chanong 作者信息
陈光、薛梅、刘景邦、何幸福、周志海
（重庆勘察院重庆401121）
[摘要] 市政道路BIM 设计模型与GIS 数据集成，针对现有市政道路模型交换标准的缺陷以及道路BIM 设计模型与GIS 模型集成中缺乏几何和语义信息的缺陷，提出一种实现这一方法的方法。其核心是基于CityGML模型标准重新定义扩展道路设计模型，通过元素语义分析、几何模型转换等过程实现道路模型与GIS数据的集成存储和表示。以重庆市九龙坡区银朝社周边城市道路设计项目为例，我们进行了道路BIM设计模型与现有城市3D模型数据融合的实验，发现该方法很好地保留了整体结构。扩展定义的道路设计模型充分存储和表征了道路设计元素，涵盖了道路断面特征和道路设计模型特征。该方法有望应用于城市规划和城市设计。
[关键词] 道路设计、Civil3D、地理信息系统
【中文图书馆分类号】P208 【文献识别码】B 【文章编号】1672-1586（2018）03-0082-05
引用格式：陈光，薛梅，刘金邦等，城市道路BIM设计模型与三维GIS数据集成方法[J]，2018，25(3):82-86。
正文 引 言近年来，以协作和信息集成为目的的建筑信息模型（BIM）技术得到广泛推广。但BIM主要用于单体项目的设计和管理，难以考虑建筑周边宏观地理环境因素的影响。城市道路、高速公路建设项目的实施与城市规划密切相关。这片广大地区的地形、地质、景观、建筑等都与该地区的现状密切相关。越来越多的学者正在研究BIM与地理信息系统（GIS）的集成应用，以实现从规划设计到施工运营的整个项目生命周期真正的数字化管理目标。现有的BIM和GIS集成研究主要集中在工业基础类（IFC）和CityGML标准之间的集成。现有的集成框架和方法对于处理市政道路BIM 和GIS 是无效的。限制。邓提出了不同细节层次的BIM和3DGIS制图框架，实现了基于中间模式和实例比较的要素相互转换，但没有包括道路对象信息的交换。 Lee在IFC中添加了三维道路模型来表示物体的语义信息。 Rebolj 引入了PMC 模型来将道路横截面表示为LandXML 架构中的DesignCrossSectSurf 元素定义。虽然此类研究旨在基于现有BIM 模型来扩展对道路对象的支持，但在实践中，不同学科之间通过简单的模型转换来实现信息交互的方式仅保留了少量的语义信息，且存在局限性。应用非常明显。
提出一种城市道路BIM设计模型和GIS集成方法。整体技术框架如图1所示。首先，基于CityGML应用领域扩展（ADE）框架对现有道路模型进行扩展，形成支持完整道路要素的扩展道路设计模型。然后以自下而上的语义顺序解析LandXML 道路设计交换格式。如何创建一个文件来捕获道路设计方案的实体、形状、属性和元素关系信息，并将实体模型扫描为边界模型，同时考虑到BIM 对象和GIS 模型的几何表示的差异。考虑。道路设计模型格式保存转换后的道路设计模型，并实现与3D GIS模型数据的集成显示。
图1 整体技术框架图
图1 技术框架
一、方法原理 1.1扩展道路设计模型定义 1）CityGMLADE扩展框架通过研究和比较以CityGML为代表的道路BIM设计模型和GIS模型，我们发现道路设计模型包含更多的实体、语义和几何信息。因此，GIS 模型需要以下信息：扩展以提供模型数据之间的无缝集成。 CityGMLADE 是一个用于扩展和添加模型的框架，允许对现有模型进行扩展，例如为现有CityGML 对象定义新属性或建立新的对象模型。 ADE 被定义为具有单独命名空间的XMLSchemaDefinition (XSD) 文件，可以显式导入到CityGML 扩展模块中以验证XML 模型文件。
2）道路要素映射现实中的道路是由路面层、隔离带、排水沟、路缘石等多种物理元素组成，如图2所示。同时，基于参数的道路设计流程提供了丰富的几何元素用于参数化表示道路实体对象，如水平线形（直线、缓和曲线、圆曲线）、竖向断面（圆曲线、抛物线等）。将进行介绍。 ）、横断面图（道路宽度、路冠、超高、加宽等）等。建立CityGMLADE扩展模型，首先需要建立道路要素与ADE要素之间的映射关系。
图2 路段物理要素关系示意图
图2 道路断面物理要素关系示意图
通过对道路实体元素的综合分析，根据应用特点将道路元素分为实体元素和几何元素两类。几何元素是道路对象的基本元素，主要表示道路的形状、拓扑等信息。实体元素对应具有语义信息的道路组件，各个组件由几何元素和属性信息组成。为每一类实体元素和几何元素建立对应的ADE元素并分配唯一的编码标识符。
3）扩展道路设计模型本研究基于CityGML中现有的类，通过定义新的要素类建立道路扩展模型。扩展ADE 在外部XMLSchema 文件中定义。 ADE 扩展模型继承了由CityGML 标准本机定义的交通模型类元素(_TransportationObject) 的Road 子元素。道路ADE增强模型包含两个分支：增强路段元素（ADERoadSegment）和增强空间约束元素（ADESpatialConstraint）。扩展路段元素包括路段几何和实体元素的配置和属性定义。扩展空间约束定义了路段元素几何表示的基本元素。根据特征映射结果构建道路ADE增强模型，如图3所示。
图3 CityGMLADE扩展模型道路的UML图
图3 UML路线图ADECityGML扩展模型
1.2语义化解析本文采用自下而上的方法分析道路BIM模型文件，依次解析道路设计模型的几何元素和属性信息，并根据元素关系恢复道路实体元素。
路线设计通常由直线和各种曲线组成，在平面上表达道路中心的连续位置和方向信息，是水平线形。道路线形设计通常由直线、圆曲线和缓曲线组合而成，形成各种复合线形。各种偏置路线和道路中心线共同构成路段的框架结构。偏移路线和道路中心线对应于LandXML 中的路线节点。我们将考虑如何通过制定路由定义规则来实现路由记录之间的显式关联。名称为[路段名称]+[分段编号]+[方向]+[dlzx/组件类型]。根据路线节点的名称属性找到道路中心线及其偏移线，并根据名称确定偏移线之间的构成对象（道路、人行道等）的关系。
如果线是弯曲的，则每个横截面位置的偏移线长度会不同，线的线型配置也会不同。在本研究中，我们利用路边站编号支持来实现道路断面的关联。不同位置的对齐。根据路段具体特点，以道路中心为水平基准，沿道路方向等间隔设置桩（公里桩、百米桩等）。沿着偏离道路的桩位绘制道路中心线的法线，将线相交的点记录为相同的站号，显示道路中心线与偏移线之间的相关性。它表示不同的路段，并支持后续路段特征的表示。
轮廓对齐设计通常由直线段和圆形曲线或对称抛物线组成，并由LandXML 文件中“对齐”元素下的“轮廓”子元素表示（包含弯曲轮廓）。 ProfSurf）和设计配置文件（ProfAlign）。通过整合同一路线的平面和纵向线性设计，可以获得该路线的三维几何信息。
LandXML 使用离散采样横截面信息来组织和表示道路设计计划。横截面设计模式如图4 所示。 CrossSect元素下的每个DesignCrossSectSurf子元素都是构成当前横截面的组件，包括名称、位置（中心线左侧或右侧）、形状（轮廓节点的坐标字符串）等信息。截面构件通常按设计顺序放置：中心隔震构件、右侧从中心到右外侧（到边坡）、左侧从中心到左外侧（到边坡） ）。组件的几何特征通常是多边形，例如矩形，每个节点的“代码”和横截面平面坐标（x，y）在CrossSectPnt中顺时针列出。解析断面信息的步骤：首先根据“side”属性读取当前断面一侧的所有组件信息，并根据位置（x坐标）确定路段的侧面结构。 ）的每个组件。
上述分析得到的几何元素中，水平线形和竖向断面线形的组合可以表示为三维曲线，道路断面几何对象节点沿对应的三个三维曲线平行平移。维曲线。形成的扫掠实体模型即为道路实体单元。可以根据横截面DesignCrossSectSurf元素的name属性来确定每个横截面构件实体对象的类别。
图4 道路横断面LandXML设计模式
图4 使用LandXML 模式定义道路横截面
上述分析得到的几何元素中，水平线形和竖向断面线形的组合可以表示为三维曲线，道路断面几何对象节点沿对应的三个三维曲线平行平移。维曲线。形成的扫掠实体模型即为道路实体单元。可以根据横截面DesignCrossSectSurf元素的name属性来确定每个横截面构件实体对象的类别。
1.3几何模型转换道路设计模型通常将基于横截面构件装配模型和道路水平/垂直线性设计生成的扫掠实体模型（SweptSolid）转换为 二、实验与分析定义的边界面模型（BoundaryRepresentation，BRep）道路设计模型。 CityGMLADE 要求您执行要素表面模型转换。具体流程如下。
1）定义一个函数，将扫掠平面和扫掠线的坐标值转换为世界坐标系的坐标值，并根据扫掠平面和扫掠线生成边界面。扫描平面为AB，A=(XA,YA,ZA)，B=(XB,YB,ZB)，扫描矢量V=(XV,YV,ZV)，扫描后该点的坐标如下。
2) 新生成的扫掠平面为AA'B'B，可直接转换为边界面。
如果扫描线是一条曲线，它可以表示为一系列连接点，如下所示：
设Tn 为曲线中点Pn 的切向量，定义如下。
3) 在扫描平面的边界上选择点A=(XA,YA,ZA,0)。对应扫掠平面上的近似点坐标计算公式如下：
式中，Mn由Tn（式（5））组成，N为扫描曲线所在平面的法向矢量。
上述方法难以应对路段拓宽和超级高架桥情况。从行车安全角度考虑，车道通常设计为加宽，在进出弯道时，车道宽度逐渐变化（通常是车道偏移线加宽并移动），道路断面也会发生变化。还包括外甲板高于内甲板的超高作业。对于超高和加宽设计断面，上述扫掠实体转换方法不能用于生成表面实体模型。本研究根据道路中心线与偏置线的空间约束关系，采用上述断面线性相关法（等阶段采样、正常交叉）对路段进行拓宽，并将路段划分为单独的路段。补片宽度根据对齐位置两侧组件（隔离带、路缘石等）的宽度尺寸进行修改，并根据组件重新定位补片位置。厚度信息。在道路设计模型中，断面位置由sta属性字段中记录的道路站号指定。因此，为了获得道路几何模型在现实世界中的绝对位置，需要对道路几何模型进行坐标变换。
通常，道路设计软件基于三维数字地形数据进行设计工作，LandXML道路设计模型文件中的路线元素包括每条直线段的起点和终点的坐标及其对应的坐标。被记录。该坐标系与地形数据的坐标系相匹配。因此，在本研究中，我们以路面的线性绝对坐标位置为参考，根据构成物体在横截面上的偏移值计算绝对坐标值。
三、结束语本实验中，我们采用银鸟社周边城市道路工程项目的道路设计结果作为实验数据，如图5a所示，并使用本文的方法将其与周边3D GIS模型数据相结合。整合。该项目位于重庆市九龙坡区，地势崎岖，北高南低，梯田清晰。共有3条次干道和1条支线。规划道路总长约3公里。本项目采用Autodesk Civil3D2015作为道路BIM设计平台，以项目区域地形图数据1:500为基础数据，进行地形面施工、水平线形设计、竖向断面设计、横断面装配设计等流程。至此，3D道路设计模型创建完成，将输出LandXML格式的道路设计文件，作为本文综合实验的数据源。
实验中，我们采用独特开发的3D数字城市平台作为实验环境，根据本研究设计的CityGMLADE扩展道路模型和转换方法对实验数据进行转换，并将转换后的模型数据与周围景观数据和荷载进行整合。它。进入平台。最终实验结果如图5b所示。图中红线是包含坡度的道路范围线，里面的线是道路设计结果转换的CityGML模型数据。从整体融合效果来看，道路设计模型与该区域现有3D模型完全融合，包括与现有道路及周边地形的融合效果，满足3D GIS显示要求。
Ginchosha Civil3D 道路BIM 设计结果
Civil3DroadBIM 设计Inchao 俱乐部结果
b道路BIM与周边3D GIS数据集成
b道路BIM和3DGIS数据集成
图5 实验数据综合综合对比
图5 实验数据全部综合结果对比
为了进一步检查道路模型的集成结果，可以参考Civil3D中特定路段的横断面装配设计来检查相应路段GIS模型的详细特征，如图6a所示。横截面装配设计包括坡道、人行道、路缘石和车道等组件，其间没有任何隔离带组件。路段集成实验结果如图6b所示。从横截面结构的角度来看，集成模型在设计模型中具有与确定宽度的偏移线相关的组件。合并模型两侧的道路不匹配。此外，实验平台还根据预先配置的道路设计模型组件建模材料自动进行默认纹理映射。集成模型具有良好的仿真可视化效果。
a 道路断面装配设计
a 道路断面装配设计
b 对应路段断面模型的积分效果
b 路段积分结果
图6 道路断面详细整合效果对比
图6 道路断面换算结果对比
对于结构复杂的交叉口，选取项目区T型交叉口设计模型作为实验参考对象，如图7a所示。该交叉口由支路和主路之间的平交路口组成。路面未采用渠道化设计。由于该区域平台高差较大，采用多级高边坡开挖设计。查看详细的交叉口综合模型。完成路段间拓扑结构，路段间断面模型准确连接，两侧多级边坡模型准确反映实际设计结果。
道路交叉口BIM设计
道路交叉口BIM设计
b 交叉点积分效应
b 整合相应道路交叉口
图7 道路交叉口详细整合效果对比
图7 道路交叉口细节整合效果对比
在我们的实验中，我们比较了其他道路模型交换和集成方法。道路项目导出为LandXML 和IMX 格式的文件交换，直接导入商业平台Autodesk InfraWorks，并与项目周围的数字表面模型集成以进行显示。可视化效果如图8所示。
aRoad BIM 集成了LandXML 格式的效果
集成Road BI 和Land XML 格式
bRoad BIM 集成IMX 格式的效果
广泛的BIMinIMX 格式集成
图8 综合道路BIM项目与传统交换格式对比实验
图8 综合道路BIM常规交换格式对比实验
可以看出，道路BIM模型的水平线形、纵断面、横断面坡度的几何信息得到了集成和保留，同时保留了路面和坡度的纹理和多种几何特征。集成的路段拼装信息也不能完全代表原道路项目的路段拼装设计。
通过对整体到细节、截面结构到拓扑、纹理、立面等设计元素的模型集成和对比分析发现，本研究设计的CityGMLADE增强道路模型充分保留了道路BIM设计数据。模型同时进行转换。该集成方法在转换过程中更好地保留了设计结果的空间、语义、拓扑等信息。 Ginchosha项目包含了典型城市道路设计的综合特征，本文通过综合实验分析证明了该方法的有效性。
本文基于010-59000CityGML标准，研究建立支持道路BIM设计模型数据和3D GIS模型数据集成存储和表示的扩展道路设计模型，并对道路设计研究进行分析。我们基于LandXML标准交换格式文件方法建立了模型，建立了参数化设计模型到GIS模型的几何转换方法。实验分析表明，本文方法在单元完整性和结构精度方面具有较好的性能。通过融合城市道路BIM设计模型和GIS数据，可以利用丰富的3D城市模型，支持综合考虑城市风貌和城市风貌的城市道路规划设计。
拆迁范围，优化道路设计方案，另一方面，可以实现从微观到宏观的三维空间数据的管理与可视化分析，支撑大规模道路工程的协同分析和共享应用，提高数据应用效率。
