铁路工程项目线状分布、地域广泛、施工复杂，传统管理模式下难以实现多维信息的准确高效传递与集成管理，需要利用信息模型对铁路工程在其全生命周期内所涉及的资源、活动和产品等进行有效地组织和管理，一般的模型信息只是描述客观现实，并不具备信息承载的能力。以空间分析和三维可视化为核心技术的GIS提供了研究地理实体要素的手段和方案，以GIS为技术基础的平台可以满足用户对铁路工程全局性表达的需求。而高精度的BIM模型为GIS提供重要的数据源，整合了建筑的图形、非图形信息，将信息参数化集成，实现数据驱动模型，满足用户对工程的精细化管理要求。
BIM和GIS的融合可以深化多领域的协同应用，为铁路工程建设的信息化、可视化管理提供技术手段，提高各阶段信息共享水平，节约成本，避免浪费。基于GIS-BIM技术构建的铁路工程建设地理信息系统在郑万铁路试点应用效果良好，本文整理了这篇GIS+BIM铁路工程建设管理应用的图文，希望能为铁路工程建设信息化、可视化管理提供参考。
铁路工程建设的空间、非空间数据的存储和集成共享十分重要。GIS存储管理的数据不仅具有一般属性数据，还包括与位置有关的空间特征数据；空间数据可采用文件的形式存储，但是这种方式数据易丢失，也不能满足用户对空间数据并发访问的需求，因此，可采用统一的DBMS存储空间数据和属性数据，并在数据库上增加一个空间数据管理层，利用特殊的表结构来实现空间数据和属性数据的无缝集成等。
下面介绍一种Oracle+ArcSDE的数据存储架构。将铁路工程建设数据存储为shp格式，利用空间数据引擎ArcSDE将数据批量加载到空间数据库中，并创建相关的属性表，在这些属性表与ArcSDE业务表具有一列相同的属性字段，空间数据与属性数据可以通过这个字段关联起来，实现地理空间数据与非空间数据在空间数据库的存储。
以SOA作为基础架构，以Web服务作为信息共享的主要实现技术手段，搭建一个可复用的资源环境。使用标准的接口将既有的铁路工程业务系统的数据封装成Web服务，通过发布与调用完成使用过程。基于SOA架构的数据集成整合了业务系统积累的实时数据，将空间数据和属性数据有机融合，通过应用系统级的共享，实现了数据的基础与共享。数据流程见图1。
图1 数据流程图
BIM模型中所集成的信息都可以通过参数化的手段进行关联，一旦模型中某个参数发生改变，模型实体能自动地进行更改，这为铁路工程建设的精细化、可视化管理提供一种新的管理思路。但是铁路工程具备地理属性，因此还需要借助地理信息的空间分析，将GIS-BIM两者有效融合，构建一个具备空间场景的三维工程建设模型，对施工环境和施工现场有效的监督与管理，为用户提供一个既可以全局把控又可以精细管理的技术手段。
铁路工程的工程结构是有规律的按照一定地理空间重复排列，其构件参数可以定义各种几何特性，按照一定的公式或者数学法则相互关联，从而通过设定构件参数建立模型，可选择应用参数驱动模型的手段建立三维场景。该技术思想是在一个GIS环境下，制作二维矢量数据(含高程信息)，调用GIS属性数据，利用参数化规则文件驱动生成模型。选用CityEngine软件，通过编写CGA规则，提取二维数据属性，激活二维数据对象，参数化驱动生成三维模型，同时能够产生大范围的模型及多种建筑物样式。这样生成的三维模型具备地理属性，便于编辑与操作。参数化规则建模示意图见图2。 图2 参数化规则建模示意图
CGA规则建模的基本思想是定义规则，并反复优化设计更多的模型细节。CGA规则可对模型进行平移、拉伸、旋转、切割、贴纹理、模型替换等操作，常见的命令见图3，构建的模型见图4。
图3 常见操作命令
图4 参数化规则建模构建模型
BIM是基于IFC扩展语义要素，形成存储标准，3D GIS是应用CityGML三维模型数据标准的存储框架，因为存储和表达的差异，二者不能各自在软件平台上互相友好支持，目前，关于IFC与CityGML整合主要在转换框架的设计、基于标准扩展机制的整合、基于数据格式的转换。下面介绍一个信息模型在BIM和GIS领域及其软件平台间无损转换和无缝衔接的方法，提出一种基于FME格式转换软件平台对模型进行处理分析和应用，实现精细模型的跨地域展示，其流程见图5。 图5 BIM与GIS数据转换流程
研究思路是应用数据格式转换软件FEM将BIM模型放入GIS环境中。BIM模型来自Revit软件的RVT格式，利用FME在Revit软件里的插件，将RVT格式转换为一种中间格式RVZ，然后将RVZ文件导人FME软件平台中，按照要素特征，调整配置合理的参数，最终转换为shp格式文件，利用ESRI软件功能处理所有文件，这种方式导出模型的姿态与原始Revit模型相一致。
从外观上来讲，这种格式转换方式不需要人工干预，颜色和透明度会保持比较完整；
在属性方面，RVZ的中间格式保留了大部分BIM信息；
从模型体量来说，RVZ格式的文件体量是原文件的1/7，因此转换的GIS模型体量小，信息比较完整。
对比见图6，效果图见图7。
图6 BIM格式与GIS格式比对
图7 BIM转换为GIS模型对比
铁路工程建设地理信息系统引入倾斜摄影技术，通过在飞行平台上搭载多台传感器(目前常用的是五镜头相机)，从垂直、倾斜等不同角度采集影像，获取完整准确的地面物体。采集影像数据后，利用建模软件将采集的数据进行建模，地物建模采用Smart 3D软件，通过计算机图形计算，生成点云，点云构成格网，格网结合照片生成赋有纹理的三维模型。区域整体三维建模方法生产路线见图8。文中采用的场景数据由无人机采集，无人机航拍的影像经过建模软件处理可以产生一些数据格式，铁路工程建设地理信息系统基于ESRI软件，生成适用于ESRI软件的spk格式。实现了利用无人机+Smart 3D，构建了施工的场景模型。
图8 区域整体三维建模方法生产路线图
目前，基于GIS-BIM技术构建的铁路工程建设地理信息系统在郑万铁路试点应用，辅助高铁建设管理。在郑万河南线第2标段40 km范围内实现了倾斜摄影和三维建模及GIS-BIM的综合展示功能。通过无人机5个角度倾斜摄影，生成点云并贴图，最终生成地表模型。飞行摄影范围包括：线路两侧各100 m、梁场和拌合站等，采用WGS84 ( World Geodetic System 1984)坐标系，飞行高度在150 m~200 m，比例尺精度设置为1:500，形成的场景见图9。
图9 基于倾斜摄影的场景模型
应用参数化规则建模技术，为郑万第2标段40 km建立桥梁的三维模型。基础数据结构见图10，以铁路工程桥梁为例，提取数据的属性信息，形成二维数据面，见图11，然后对其数据进行拉伸，将二维数据转换成三维模型。并对模型进行细化、切割、替换、贴纹理，使模型更趋近现实，构建完成的三维场景可以基于WebGIS技术发布服务，用户可以在Web端查看，见图12。该结构模型的精度可以达到所需的颗粒度，生成局部场景的效果图及关键施工工艺过程的展示动画。
图10 梁体数据结构
图11 具备属性数据的面要素
图12 三维铁路桥梁服务图
铁路工程建设地理信息系统基于互联网建设，集成共享铁路工程管理平台业务数据，以决策支持的可视化为目标，以地理信息技术为支撑，服务铁路工程建设各参与方的二三维一体化支撑系统。目前，该系统已在一些铁路工程建设单位进行试点应用，取得良好的效果。在未来的发展中，GIS与BIM将深度融合，在地理环境中有效支撑大范围的BIM数据集，利用数据库系统对其进行高效管理，从而支持对大规模工程的协同分析和共享应用，提升铁路行业的核心竞争力。
来源：铁路BIM联盟
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