AR+BIM+GIS在鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查中的應(yīng)用

曹政國，古健，李致

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司工程經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610031）

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，大量新興技術(shù)被應(yīng)用于日常生活和工程建設(shè)等領(lǐng)域，如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)應(yīng)用于地圖導(dǎo)航，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）和地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）技術(shù)應(yīng)用于鐵路建設(shè)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)應(yīng)用于電子游戲等。AR可將計(jì)算機(jī)生成的圖形、文件、表格等虛擬信息有機(jī)融合至真實(shí)世界，對(duì)人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行景象增強(qiáng)或擴(kuò)張［1］；BIM可使設(shè)施具有物理和功能特征的數(shù)字化表達(dá)，為全生命周期提供決策支持［2-4］；GIS可通過計(jì)算機(jī)對(duì)地理信息進(jìn)行瀏覽、處理和分析［5-6］。在未來的鐵路工程項(xiàng)目中，所需的數(shù)據(jù)越來越精細(xì)，應(yīng)用的技術(shù)越來越先進(jìn)，很難依靠單一技術(shù)完成，多種技術(shù)的融合應(yīng)用成為鐵路工程建設(shè)的必然趨勢［7-9］。

1 外業(yè)調(diào)查

鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查是鐵路建設(shè)過程中不可缺少的一環(huán)，主要是對(duì)鐵路設(shè)計(jì)線路附近的場地基本情況進(jìn)行調(diào)查，調(diào)查數(shù)據(jù)的詳細(xì)程度決定著施工組織設(shè)計(jì)文件的質(zhì)量、施工場地大臨布置的合理性和鐵路工程造價(jià)的高低［10］。傳統(tǒng)的鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查主要是輔助內(nèi)業(yè)設(shè)計(jì)，流程是基于基本的鐵路線路數(shù)據(jù)到現(xiàn)場實(shí)地踏勘，然后在二維或三維地圖上進(jìn)行文字標(biāo)注和拍照記錄，標(biāo)出該處是否可以布置大臨工程、是否作為砂石料供應(yīng)點(diǎn)、是否需要路面拓寬、能否利用既有道路、是否需要修建便道等，標(biāo)注后通過內(nèi)業(yè)詳細(xì)整理，最終得到施工組織設(shè)計(jì)相關(guān)圖紙和文件。在內(nèi)業(yè)整理中若發(fā)現(xiàn)調(diào)查點(diǎn)不合理，還要進(jìn)行多次實(shí)地踏勘，耗費(fèi)人力、耽誤工期?，F(xiàn)有外業(yè)調(diào)查方式存在主觀性較強(qiáng)、實(shí)時(shí)性差、技術(shù)陳舊、風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、不能立即得到調(diào)查數(shù)據(jù)是否合理的評(píng)價(jià)、不能瀏覽全生命周期調(diào)查數(shù)據(jù)等問題。因此，可綜合AR、BIM、GIS的技術(shù)特點(diǎn)，探討在鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查中進(jìn)行AR+BIM+GIS應(yīng)用，以期解決現(xiàn)有問題。

2 硬件終端設(shè)備結(jié)構(gòu)

在鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查中進(jìn)行AR+BIM+GIS應(yīng)用，所需核心硬件終端包括以下幾種：

（1）圖像采集終端。負(fù)責(zé)采集鐵路線路沿線調(diào)查點(diǎn)的實(shí)景數(shù)據(jù)，如梁場場地、拌合站場地、料源點(diǎn)等。

（2）交互控制終端。用于收集調(diào)查人員的交互動(dòng)作，如調(diào)查人員對(duì)虛擬數(shù)據(jù)的修改、調(diào)整等。

（3）圖形顯示終端。處理和展示虛擬數(shù)據(jù)和實(shí)景數(shù)據(jù)的綜合平臺(tái)，是硬件終端的核心，也是整個(gè)技術(shù)架構(gòu)的中央樞紐，主要完成一系列調(diào)查人員指令的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的計(jì)算輸出、圖像的渲染等。整個(gè)終端系統(tǒng)可以是一個(gè)集成設(shè)備，如帶攝像頭的手機(jī)、平板電腦等；也可以是多個(gè)設(shè)備終端的組合，如“無人機(jī)+電腦+控制手柄”。

各終端之間相互協(xié)同，可為解決鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查問題提供硬件支撐。硬件終端設(shè)備結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 硬件終端設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3 技術(shù)架構(gòu)

在AR+BIM+GIS應(yīng)用中，要建立硬件與軟件相互配合的整體結(jié)構(gòu)，軟件技術(shù)是整個(gè)框架的核心要素。軟件技術(shù)總體架構(gòu)思路為：以AR、BIM和GIS的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行虛實(shí)融合、交互控制、合理性評(píng)價(jià)和4D時(shí)空建模等一系列整理，最終將數(shù)據(jù)與各鐵路專業(yè)共享。

建立鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查的軟件技術(shù)總體架構(gòu)（見圖2）。如圖所示，軟件技術(shù)是骨架，而數(shù)據(jù)是在骨架節(jié)點(diǎn)中流動(dòng)的“血液”。軟件技術(shù)服務(wù)于數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)也在軟件中不斷被清洗、過濾，最終得到調(diào)查人員期望的合理、純粹的數(shù)據(jù)。軟件技術(shù)與數(shù)據(jù)相互交融、組合成為一個(gè)共同體，相互協(xié)調(diào)、配合，共同解決鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查的問題。

圖2 軟件技術(shù)總體架構(gòu)示意圖

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1.1 AR數(shù)據(jù)

所有實(shí)景數(shù)據(jù)、虛擬模型數(shù)據(jù)、屬性信息數(shù)據(jù)融合的整體可組成一種抽象概念數(shù)據(jù)類型——AR數(shù)據(jù)。AR數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性、三維性、操作性、移動(dòng)性、海量性和形象直觀性等特點(diǎn)，是鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查應(yīng)用AR+BIM+GIS技術(shù)的核心，瀏覽顯示、建模、合理性分析等均在此基礎(chǔ)上完成。AR的核心是將實(shí)景數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、GIS數(shù)據(jù)以及其他附屬數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配融合，各種數(shù)據(jù)需要隨實(shí)景數(shù)據(jù)的變化在時(shí)間極短的情況下同步更新，對(duì)硬件、算法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等有較高要求。

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思路為：圖像采集終端的位置、視角、視距，決定著采集的實(shí)景數(shù)據(jù)；計(jì)算由圖像采集終端到視角范圍的GIS坐標(biāo)范圍，將帶有位置信息的BIM模型，通過姿態(tài)調(diào)整與配準(zhǔn)，疊加至視角GIS坐標(biāo)；將視角和虛擬模型的GIS坐標(biāo)投影轉(zhuǎn)換為圖形顯示終端的二維坐標(biāo)（屏幕坐標(biāo)），最終實(shí)現(xiàn)虛擬模型數(shù)據(jù)與實(shí)景數(shù)據(jù)的融合（見圖3）。

圖3 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換思路示意圖

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，AR技術(shù)已經(jīng)較為成熟，可供選擇的二次開發(fā)SDK較多，如ARCore、AR.js、ARKit、ARToolKit等。其中，Apple公司的ARKit應(yīng)用生態(tài)較好，該AR生態(tài)由ARSession、ARFrame、ARCamera等一系列子套件組成，可在多設(shè)備間應(yīng)用。目前，ARKit已在IOS系統(tǒng)中取得較好應(yīng)用，如AR測距、AR相關(guān)游戲等。

3.1.2 BIM數(shù)據(jù)

目前，通常采用Revit（Autodesk公司）、Open-Buildings Designer（Bentley公司）、CATIA（Dassault公司）等軟件進(jìn)行BIM建模。BIM建模的核心是提高模型的復(fù)用率、強(qiáng)化模型的參數(shù)化。模型在修改參數(shù)后，可在其他工程中復(fù)用，減少了設(shè)計(jì)人員的工作量。BIM模型數(shù)據(jù)以文件形式存儲(chǔ)為主，可根據(jù)不同數(shù)據(jù)粒度構(gòu)建數(shù)據(jù)文件。模型數(shù)據(jù)的粒度劃分比較困難，如果粒度太小，可提高模型復(fù)用率，但會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)體量呈現(xiàn)爆炸式增長，不利于傳輸和轉(zhuǎn)換；如果粒度太大，可解決模型快速傳輸和共享問題，但可能導(dǎo)致模型無法在類似工程復(fù)用。通常情況下，鐵路工程的構(gòu)件模型以單項(xiàng)工程或單位工程的規(guī)模粒度進(jìn)行構(gòu)建，該粒度下模型既能保證數(shù)據(jù)整體性，又能提高模型構(gòu)建的復(fù)用性。

外業(yè)調(diào)查所需BIM數(shù)據(jù)包括梁場模型、橋梁模型及其他普通模型，以梁場模型為主。常規(guī)梁場模型由制梁區(qū)、存梁區(qū)、生活區(qū)、鋼筋加工棚、龍門吊、運(yùn)梁車和混凝土拌合站等組成，對(duì)這些區(qū)域分別構(gòu)建參數(shù)化模型，根據(jù)不同梁場特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的參數(shù)修改，可顯著提高模型復(fù)用率、減少工作量。在外業(yè)調(diào)查中的主要應(yīng)用是BIM參數(shù)化模型顯示，即能在圖形顯示終端中對(duì)BIM參數(shù)化模型進(jìn)行針對(duì)性參數(shù)調(diào)整。BIM模型在圖形顯示終端疊加，達(dá)到一定量時(shí)會(huì)影響性能，此時(shí)需要進(jìn)行輕量化處理，通過簡化模型、減少冗余信息或利用軟件進(jìn)行壓縮處理。經(jīng)過輕量化處理，大幅減少了BIM模型數(shù)據(jù)體量、提升了模型顯示效率。

3.1.3 GIS數(shù)據(jù)

GIS數(shù)據(jù)包括地質(zhì)圖、行政區(qū)劃圖、交通圖和專題圖等，在地圖中以柵格底圖要素以及點(diǎn)、線、面等矢量要素來體現(xiàn)。將矢量數(shù)據(jù)疊加至柵格底圖數(shù)據(jù)，可為鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查提供數(shù)據(jù)支持。柵格底圖數(shù)據(jù)通常具有TB級(jí)的數(shù)據(jù)量，不能直接將所有底圖數(shù)據(jù)放置于設(shè)備中，需要以服務(wù)形式進(jìn)行訪問。

目前，底圖服務(wù)主要有以下2種：

（1）開源地圖服務(wù)。以O(shè)penStreetMap為主，由廣大普通用戶自主對(duì)地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和更新。OpenStreetMap是應(yīng)用最廣泛、用戶量最大的開源地圖服務(wù)，其數(shù)據(jù)在城市區(qū)域內(nèi)較準(zhǔn)確，但在其他區(qū)域數(shù)據(jù)較滯后。

（2）商業(yè)地圖服務(wù)。主要有高德、百度、天地圖、Google、Bing等，其數(shù)據(jù)由地圖服務(wù)商自行維護(hù)和升級(jí)，數(shù)據(jù)更新較快。

矢量要素?cái)?shù)據(jù)可進(jìn)行屬性、形狀位置的編輯，數(shù)據(jù)之間相互空間關(guān)系分析，以及數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)之間相互關(guān)聯(lián)。主要包括線路、站場、路基、橋梁、隧道、軌道、四電、房建等專業(yè)的共享設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，以二維數(shù)據(jù)為主，可與柵格底圖進(jìn)行疊加，有利于數(shù)據(jù)展示。矢量要素?cái)?shù)據(jù)結(jié)合工程經(jīng)濟(jì)類專業(yè)的現(xiàn)場調(diào)查數(shù)據(jù)，共同組成鐵路施工建設(shè)所需數(shù)據(jù)。目前，GIS技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，不僅能以二維、三維方式展示地理數(shù)據(jù)，還可從宏觀角度對(duì)地理數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。采用ArcGIS Runtime、SuperMap控件加載GIS數(shù)據(jù)，在大數(shù)據(jù)量上有不錯(cuò)的性能，也可提供豐富的API，并將構(gòu)建的4D時(shí)空模型在地圖上呈現(xiàn)。

3.2 管理數(shù)據(jù)

管理數(shù)據(jù)主要通過虛實(shí)融合、交互控制、合理性評(píng)價(jià)、4D時(shí)空建模和全生命周期數(shù)據(jù)瀏覽等功能模塊，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)清洗和過濾，最終得到合理、詳細(xì)的數(shù)據(jù)。

3.2.1 虛實(shí)融合

實(shí)景信息是通過圖像采集設(shè)備捕捉的信息；虛擬信息是帶有位置信息屬性的BIM模型，如砂場模型、橋梁模型、梁場模型、拌合站模型等?；趫D像采集終端的位置信息及視野信息計(jì)算，映射至圖形顯示終端，虛擬信息與實(shí)景信息自動(dòng)配準(zhǔn)、融合和疊加，既增強(qiáng)了實(shí)景數(shù)據(jù)，又豐富了虛擬數(shù)據(jù)。

3.2.2 交互控制

在圖形顯示終端配合下，依托交互控制終端直接操作虛擬模型，直觀地對(duì)虛擬模型數(shù)據(jù)進(jìn)行重新布置、旋轉(zhuǎn)、調(diào)整、縮放、翻轉(zhuǎn)、擴(kuò)展和刪除等操作，實(shí)現(xiàn)沉浸式交互。虛實(shí)信息交互控制是AR的難點(diǎn)，主要包括以下3種方式：

（1）硬件控制交互。最成熟、成本最低、技術(shù)難度最低的交互方式，但不能直接與虛擬信息接觸交互，需要依托硬件支持。

（2）語義手勢交互。依托深度傳感器和深度攝像頭感知用戶手勢，通過傳感器解讀手勢語義，只能實(shí)現(xiàn)簡單的抓取、揮動(dòng)等，具有一定局限性。

②粗砂：以黃色為主，局部灰色，主要組成成分為粗砂，濕，飽和，稍密，顆粒形狀多為圓形，含少量粉細(xì)砂和粘粉粒等，局部夾有礫砂。

（3）接觸型交互。利用攝像頭、傳感器和熱傳感等捕捉雙手動(dòng)作，直接與虛擬信息交互，獲得視覺與觸覺的雙重體驗(yàn)，是虛實(shí)信息交互的最終目標(biāo)。目前，還沒有較成熟的產(chǎn)品。通過交互控制終端，直接對(duì)梁場、拌合站、材料場等模型進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和重新布局，也可查看編輯模型屬性信息。接觸型交互顛覆了傳統(tǒng)的操作模式，可直觀完成鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查工作，增強(qiáng)外業(yè)調(diào)查工作的真實(shí)感。

3.2.3 合理性評(píng)價(jià)

鐵路施工組織設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作，是根據(jù)外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)，通過內(nèi)業(yè)進(jìn)行合理性分析和重新整理，生成施工組織總圖、施工組織詳細(xì)平面圖、鐵路施工組織進(jìn)度圖和鐵路施工組織說明文件。如果在外業(yè)調(diào)查時(shí)完成數(shù)據(jù)的合理性分析，如分析進(jìn)度周期、規(guī)劃材料運(yùn)輸路線、計(jì)算運(yùn)距等，將大幅減少內(nèi)業(yè)工作，提高施工組織設(shè)計(jì)效率，對(duì)后續(xù)施工、驗(yàn)收等階段工作也有很好的指導(dǎo)意義。在完成地理、氣候、環(huán)境、歷史、設(shè)計(jì)、模型、地質(zhì)等數(shù)據(jù)的調(diào)查和整理后，利用合理性評(píng)價(jià)模型，從經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、社會(huì)影響、施工、設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行合理性評(píng)價(jià)（見圖4）。獲得合理性評(píng)價(jià)結(jié)果后，若評(píng)價(jià)等級(jí)較低，應(yīng)立即重新調(diào)整設(shè)計(jì)布置相關(guān)模型、及時(shí)更新相關(guān)數(shù)據(jù)；若評(píng)價(jià)等級(jí)高，表明調(diào)查數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)匹配合理。合理性評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用，可解決外業(yè)調(diào)查不能立即評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)合理性的問題，簡化內(nèi)業(yè)整理工作。

圖4 合理性評(píng)價(jià)示意圖

3.2.4 4D時(shí)空建模

通過AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合后，可進(jìn)行4D時(shí)空建模，將帶有時(shí)間戳的實(shí)景信息、模型布置信息等進(jìn)行統(tǒng)一構(gòu)建處理，建立鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查時(shí)期的4D時(shí)空模型。在鐵路工程的不同階段，具有不同詳細(xì)程度的模型數(shù)據(jù)，在模型數(shù)據(jù)中加入時(shí)間戳，可使其具備時(shí)間屬性，并隨時(shí)間推移不斷進(jìn)化完善。將4D時(shí)空模型與GIS地圖結(jié)合，實(shí)現(xiàn)宏觀到微觀的全局?jǐn)?shù)據(jù)瀏覽過程：縮小GIS地圖時(shí)，可從整體角度瀏覽整個(gè)調(diào)查數(shù)據(jù)在鐵路線路中的分布情況；放大GIS地圖時(shí)，可從局部角度瀏覽查看調(diào)查數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)在施工場地中的詳細(xì)布置。

3.2.5 全生命周期數(shù)據(jù)瀏覽

3.3 共享數(shù)據(jù)

鐵路工程是一個(gè)復(fù)雜且龐大的系統(tǒng)工程，涉及專業(yè)眾多。只有各專業(yè)間溝通緊密、相互配合，才能完成鐵路工程建設(shè)。將調(diào)查數(shù)據(jù)和布置合理的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)布至數(shù)據(jù)共享中心，可為內(nèi)業(yè)整理或其他專業(yè)提供外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)來源，避免重復(fù)工作，節(jié)約成本（見圖5）。通過不同專業(yè)技術(shù)人員對(duì)數(shù)據(jù)的更新完善，最終得到詳細(xì)、準(zhǔn)確、合理的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的共享中心打破了不同鐵路專業(yè)間的數(shù)據(jù)傳遞壁壘，建立了數(shù)據(jù)溝通的橋梁，使各專業(yè)相互協(xié)作配合、共同推動(dòng)鐵路工程的發(fā)展。

圖5 各專業(yè)間數(shù)據(jù)共享示意圖

4 結(jié)論

鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查在應(yīng)用AR+BIM+GIS技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了實(shí)景影像和虛擬數(shù)據(jù)的疊加融合，可直觀、形象地展示BIM設(shè)計(jì)模型信息，并實(shí)現(xiàn)沉浸式數(shù)據(jù)交互、全生命周期4D時(shí)空數(shù)據(jù)瀏覽、調(diào)查數(shù)據(jù)的合理性評(píng)價(jià)等，也能從宏觀到微觀、整體到局部、初期到末期等多個(gè)角度全方位瀏覽各類數(shù)據(jù)，實(shí)景數(shù)據(jù)與虛擬數(shù)據(jù)不斷迭代優(yōu)化、相互促進(jìn)完善。通過數(shù)據(jù)共享中心，各鐵路專業(yè)間協(xié)同提高了調(diào)查數(shù)據(jù)質(zhì)量，更全面、細(xì)致地為建設(shè)鐵路工程服務(wù)。通過應(yīng)用AR+BIM+GIS技術(shù)的功能及要點(diǎn)，創(chuàng)新了鐵路施工組織設(shè)計(jì)外業(yè)調(diào)查的方式，也順應(yīng)了鐵路工程建設(shè)中應(yīng)用多技術(shù)融合綜合解決方案的發(fā)展趨勢。