性之间的关联关系.在GIS平台上集成应用时，上述属性信息通过实体对象ID与相应的几何特征关联，以数据库记录的形式进行存储.RIMTrans方法的属性信息交换及与几何特征的关联过程如图8所示.

图8 属性信息交换及与几何特征关联过程Fig.8 Associate process of attribute information exchange and geometric characteristics

3.4 多层次细节简化

如1.1节所述，在三维GIS场景中，通常采用Brep作为模型的表达方式，而为了应对操作中场景视角和范围频繁变化的情况，降低系统运行负荷，动态地加载适宜体量的模型，几乎所有的三维GIS平台都支持对多层次细节信息模型的访问.与GIS模型相比，由BIM软件制作生产的RIM信息模型具有更丰富的细节，当许多模型同时加载到同一个三维GIS场景时，系统将负担海量数据的缓冲，而其中大部分数据是冗余或不必要的，这就需要通过RIMTrans中的简化处理，丢弃次要内容，以生成较低层次细节的模型.

与格式转换相同，简化处理的内容包括几何、语义和属性3部分，以语义融合为主导，几何和属性随之简化.其中语义融合的依据为RIM建模过程中各要素的装配层级和逻辑组织关系.以铁路桥梁结构模型为例，图9展示了以组织关系树结构为核心，从桥墩和基础(三级装配)简化为下部结构(二级装配)的处理过程.

图9 铁路桥梁结构模型的简化处理过程(从三级装配简化到二级装配)Fig.9 Simplified process of structural model of railway bridge(from three-level assembly to secondary assembly)

在上述降低模型层次细节的示例中，以桥墩和基础为主的三级装配成为需要被简化处理的语义信息，依据建模时构成的上下层级组织关系，将二者语义融合为父结点语义“下部结构”，相应地，二者几何信息则借助3.1节的特征提取和离散化技术，将墩身底部和基础上部的共用面删除，构造出新的无缝连接连续Mesh结构，在完成与下部结构语义关联后，将原始的桥墩和基础的几何、语义、属性三类信息删除，当所有三级装配内容完成上述处理后，模型的细节层次被简化到二级.类似地，可实现RIM信息模型任意细节层次的简化处理.

4 实验与验证

基于达索建模软件提供的CAA(component application architecture)二次开发API(application programming interface)函数接口，设计并实现了以RIMTrans格式转换方法为核心的功能模块，以其作为本文实验的基础工具.GIS集成平台则选用Skyline TerraExplorer.实验数据来源于既有RIM建模成果，包括铁路工程中桥梁、隧道、轨道、路基4类单项工程的设计模型数据.所有实验数据均符合RIM建模规范，实体要素包含的语义、属性等各类信息，以及彼此之间的逻辑组织关系严格遵循铁路工程信息模型数据存储标准的规定.实验数据概况见表2.

从表2可以看出，4个RIM实验数据的里程长度、构件数量、属性集类型数目各不相同，而且这4类单项工程关注的设计对象不同，所包含的构件类型也具有特殊性.其中，轨道模型数据的里程长度最长，包含的构件数量最多，然而包含的构件种类最少;相反，桥梁模型的里程长度最短，包含的构件数量最少，构件种类最多.以上4个实验数据的几何外观造型如图10所示.上述概况表明，反映于不同的实验数据，通过RIMTrans方法处理和转换的几何、语义、属性3类信息在数据量、复杂度等方面，具有不同的代表性.

表2 实验RIM模型数据概况Tab.2 Overview of experimental RIM model data

图10 实验采用的RIM模型几何造型Fig.10 RIM models used in the experiment

从构造Mesh的三角面数量、内存占用大小两个方面，对比上述实验模型数据多层次细节简化处理前后的效果，统计结果见表3.实验表明，隧道模型简化的效果最优，能够大幅减少Mesh面的数量，降低计算机内存的耗用，路基模型的效果次之，而构造轨道和桥梁模型Mesh的三角面不但没有被简化，反而数量增多，且占用更多的计算机资源.这是因为隧道模型相邻环拱、路基模型相邻填筑层之间具有相同的共用面，简化处理时删除原有构造共用面的节点，同时合并相邻的外壳面，重构后的Mesh网型得以简化;而桥梁模型(如桥墩和基座)和轨道模型(如轨道板和钢轨)相邻构件间的共用面均为相互包含关系，由于多层次细节处理时需要采用两面要素轮廓上离散的节点重构外壳，导致需要更多的三角面构造Mesh网型，增添了冗余的信息.因此，是否应该对RIM执行多层次细节简化处理，取决于模型构件之间共用面的拓扑关系.

表3 多层次细节简化实验结果Tab.3 Experimental results of multi-level detail facilitation

分别从效率、完整性和正确性3个方面对转换过程和结果进行测评.由于语义信息和属性信息的交换过程不涉及复杂的算法，因而影响RIMTrans执行效率的主要是几何特征提取和离散处理过程.其中，取决于待处理几何表面的形式，删除内部共用面的布尔运算效率差异明显;另一方面，拟合精度参数Dfrag不仅决定了Mesh结点和网格的数量，也直接影响了Mesh离散处理的运算复杂度.完整性检验是指评价几何、语义、属性3类信息在格式转换前后是否丢失，正确性检验则评价上述信息是否发生错误、不一致或歧义.实验测试与评价结果如表4所示，与原始RIM模型相比，转换后模型信息的完整性达85%，正确性达100%.

表4中各项评价指标表明，对于相同的RIM模型，RIMTrans方法的转换效率随拟合精度参数Dfrag的增大而提高，Dfrag取值越小，曲线边界上需要采样的结点数越多，Mesh网格越密集，构建Mesh网格耗费的时间越多.不同实验数据间相比，由于里程长度短，构件总数少，几何造型复杂度低，桥梁模型转换的速度最快;隧道模型的里程长度、构件总数和几何造型复杂度在4个实验数据中处于平均水平，转换速度适中;轨道模型里程长度最长，构件总数最多，尽管构件类型数量在所有实验数据中最少，却需要对所有构件逐一执行处理运算，转换效率最低;路基模型的构件数量虽然不多，然而它与地质体相关程度高，模型中包含了由复杂曲面构成的地质层几何信息，增加了Mesh转换处理的时间耗用，效率降低的情况显著.综上统计时间数据与传统作业方式相比，时间耗用降低可达70%.

表4 实验测试与评价结果Tab.4 Experimental test and evaluation results

由于建立了详细完备的实体定义、属性类型、属性值数据类型的映射和对应关系表，自编的工具软件可控性高，同时原始RIM模型内构件之间的逻辑组织关系条理清晰，经对比检查，格式转换后各单项工程三维信息模型附带的几何、语义和属性3类信息没有发生丢失或错误情况，由于对桥梁和隧道模型执行了多层次简化处理，3类信息的完整程度降低，实验效果良好.

图11展示了所有实验数据在三维GIS平台下的集成效果.

图11 实验数据在Skyline TerraExplorer中的集成效果Fig.11 Experimental results in Skyline TerraExplorer

5 结论

本文提出一种面向GIS应用的铁路工程三维信息模型格式转换方法RIMTrans，该方法综合利用三维模型体表面特征提取、面元拆分与离散、Mesh网形构建等算法，结合规范化的映射机制和标准存储方法，能够实现对RIM模型所包含几何、语义和属性3类信息的快速、完整和正确交换.实验结果表明，RIM模型造型复杂度与Mesh拟合精度是影响格式转换效率和几何表达效果的两个最重要因素，在实际GIS平台模型集成应用中，应根据需求配置合理的参数.当前，RIMTrans方法已在多个铁路工程三维设计项目中得到应用和推广，初步解决了RIM模型跨GIS平台的集成应用问题，提高了设计模型的重用性和数据的共享性，降低了因重复设计导致的资源浪费.未来进一步的研究将关注于RIMTrans方法对模型纹理信息的传递和交换，以及模型轻量化的技术路线，并致力于将该方法扩展到更多、更广泛的铁路工程专业领域，提高RIM在三维GIS平台下应用的技术水平.

致谢:中国铁路设计集团有限公司内部引导课题(721599，721783).

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