基于空天地多源数据的铁路三维大场景构建与应用系统

张银虎，郑伦英，刘 强

（中铁工程设计咨询集团有限公司 航测遥感研究院，北京 100055）

铁路工程勘察设计工作一般在由（1∶2 000）～（1∶50 000）比例尺平面地形图[1]构建的二维场景中进行，而由于平面地形图采用等高线、地物边界线或特定符号表现地形、地貌及地物信息，其构建的铁路沿线二维场景存在缺乏立体感、不直观的问题[2]，不便于铁路设计人员进行地形和地貌特征的识别分析、现场踏勘和工程设计。

近年来，随着遥感测绘技术及三维信息化技术的发展，针对传统二维场景存在的不足，诸多学者展开了三维地理信息空间场景及三维地理信息系统（GIS，Geographic Information System）在公路和铁路线路工程勘察设计中的应用研究工作。苗沛基等人[3]提出了融合倾斜摄影影像与激光雷达点云数据的公路沿线真实三维场景模型的构建方法；韩雨书[4]针对公路工程，研究了基于三维GIS的三维立体化展现技术及智能选线动态规划方法；张钰等人[5]提出了应用地形图和高清正射影像等基础测绘资料来生成铁路沿线三维地形模型的方法；朱颖等人[6]针对铁路三维GIS技术的应用，提出了一套面向铁路行业的三维场景快速构建一体化技术；易思蓉等人[7]设计了基于虚拟地理环境的铁路数字化选线系统，该系统能够满足重大工程选址选线和海外选线的需求。

以空–天–地多源空间数据为依托，铁路勘察人员可以在计算机上构建铁路沿线多时相、多分辨率的三维大场景，从而为专业设计人员提供最直观的三维空间设计环境，进行室内三维虚拟踏勘和设计方案分析决策，这样有效地缩短勘察设计工期，降低作业成本。本文结合铁路勘察设计工作特点，提出了不同阶段多源空间数据获取方法和铁路三维大场景的构建方法，并设计基于空天地多源数据的铁路三维大场景构建与应用系统（简称：铁路三维大场景应用系统），以满足铁路工程勘察设计中三维踏勘、专业设计验证及方案展示分析的应用需求。

1 多源空间数据获取

随着航天航空技术、网络通信技术和信息技术的快速发展，地理空间信息数据获取的能力不断增强，形成了以多源、高分辨率为特点的高效、多样、快速的空天地一体化数据获取手段。多源空间数据经过计算机智能处理可以输出数字高程模型（DEM，Digital Elevation Model）、数字表面模型（DSM，Digital Surface Model）、数字正射影像图（DOM，Digital Orthophoto Map）、数字线划图（DLG，Digital Line Graph）、地形三维模型、实景三维模型、建筑信息模型（BIM，Building Information Model）等多种类型数据，进而为铁路勘察设计阶段三维大场景构建提供全面、可靠的三维空间数据。

铁路工程勘察设计包括线路规划、预可行性研究、可行性研究、初步设计、施工图设计等阶段[8]。在不同的勘察设计阶段，铁路三维大场景构建所使用的多源空间数据类型及获取方法各不相同。不同勘测设计阶段多源空间数据类型及其获取方法如表1所示。

表1 不同勘察设计阶段多源空间数据类型及其获取方法

1.1 卫星遥感影像数据

卫星遥感影像数据主要用于铁路的线路规划、预可行性研究、可行性研究等阶段[9]，经过影像预处理、空三加密、立体测图、正射纠正、拼接裁切等作业，制作比例尺为1∶2 000～1∶50 000的地形图、DEM、DOM等数据产品，也可基于卫星影像立体像对制作类似于实景三维模型的三维大场景数据[10]。

1.2 航空遥感数据

航空遥感是指以飞机或气球作为传感器搭载平台的空中遥感技术。铁路勘察设计通常利用直升机和无人机进行中低空垂直航空摄影、倾斜航空摄影及机载雷达测量，获取航摄影像数据和LiDAR点云数据。这些数据可用于制作铁路工程可行性研究、初步设计及施工图设计阶段的DLG、DEM、DOM、地形三维模型、实景三维模型。航空遥感数据的处理过程如图1所示。

图1 航空遥感数据处理过程

1.3 专业调查数据

专业调查数据是指线路、站场、地质、环保、桥梁、隧道、路基等专业根据勘察设计需要，收集、测量和现场调查获得的矢量数据、栅格影像数据、文本表格属性数据等。

1.4 线路设计数据

线路设计数据指各专业设计成果数据，主要包括二维/三维矢量图形数据、线路平竖曲线表、桥梁表、隧道表、路基表、车站表等。

在施工图设计阶段，根据设计资料制作全线的三维设计模型数据。要设计的BIM包括车站、隧道、桥梁、轨道、接触网、站场等内容，如图2所示。

图2 要设计的BIM

2 铁路三维大场景构建方法

铁路三维大场景构建，即基于三维GIS，融合航天遥感、航空摄影、无人机、倾斜摄影、机载激光雷达、地面测量数据、线路设计数据、专业调查数据等多源空间数据，建立一个真实、可量测的三维空间大场景，为设计人员在计算机屏幕上提供直观的三维设计环境。

铁路三维大场景涵盖了各专业应用层及成果层数据，涉及的数据种类繁多、信息量大，且各专业间数据类型、格式要求、坐标系统不一致，因此需要统一数据标准、明确数据格式，并对不同数据源进行数据预处理、坐标系设置及转换、模型轻量化处理、场景空间设置等操作，以便于多源空间数据的管理及场景显示。铁路三维大场景构建技术过程如图3所示。

图3 铁路三维大场景构建技术过程

2.1 多源数据格式标准化处理

为了提高铁路三维大场景构建数据处理效率，在参照相关国家及行业标准的基础上，本文对各专业空间数据格式标准进行了统一，如表2所示。

表2 铁路三维大场景多源空间数据格式标准

2.2 多源数据预处理

多源数据预处理包括数据分类、格式转化，坐标系设置、坐标转换等流程。DEM数据需要结合实测纵横断面、道路、重点地段数据进行融合，以提高模型高程精度，并加注说明信息。专业三维设计模型数据，特别是轨道和接触网线这种大范围的长大模型，在设置对应的坐标投影信息后，还需通过坐标转换将模型坐标转换到地理空间坐标系下，以防止模型顶点错位。

2.3 多源数据轻量化处理

各专业三维设计模型构件精度涵盖LOD 1.0～LOD 5.0级[11]，需要对数据进行轻量化处理及构建缓存金字塔，以满足快速显示浏览、信息提取及三维设计需要。各专业三维设计模型大多基于Bentley软件制作，需先利用Bentley软件插件将设计模型转为UDBX（Universal Spatial Database Extension）格式，进行第一次模型轻量化处理，再利用超图（SuperMap）软件组件生成模型缓存数据，达到层级快速显示的目的。

地理空间数据包括实景三维模型、DLG、DEM、DOM等数据，其数据类型多、数据量大，在经过数据格式转换后，还需要进行数据分层、倾斜入库、生成缓存等轻量化处理。

2.4 多源数据组织管理

铁路三维大场景中存储的数据内容多样，各类数据在数据来源、应用阶段等方面有较大的差别，需要根据空间位置、几何精度、属性数据等信息对各类数据源进行一体化组织和管理，以便于选择合适的地理空间数据。

因此，对于多源空间数据，需要按设计专业进行分类存储，主要包括航遥、地质、隧道、桥梁、路基、站场、环保、线路、站场等专业，使数据来源清晰明确，以满足后续专业调取和分析使用。

3 铁路三维大场景应用系统研发

3.1 系统研发目标

铁路三维大场景应用系统研发目标为采用三维GIS与BIM技术，融合多源空间数据，对铁路沿线一定范围内的三维大场景进行重建，并在重建的三维大场景中实现浏览、漫游、量测、标注、验证设计方案等功能[12]，同时为各级专业交互设计提供专用数据接口，以解决传统二维平面场景存在的场景显示不直观、不全面、勘察设计数据交互烦琐等问题。

3.2 系统总体架构

根据铁路勘察设计各阶段及各专业设计业务需求，结合三维GIS与BIM技术，采用C/S框架对系统的总体架构进行设计，如图4所示。

图4 系统总体架构

（1）网络层

网络层主要包含局域网与互联网，为各铁路设计专业的数据交互提供高效的数据传输通道，实现各级用户随时随地通过客户端对服务端的多类型数据进行获取与更新。

（2）基础设施层

基础设施层为铁路三维大场景应用系统提供所需的服务器、网络、硬件存储设施、安全设备等资源，以确保所属不同类别的专业设计人员可以分权限、分类别的安全访问与编辑数据库的私有及公共数据，从而保证系统高效稳定运行。

（3）数据层

数据层包含用于三维大场景构建的三维模型数据、专业调查数据及勘察设计过程文件数据。三维模型数据包括DOM数据、DEM数据、激光雷达点云数据、实景三维模型数据、BIM数据等，专业调查数据包括线路、站场、地质、环保等专业的矢量调查数据，文件数据包含项目文档、报表文档、图片及视频文件等数据。

（4）数据计算处理与模型层

数据计算处理与模型层为系统实现三维虚拟踏勘及专业设计验证提供了数据计算与模型处理支持。三维数据处理模块主要实现对空间数据的处理，三维踏勘与设计验证模块主要为线路三维虚拟踏勘和专业设计验证提供辅助计算工具，方案展示分析模块主要用于设计方案的三维展示与分析决策。

（5）应用层

应用层主要指的是铁路三维大场景应用系统及其配套的子系统。铁路三维大场景应用系统及其配套的子系统之间可以实现不同设计阶段数据的共享，各专业亦可在此基础上结合专业需求定制个性化的配套子系统。

3.3 系统功能

结合铁路工程勘察设计的业务需求，设计铁路三维大场景应用系统的功能，如图5所示。

图5 系统功能

3.3.1 项目管理

项目管理模块用于实现对整个工程的信息进行存储及管理，包含新建工程、打开既有工程、保存工程及另保存工程的功能。

3.3.2 场景构建

在铁路三维大场景应用系统中进行勘察设计作业时，需要首先利用场景构建模块、基于多源空间数据对铁路三维大场景进行构建。场景构建模块包括地理空间数据的加载、三维设计线位的生成、计算机辅助设计（CAD，Computer Aided Design）图形文件及DGN矢量文件的导入与导出、图层属性设置等功能。

3.3.3 三维踏勘及设计验证

三维踏勘及设计验证模块提供常用的工具集，包含场景三维漫游、线路里程标注、重点工点标注、坐标及里程定位、空间量测、横断面计算分析等。

3.3.4 方案展示

方案展示模块主要包括工点可视化分析、设计模型快速布设与线路漫游飞行等功能模块，可实现铁路线路方案快速巡游展示、重点工点三维可视化分析及桥梁、隧道、路基标准BIM的快速布设，辅助专业设计方案的三维展示与分析决策。

4 工程应用

4.1 三维虚拟踏勘

铁路三维大场景应用系统可在计算机屏幕上构建一个大范围、可量测、真实感的三维虚拟踏勘环境，并利用场景三维漫游、线路里程标注、坐标和里程定位等系统工具，辅助铁路各专业设计人员进行室内线路三维虚拟踏勘。

在宜渝（宜昌—重庆）铁路项目中，构建了全线68 km的三维大场景，辅助专业设计人员进行线路三维虚拟踏勘，开展了沿线滑坡、错落、危岩落石、崩塌、岩堆、顺层滑动等不良地质判释工作，解决了CK9～CK20段受山高林密影响导致设计人员无法进行现场踏勘的问题，提高了勘察设计工作效率。

4.2 专业设计验证

利用铁路三维大场景系统，可以对铁路重点工点线路走向方案及重点桥梁孔跨布设、隧道进出口位置选择等进行验证，辅助专业设计工作。

在文蒙（文山—蒙自）铁路项目中，利用铁路三维大场景系统对天生桥1号～3号桥段线路与左侧立交匝道及右侧山涧的位置关系进行多视角、全方位三维踏勘，进而验证和优化线路设计方案。

在通苏嘉甬（南通—苏州—嘉兴—宁波）铁路项目施工图设计阶段，在构建的铁路三维大场景中加载BIM设计模型，对桥梁、隧道设计模型与周边市政公路、高速铁路的相对关系进行核实，对设计方案的可行性进行验证。

4.3 方案三维展示分析

在文蒙铁路项目中，利用系统“线路漫游飞行”功能，沿线路设计方案进行不同飞行高度和速度的线路漫游展示，并借助录屏软件录制方案展示视频。在通苏嘉甬铁路项目中，利用系统“可视化分析”功能预先制作了多个重点工点的三维可视化分析方案，在方案展示时通过加载已有可视化分析方案，实现多个工点的快速切换和三维展示分析。

5 结束语

本文研究了铁路三维大场景的构建方法并设计了铁路三维大场景构建与应用系统，实现了铁路三维场景构建、虚拟踏勘、设计验证及方案展示的功能，与传统二维场景相比，三维大场景可为铁路设计人员提供一个更加直观、全面、真实的三维设计环境，提高了铁路勘察设计数字化、信息化水平，在铁路建设项目中具有广泛的推广应用价值。

未来，本文将针对铁路勘察设计、施工建设和运营维护相统一的铁路三维数据库建立，以及移动端、网页端三维大场景应用系统研发等工作进行研究，以实现铁路全生命周期数据标准统一、勘察数据采集智能化、勘察过程低碳化、勘察设计成果数字化的目标。