语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法_赵静.pdf

创新应用地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷 第6期2022年12月Vol.29 No.6December，2022语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法引文格式：赵 静，郭永欣，丁雨淋，等.语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法J.地理信息世界,2022,29(6):89-94.A Lightweight Method for BIM Data of Railway Tunnel with Semantic Constraints赵 静1，郭永欣1，丁雨淋1，黄贤喆1，王 玮21.西南交通大学 地球科学与环境工程学院，四川 成都 611756；2.轨道交通工程信息化国家重点实验室（中铁一院），陕西 西安 710043基金项目：国家自然科学基金项目（41941019）作者简介：赵静（1996），女，江苏扬州人，测绘科学与技术专业硕士研究生，主要研究方向为地理信息系统与虚拟地理环境E-mail：通信作者：丁雨淋（1986），女，湖北襄阳人，副教授，博士，主要从事灾害模拟评估、大数据分析等研究工作E-mail：收稿日期：2022-02-28ZHAO Jing1，GUO Yongxin1，DING Yulin1，HUANG Xianzhe1，WANG Wei21.Faculty of Geosciences and Environmental Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu611756,China;2.State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization(FSDI),Xian 710043,China【摘要】GIS与BIM集成是铁路隧道工程信息化的关键技术，越来越多的长隧道构件级BIM模型，几十公里长的铁路隧道BIM模型如何在GIS中实现高性能可视化分析成为挑战性难题。目前，高精度复杂铁路隧道BIM模型多以参数化形式表达，转换为GIS模型后几何数据量急剧增大，同时GIS通用标准中针对隧道BIM模型的构件尺度层级划分存在不一致等情况，难以实现铁路隧道工程场景精细化管理与高效可视化分析。为此本文提出了一种语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法，首先建立铁路隧道BIM模型多细节层次描述规则，然后利用构件语义信息提取并简化构件几何信息，获取多细节层次模型数据，并对多细节层次模型进一步优化组织管理。本文方法在康定2号铁路隧道BIM模型数据中得到验证，结果表明能有效提升铁路隧道BIM模型在GIS环境中的表达效率。【关键词】铁路隧道BIM模型；网络地理信息系统；语义约束；轻量化；多细节层次【中图分类号】P2；TU196 【文献标识码】A 【文章编号】1672-1586（2022）06-0089-06Abstract：GISandBIMintegrationisamust-havetechniquetotherailwaytunnelengineeringinformatization.Itisbecomingincreasinglydifficulttoachievehigh-performancevisualanalysisinGISoftensofkilometersofrailwaytunnelengineeringduetotheincreaseoftheamountofmassivelongtunnelcomponent-levelBIMdata.Currently，themajorityofhigh-precisionandcomplexrailwaytunnelBIMisexpressedbyparameters.InGISmodels，theamountofgeometricdataincreasessignificantly.Inaddition，thereareinconsistenciesinthecomponentscaleandhierarchyoftherailwaytunnelsBIMdatainthegeneralGISstandard，makingitdifficulttorealizerefinedmanagementandefficientvisualexpressionofrailwaytunnelengineeringscenarios.Thispaperproposesasemantically-constrainedrailwaytunnelBIMlightweightmethodtoestablishLOD（multiplelevelofdetails）descriptionrulesforBIMoftherailwaytunnel，andtoformLODdatawithcomponentsemanticinformationbyextractingandsimplifyingcomponentgeometricinformation，therebyoptimizingorganizationalmanagementofLOD.Finally，themethodsefficiencyistestedbyBIMdatafromKangdingNo.2railwaytunnel.WefoundthatthemethodeffectivelyimprovesBIMdataexpressionintheGISenvironment.Key words：BIMofrailwaytunnel；WebGIS；semanticconstraint；lightweight；LOD0 引 言 面向铁路隧道施工的深化设计 BIM 模型是由铁路设计单位生产的正向设计 BIM 模型发展而来，在铁路隧道正向设计 BIM 模型基础上增加了能够指导现场施工的更精细构件的几何信息及属性信息，在实现铁路隧道施工全生命周期信息化方面具有重要价值。面向铁路隧道施工的深化 BIM 模型具有空间跨度大、几何结构复杂、建模参考标准细节层级单一的特点，如铁路工程信息模型交付精度标准（1.0 版）1中铁路隧道明洞结构图类别建模标准层级划分（表 1），主要偏重于单体信息模型及构造单元的精细模型。同时铁路隧道是带状工程，受沿途地理环境、地质条件、经济因素、城市规划等多方面影响，独立分散的 BIM 模型仅能反映单点工程信息，在三维信息模型的多尺度表达、一致性分析和管理方面存在明显不足，只有集成的 BIM 模型才能反映全面真实的工程2。GIS 技术以空间分析和空间数据库及三维可视化为核心，可以满足铁路建设工程的完整性、全局性、宏观性的表达要求，因此铁路隧道 BIM 数据在 GIS 环境中集成融合是满足多样化铁路隧道工程应用的有效途径。90地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷创新应用表 1 铁路隧道 BIM 模型几何细节层级Tab.1 Tunnel BIM model divided into multiple detail levels隧道结构LOD1LOD2LOD3LOD4拱墙G1G2G3G4仰拱G1G2G3G4仰拱填充-G3G4电缆沟槽及盖板-G3G4反滤层-G2G3黏土隔水层-G3G4土石回填G1G2G3G3明洞保护层-G3G3排水盲管-G3G3明洞回填-G3G3G1 为一级表达精度，G2 为二级表达精度G3 为三级表达精度，G4 为四级表达精度铁路隧道 BIM 模型与 GIS 模型组织方式存在显著区别，主要体现在几何信息与非几何信息两个层面。1）铁路隧道 BIM 模型中的几何信息多采用参数化几何描述，参数化模型用少量参数表达复杂的几何结构（如倒角结构等），而 GIS 则采用三角化几何描述，用顶点、法线等信息进行描述。铁路隧道 BIM 模型向 GIS模型转换时，为保证 GIS 模型的几何信息描述精度，需密集的三角网对复杂几何结构进行拟合，特别是高精度复杂参数化模型在转化为 GIS 模型后数据量激增3，成为 GIS 环境中铁路隧道 BIM 模型的管理、渲染及多样化应用效率的重要影响因素。2）铁路隧道 BIM 模型语义描述存在族库、隧道构件等概念下的多层次语义关系，空间划分的思路有效适用于 BIM 数据在 GIS 环境中的空间表达，但是难以适应实际铁路隧道工程 BIM 多样化应用中构件精细化层级管理和高效表达的要求4。目前，工程建筑领域在 GIS 环境中轻量化集成 BIM模型，主要集中在数据融合与集成应用两方面。一方面BIM 与 GIS 数据融合研究主要聚焦在模型转换层面，如将 BIM 国际通用数据标准(如 IFC)转换为 GIS 国际通用数据标准(如 CityGML)。其中部分研究通过分析 IFC 与CityGML 模型中所有建筑构件类型及关联的语义信息，建立 IFC 到 CityGML 各层级的映射模型5；也有研究聚焦在 IFC 与 CityGML 相互映射的方法，如 El-Mekawy 提出一种 UBM 数据模型，该模型实现两种模型双向转换6。针对 CityGML 部分特定应用领域多细节层次划分标准缺失的情况，一些学者利用 CityGML 的 ADE 扩展接口进行针对性扩展，如基础设施 InfraADE7、城市内涝 CTWLADE8，也有一部分学者针对现有 GIS 平台进行二次开发，设计GIS 与 BIM 数据的集成框架满足融合需要9。另一方面BIM 与 GIS 集成应用研究主要聚焦于 BIM 数据在 GIS 环境中的管理、可视化及全生命周期应用层面10，如面向导航应用的 IFC 建筑模型室内空间信息提取方法，对 IFC建筑模型进行一体化提取；面向城市基础设施规划，实现了城市能源系统的三维可视化11；基于 BIM+GIS 技术的区域数字水库管理平台，建立多层次数据融合、共享与研判系统，实现水库 BIM 信息三维可视化展示12。上述转换方法主要是通过数据标准 IFC 和 CityGML之间的空间和语义转换，由于应用领域、空间特点及构件分类的差异，同一类方法面向不同应用转换时存在信息错误和丢失、几何语义信息耦合度低及应用扩展性差的情况13，尤其是针对空间跨度大、构件几何结构复杂、细节层级单一的铁路隧道工程 BIM，亟需发展一种适用于铁路隧道工程 BIM 的转换方法，以支撑铁路隧道工程 BIM 模型在 GIS 环境中高性能可视化分析。除此之外目前隧道工程领域 BIM 与 GIS 的通用数据格式转换存在数据标准缺失问题，IFC 中未有专门的铁路隧道建模模块，CityGML2.0 中对隧道的描述只是基于空间语义进行划分，将其表述为几个抽象的基类，如隧道 HollowSpace内部空间基类下分 TunnelFurniture 空间可移动部分与IntTunnelInstallation 不可移动的附着构件，没有更细节的层级划分，不符合实际施工单位划分类别和管理尺度。本文研究顾及语义的铁路隧道多细节层级设计方法，通过对铁路隧道 BIM 模型进行分层、提取和简化处理，得到了隧道各层级轻量化模型文件，并对其进行优化组织，以康定 2 号铁路隧道 BIM 模型为例详细阐述轻量化方法流程，结果证明该方法可有效提高空间跨度大、构件几何结构复杂、细节层级单一的铁路隧道深化设计BIM 模型在 WebGIS 环境下的可视化效率，支撑铁路隧道BIM 模型在三维 GIS 环境中的高效轻量化表达。1 顾及构件语义的铁路隧道轻量化模型 LOD 层级划分细节层次（LOD）是指根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置及重要程度，决定模型几何精度等级及客户端图形渲染进行资源分配4。铁路隧道 BIM 模型直接进行 GIS 三角网格化转换时三角面片大量冗余，直接将其读入内存交给 GPU 进行图形绘制的方式在效率上是一大瓶颈，本文根据铁路场景展示应用需求及隧道实体构件的重要程度，对隧道 BIM 模型数据从宏观到微观进行多细节层次划分，建立符号模型、概略模型、简化912022年 第6期创新应用赵 静，等.语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法表 2 铁路隧道轻量化模型多细节层次划分Tab.2 Railway tunnel lightweight model divided into multiple detail levels细节层次模型表达形式等级模型几何表达精度要求LOD1三维矢量线条符号模型满足符号化识别需求LOD2隧道模型包围体概略模型满足空间占位等粗略识别需求LOD3隧道主体轮廓提取简化模型满足真实外观等精细识别需求LOD4构件级实体模型精细模型满足结构施工、产品制造等高精度识别需求1）LOD1。以三维矢量线状形式表达，是铁路隧道设计走向的中心线。该层次主要考虑满足铁路全线位置与走向的认知需求，是符号化表达，仅限于概括性层面，基本不涉及专业性知识和术语，服务于高级别的决策层，如面向总体指挥部。2）LOD2。是隧道模型的包围盒，由隧道中心线与隧道横截面直径拉伸而成的圆柱体，满足空间占位等粗略识别的需求，服务于高一层的认知需求，面向初步的专业领域应用。3）LOD3。是对隧道主体轮廓的提取，表达材质纹理信息，满足真实外观等识别需求17，以定性分析需求为主，面向勘察设计部门等。4）LOD4。是基于最小功能单元构件来划分的深化设计后的隧道模型，注重钢筋网片、锚杆与钢架等施工细节的表达，满足定量分析需求，该尺度下工程都已基本具备量测的条件，用于给施工单位提供详尽、明细和直观的铁路隧道三维实体表达。模型和精细模型144 级空间结构层次，参考 CRBIM10032017铁路工程信息模型表达标准(1.0 版)15模型单元表达细节规范，在保留重要特征的同时减少不必要的数据冗余，以符合人们对模型认知过程的层次性16，概述的铁路隧道 LOD 层级划分见表 2。2 铁路隧道 BIM 模型多细节层次构建 方法铁路隧道 BIM 模型与 GIS 模型在几何表达上存在较大差异，BIM 模型采用参数化几何描述，包含 B-Rep（边界描述）、CSG（构造实体）和扫描体表达形式，而 GIS场景采用的是三角面片边界描述 B-Rep。由于参数化描述没有多细节层次几何信息，因此参数化几何描述的BIM模型向三角化几何描述时为了保证几何细节和精度，使得 GIS 边界描述模型数据量较大。为了在 GIS 场景中高效管理与可视化分析铁路隧道 BIM 模型，当 BIM 参数化表达转为 GIS 的 B-rep 表面模型表达时必须进行简化与几何重构（图 1）。铁路隧道的 LOD1-LOD3 转换是基于最精细的 LOD4模型进行提取、简化、拟合等操作层层降级完成的5。首先将铁路隧道 BIM 进行三角网格化处理，从而得到最精细层次LOD4；然后根据场景及用户需求进行语义过滤，移除不必要的隧道实体构件至 LOD3 层级，参照表 1 可知此层级以定性分析为主，保留隧道主体喷射混凝土构件，利用 QEM 折叠三角网方法简化隧道管壁，同时附加混凝土纹理材质信息。在 LOD4 与 LOD3 之间可灵活调配多个过渡层级，利用构件语义信息过滤出用户突出关注的部件。在LOD3层级的基础上对隧道形体进一步抽象化，以隧道 BIM 设计中心线为基准，以隧道掌子面最大宽度为直径拉伸块体圆柱 LOD2。最后对 LOD1 层级进行符号化表达，采用三维矢量线条进行符号化表达。3 铁路隧道多细节层次模型数据优化组 织方法在语义约束下对铁路隧道 BIM 模型进行分层、提取图 1 铁路隧道 BIM 模型多细节层次提取流程Fig.1 Multi-level of detail extraction process for railway tunnel lightweight model 92地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷创新应用和简化处理，针对处理后的铁路隧道各层级模型文件设计分层数据结构树，依据铁路隧道 BIM 模型构件的空间分布特征构建模型层级索引结构（图 2）。每个模型文件由两部分构成，一是头文件 tileset.json，用于存储模型位置与精细层级信息；二是 content 内容文件，用于存储瓦片中包含的模型几何信息。refine 参数表示模型进一步细化的方式，REPLACE 表示用子层级数据替代父层级，ADD 表示保留父层级已加载的模型部分。LOD1细化到 LOD2、LOD2 细化到 LOD3 时采用 REPLACE 方式，从 LOD3 至 LOD4 采用 ADD 方式，在 LOD3 隧道主体混凝土的基础上，对语义过滤出场景所需构件进行叠加。为每层级设定一个几何误差geometricError，存储在 tileset 索引文件中，一般取模型包围体的对角线。同时计算屏幕误差SSE18，屏幕误差是场景模型加载判断是否需要进一步精细化的判断依据。屏幕误差SSE计算公式如下：图 2 铁路隧道多细节层次模型加载示意图Fig.2 Loading diagram of multi-detail hierarchical model of railway tunnel（1）（2）式中，geometricError为几何误差；screenHeight为渲染屏幕的高度（以像素为单位)；d为瓦片最小包围体到屏幕相机之间的最近距离；fovy为屏幕相机在垂直方向上的倾斜角度。加载模型瓦片时首先从索引文件中读取模型几何误差值，然后计算瓦片到屏幕相机的屏幕空间误差，判断是否达到设定的阈值。关于阈值的设定因为不同隧道的总长度不同，相同场景下不同的隧道适合可视化的屏幕空间误差阈值可能会有出入，具体阈值可由实际可视化效果进行调整。如果已经小于阈值标准则无需继续加载子瓦片，否则检查模型是否存在子瓦片，如果存在则继续加载，重复步骤直至屏幕误差小于或等于设定的最大屏幕误差。为了遵循空间一致性，父节点必须将子节点包含在内，即父节点屏幕误差大于子节点。4 实验结果及分析4.1 实验数据与实验环境本文选取四川省甘孜州境内折多山地区康定 2 号隧道进口工区 BIM 模型作为实验对象，铁路隧道全长10 418.19 m，原数据格式为 Bentley 公司的.dgn 格式，参照铁路隧道 LOD 多细节层次划分，在语义约束条件下对 BIM 模型完成轻量化格式转换，软硬件配置情况见表3。同时基于开源 WebGL 可视化引擎 CesiumJS 进行图形渲染，搭建了基于 CesiumJS 引擎和 Vue.js 前端框架的B/S 实验原型系统，测试客户端图形渲染性能。共选取 3 组数据进行实验测试，第一组为铁路隧道BIM模型直接转为GIS表面模型，没有LOD层级划分结构，无论在宏观场景还是微观构件场景所有构件全部加载；第二组是对第一组的表面模型进行压缩和转换，根据四叉树原则进行几何方法 LOD 划分，同时利用顶点合并减少面片简化模型；第三组是在第二组基础上根据本文提出的铁路隧道LOD层级设计进行多细节层级模型重组织。设定铁路隧道从宏观到精细场景同一漫游路径，对 3 组数据每隔 100 ms 记录一次实时渲染帧率。4.2 实验结果与分析图 3 为本文方法提取的多细节层次模型在三维 GIS表 3 实验环境配置参数Tab.3 Test environment configuration parameters计算机处理器内存磁盘容量显卡刷新率高性能渲染服务器Intel(R)Core(TM)i7-87003.70GHZ32GB2TNVIDIA GeForce GTX 1080Ti144Hz普通客户机Intel(R)Core(TM)i7-8750H CPU2.20GHz16GB216GBNVIDIA GeForce GTX 106060HzK932022年 第6期创新应用图 3 多细节层次铁路隧道模型应用效果Fig.3 Application effect of multi-detail level railway tunnel models表 4 铁路隧道 BIM 模型轻量化处理结果Tab.4 The lightweight processing results of railway tunnel BIM model细节层次BIM 模型(.dgn)通用三维格式(.obj)几何简化(.b3dm)语义约束+几何与符号简化(.b3dm)LOD184.4MB1.72GB39.20MB 0.10MBLOD242.10MB 3.82MBLOD343.50MB 9.80MBLOD477.50MB193.00MB b 普通客户机 60 Hzb Normal client 60 Hz 图 4 模型渲染帧率对比分析Fig.4 Comparative analysis of frame rate of model renderinga 高性能渲染服务器 144 Hz a High performance rendering server 144 Hz c LOD4 模型c LOD4 model d LOD4 模型用户交互d LOD4 model interactiona LOD1 模型a LOD1 model b LOD2 模型b LOD2 model 可视化平台的应用效果。图 3a 是 LOD1 符号模型效果，用于表达铁路隧道全线走向、分区施工工段等基本信息；图 3b 是隧道主体轮廓的概略模型，表示隧道坑道间拓扑关系和空间占位信息；图 3c 是切近景时铁路隧道精细模型效果，可量可测可进行模型交互操作。为了便于实验中观察精细层级铁路隧道面貌，本文对遮挡隧道部分的三维地形 DEM 进行了压平操作，图 3d 是场景缩放至铁路隧道精细层级时，用户与模型交互获取钢筋网属性信息的效果。表 4 记录了铁路隧道 BIM 模型与转换后的多细节层次模型数据量大小情况，可以看出，当对几何参数表达的 BIM 模型进行多细节层次 LOD 划分时，每层级需加载的数据量大大减少，其中几何简化方法前几层级数据量仍较大，因为在宏观场景漫游时几何简化方法依旧加载锚杆等无须精细观察的构件，导致宏观场景模型加载帧率较低，而语义约束轻量化方法则参考铁路隧道 LOD 层级设计在宏观场景中剔除不必要的构件，以缩短模型加载响应时间、提高模型加载帧率。当用户观察视点离模型较近时，微观场景应加载所有构件最精细层级，此时3 组数据中视口范围内的面片数相等，所以虽然语义约束的轻量化方法精细层级总数据量较大，但渲染效率依然能得到保证（图 3）。实验表明，本文方法在保证语义完整性及数据互操性前提下实现了较为流畅的模型渲染和交互，对铁路隧道BIM 模型根据本文的多细节层次设计进行轻量化处理后，模型处于低精度细节层次时数据量大大减少，且轻量化渲染效率在大尺度场景中显著提升。当视觉窗口缩放至铁路隧道模型最精细层级时，此时虽然本文方法的模型总数据量较大，但在同一视椎体范围内绘制的面片数量 3 组实验等同，故对渲染效率没有造成负担。实验表明在同一可见场景内不同尺度下铁路隧道模型平均反应时间在毫秒级，渲染帧率保持较高稳定水平，完成了在 GIS 场景中对铁路隧道 BIM 模型从宏观到微观的展示，能够满足网络环境下模型跨平台利用与高效可视化的需求。5 结 论本文对数据量大几何结构复杂的铁路隧道深化设计图 4 是 3 组模型数据在 GIS 可视化平台漫游时帧率变化情况，图 4a 为屏幕刷新率达 144 Hz 高性能渲染服务器上的帧率变化情况，图 4b 为屏幕刷新率为 60 Hz 普通客户机上的效果。由帧率对比可知，采用本文方法基本保持高帧率，可满足铁路隧道 BIM 模型流畅漫游需求。赵 静，等.语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法94地理信息世界GEOMATICS WORLD第29卷创新应用BIM 模型提出了多尺度表达的可视化策略，以及语义约束的多细节层次几何模型轻量化处理方法，实现 BIM 模型与 GIS 的高效集成应用，并搭建基于 WebGIS 的可视化平台，利用康定 2 号隧道 BIM 模型数据验证方法有效性。结果表明本文方法可以实现铁路隧道工程 BIM 模型轻量化转换，提高了铁路隧道 BIM 模型在 3DGIS 中存储管理与可视化应用的效率。后续将考虑发展适用于铁路长线性带状的空间索引结构与 Morping 模糊算法，配合虚拟内存管理进行模型的批次调用绘制，使空间加载效果平滑过渡，进一步提高铁路隧道视觉效果。参考文献 1 李元龙.BIM与GIS融合技术在铁路信息化建设中的应用J.中国高新科技，2017，1（9）：68-70.2 倪苇.GIS在铁路BIM全生命周期中的综合应用探讨J.铁道建筑技术，2018（10）：117-119.3 曹祎楠.融合BIM与GIS的三维空间数据可视化研究D.北京：北京建筑大学，2020.4 BORRMANN A,KOLBE T H,DONAUBAUER A，et al.Multi-scale GeometricSemantic Modeling of Shield Tunnels for GIS and BIM ApplicationsJ.Computer-Aided Civil and Infrastructure Engineering，2015，30（4）：263-281.5 吕慧玲，李佩瑶，汤圣君，等.BIM模型到多细节层次GIS模型转换方法J.地理信息世界，2016，23（4）：64-70.6 IHAB H，ANDERS O，MOHAMED E.A Unified Building Model for 3D Urban GISJ.ISPRS International Journal of Geo-Information，2012，1（2）：120-145.7 STOTER J.Harmonising the OGC Standards for the Built Environment:A CityGML Extension for LandInfraJ.ISPRS International Journal of Geo-Information，2019，8（6）：246-273.8 JIE S，JINGYI Z，JIEMIN Z，et al.Constructing the CityGML ADE for the Multi-source Data Integration of Urban FloodingJ.ISPRS International Journal of Geo-Information，2020，9（6）：359-385.9 蔡文文,王少华,钟耳顺,等.BIM与SuperMap 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