Q/CR9157—2020《铁路三维地理信息数据技术规范》内容解析

黄一昕,杨全亮,蒋函珂,范登科

(1.中国铁路经济规划研究院有限公司,北京 100038； 2.中国国家铁路集团有限公司科技信息化部,北京 100844； 3.中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

1 编制背景

随着数字化时代的到来，3S技术(RS，GPS，GIS)在我国迅速发展[1]，在资源管理、规划设计、环境监测、交通运输、国防以及军事等领域得到广泛的应用[2-3]。在铁路行业，为了顺应时代信息化的发展趋势，应用地理信息系统(Geographic Information System，GIS)技术构建铁路地理信息系统已逐渐成为铁路信息化建设与管理领域中极具前景的发展方向之一[4-5]，建设现代化的铁路地理信息系统要求迫切[6]。

三维GIS技术凭借对客观世界真实的表达与展示[7]，已广泛应用于铁路工程的规划、设计、建设、运营维护各个阶段，其形成的信息化服务平台极大地提高了项目数字化和智能化水平，形成了以京张、京雄、川藏为代表的铁路工程。此外，三维GIS技术可以与BIM(Building Information Modeling)技术结合，深化多领域的协同应用，共同建造铁路工程信息模型，为铁路工程建设的信息化、可视化管理提供技术手段[8]。

目前，铁路工程三维地理信息数据在定义、处理、分析、传递和共享等方面存在数据格式不统一、信息共享差、管理难度大等问题。因此，编制新的数据技术规范，以约束相关技术路线和方案，保证铁路地理信息系统在数据的采集、处理、交换、更新、组织、管理和使用的层面上达成统一。

2 现有标准研究现状

目前，国内外现有的地理信息标准缺少一套完整的、详细的、可用于铁路工程要素表达、组织和管理的三维地理信息数据技术标准体系。各项独立的地理信息标准无法科学有效地规范铁路三维地理信息数据。

例如，在GB/T 25529—2010《地理信息分类与编码规则》[9]中，只将铁路划分为交通类地理要素。对铁路工程要素的描述相对简单，关注度和粒度还处于比较低的水平，缺少对铁路相关基建设施、构筑物、四电系统等细节的全面定义和详细组织。在GB/T 19710—2005《地理信息 元数据》[10]中，针对坐标系统进行描述的元数据元素非常全面，但缺少对铁路工程要素模型元数据的定义。在CH/T 901616—2012《基础地理信息 三维模型生产规范》[11]和CH/T 9017—2012《基础地理信息 三维模型数据库规范》[12]中，缺少对铁路三维实体对象的关注程度和层次深度，其语义层次、逻辑关系表达不明确。

因此，亟需编制适用于铁路工程的三维地理信息数据的技术规范。Q/CR9157—2020《铁路三维地理信息数据技术规范》就是结合铁路行业的自身特点，在总结既有经验的基础上，科学性、系统性地对我国铁路工程三维地理信息数据的生产、更新、管理和应用做出规定，填补了我国在铁路工程中规范化使用地理信息数据的空白，满足当前提升地理信息服务能力和技术水平的迫切需要，为进一步推广铁路工程的数字化和信息化奠定良好的制度基础。

3 标准编制原则

(1)应反映新技术发展和应用，统一数据要求，实现信息共享。

(2)实现铁路三维地理信息数据生产、更新、管理与应用的标准化，体现技术运用的科学性、先进性和适用性。

(3)结合三维地理信息在铁路行业中的应用特点及实际需要，吸纳近年科研成果和建设经验，提高指导性和可操作性。

4 标准主要内容

Q/CR9157—2020《铁路三维地理信息数据技术规范》共分为8章，包括：总则，术语和符号，坐标系统及其转换，要素分类与编码规则，元数据和三维数据生产、更新，数据组织与管理，数据交换与互操作，数据质量，另有5个附录。本文主要对具有铁路工程特色的章节进行阐述。

4.1 模型坐标转换精度

本规范规定铁路工程三维地理信息模型在进行坐标转换时，宜采用顶点级坐标转换或对象级坐标转换。这是由于铁路工程三维模型数据一般由多个独立构件装配而成，各构件都有独立的定位定姿参数，因此坐标转换是逐构件(对象级)进行的，一般使用平移、旋转、缩放进行坐标转换。在进行坐标转换时通常存在两类变形，一是由地图投影参数不同而引起的变形，二是由地球曲率影响引起的变形。

其中，地图投影参数引起的变形主要是由高斯投影的子午线收敛角造成，即距离投影子午线越远，偏角越大，纬度越高偏角越大。通过数学计算验证，在同一个位置不同长度的模型计算得出的子午线收敛角十分接近，因此，对于不同长度的模型使用同一个收敛角改正值即可达到十分高的几何精度，为保证转换精度无需对模型进行拆分。由地球曲率造成的变形主要表现在长度方向和横向。通常，由于径向偏差值较小，可忽略不计，最终指标取横向最大值。

4.2 要素分类与编码

要素分类与编码原则参照国家标准GB/T 25529—2010《地理信息分类与编码规则》[9]的分类内容，在“专业要素”(门类)→“基础设施要素”(亚门类)→“交通基础设施”(大类)下，存在名为“铁路基础设施及运营与管理要素”的中类项目(编码为2510100000)，应用该节点下预留的低5位，从GIS应用的视角对铁路工程要素进行细分和编码，补充完善更详细的语义信息。

分类依据来源于两个方面：一是根据铁路BIM联盟发布的《铁路工程信息模型分类与编码标准》[13]中对铁路工程勘察设计阶段各专业涉及内容的划分视角和方法，使BIM和GIS在语义层上的交换和融合更为顺畅。二是根据国铁集团工管中心对铁路工程建设管理信息平台表达内容提出的要求，重点划分了铁路工程周边受关注的地理要素，以便于数据的分类组织管理和运算分析。例如，铁路工程要素模型的划分是按照设计专业的不同分为场站段所、轨道、路基、桥涵、隧道及明洞等16大类，每一大类又根据其不同作用划分为若干小类。例如，桥涵可分为人行桥、铁路桥、公路桥、公铁两用桥等。

此外，针对铁路运营维护阶段涉及的要素，为保证铁路地理信息数据在运营维护中的应用延续性，经与相关部门协商一致，本规范建立了与Q/CR520—2016《铁路地理信息分类与编码》[14]的映射关系，以确保两项标准的协调使用。

4.3 模型分类与层次

本规范将铁路工程三维地理信息模型按照模型类型划分为地形模型、铁路工程要素模型、建筑模型、其他模型四类。每个模型分别对应四个细节层次(LOD，Level of details)，即LOD1、LOD2、LOD3、LOD4，如表1所示。

表1 Q/CR9157—2020模型分类与细节层次

其中，地形模型、建筑模型以及其他模型的类型划分主要依据CJJT 157—2010《城市三维建筑技术规范》[15]，见表2。值得注意的是，铁路工程要素模型指标确定在参照交通设施模型基础上，主要根据铁路工程要素特点，将其层次划分为线路中心线、概略模型、简化模型和精细模型。

表2 CJJT 157—2010模型分类与细节层次

本规范中对LOD细节层次的划分，主要参考CRBIM 1004—2007《铁路工程信息模型交付精度标准1.0版》[16]规范，模型精度基本等级规定如表3所示。其中，铁路工程信息模型交付精度的LOD1.0、LOD2.0、LOD3.0、LOD3.5分别与本规范的LOD1、LOD2、LOD3、LOD4相对应，为铁路工程不同阶段的模型数据生产提供依据。需要注意的是在LOD4.0和LOD5.0为BIM精细等级，在铁路工程三维地理信息中暂不涉及，这是由于GIS更加偏重模型宏观场景的制作，对微观的精细模型关注较少。

表3 CRBIM 1004—2007模型精度基本等级

4.4 模型数据组织

模型数据组织主要对地形模型、工程要素模型、建筑模型和其他模型的组织方式及采用各类组织方式的条件进行了规定。例如，在对地形模型的数据组织中，铁路大场景模型数据宜采用混合分辨率数据，带状的铁路线路及沿铁路线路一定范围内的地形模型与影像应采用高分辨率数据，距铁路线较远处应采用低分辨率数据。

模型数据组织的编制依据包括两个方面：一是在参照GBT37120—2018《轨道交通地理信息数据规范》[17]的内容，采用GIS行业常用的分区、分块组织方式。二是结合既有生产项目经验对铁路模型数据进行扩展或精简，具体表现为根据模型在规划、预可研、可研、施工图四个阶段的精度要求，用不同粒度对模型进行分级组织和展示。以地形模型为例，按照分级组织方式，不同细节层次地形模型在三维场景中的表现形式示意如图1～图4所示，即规划阶段采用低精度DEM和TM卫星影像制作三维地形模型；预可研阶段采用低精度DEM和Google卫星影像制作三维地形模型；可研阶段可采用航拍获取的高精度DEM和DOM制作三维地形模型；施工图采用无人机倾斜摄影获取的高精度制作三维地形模型。

图1 规划阶段三维地形模型

图2 预可研阶段三维地形模型

图3 可研阶段三维地形模型

图4 施工图阶段三维地形模型

4.5 数据交换

数据交换中规定了以CityGML作为模型数据的交换格式，该项指标的确定依据主要来源于两个方面：一是CityGML是由国际地理信息标准发布组织OGC提出的、可用地理标记语言描述、易于解译和交换的文本格式数据文件，起初用于城市三维地理信息的存储，由于其具有可扩展性，许多行业和领域基于CityGML的规则扩展定义了满足自身需要的模型格式，受到地理信息技术应用者的广泛关注和认可。铁路工程和城市两者又在组成单元上存在很多交叉和重叠，无论从有标准可参照的角度，还是从专题相近性的角度看，CityGML都是最合适的选择。

二是CityGML采用了面向对象的方式描述和存储三维地理信息数据，层次结构清晰，被大多数软件厂商支持。选择它作为模型数据的交换格式，有利于衔接来自BIM的语义信息，使BIM和GIS间的数据交换更易于实现。

4.6 数据质量检查

目前现有标准和规范对铁路工程三维地理信息数据质量检查评定没有明确的要求，本规范参考GB/T18316—2008《数字测绘成果质量检查与验收》[18]，将二级检查一级验收方法应用于铁路工程模型数据质量检查，制定了定性质量检查内容及其评价方法，针对不同类型模型分别制定了质量评价表的示例。

具体为：在对铁路工程单元建模的过程中，要素模型是用来描述可被辨别的、独立的地理实体，如桥梁、路基、站场等等，这些地理实体可以抽象为点、线、面、体来描述。由于每个实体都有其空间分布特征，因此，要素模型的数据质量检查项要包含位置精度，即平面精度和高程精度。此外，还需要对最终抽象建模的结果进行检查，即表达质量。在表达质量中，主要把握过程处理合理性和结果表达一致性两个方面，两者均从几何结构和纹理贴图两方面对质量进行约束和检查。

5 结语

Q/CR9157—2020《铁路三维地理信息数据技术规范》通过对铁路工程涉及的地理信息数据进行组织管理，明确了各阶段、不同类型、不同层次的模型的建模精度，便于设计专业根据技术规范要求进行建模，可合理避免各阶段因过度建模所造成的浪费。不论从数据获取还是数据建模上都能有效降低生产成本。在数据交换方面，使用规范规定的、统一的数据交换方式进行数据交换，有利于逐步统一行业内的数据交换方式，可以节省不同用户软件重复开发数据接口的开发成本。

综上所述，Q/CR9157—2020《铁路三维地理信息数据技术规范》体现了三维地理信息技术运用的先进性、前瞻性，有力地推动了我国铁路工程三维地理信息数据相关技术的进步，提高了我国铁路工程全寿命周期信息管理的水平，满足了我国铁路工程信息化建设的需求。对完善贯穿铁路设计、建设、运营、管理和维护全生命周期的“数字铁路”，加快提高我国铁路的信息化水平起到重大作用。