山嶺隧道地上地下一體化三維建模方法

徐曉雅, 王章瓊*, 李雷烈, 趙歧林, 周意, 蔡永輝

(1.武漢工程大學土木工程與建筑學院, 武漢 430074; 2.長江航道勘察設計院(武漢)有限公司, 武漢 430040)

在交通強國戰略的驅動下,中國山嶺隧道的數量和長度不斷增加,面臨的地質條件也更加復雜,利用三維建模技術構建的信息化模型不僅可以直觀展示擬建隧道、還可以承載多源信息、實現隧道多源信息的管理[1-3]。

在國家大力推進“數字中國”建設的背景下,三維建模技術得到了進一步的發展與應用。建筑信息模型(building information modeling,BIM)技術通過構建信息化模型表達建筑物物理和功能特性、集成多源信息,具有可視化、參數化及信息共享等優點[4-6]。利用BIM技術構建隧道信息化模型成為新的隧道模型構建方式,但仍存在與實際地理環境脫離的缺點[7-9]。地理信息系統(geographic information system,GIS)技術在空間定位、地質建模方面有很大的優勢[10-11]。傾斜攝影技術作為新的地理數據采集手段,具有數據采集精度準、效率高,成本低等特點[12-13]。信息化模型的創建與應用成為工程建設中必不可少的一部分,隨著三維建模技術的不斷發展,如何快速、便捷、準確的構建三維隧道信息化模型至關重要。

為此,以黃龍山隧道為依托,開展山嶺隧道地上地下一體化建模方法研究,提出一套BIM、GIS、傾斜攝影技術融合的建模方法。采用BIM技術構建隧道結構模型、傾斜攝影技術構建地表三維實景模型、GIS技術構建三維地質模型,并通過數據轉換、坐標匹配實現多源模型的集成。該方法可實現隧道信息化模型的快速構建,真實呈現山嶺隧道地上地下全貌,為實景三維中國部件級建設提供思路,為智慧隧道建設、數字孿生隧道建設提供基礎模型。

1 多源數據融合方案

1.1 模型數據標準

BIM、GIS、傾斜攝影數據標準不同,在集成一體化模型時,需要對模型數據進行格式轉換。

1.1.1 BIM數據標準

工程基礎類(industry foundation classes,IFC)標準[14]是目前BIM模型最常見的數據模型標準,采用面向對象的規范化語言Express定義建筑物和工程數據,可以描述建筑物、設備、結構和其他建筑要素的幾何構造和行為屬性。IFC標準具有強大的兼容性和可擴展性,可以在許多BIM軟件中使用,實現建筑項目不同階段之間的數據交換和共享。

1.1.2 GIS數據標準

CityGML(city geography markup language)是一種基于可擴展性標記語言XML,常用于數據存儲交換的開放式數據模型[15]。CityGML定義了城市和區域中最常見的地表目標的類型及相互關系,用于存儲城市和地形的三維數字模型,并充分考慮了區域模型的幾何特征、語義、拓撲關系和外觀等方面屬性,在GIS領域得到廣泛的應用。

1.1.3 傾斜攝影數據標準

傾斜攝影模型文件常見的格式是OSGB和3D Tiles。其中,OSGB(open scene gragh binary)是開源的三維渲染引擎OSG(open scene graph)數據文件格式的二進制版本,也是Context Capture常用的數據存儲格式。OSGB是以瓦片的形式存在,其數據包括存儲不同等級瓦片的Data文件夾和存儲模型坐標信息的XML文件,要實現完整模型的瀏覽,需要為其配置索引文件。

1.2 多源數據融合方案

為實現不同數據標準的隧道結構模型、地表三維實景模型和三維地質模型融合,提出利用MapGIS 3D SceneBuilder集成多源數據模型的技術方案,如圖1所示。

圖1 數據融合技術方案

MapGIS 3D SceneBuilder是一款基于MapGIS平臺的三維場景建模軟件,支持多種數據格式的導入和輸出。采用MapGIS 3D SceneBuilder作為數據集成平臺,將BIM模型導出為IFC格式,將OSGB格式的地表三維實景模型通過mcx索引的方式導入三維場景建模軟件中瀏覽展示,三維地質模型直接轉入三維場景建模軟件中。最后通過坐標配準,可以實現多源數據的集成展示。

BIM模型在導入MapGIS 3D SceneBuilder的過程中,通常會出現屬性數據丟失、渲染效果差等現象。為了更好地管理模型數據,采用開源框架Three.js搭建場景,進行Revit二次開發,編寫可以將數據導出為gltf格式的轉換接口,將隧道結構模型數據轉換成Three.js支持的標準數據格式,既解決了屬性數據和幾何數據丟失的問題,又保證了隧道結構模型的渲染效果。為驗證插件的適用性,從Revit官網下載官方示例模型,并自建隧道模型,經gltf數據轉換插件處理的模型,轉換效果較好,導出的數據保留了大部分紋理和屬性信息,如圖2所示。

圖2 模型轉換效果對比圖

在數據轉換插件中引入Draco庫,通過gltf-pipeline對數據進行編碼壓縮,在數據轉換的同時完成模型的輕量化。官方示例模型文件較小,輕量化效果不明顯;自建隧道模型轉換后,大小縮小近15倍,輕量化效果明顯,如表1所示。

表1 模型輕量化效果對比

2 山嶺隧道三維建模方法

2.1 工程概況

以黃龍山隧道為例,驗證山嶺隧道地上地下一體化三維建模方法的可行性。黃龍山隧道位于湖北省武漢市江夏區光谷一路,隧道全長412 m,凈寬10 m,凈高6.93 m,為分離式雙線隧道,各設2車道。隧道南北貫穿黃龍山,山頂為黃龍山公園,植被茂盛,周邊交通復雜,建筑密集。

2.2 隧道結構模型創建

采用Revit軟件進行隧道結構建模,與其他主流BIM建模軟件相比,Revit不僅支持更加簡單高效的參數化建模;還擁有開源的圖形編程插件Dynamo,可以簡化重復性的作業方式。使用Revit和Dynamo交互建模的方式,能夠簡化建模步驟,提升建模速度,提高山嶺隧道模型的準確性和共享性,建模流程如圖3所示。

圖3 山嶺隧道結構模型構建流程圖

2.2.1 隧道構件分類

依據《公路工程信息模型應用統一標準》(JTG/T 2420—2020),將隧道結構按照構件用途和施工工序分為：主體、洞門、輔助通道、防排水、路面,每部分分為3個等級,實現隧道構件的分類管理,避免信息的冗余和混亂,如表2所示。

表2 隧道構件分類

2.2.2 隧道參數化族構件建模

隧道構件分類后,利用Revit中的可載入族進行隧道構件的參數化建模?？奢d入族是利用Revit中自帶的族樣板進行創建的,可以對其屬性進行設置。其步驟為：①采用放樣融合的方式創建可載入族;②根據設計方案的尺寸構建輪廓族;③設置放樣的路徑和角度,載入輪廓族;④進行融合并賦予構件相應的材質,實現單個構件族模型的創建。

隧道采用復合式支護結構,依據設計方案,利用在Revit中定義好的標準族構件樣板快速構建不同類型的構件模型,并通過修改參數調整模型長度和放樣角度,不同參數驅動的襯砌模型如圖4所示。

a為襯砌傾斜的角度

2.2.3 隧道中心線繪制

隧道中心線通常是一條三維空間曲線,在Revit中難以直接手動繪制三維曲線,因此,采用Dynamo創建三維曲線。根據隧道平面圖和縱斷面圖讀取隧道中心線要素,將其整理成曲線要素表,利用Dynamo節點File.ToData識別要素,通過節點PlaneCurve.ByData和CentralCurve.ByData實現三維曲線的繪制。

2.2.4 族構件參數批量設置

Revit中族參數需要在繪制族構件的時候進行設置,但當參數值發生變化時,需要將族構件打開進行信息變更,隧道工程中族構件較多,在實際應用中,隧道BIM模型的維護更新極為不易。為此,采用Dynamo進行隧道族構件的參數批量設置,將不同隧道族構件的參數及其名稱整理成參數設置表,通過Data.importExcel節點讀取參數,形成參數列表,使用Patameter.Add節點實現參數名稱的創建。流程如圖5所示。

圖5 族構件參數批量設置流程圖

2.2.5 族構件自適應拼接

基于Dynamo編寫可以實現隧道族構件自適應拼接的程序,主要由數據讀取、數據處理、構件放置和參數驅動4個模塊組成。通過該程序解算隧道中心線,獲取族構件對應的位置信息,然后采用單點載入的方式與Revit交互,實現構件模型的拼接,該建模過程可表示為

(1)

式(1)中：F為隧道模型;F(·)為Dynamo腳本;xi為隧道族構件參數;y和z分別為平曲線和豎曲線。

數據讀取模塊是利用File.ToData節點讀取提前整理成.xlsx格式的平曲線要素表、豎曲線要素表和構件參數表;數據處理模塊是將讀取的數據整理成Dynamo可識別的列表元素,主要利用Data.ImportExcel、List.Transpose等節點;構件放置模塊主要使用FamyliInstance.ByMileage節點,利用該節點將族構件基于點載入,并通過輸入參數改變族構件與隧道線路的斜交角度,實現隧道構件方位角的變換;參數驅動主要是通過Element.SetParameterByName節點輸入Element、ParamentName、value參數,實現構件快速賦值。

在Revit中新建項目,設置好項目單位、載入構件族,然后通過Dynamo進行族構件的自適應拼接,實現完整隧道模型的創建,如圖6所示。

圖6 隧道模型

2.3 三維實景模型創建

山嶺隧道地形地貌復雜、植被分布密集,地表不利因素多,采用無人機傾斜攝影技術可以地表三維實景建模。傾斜攝影技術可以快速獲取高分辨率影像數據,提高工作效率,降低成本,準確獲取地理位置信息,有效還原地面真實紋理和色彩信息,直觀展示地形特征和地物的細節。三維實景建模流程分為外業航飛和內業數據處理,如圖7所示。

不規則三角網(triangulated irregular network,TIN);數字地表模型(digital surface model,DSM);數字正射影像圖(digital orthophoto map,DOM)

2.3.1 外業航飛

采用大疆精靈4 RTK無人機采集黃龍山隧道地表影像數據,這款無人機具有定位精度高,操作簡單,抗風能力強等優勢。首先熟悉黃龍山隧道的大致范圍及周邊情況,確定航飛范圍及路線;利用無人機操縱搭載的多視角傾斜攝影相機和定位設備,從傾斜和垂直5個角度獲取高質量和高分辨率的區域圖像和各圖像獨立的POS數據,發揮傾斜攝影的全方位、全自動、高效率、高精度的場景獲取優勢。

2.3.2 內業數據處理

采用Context Capture軟件進行內業數據處理,首先集成圖像及其對應的POS數據,作為初始值進行多視影像聯合平差,降低不同視角帶來的誤差影響;再對稀疏點云進行加密,獲取能夠反映真實地物特征的密集點云,構建三角網模型;最后將影像紋理映射到三角網模型上,得到三維實景模型,如圖8所示。

圖8 三維實景模型

2.4 三維地質模型創建

采用MapGIS軟件進行三維地質建模,該軟件可根據實際數據情況及建模精度要求選擇合適的地質建模方法,具有高效、智能、高精度等優勢。以傾斜攝影數據為基礎,首先建立傾斜攝影點云模型。采用濾波技術對點云數據進行處理降噪、表面點分類和平滑等操作,將地面點分離,如圖9所示。

圖9 點云濾波效果圖

經過濾波處理后,使用插值法來填補地面點數據中的空洞,進而構建不規則三角網(triangulated irregular network,TIN),并生成TIFF格式的數字高程模型(digital elevation model,DEM),如圖10所示。

圖10 隧道DEM

將得到的DEM數據作為約束表面設置建模邊界,對鉆孔數據進行插值并提取分層信息,基于鉆孔約束分區法完成三維地質建模,如圖11所示。

圖11 三維地質模型

3 數據融合與模型展示

使用MapGIS 3DSceneBuilder作為數據集成平臺,將隧道結構模型、傾斜攝影模型、三維地質模型等多源數據導入,并利用坐標匹配技術,將這些模型的多源信息進行融合,從而得到山嶺隧道地上地下一體化三維模型。利用MapGIS 3Dclient for WebGL和開源框架three.js,將MapGIS 3D SceneBuilder集成的模型數據進行緩存,然后利用MapGIS IGServer進行模型數據發布,通過調用URL實現模型數據的加載,如圖12所示。

圖12 山嶺隧道地上地下一體化模型

4 結論

(1)基于BIM+Dynamo進行山嶺隧道結構建模,編寫實現隧道族構件自適應拼接的Dynamo程序,簡化建模步驟,提高山嶺隧道模型的準確性和交互性。

(2)對Revit進行二次開發,重新設計數據導出接口,開發可以直接導出gltf格式的插件,同時引入Draco庫,提高數據轉換的效率,實現模型輕量化。

(3)基于BIM+GIS+傾斜攝影融合技術,提出山嶺隧道地上地下一體化三維建模方法,即通過將BIM技術創建的隧道結構模型、傾斜攝影獲取的三維實景模型和MapGIS創建的三維地質模型融合,實現地上地下一體化三維建模。同時采用分布式數據管理的方式,充分發揮開源框架Three.js能夠精細化渲染BIM模型的優勢,避免隧道結構模型屬性信息丟失,數據冗余等問題,確保建模的準確性和可靠性。

隨著BIM、GIS等技術的不斷發展,三維信息模型越來越重要,將針對模型融合、屬性信息更新、可視化表達、信息管理等問題進行深入研究,進一步完善系統數據存儲、實際應用等功能,挖掘模型潛在價值,擴展應用能力,以期實現隧道工程全生命周期智能化、數字化管理。