針對(duì)高鐵車(chē)站的三維模型格式轉(zhuǎn)換與集成展示

曹 方，李聰旭，年秋慧

（1.北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司，北京 100081；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081；3.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100081）

隨著計(jì)算機(jī)圖形處理能力的高速發(fā)展，三維模型憑借其良好的展示效果在鐵路三維展示領(lǐng)域中備受關(guān)注，三維車(chē)站既能應(yīng)用在車(chē)站設(shè)備的管理和運(yùn)維，也能運(yùn)用在車(chē)站綜合展示與旅客導(dǎo)航等領(lǐng)域。車(chē)站三維建?？梢詾檐?chē)站管理和旅客服務(wù)打下良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)三維模型創(chuàng)建主要有基于CAD數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)建模、數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量三維建模，以及基于激光掃描或雷達(dá)掃描的三維建模方式。通過(guò)運(yùn)用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)進(jìn)行三維建模的數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)了三維地理信息系統(tǒng)的建設(shè)[1]。但是，不管采用何種方式的三維模型創(chuàng)建，成果數(shù)據(jù)大都是3D MAX模型數(shù)據(jù)。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的迅速發(fā)展，很多高鐵車(chē)站在施工建設(shè)時(shí)期均采用了BIM技術(shù)進(jìn)行施工指導(dǎo)，采用Revit軟件搭建建筑結(jié)構(gòu)、雨棚鋼結(jié)構(gòu)、幕墻及房建附屬設(shè)備的模型，形成了大量的BIM交付成果。

為了集成展示不同建模方式的車(chē)站模型，需將不同格式的模型成果進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。本文分析了幾種不同三維建模和轉(zhuǎn)換軟件的特點(diǎn)，針對(duì)不同軟件生成三維模型的特性設(shè)計(jì)了不同的模型轉(zhuǎn)換流程，保留了原始模型所含有的信息并將其發(fā)布為W ebGIS服務(wù)，現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用測(cè)試表明，其真正實(shí)現(xiàn)了模型的互通和互操作。

1 三維建模、轉(zhuǎn)換軟件介紹及模型特點(diǎn)分析

1.1 3D MAX 軟件介紹及模型特點(diǎn)

3D Studio MAX，簡(jiǎn)稱(chēng)為3D MAX或3DS MAX，是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染和制作軟件。

3D M AX模型具有良好的互通性，現(xiàn)有的全部三維軟件均能對(duì)其導(dǎo)出的公共格式模型進(jìn)行操作和展示。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需求使用不同的原數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型的制作，不但可以根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按尺寸及材質(zhì)進(jìn)行制作，也可以使用激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片建模。極大地?cái)U(kuò)展了數(shù)據(jù)采集的方式，即使沒(méi)有目標(biāo)對(duì)象的詳細(xì)設(shè)計(jì)圖也可以進(jìn)行建模。

目前，不是所有高鐵車(chē)站均能提供詳細(xì)的設(shè)計(jì)文件。全部通過(guò)Revit建模并不現(xiàn)實(shí)，需要采取例如激光掃描、雷達(dá)掃描或現(xiàn)場(chǎng)拍攝等方法來(lái)獲取車(chē)站的設(shè)備信息，這時(shí)，就需要使用3D M AX手動(dòng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，得到車(chē)站的三維模型。

1.2 Revit軟件介紹及模型特點(diǎn)

Revit軟件是最先進(jìn)的建筑設(shè)計(jì)和文檔系統(tǒng)，是專(zhuān)門(mén)為BIM而開(kāi)發(fā)的一套可以實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)的整個(gè)生命周期的相互銜接和信息傳遞的軟件[2]。在建筑行業(yè)，Revit在一定程度上實(shí)現(xiàn)了建筑信息系統(tǒng)的集成，它通過(guò)應(yīng)用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)創(chuàng)建三維建筑模型，可以生成二維圖形并管理大量相關(guān)的非圖形工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)。

Revit模型中，所有的圖紙、平面視圖、三維視圖和明細(xì)表都是建立在同一個(gè)建筑信息模型的數(shù)據(jù)庫(kù)中，它可以收集到建立在建筑信息模型中的所有數(shù)據(jù)，并在項(xiàng)目的其它表現(xiàn)形式中協(xié)調(diào)信息，以便于實(shí)現(xiàn)模型中的參數(shù)化（參數(shù)化是指模型中可以通過(guò)設(shè)置參數(shù)的形式建立各個(gè)建筑結(jié)構(gòu)圖元之間的關(guān)系）。此外，模型和圖紙之間的緊密關(guān)聯(lián)性使得生成建筑三維模型的同時(shí)還可以同時(shí)生成建筑的平面視圖。

針對(duì)高鐵車(chē)站建模而言，Revit軟件生成的三維模型都具有每一個(gè)組件的基本信息，包括名稱(chēng)、尺寸、材質(zhì)等，這些信息將對(duì)車(chē)站日后的運(yùn)維工作提供較大的幫助。同時(shí)，由于Revit模型均需要從建筑圖紙生成，所以其三維模型與圖紙完全一致，幾乎沒(méi)有誤差。

但Revit模型的缺點(diǎn)也由此而來(lái)，由于在施工時(shí)實(shí)際的建筑、管線(xiàn)、設(shè)備等均可能與設(shè)計(jì)圖紙有些許不同，而通過(guò)設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建的模型無(wú)法反應(yīng)這些信息。所以，使用Revit創(chuàng)建的三維高鐵站模型可能會(huì)與已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的高鐵站有些許出入，需要去現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并修改模型才能準(zhǔn)確表現(xiàn)現(xiàn)有車(chē)站的狀態(tài)。另外，Rev it還存在模型不夠美觀(guān)、導(dǎo)出公共格式以后貼圖丟失等問(wèn)題。

1.3 A rcGIS Pro軟件介紹及模型特點(diǎn)

A rcGIS Pro是新一代W eb GIS平臺(tái)，面向GIS專(zhuān)業(yè)人士全新打造的一款高效、具有強(qiáng)大生產(chǎn)力的桌面應(yīng)用程序。A rcGIS Pro完全集成了智能制圖和A rcGIS A rcade兩大技術(shù)，這兩種技術(shù)都可以輕松制作出卓越的地圖[3]。

在A(yíng) rcGIS Pro中，二維地圖和三維場(chǎng)景可以在同一應(yīng)用內(nèi)無(wú)縫移動(dòng)，讓二維和三維不再割裂。A rcGIS Pro在M ap或Scene中可以加載和顯示二維或三維數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建多個(gè)二維或三維地圖并同時(shí)打開(kāi)及關(guān)聯(lián)同步。

多面體 （Multipatch）文件作為ArcGIS Pro中可存儲(chǔ)面集合的 GIS 對(duì)象，能夠在數(shù)據(jù)庫(kù)中將 3D 對(duì)象的邊界表示為單個(gè)行。面可存儲(chǔ)表示要素組成部分的紋理、顏色、透明度和幾何信息。面中存儲(chǔ)的幾何信息可以是三角形、三角扇、三角條帶或環(huán)，如圖1所示[4]。所有多面體都將 z 值用于構(gòu)建面的坐標(biāo)系的一部分而存儲(chǔ)。盡管可以使用數(shù)字要素屬性建立多面體的基礎(chǔ) z 值模型，但此選項(xiàng)可能不支持使用嵌入式 z 值時(shí)可用的相同分析和交互選項(xiàng)。

圖1 多面體介紹

多面體文件以要素的形式存放在.gdb.mdb及數(shù)據(jù)庫(kù)中，具有良好的互通性、可編輯性，可隨意對(duì)其含有的屬性字段進(jìn)行添加、刪除、編輯及各種SQL語(yǔ)句支持操作。多面體要素可以顯示包含紋理的三維模型，具有良好的可視化效果。

上述的2種車(chē)站三維模型均可用不同的操作轉(zhuǎn)換為多面體文件。通過(guò)A rcGIS PRO軟件對(duì)其添加任何信息，還可以經(jīng)過(guò)配準(zhǔn)與遙感數(shù)據(jù)及地形數(shù)據(jù)疊加展示，加強(qiáng)了三維車(chē)站的展示效果和高鐵車(chē)站信息化的完整度。

2 不同格式三維模型轉(zhuǎn)換流程

2.1 3D MAX模型的格式轉(zhuǎn)換流程

高鐵車(chē)站的3D M AX文件一般包括一個(gè)或多個(gè).max文件及大量的圖片文件，其中，.max文件的主要作用是對(duì)模型及貼圖的位置進(jìn)行描述，記錄每一個(gè)圖片文件在模型中的位置。而.m ax文件中對(duì)貼圖圖片的位置描述一般是絕對(duì)路徑，在進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換之前需要對(duì).max文件重新指定貼圖位置。

使用3D M AX的倒出工具將模型導(dǎo)出為OBJ格式，與貼圖一起放入一個(gè)文件夾。使用A rcGIS工具將其拆分成多個(gè)精確到每個(gè)組件為單位的復(fù)數(shù)OBJ文件，轉(zhuǎn)換成多面體文件存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，并按需求合并。轉(zhuǎn)換流程如圖2所示。

圖2 3D MAX模型轉(zhuǎn)換為多面體的邏輯圖

2.2 Revit模型的格式轉(zhuǎn)換流程

確定軟件版本（文中所有操作均需要使用revit2017或以上版本進(jìn)行），并安裝轉(zhuǎn)換過(guò)程中所需要使用的插件（fme-revit-2017-b17280-w in-x64插件）方可進(jìn)行模型格式的轉(zhuǎn)換。

由于直接使用Revit導(dǎo)出的模型屬性信息有可能會(huì)缺失，故分成兩條線(xiàn)路分別導(dǎo)出三維模型信息與三維模型的屬性信息。最后將三維模型信息與屬性信息合并，得到含有全部屬性信息的三維模型。

三維模型導(dǎo)出路線(xiàn)：使用Revit導(dǎo)出FBX格式的三維模型，并使用3D MAX或其他工具將FBX模型導(dǎo)出為OBJ文件。使用A rcGIS將其轉(zhuǎn)換為多面體文件。亦可使用Revit軟件導(dǎo)出IFC（Industry Foundation Classes）[5]文檔完成此步驟。

屬性文件導(dǎo)出路線(xiàn)：使用fme for revit 2017插件導(dǎo)出rvz格式的模型，然后使用A rcGIS中的“Revit文件導(dǎo)出為FeatureClass”工具將其轉(zhuǎn)換為主要提供屬性信息存儲(chǔ)的FeatureClass。

使用Join Field工具導(dǎo)入三維模型導(dǎo)出的OBJ文件與屬性文件進(jìn)行關(guān)聯(lián)，生成含有屬性信息的多面體文件并儲(chǔ)存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。模型導(dǎo)出路線(xiàn)的邏輯如圖3所示。

3 基于WebGIS的車(chē)站三維集成展示

3.1 車(chē)站周邊地形數(shù)據(jù)的調(diào)整

結(jié)合地圖展示車(chē)站的實(shí)際位置，車(chē)站周邊的地形數(shù)據(jù)必不可少。但一般采集的車(chē)站周邊的數(shù)字高程模型（簡(jiǎn)稱(chēng)：DEM）[6]，均為未施工前的地形數(shù)據(jù)，所以需要對(duì)原始的DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，制作出以車(chē)站一層為底面的DEM數(shù)據(jù)，地形與車(chē)站三維模型可以完美疊加。

制作一個(gè)與車(chē)站大小相同的面要素?cái)?shù)據(jù)和一個(gè)高程值為車(chē)站底面高度的不規(guī)則三角網(wǎng)數(shù)據(jù)（TIN），以TIN為基準(zhǔn)使用A rcG IS工具對(duì)面要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行差值操作，其差值為車(chē)站底面高度，得到一個(gè)含有車(chē)站底面高度的三維面要素?cái)?shù)據(jù)。將這個(gè)三維面要素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為DEM數(shù)據(jù)。

圖3 Revit模型轉(zhuǎn)換為多面體的邏輯圖

使用A rcGIS中的鑲嵌工具對(duì)原始DEM數(shù)據(jù)與車(chē)站DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行鑲嵌。若車(chē)站含有多個(gè)不同的底面數(shù)據(jù)，則需要使用腳本工具對(duì)其進(jìn)行批量操作。操作方法及注意事項(xiàng)如下：

（1）目標(biāo)DEM必須是一個(gè)現(xiàn)有的DEM數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集可以是空DEM數(shù)據(jù)集，也可以是已包含數(shù)據(jù)的DEM數(shù)據(jù)集。鑲嵌操作在2個(gè)或多個(gè)相鄰DEM數(shù)據(jù)集，需要合并為一個(gè)實(shí)體，目標(biāo)DEM被視為輸入DEM列表中的第一個(gè)DEM。

（2）對(duì)于不同分辨率的浮點(diǎn)型輸入DEM數(shù)據(jù)集或像元不對(duì)齊的情況，建議在運(yùn)行鑲嵌之前，使用雙線(xiàn)性插值法或3次卷積插值法對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行重采樣；否則，鑲嵌將會(huì)使用最鄰近重采樣法自動(dòng)對(duì)DEM數(shù)據(jù)集進(jìn)行重采樣（該方法不適用于連續(xù)數(shù)據(jù)類(lèi)型）。

（3）鑲嵌工具不使用輸出范圍環(huán)境設(shè)置，因?yàn)樵摴ぞ咄糜趧?chuàng)建超大型DEM數(shù)據(jù)集，而輸出范圍設(shè)置可能會(huì)意外裁剪數(shù)據(jù)。如果的確需要調(diào)整輸出范圍，則處理后可使用裁剪工具來(lái)裁剪目標(biāo)DEM。剪裁后效果如圖4所示。

3.2 三維車(chē)站的空間位置校準(zhǔn)

由于Revit、3D MAX等三維圖形制作軟件一般使用自定義的坐標(biāo)系，所以，制作出來(lái)的三維數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)空間位置校準(zhǔn)才能與周邊的地形數(shù)據(jù)或遙感影像數(shù)據(jù)結(jié)合。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集或者遙感圖描繪的方法獲得站房和雨棚的陽(yáng)角坐標(biāo)，之后只用A rcM AP軟件將車(chē)站模型根據(jù)獲取的陽(yáng)角坐標(biāo)進(jìn)行空間位置校準(zhǔn)。操作方法及注意事項(xiàng)如下：

（1）啟動(dòng) A rcMap，創(chuàng)建新地圖或打開(kāi)現(xiàn)有地圖，將要編輯的數(shù)據(jù)添加到地圖上，向A rcM ap 中添加“編輯器”工具條及 “空間校正”工具條后啟動(dòng)編輯會(huì)話(huà)，選擇要用于校正的輸入數(shù)據(jù)，選擇空間校正方法，創(chuàng)建位移連接，執(zhí)行校正最后停止編輯會(huì)話(huà)并保存編輯內(nèi)容。

圖4 通過(guò)調(diào)整后的DEM數(shù)據(jù)

（2）在A(yíng) rcM AP軟件環(huán)境中，空間校正工具可用于對(duì)齊和整合數(shù)據(jù)?？臻g校正支持多種校正方法，可校正所有可編輯的數(shù)據(jù)源。由于空間校正在編輯會(huì)話(huà)中執(zhí)行，因此可使用捕捉功能來(lái)增強(qiáng)校正效果。

（3）當(dāng)完成了A rcMAP軟件的空間校準(zhǔn)過(guò)程后，還需要對(duì)模型進(jìn)行高程校準(zhǔn)，使用ArcGIS PRO軟件加載模型及DEM數(shù)據(jù)，并使用圖層編輯工具手動(dòng)將模型地面與DEM數(shù)據(jù)對(duì)齊并保存修改。與地形的配準(zhǔn)如圖5所示。

3.3 WebGIS場(chǎng)景發(fā)布

若要實(shí)現(xiàn)在W ebGIS環(huán)境下的集成展示，我們要將需要展示的模型、地形及遙感圖分別發(fā)布成地圖服務(wù)或場(chǎng)景圖層，并在WebGIS場(chǎng)景中加載各組件，即可完成不同模型、地形及遙感圖的集成展示[7]。

圖5 配準(zhǔn)過(guò)后的三維車(chē)站模型

3.3.1 地圖服務(wù)發(fā)布

地圖服務(wù)均需要在 A rcM ap 中創(chuàng)建相應(yīng)的地圖[8]。將 A rcM ap 文檔發(fā)布為服務(wù)，需要執(zhí)行以下步驟：在 A rcMap 中打開(kāi)地圖文檔，從主菜單中選擇文件 > 共享為 > 服務(wù)。選擇發(fā)布服務(wù)，單擊下一步，從列表中選擇要使用的 GIS Server 連接。如果要使用的連接未列出，可單擊添加 A rcGIS Server以創(chuàng)建新連接[9]。選擇要將服務(wù)發(fā)布到的文件夾或創(chuàng)建一個(gè)用于包含此服務(wù)的新文件夾，單擊繼續(xù)為地圖服務(wù)設(shè)置所需屬性，隨后單擊分析按鈕，該操作可用于對(duì)地圖文檔進(jìn)行檢查，看其是否能夠發(fā)布到服務(wù)器，最后點(diǎn)擊按鈕以發(fā)布服務(wù)。

3.3.2 場(chǎng)景圖層發(fā)布

發(fā)布場(chǎng)景圖層時(shí)需要將三維模型加載到A rcGIS PRO中，創(chuàng)建場(chǎng)景圖層包并上傳到Portal for ArcGIS中，將場(chǎng)景圖層包作為場(chǎng)景圖層發(fā)布[10]。發(fā)布后的場(chǎng)景如圖6所示。

圖6 疊加了車(chē)站模型、地形及遙感圖的WebGIS場(chǎng)景

3.4 模型應(yīng)用

三維模型的相互轉(zhuǎn)換與W ebGIS集成展示已在實(shí)際工作中應(yīng)用，例如，基于本模型研發(fā)的房建設(shè)備運(yùn)維監(jiān)管管理信息系統(tǒng)。原型車(chē)站三維場(chǎng)景預(yù)覽展示，如圖7所示。三維車(chē)站閘機(jī)定位信息預(yù)覽展示，如圖8所示。

圖7 三維車(chē)站預(yù)覽

圖8 三維車(chē)站閘機(jī)定位信息預(yù)覽

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)三維模型的相互轉(zhuǎn)換與W ebGIS集成展示方案，解決了不同來(lái)源的模型無(wú)法同時(shí)使用的問(wèn)題，同時(shí)也解決了不同格式三維車(chē)站模型與地形和遙感影像無(wú)法集成展示的問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用結(jié)果表明，相比以往通過(guò)CAD圖紙展示車(chē)站及站內(nèi)設(shè)備的方式，三維模型的應(yīng)用及展示顯著提高了高鐵車(chē)站可視化管理水平。同時(shí)，其他系統(tǒng)也可以通過(guò)調(diào)用服務(wù)的方式使用車(chē)站的三維模型，獲取車(chē)站及其附屬設(shè)備的空間信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)站的全方位可視化管理。