新一代三维GIS技术在交通行业的创新应用

乔天荣，马培果，刘平利，许连峰

（1.河南省地质调查院，河南 郑州 450001；2.郑州麦普空间规划勘测设计有限公司，河南 郑州 450001；3.河南省地质科学研究所，河南 郑州 450001）

新一代三维GIS技术体系是以二三维一体化GIS技术为基础框架，进一步拓展了全时空数据模型及其分析计算能力，完善了三维GIS理论体系。在数据层面，融合倾斜摄影、BIM、激光点云、三维场等多源异构数据，制定了开放的《空间三维模型数据格式》（S3M）标准，推动三维数据的开放、共享与互操作。在IT新技术方面，集成WebGL、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、3D打印等IT新技术，带来更真实、更便捷的三维体验，推动三维GIS 实现室外室内一体化、宏观微观一体化与空天/地表/地下一体化。本文将对交通领域的生态合作伙伴基于新一代三维GIS技术，结合IT新技术，在交通建设管理领域所做的创新应用进行阐述[1]。

1 “两新一重”为交通建设带来新机遇

2020-05-22发布的政府工作报告，明确了重点支持“两新一重”的建设方针：即加强“新基建”，加强新型城镇化建设，加强交通、水利等重大工程建设。重大交通工程包括高速公路、高速铁路等优选项目，不但是短期内重点的投资方向，而且也是行业长期投资的目标；不仅要高质量建设，也要长期的高质量运营维护，因此必须要有新型信息化技术手段的保障。新一代三维GIS技术，将支撑重大交通工程的建设管理应用。

交通运输部在近期多个信息化政策文件中也都明确表示推动以BIM（建筑信息模型）技术为核心的三维技术在交通设计、建设、运维等阶段的全面应用，实现精细化规划设计、动态化的施工管理和智慧化的运营养护，结合多源时空数据，建设BIM+GIS可视化平台，大幅提升交通基础设施建设和管理水平[2]。

智慧交通是交通行业信息化的趋势，而三维GIS是智慧交通应用不可或缺的基础之一。智慧交通不单是指交通设施的建设管理会更加智能化、智慧化，而且通过将交通实体对象信息转换为可呈现、可分析、可管理的三维虚拟对象，可构建现实世界与虚拟世界并行的“数字孪生”体系，这将是未来智慧交通应用的重要工具与核心模式[3]。

2 新一代三维GIS技术在重大交通工程建设中的应用

交通工程建设，特别是重大交通工程建设，涵盖了规划设计、建设施工、运营养护等多个领域。新一代三维GIS是构建交通设施全面数字化的重要基础。首先，它可以提供构建三维交通设施全要素场景的能力；其次，在全要素三维场景下，它能够基于BIM数据为规划设计提供便捷的分析与展现技术；再次，它还能够与BIM和IoT结合，为建设施工提供施工场地、施工过程的精细化管理能力，为运营养护提供更加智能和便捷的分析与管理能力[4]。

2.1 构建全要素基底

智慧交通建设的基础是全面的交通设施数字化，交通设施数字化的成果，一定是可呈现、可计算、可管理的三维交通设施全要素空间基底。交通设施空间全要素基底，是依据交通设施业务需要，构建精细化的设施模型对象数据，包括交通设施二维矢量与影像数据、交通设备设施三维模型数据、交通设施周边环境二维、三维数据等。它不但能够承载传统交通建设、管理、养护等业务，也是交通设施监控、运行大数据挖掘等新业务方向的应用基础。

基于新的测绘技术，通过BIM建模、倾斜摄影测量、激光点云采集等新型数据，可以构建出精细化交通设施三维基底，并且通过叠加视频信息、交通动态状态信息、IoT设备状态信息、气象、灾害等环境信息，构建出一套支撑交通设施管理、运行、养护的全要素基底[5]。

SuperMap GIS软件支撑多源异构三维数据融合的能力，能够将交通设计BIM模型与地形数据、倾斜摄影数据、激光点云数据等三维数据融合，并叠加遥感影像、地质勘测等二维空间数据和气象、地质勘测等环境数据，为交通设施管理搭建来源多样、信息丰富、功能全面的三维全要素基底。

在全要素三维场景中，SuperMap GIS的二三维一体化技术，支持对各类二三维交通设施对象进行展示呈现、综合查询、叠加分析等操作，为交通设施管理提供丰富的应用手段[6]。

2.2 BIM+GIS辅助交通设施规划设计

行业内各设计单位在重大工程项目中普遍采用BIM技术进行设计。BIM设计数据成果结合GIS多源数据呈现与分析能力，可以在设计阶段为用户提供设计过程的分析计算能力和直观的设计成果呈现 能力。

SuperMap GIS在设计过程中为设计师提供精细的三维空间分析能力，支持将BIM设计模型快速导入GIS软件平台后，通过BIM数据与地形数据的镶嵌，可以将道路模型与高精度地形精准融合，实现道路模型在地面上正确显示；也可以提取BIM模型数据的建设边界范围，并且将提取结果与地形数据叠加，可以实时准确地计算设计方案中所占区域边界以及统计设计方案中建设土地、人口等信息，为设计人员提供方便快捷的选线分析能力，辅助设计单位合理选线。

当最终设计方案确定后，将BIM模型导入到GIS平台内，与地形、影像、倾斜等环境数据叠加，可以为建设单位、业主单体完整全面的展现设计方案。SuperMap GIS支持对多源异构数据进行综合性的场景优化和服务发布，设计方案可以通过在线的方式提供给相关各方在线浏览与查询，也可以通过手机端对三维场景进行浏览[7]。

2.3 协助交通设施实现智慧建造

智慧建造是交通建设的主要趋势。基于BIM数据，通过叠加建设环境数据与施工现场的实时动态数据，可在SuperMap GIS三维基础软件平台搭建一个动静结合的施工虚拟环境。在三维环境中可以将庞杂的建设过程信息与BIM模型中精细化的交通对象进行关联，实现交通建设过程的精细化管理，并基于IoT实时数据、施工过程进度数据与三维对象结果，实现施工过程的动态监管。

交通重大工程项目中的BIM模型数据通常可达到部件级的精度，SuperMap GIS支持海量精细化模型对象加载显示与分析计算等功能，可以将庞大复杂的工程建设数据与建设对象进行关联管理，所有建设图纸、方案、监理过程数据、物料供给数据等都可以与BIM数据中具体的设施部件绑定，在三维GIS场景下实现对这些施工信息的查询、统计及可视化渲染[8]。

SuperMap GIS支持对BIM模型的动态渲染，通过将BIM构建与工程进度信息结合，可以依据不同的施工进度对整个工程模型进行渲染显示，从而协助用户直观了解整体工程进度情况，并且能够通过进度动画，动态展现一定时期内的建设进度变化情况。

3 新一代三维GIS技术支撑构建交通运输 “数字孪生”

“数字孪生”是交通运输行业信息化发展的一个重要的方向和应用场景，也是“智慧交通”可视化呈现的重要手段。“数字孪生”是在构建的要素全面完整、信息丰富的交通三维虚拟场景基础之上，叠加动态交通状态信息，形成一套与现实世界同步，可展示、可测量、可控制的动态虚拟场景，不但能够在虚拟场景中同步现实世界，而且通过构建交通信息模型，还可以在三维虚拟空间中实现对交通管理控制的模拟仿真，以实现在虚拟空间中对现实世界的研究与预测[9]。

“数字孪生”的实现，其核心是3个技术支撑：大区域交通三维场景快速构建，海量动态交通信息实时展现和交通运输模型的展现与仿真。

3.1 参数化建模技术构建高精度三维地图

“数字孪生”首先要能够快速构建一套完整的交通三维场景。

参数化建模技术，是在道路二维矢量数据的基础上，根据道路设施分布、设计参数等信息，结合道路所在地形，利用GIS空间模型算法，自动生成三维道路模型，与道路实际形态基本一致。用户通过简单的数据输入，依靠GIS软件，就能够实现大范围交通设施快速建模。相对于手工BIM建模的成本周期更少，相比倾斜摄影测量和激光点云数据的精度更高，非常适合构建大范围交通三维场景。SuperMap还能够支持大范围参数化模型与重点工程的BIM模型的融合应用，支撑更完整的交通应用。同时参数化建模可以配合三维模型生成道路交通规则拓扑信息，将车辆定位信息、交通事件信息等动态信息在三维模型上进行准确叠加，支持三维导航、交通运输监管等 应用。

3.2 三维GIS场景下的实时动态交通监管

交通设施管理与运行监控中的动态数据在5G技术与北斗技术的加持下，时效性越来越强，数据量越来越大，在三维场景中将海量动态数据加载呈现，并进行管理、统计、分析，是“数字孪生”场景构建的第二个重要技术。

SuperMap GIS支持三维场景中多源海量动态信息的叠加呈现、统计与分析，不但能够将北斗高精度定位信息在三维场景中同步动态呈现，而且能对接IoT流数据服务，将交通设施中传感器信息在三维场景中以可视化的方式进行动态呈现。后台构建电子围栏等分析服务，对轨迹、形变等信息进行分析监控预警，统计其运行损耗，实现交通设施管理的实时监管[10]。

SuperMap GIS不但支持“BIM+GIS+IoT”三维服务在WebGL“零客户端”应用，而且支持手机移动端的服务调用与应用呈现。“数字孪生”服务不再局限于管理单位内部，通过互联网还可以实现对应用的广泛发布。

3.3 高精度地图下大场景交通仿真呈现

除了与现实世界信息同步，“数字孪生”场景也需要能够支持交通模型的分析运算与结果呈现。交通仿真软件能够依据OD信息，分析计算一段时间内道路交通变化数值。SuperMap GIS支持在三维场景中，将变化数值通过道路拓扑规则转化为每一条车道上的车辆模型运动轨迹，通过将抽象的数值变化展现为动态的虚拟场景，为交通仿真分析提供交通模拟展现的能力，通过可视化的技术让专业的数据能够被更多的非专业人士所准确了解，从而为专业数据构建更多的应用场景。

4 三维GIS技术在交通运输行业应用的展望

超图交通运输领域的生态伙伴，已经基于新一代三维GIS技术在行业内进行应用探索，推动了一批优秀的应用项目。

4.1 基于三维的高速公路设施数字化管理系统

超图的生态伙伴北京中交国通智能交通系统技术有限公司基于新一代三维GIS技术，应用三维扫描技术、三维精细化建模技术，并结合时空海量数据管理技术、三维动态显示技术、交互式场景技术等，实现了高速公路环境信息快速采集、基础设施精细化空间数据库快速构建、高速公路基础设施快速巡查和综合管理，并可融合接入公路动态业务数据，为交通运行状态监测及分析系统、智慧服务平台提供基础地理信息数据支持，全面提升高速公路数字化、智能化管理水平。

4.2 城市轨道交通全生命周期信息化管理平台

超图的生态伙伴北京城建勘测设计研究院有限责任公司基于新一代三维GIS技术，利用 GIS-BIM、云计算、物联网感知、移动互联网、大数据分析等技术，建立服务于轨道建设的辅助规划、设计优化、施工监管、智慧运维的大数据智慧平台，为管理者提供对工程质量、进度、安全、成本的全过程精细化管控和决策工具。平台采用倾斜摄影技术进行地表真实环境建模，实现地上建筑物、绿化、道路景观，进行真实的三维表达，并可进行自由漫游浏览、地铁线路巡游及建筑物属性信息查询，能够对地下管线以及地质进行BIM模型的建立，实现了GIS与BIM的有机结合，以便在地铁施工时进行管线碰撞检测分析，查看地质情况，指导地铁站的建设施工。

5 结 语

随着大数据、人工智能等新技术在交通运输行业的深入应用，三维GIS技术与它们的结合，将推动三维GIS技术向智能化方向发展，并推动其成为交通信息部门的重要技术手段，实现对交通行业应用的智能高效管理。借助时空大数据和人工智能的数据挖掘与分析能力，交通三维GIS将能够实现高精度设施与交通流量等信息的自动化采集，通过对海量交通信息的分析，三维GIS中的交通行为监管会更加智能并且具有准确的预见性，三维环境下的信息呈现手段也将更加丰富。在分布式技术加持下，三维的分析性能与渲染性能也将实现大幅度增长。基于新一代三维GIS技术与新型IT技术结合，将跟随交通运输行业信息化发展的步伐为行业应用提供坚实的支撑，创造更多的新模式、新应用。