AR+BIM+GIS在铁路施工组织设计外业调查中的应用

曹政国，古健，李致

（中铁二院工程集团有限责任公司工程经济设计研究院，四川 成都 610031）

0 引言

随着计算机技术的迅速发展，大量新兴技术被应用于日常生活和工程建设等领域，如增强现实（Augmented Reality，AR）技术应用于地图导航，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和地理信息系统（Geographic Information System，GIS）技术应用于铁路建设，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术应用于电子游戏等。AR可将计算机生成的图形、文件、表格等虚拟信息有机融合至真实世界，对人的视觉系统进行景象增强或扩张［1］；BIM可使设施具有物理和功能特征的数字化表达，为全生命周期提供决策支持［2-4］；GIS可通过计算机对地理信息进行浏览、处理和分析［5-6］。在未来的铁路工程项目中，所需的数据越来越精细，应用的技术越来越先进，很难依靠单一技术完成，多种技术的融合应用成为铁路工程建设的必然趋势［7-9］。

1 外业调查

铁路施工组织设计外业调查是铁路建设过程中不可缺少的一环，主要是对铁路设计线路附近的场地基本情况进行调查，调查数据的详细程度决定着施工组织设计文件的质量、施工场地大临布置的合理性和铁路工程造价的高低［10］。传统的铁路施工组织设计外业调查主要是辅助内业设计，流程是基于基本的铁路线路数据到现场实地踏勘，然后在二维或三维地图上进行文字标注和拍照记录，标出该处是否可以布置大临工程、是否作为砂石料供应点、是否需要路面拓宽、能否利用既有道路、是否需要修建便道等，标注后通过内业详细整理，最终得到施工组织设计相关图纸和文件。在内业整理中若发现调查点不合理，还要进行多次实地踏勘，耗费人力、耽误工期。现有外业调查方式存在主观性较强、实时性差、技术陈旧、风险大、成本高、不能立即得到调查数据是否合理的评价、不能浏览全生命周期调查数据等问题。因此，可综合AR、BIM、GIS的技术特点，探讨在铁路施工组织设计外业调查中进行AR+BIM+GIS应用，以期解决现有问题。

2 硬件终端设备结构

在铁路施工组织设计外业调查中进行AR+BIM+GIS应用，所需核心硬件终端包括以下几种：

（1）图像采集终端。负责采集铁路线路沿线调查点的实景数据，如梁场场地、拌合站场地、料源点等。

（2）交互控制终端。用于收集调查人员的交互动作，如调查人员对虚拟数据的修改、调整等。

（3）图形显示终端。处理和展示虚拟数据和实景数据的综合平台，是硬件终端的核心，也是整个技术架构的中央枢纽，主要完成一系列调查人员指令的执行、数据的计算输出、图像的渲染等。整个终端系统可以是一个集成设备，如带摄像头的手机、平板电脑等；也可以是多个设备终端的组合，如“无人机+电脑+控制手柄”。

各终端之间相互协同，可为解决铁路施工组织设计外业调查问题提供硬件支撑。硬件终端设备结构示意见图1。

图1 硬件终端设备结构示意图

3 技术架构

在AR+BIM+GIS应用中，要建立硬件与软件相互配合的整体结构，软件技术是整个框架的核心要素。软件技术总体架构思路为：以AR、BIM和GIS的数据为基础，通过对数据进行虚实融合、交互控制、合理性评价和4D时空建模等一系列整理，最终将数据与各铁路专业共享。

建立铁路施工组织设计外业调查的软件技术总体架构（见图2）。如图所示，软件技术是骨架，而数据是在骨架节点中流动的“血液”。软件技术服务于数据，数据也在软件中不断被清洗、过滤，最终得到调查人员期望的合理、纯粹的数据。软件技术与数据相互交融、组合成为一个共同体，相互协调、配合，共同解决铁路施工组织设计外业调查的问题。

图2 软件技术总体架构示意图

3.1 基础数据

3.1.1 AR数据

所有实景数据、虚拟模型数据、属性信息数据融合的整体可组成一种抽象概念数据类型——AR数据。AR数据具有实时性、三维性、操作性、移动性、海量性和形象直观性等特点，是铁路施工组织设计外业调查应用AR+BIM+GIS技术的核心，浏览显示、建模、合理性分析等均在此基础上完成。AR的核心是将实景数据、模型数据、GIS数据以及其他附属数据进行匹配融合，各种数据需要随实景数据的变化在时间极短的情况下同步更新，对硬件、算法和数据结构等有较高要求。

坐标转换思路为：图像采集终端的位置、视角、视距，决定着采集的实景数据；计算由图像采集终端到视角范围的GIS坐标范围，将带有位置信息的BIM模型，通过姿态调整与配准，叠加至视角GIS坐标；将视角和虚拟模型的GIS坐标投影转换为图形显示终端的二维坐标（屏幕坐标），最终实现虚拟模型数据与实景数据的融合（见图3）。

图3 坐标转换思路示意图

经过几十年的发展，AR技术已经较为成熟，可供选择的二次开发SDK较多，如ARCore、AR.js、ARKit、ARToolKit等。其中，Apple公司的ARKit应用生态较好，该AR生态由ARSession、ARFrame、ARCamera等一系列子套件组成，可在多设备间应用。目前，ARKit已在IOS系统中取得较好应用，如AR测距、AR相关游戏等。

3.1.2 BIM数据

目前，通常采用Revit（Autodesk公司）、Open-Buildings Designer（Bentley公司）、CATIA（Dassault公司）等软件进行BIM建模。BIM建模的核心是提高模型的复用率、强化模型的参数化。模型在修改参数后，可在其他工程中复用，减少了设计人员的工作量。BIM模型数据以文件形式存储为主，可根据不同数据粒度构建数据文件。模型数据的粒度划分比较困难，如果粒度太小，可提高模型复用率，但会导致数据体量呈现爆炸式增长，不利于传输和转换；如果粒度太大，可解决模型快速传输和共享问题，但可能导致模型无法在类似工程复用。通常情况下，铁路工程的构件模型以单项工程或单位工程的规模粒度进行构建，该粒度下模型既能保证数据整体性，又能提高模型构建的复用性。

外业调查所需BIM数据包括梁场模型、桥梁模型及其他普通模型，以梁场模型为主。常规梁场模型由制梁区、存梁区、生活区、钢筋加工棚、龙门吊、运梁车和混凝土拌合站等组成，对这些区域分别构建参数化模型，根据不同梁场特点进行针对性的参数修改，可显著提高模型复用率、减少工作量。在外业调查中的主要应用是BIM参数化模型显示，即能在图形显示终端中对BIM参数化模型进行针对性参数调整。BIM模型在图形显示终端叠加，达到一定量时会影响性能，此时需要进行轻量化处理，通过简化模型、减少冗余信息或利用软件进行压缩处理。经过轻量化处理，大幅减少了BIM模型数据体量、提升了模型显示效率。

3.1.3 GIS数据

GIS数据包括地质图、行政区划图、交通图和专题图等，在地图中以栅格底图要素以及点、线、面等矢量要素来体现。将矢量数据叠加至栅格底图数据，可为铁路施工组织设计外业调查提供数据支持。栅格底图数据通常具有TB级的数据量，不能直接将所有底图数据放置于设备中，需要以服务形式进行访问。

目前，底图服务主要有以下2种：

（1）开源地图服务。以OpenStreetMap为主，由广大普通用户自主对地图数据进行维护和更新。OpenStreetMap是应用最广泛、用户量最大的开源地图服务，其数据在城市区域内较准确，但在其他区域数据较滞后。

（2）商业地图服务。主要有高德、百度、天地图、Google、Bing等，其数据由地图服务商自行维护和升级，数据更新较快。

矢量要素数据可进行属性、形状位置的编辑，数据之间相互空间关系分析，以及数据与属性数据之间相互关联。主要包括线路、站场、路基、桥梁、隧道、轨道、四电、房建等专业的共享设计数据，以二维数据为主，可与栅格底图进行叠加，有利于数据展示。矢量要素数据结合工程经济类专业的现场调查数据，共同组成铁路施工建设所需数据。目前，GIS技术已经相当成熟，不仅能以二维、三维方式展示地理数据，还可从宏观角度对地理数据进行管理。采用ArcGIS Runtime、SuperMap控件加载GIS数据，在大数据量上有不错的性能，也可提供丰富的API，并将构建的4D时空模型在地图上呈现。

3.2 管理数据

管理数据主要通过虚实融合、交互控制、合理性评价、4D时空建模和全生命周期数据浏览等功能模块，对基础数据和调查数据进行整理，实现数据清洗和过滤，最终得到合理、详细的数据。

3.2.1 虚实融合

实景信息是通过图像采集设备捕捉的信息；虚拟信息是带有位置信息属性的BIM模型，如砂场模型、桥梁模型、梁场模型、拌合站模型等。基于图像采集终端的位置信息及视野信息计算，映射至图形显示终端，虚拟信息与实景信息自动配准、融合和叠加，既增强了实景数据，又丰富了虚拟数据。

3.2.2 交互控制

在图形显示终端配合下，依托交互控制终端直接操作虚拟模型，直观地对虚拟模型数据进行重新布置、旋转、调整、缩放、翻转、扩展和删除等操作，实现沉浸式交互。虚实信息交互控制是AR的难点，主要包括以下3种方式：

（1）硬件控制交互。最成熟、成本最低、技术难度最低的交互方式，但不能直接与虚拟信息接触交互，需要依托硬件支持。

（2）语义手势交互。依托深度传感器和深度摄像头感知用户手势，通过传感器解读手势语义，只能实现简单的抓取、挥动等，具有一定局限性。

②粗砂：以黄色为主，局部灰色，主要组成成分为粗砂，湿，饱和，稍密，颗粒形状多为圆形，含少量粉细砂和粘粉粒等，局部夹有砾砂。

（3）接触型交互。利用摄像头、传感器和热传感等捕捉双手动作，直接与虚拟信息交互，获得视觉与触觉的双重体验，是虚实信息交互的最终目标。目前，还没有较成熟的产品。通过交互控制终端，直接对梁场、拌合站、材料场等模型进行参数调整和重新布局，也可查看编辑模型属性信息。接触型交互颠覆了传统的操作模式，可直观完成铁路施工组织设计外业调查工作，增强外业调查工作的真实感。

3.2.3 合理性评价

铁路施工组织设计的一项重要工作，是根据外业调查数据，通过内业进行合理性分析和重新整理，生成施工组织总图、施工组织详细平面图、铁路施工组织进度图和铁路施工组织说明文件。如果在外业调查时完成数据的合理性分析，如分析进度周期、规划材料运输路线、计算运距等，将大幅减少内业工作，提高施工组织设计效率，对后续施工、验收等阶段工作也有很好的指导意义。在完成地理、气候、环境、历史、设计、模型、地质等数据的调查和整理后，利用合理性评价模型，从经济、环保、社会影响、施工、设计等方面进行合理性评价（见图4）。获得合理性评价结果后，若评价等级较低，应立即重新调整设计布置相关模型、及时更新相关数据；若评价等级高，表明调查数据和设计数据匹配合理。合理性评价模型的应用，可解决外业调查不能立即评价数据合理性的问题，简化内业整理工作。

图4 合理性评价示意图

3.2.4 4D时空建模

通过AR技术实现虚实融合后，可进行4D时空建模，将带有时间戳的实景信息、模型布置信息等进行统一构建处理，建立铁路施工组织设计外业调查时期的4D时空模型。在铁路工程的不同阶段，具有不同详细程度的模型数据，在模型数据中加入时间戳，可使其具备时间属性，并随时间推移不断进化完善。将4D时空模型与GIS地图结合，实现宏观到微观的全局数据浏览过程：缩小GIS地图时，可从整体角度浏览整个调查数据在铁路线路中的分布情况；放大GIS地图时，可从局部角度浏览查看调查数据、BIM数据在施工场地中的详细布置。

3.2.5 全生命周期数据浏览

3.3 共享数据

铁路工程是一个复杂且庞大的系统工程，涉及专业众多。只有各专业间沟通紧密、相互配合，才能完成铁路工程建设。将调查数据和布置合理的数据通过互联网发布至数据共享中心，可为内业整理或其他专业提供外业调查数据来源，避免重复工作，节约成本（见图5）。通过不同专业技术人员对数据的更新完善，最终得到详细、准确、合理的数据。数据的共享中心打破了不同铁路专业间的数据传递壁垒，建立了数据沟通的桥梁，使各专业相互协作配合、共同推动铁路工程的发展。

图5 各专业间数据共享示意图

4 结论

铁路施工组织设计外业调查在应用AR+BIM+GIS技术后，实现了实景影像和虚拟数据的叠加融合，可直观、形象地展示BIM设计模型信息，并实现沉浸式数据交互、全生命周期4D时空数据浏览、调查数据的合理性评价等，也能从宏观到微观、整体到局部、初期到末期等多个角度全方位浏览各类数据，实景数据与虚拟数据不断迭代优化、相互促进完善。通过数据共享中心，各铁路专业间协同提高了调查数据质量，更全面、细致地为建设铁路工程服务。通过应用AR+BIM+GIS技术的功能及要点，创新了铁路施工组织设计外业调查的方式，也顺应了铁路工程建设中应用多技术融合综合解决方案的发展趋势。