新一代三維GIS技術(shù)在交通行業(yè)的創(chuàng)新應(yīng)用

喬天榮，馬培果，劉平利，許連峰

（1.河南省地質(zhì)調(diào)查院，河南 鄭州 450001；2.鄭州麥普空間規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)有限公司，河南 鄭州 450001；3.河南省地質(zhì)科學(xué)研究所，河南 鄭州 450001）

新一代三維GIS技術(shù)體系是以二三維一體化GIS技術(shù)為基礎(chǔ)框架，進(jìn)一步拓展了全時(shí)空數(shù)據(jù)模型及其分析計(jì)算能力，完善了三維GIS理論體系。在數(shù)據(jù)層面，融合傾斜攝影、BIM、激光點(diǎn)云、三維場等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，制定了開放的《空間三維模型數(shù)據(jù)格式》（S3M）標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)三維數(shù)據(jù)的開放、共享與互操作。在IT新技術(shù)方面，集成WebGL、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）、3D打印等IT新技術(shù)，帶來更真實(shí)、更便捷的三維體驗(yàn)，推動(dòng)三維GIS 實(shí)現(xiàn)室外室內(nèi)一體化、宏觀微觀一體化與空天/地表/地下一體化。本文將對交通領(lǐng)域的生態(tài)合作伙伴基于新一代三維GIS技術(shù)，結(jié)合IT新技術(shù)，在交通建設(shè)管理領(lǐng)域所做的創(chuàng)新應(yīng)用進(jìn)行闡述[1]。

1 “兩新一重”為交通建設(shè)帶來新機(jī)遇

2020-05-22發(fā)布的政府工作報(bào)告，明確了重點(diǎn)支持“兩新一重”的建設(shè)方針：即加強(qiáng)“新基建”，加強(qiáng)新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，加強(qiáng)交通、水利等重大工程建設(shè)。重大交通工程包括高速公路、高速鐵路等優(yōu)選項(xiàng)目，不但是短期內(nèi)重點(diǎn)的投資方向，而且也是行業(yè)長期投資的目標(biāo)；不僅要高質(zhì)量建設(shè)，也要長期的高質(zhì)量運(yùn)營維護(hù)，因此必須要有新型信息化技術(shù)手段的保障。新一代三維GIS技術(shù)，將支撐重大交通工程的建設(shè)管理應(yīng)用。

交通運(yùn)輸部在近期多個(gè)信息化政策文件中也都明確表示推動(dòng)以BIM（建筑信息模型）技術(shù)為核心的三維技術(shù)在交通設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)維等階段的全面應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化規(guī)劃設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)化的施工管理和智慧化的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)，結(jié)合多源時(shí)空數(shù)據(jù)，建設(shè)BIM+GIS可視化平臺，大幅提升交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和管理水平[2]。

智慧交通是交通行業(yè)信息化的趨勢，而三維GIS是智慧交通應(yīng)用不可或缺的基礎(chǔ)之一。智慧交通不單是指交通設(shè)施的建設(shè)管理會(huì)更加智能化、智慧化，而且通過將交通實(shí)體對象信息轉(zhuǎn)換為可呈現(xiàn)、可分析、可管理的三維虛擬對象，可構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界并行的“數(shù)字孿生”體系，這將是未來智慧交通應(yīng)用的重要工具與核心模式[3]。

2 新一代三維GIS技術(shù)在重大交通工程建設(shè)中的應(yīng)用

交通工程建設(shè)，特別是重大交通工程建設(shè)，涵蓋了規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)施工、運(yùn)營養(yǎng)護(hù)等多個(gè)領(lǐng)域。新一代三維GIS是構(gòu)建交通設(shè)施全面數(shù)字化的重要基礎(chǔ)。首先，它可以提供構(gòu)建三維交通設(shè)施全要素場景的能力；其次，在全要素三維場景下，它能夠基于BIM數(shù)據(jù)為規(guī)劃設(shè)計(jì)提供便捷的分析與展現(xiàn)技術(shù)；再次，它還能夠與BIM和IoT結(jié)合，為建設(shè)施工提供施工場地、施工過程的精細(xì)化管理能力，為運(yùn)營養(yǎng)護(hù)提供更加智能和便捷的分析與管理能力[4]。

2.1 構(gòu)建全要素基底

智慧交通建設(shè)的基礎(chǔ)是全面的交通設(shè)施數(shù)字化，交通設(shè)施數(shù)字化的成果，一定是可呈現(xiàn)、可計(jì)算、可管理的三維交通設(shè)施全要素空間基底。交通設(shè)施空間全要素基底，是依據(jù)交通設(shè)施業(yè)務(wù)需要，構(gòu)建精細(xì)化的設(shè)施模型對象數(shù)據(jù)，包括交通設(shè)施二維矢量與影像數(shù)據(jù)、交通設(shè)備設(shè)施三維模型數(shù)據(jù)、交通設(shè)施周邊環(huán)境二維、三維數(shù)據(jù)等。它不但能夠承載傳統(tǒng)交通建設(shè)、管理、養(yǎng)護(hù)等業(yè)務(wù)，也是交通設(shè)施監(jiān)控、運(yùn)行大數(shù)據(jù)挖掘等新業(yè)務(wù)方向的應(yīng)用基礎(chǔ)。

基于新的測繪技術(shù)，通過BIM建模、傾斜攝影測量、激光點(diǎn)云采集等新型數(shù)據(jù)，可以構(gòu)建出精細(xì)化交通設(shè)施三維基底，并且通過疊加視頻信息、交通動(dòng)態(tài)狀態(tài)信息、IoT設(shè)備狀態(tài)信息、氣象、災(zāi)害等環(huán)境信息，構(gòu)建出一套支撐交通設(shè)施管理、運(yùn)行、養(yǎng)護(hù)的全要素基底[5]。

SuperMap GIS軟件支撐多源異構(gòu)三維數(shù)據(jù)融合的能力，能夠?qū)⒔煌ㄔO(shè)計(jì)BIM模型與地形數(shù)據(jù)、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)等三維數(shù)據(jù)融合，并疊加遙感影像、地質(zhì)勘測等二維空間數(shù)據(jù)和氣象、地質(zhì)勘測等環(huán)境數(shù)據(jù)，為交通設(shè)施管理搭建來源多樣、信息豐富、功能全面的三維全要素基底。

在全要素三維場景中，SuperMap GIS的二三維一體化技術(shù)，支持對各類二三維交通設(shè)施對象進(jìn)行展示呈現(xiàn)、綜合查詢、疊加分析等操作，為交通設(shè)施管理提供豐富的應(yīng)用手段[6]。

2.2 BIM+GIS輔助交通設(shè)施規(guī)劃設(shè)計(jì)

行業(yè)內(nèi)各設(shè)計(jì)單位在重大工程項(xiàng)目中普遍采用BIM技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。BIM設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)成果結(jié)合GIS多源數(shù)據(jù)呈現(xiàn)與分析能力，可以在設(shè)計(jì)階段為用戶提供設(shè)計(jì)過程的分析計(jì)算能力和直觀的設(shè)計(jì)成果呈現(xiàn) 能力。

SuperMap GIS在設(shè)計(jì)過程中為設(shè)計(jì)師提供精細(xì)的三維空間分析能力，支持將BIM設(shè)計(jì)模型快速導(dǎo)入GIS軟件平臺后，通過BIM數(shù)據(jù)與地形數(shù)據(jù)的鑲嵌，可以將道路模型與高精度地形精準(zhǔn)融合，實(shí)現(xiàn)道路模型在地面上正確顯示；也可以提取BIM模型數(shù)據(jù)的建設(shè)邊界范圍，并且將提取結(jié)果與地形數(shù)據(jù)疊加，可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算設(shè)計(jì)方案中所占區(qū)域邊界以及統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)方案中建設(shè)土地、人口等信息，為設(shè)計(jì)人員提供方便快捷的選線分析能力，輔助設(shè)計(jì)單位合理選線。

當(dāng)最終設(shè)計(jì)方案確定后，將BIM模型導(dǎo)入到GIS平臺內(nèi)，與地形、影像、傾斜等環(huán)境數(shù)據(jù)疊加，可以為建設(shè)單位、業(yè)主單體完整全面的展現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。SuperMap GIS支持對多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性的場景優(yōu)化和服務(wù)發(fā)布，設(shè)計(jì)方案可以通過在線的方式提供給相關(guān)各方在線瀏覽與查詢，也可以通過手機(jī)端對三維場景進(jìn)行瀏覽[7]。

2.3 協(xié)助交通設(shè)施實(shí)現(xiàn)智慧建造

智慧建造是交通建設(shè)的主要趨勢?；贐IM數(shù)據(jù)，通過疊加建設(shè)環(huán)境數(shù)據(jù)與施工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，可在SuperMap GIS三維基礎(chǔ)軟件平臺搭建一個(gè)動(dòng)靜結(jié)合的施工虛擬環(huán)境。在三維環(huán)境中可以將龐雜的建設(shè)過程信息與BIM模型中精細(xì)化的交通對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)交通建設(shè)過程的精細(xì)化管理，并基于IoT實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、施工過程進(jìn)度數(shù)據(jù)與三維對象結(jié)果，實(shí)現(xiàn)施工過程的動(dòng)態(tài)監(jiān)管。

交通重大工程項(xiàng)目中的BIM模型數(shù)據(jù)通?？蛇_(dá)到部件級的精度，SuperMap GIS支持海量精細(xì)化模型對象加載顯示與分析計(jì)算等功能，可以將龐大復(fù)雜的工程建設(shè)數(shù)據(jù)與建設(shè)對象進(jìn)行關(guān)聯(lián)管理，所有建設(shè)圖紙、方案、監(jiān)理過程數(shù)據(jù)、物料供給數(shù)據(jù)等都可以與BIM數(shù)據(jù)中具體的設(shè)施部件綁定，在三維GIS場景下實(shí)現(xiàn)對這些施工信息的查詢、統(tǒng)計(jì)及可視化渲染[8]。

SuperMap GIS支持對BIM模型的動(dòng)態(tài)渲染，通過將BIM構(gòu)建與工程進(jìn)度信息結(jié)合，可以依據(jù)不同的施工進(jìn)度對整個(gè)工程模型進(jìn)行渲染顯示，從而協(xié)助用戶直觀了解整體工程進(jìn)度情況，并且能夠通過進(jìn)度動(dòng)畫，動(dòng)態(tài)展現(xiàn)一定時(shí)期內(nèi)的建設(shè)進(jìn)度變化情況。

3 新一代三維GIS技術(shù)支撐構(gòu)建交通運(yùn)輸 “數(shù)字孿生”

“數(shù)字孿生”是交通運(yùn)輸行業(yè)信息化發(fā)展的一個(gè)重要的方向和應(yīng)用場景，也是“智慧交通”可視化呈現(xiàn)的重要手段?！皵?shù)字孿生”是在構(gòu)建的要素全面完整、信息豐富的交通三維虛擬場景基礎(chǔ)之上，疊加動(dòng)態(tài)交通狀態(tài)信息，形成一套與現(xiàn)實(shí)世界同步，可展示、可測量、可控制的動(dòng)態(tài)虛擬場景，不但能夠在虛擬場景中同步現(xiàn)實(shí)世界，而且通過構(gòu)建交通信息模型，還可以在三維虛擬空間中實(shí)現(xiàn)對交通管理控制的模擬仿真，以實(shí)現(xiàn)在虛擬空間中對現(xiàn)實(shí)世界的研究與預(yù)測[9]。

“數(shù)字孿生”的實(shí)現(xiàn)，其核心是3個(gè)技術(shù)支撐：大區(qū)域交通三維場景快速構(gòu)建，海量動(dòng)態(tài)交通信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)和交通運(yùn)輸模型的展現(xiàn)與仿真。

3.1 參數(shù)化建模技術(shù)構(gòu)建高精度三維地圖

“數(shù)字孿生”首先要能夠快速構(gòu)建一套完整的交通三維場景。

參數(shù)化建模技術(shù)，是在道路二維矢量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)道路設(shè)施分布、設(shè)計(jì)參數(shù)等信息，結(jié)合道路所在地形，利用GIS空間模型算法，自動(dòng)生成三維道路模型，與道路實(shí)際形態(tài)基本一致。用戶通過簡單的數(shù)據(jù)輸入，依靠GIS軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍交通設(shè)施快速建模。相對于手工BIM建模的成本周期更少，相比傾斜攝影測量和激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精度更高，非常適合構(gòu)建大范圍交通三維場景。SuperMap還能夠支持大范圍參數(shù)化模型與重點(diǎn)工程的BIM模型的融合應(yīng)用，支撐更完整的交通應(yīng)用。同時(shí)參數(shù)化建?？梢耘浜先S模型生成道路交通規(guī)則拓?fù)湫畔ⅲ瑢④囕v定位信息、交通事件信息等動(dòng)態(tài)信息在三維模型上進(jìn)行準(zhǔn)確疊加，支持三維導(dǎo)航、交通運(yùn)輸監(jiān)管等 應(yīng)用。

3.2 三維GIS場景下的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通監(jiān)管

交通設(shè)施管理與運(yùn)行監(jiān)控中的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)在5G技術(shù)與北斗技術(shù)的加持下，時(shí)效性越來越強(qiáng)，數(shù)據(jù)量越來越大，在三維場景中將海量動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加載呈現(xiàn)，并進(jìn)行管理、統(tǒng)計(jì)、分析，是“數(shù)字孿生”場景構(gòu)建的第二個(gè)重要技術(shù)。

SuperMap GIS支持三維場景中多源海量動(dòng)態(tài)信息的疊加呈現(xiàn)、統(tǒng)計(jì)與分析，不但能夠?qū)⒈倍犯呔榷ㄎ恍畔⒃谌S場景中同步動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，而且能對接IoT流數(shù)據(jù)服務(wù)，將交通設(shè)施中傳感器信息在三維場景中以可視化的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。后臺構(gòu)建電子圍欄等分析服務(wù)，對軌跡、形變等信息進(jìn)行分析監(jiān)控預(yù)警，統(tǒng)計(jì)其運(yùn)行損耗，實(shí)現(xiàn)交通設(shè)施管理的實(shí)時(shí)監(jiān)管[10]。

SuperMap GIS不但支持“BIM+GIS+IoT”三維服務(wù)在WebGL“零客戶端”應(yīng)用，而且支持手機(jī)移動(dòng)端的服務(wù)調(diào)用與應(yīng)用呈現(xiàn)?！皵?shù)字孿生”服務(wù)不再局限于管理單位內(nèi)部，通過互聯(lián)網(wǎng)還可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)用的廣泛發(fā)布。

3.3 高精度地圖下大場景交通仿真呈現(xiàn)

除了與現(xiàn)實(shí)世界信息同步，“數(shù)字孿生”場景也需要能夠支持交通模型的分析運(yùn)算與結(jié)果呈現(xiàn)。交通仿真軟件能夠依據(jù)OD信息，分析計(jì)算一段時(shí)間內(nèi)道路交通變化數(shù)值。SuperMap GIS支持在三維場景中，將變化數(shù)值通過道路拓?fù)湟?guī)則轉(zhuǎn)化為每一條車道上的車輛模型運(yùn)動(dòng)軌跡，通過將抽象的數(shù)值變化展現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的虛擬場景，為交通仿真分析提供交通模擬展現(xiàn)的能力，通過可視化的技術(shù)讓專業(yè)的數(shù)據(jù)能夠被更多的非專業(yè)人士所準(zhǔn)確了解，從而為專業(yè)數(shù)據(jù)構(gòu)建更多的應(yīng)用場景。

4 三維GIS技術(shù)在交通運(yùn)輸行業(yè)應(yīng)用的展望

超圖交通運(yùn)輸領(lǐng)域的生態(tài)伙伴，已經(jīng)基于新一代三維GIS技術(shù)在行業(yè)內(nèi)進(jìn)行應(yīng)用探索，推動(dòng)了一批優(yōu)秀的應(yīng)用項(xiàng)目。

4.1 基于三維的高速公路設(shè)施數(shù)字化管理系統(tǒng)

超圖的生態(tài)伙伴北京中交國通智能交通系統(tǒng)技術(shù)有限公司基于新一代三維GIS技術(shù)，應(yīng)用三維掃描技術(shù)、三維精細(xì)化建模技術(shù)，并結(jié)合時(shí)空海量數(shù)據(jù)管理技術(shù)、三維動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)、交互式場景技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了高速公路環(huán)境信息快速采集、基礎(chǔ)設(shè)施精細(xì)化空間數(shù)據(jù)庫快速構(gòu)建、高速公路基礎(chǔ)設(shè)施快速巡查和綜合管理，并可融合接入公路動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，為交通運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測及分析系統(tǒng)、智慧服務(wù)平臺提供基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)支持，全面提升高速公路數(shù)字化、智能化管理水平。

4.2 城市軌道交通全生命周期信息化管理平臺

超圖的生態(tài)伙伴北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司基于新一代三維GIS技術(shù)，利用 GIS-BIM、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)感知、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，建立服務(wù)于軌道建設(shè)的輔助規(guī)劃、設(shè)計(jì)優(yōu)化、施工監(jiān)管、智慧運(yùn)維的大數(shù)據(jù)智慧平臺，為管理者提供對工程質(zhì)量、進(jìn)度、安全、成本的全過程精細(xì)化管控和決策工具。平臺采用傾斜攝影技術(shù)進(jìn)行地表真實(shí)環(huán)境建模，實(shí)現(xiàn)地上建筑物、綠化、道路景觀，進(jìn)行真實(shí)的三維表達(dá)，并可進(jìn)行自由漫游瀏覽、地鐵線路巡游及建筑物屬性信息查詢，能夠?qū)Φ叵鹿芫€以及地質(zhì)進(jìn)行BIM模型的建立，實(shí)現(xiàn)了GIS與BIM的有機(jī)結(jié)合，以便在地鐵施工時(shí)進(jìn)行管線碰撞檢測分析，查看地質(zhì)情況，指導(dǎo)地鐵站的建設(shè)施工。

5 結(jié) 語

隨著大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)在交通運(yùn)輸行業(yè)的深入應(yīng)用，三維GIS技術(shù)與它們的結(jié)合，將推動(dòng)三維GIS技術(shù)向智能化方向發(fā)展，并推動(dòng)其成為交通信息部門的重要技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)對交通行業(yè)應(yīng)用的智能高效管理。借助時(shí)空大數(shù)據(jù)和人工智能的數(shù)據(jù)挖掘與分析能力，交通三維GIS將能夠?qū)崿F(xiàn)高精度設(shè)施與交通流量等信息的自動(dòng)化采集，通過對海量交通信息的分析，三維GIS中的交通行為監(jiān)管會(huì)更加智能并且具有準(zhǔn)確的預(yù)見性，三維環(huán)境下的信息呈現(xiàn)手段也將更加豐富。在分布式技術(shù)加持下，三維的分析性能與渲染性能也將實(shí)現(xiàn)大幅度增長?；谛乱淮SGIS技術(shù)與新型IT技術(shù)結(jié)合，將跟隨交通運(yùn)輸行業(yè)信息化發(fā)展的步伐為行業(yè)應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的支撐，創(chuàng)造更多的新模式、新應(yīng)用。