一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成方法与流程

本发明涉及三维道路模型集成领域，特别是涉及一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成方法。

背景技术：

近年来，以协同工作和信息集成为目标的建筑信息模型(BIM)技术被广泛推广。然而，BIM主要被用于对单个项目工程的设计、管理应用，很难顾及建筑周边宏观的地理环境因素的影响，尤其是市政道路、公路建设项目的实施与大范围沿线地形、地质、景观以及建成区现状等关系密切。为了实现真正的从规划设计到施工运营的工程全生命周期数字化管理目标，越来越多的学者开展了BIM与地理信息系统(GIS)的集成应用研究。

现有BIM和GIS集成研究主要集中于工业基础类(IFC)与CityGML两类标准之间的集成，而道路BIM具有特殊的语义结构，现有集成框架和方法在处理市政道路BIM和GIS集成的应用中具有很大局限性。此类研究是在现有BIM模型基础上扩展对道路对象的支持，实际上不同专业领域通过简单模型转换实现信息交互的方法只保留了少量的语义信息，应用局限性十分明显。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成方法。旨在实现市政道路BIM设计模型与GIS数据的集成，同时，通过道路扩展模型对道路BIM设计模型进行语义化解析，转换获得完整的道路设计要素、对象几何模型，保留语义信息，提高应用的广度。

为实现上述目的，本发明提供了一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成方法，包括如下步骤：

S1、从道路设计平台中导出LandXML格式的道路BIM设计模型，并分解道路模型实体要素；

S2、按照CityGML ADE扩展框架定义新的道路扩展模型，并将分解后的所述道路模型实体要素映射为所述道路扩展模型中的要素类；

S3、根据前述分解得到的道路模型实体要素和所述道路扩展模型对所述道路BIM设计模型进行语义化解析，并将解析得到的BIM实体要素经几何转换为三维GIS几何要素；

S4、继承CityGML LOD标准框架，补充定义道路模型在不同LOD级别的可视化内容，并在三维软件中展示转换集成后的道路模型。

在该技术方案中，以CityGML标准为基础，结合市政道路BIM设计要素内容，对其进行扩展，建立了新的道路类ADE模型，提高了宏观GIS数据和微观道路BIM数据要素集成的完整性和结构准确性，为道路BIM和GIS数据的集成提供了框架和可行的路径，实现了LandXML道路设计模型和CityGML三维GIS模型数据的一体化集成与展示。在该技术方案中，通过道路扩展模型对道路BIM设计模型进行语义化解析，转换获得完整的道路设计要素、对象几何模型，保留语义信息，提高应用的广度。

进一步而言，所述步骤S1包括：

S11、对所述道路BIM设计模型的LandXML文件进行全要素解析，根据应用特征将道路实体要素分为空间要素和物理要素；所述空间要素，用于表达道路的第一几何信息和/或拓扑信息；所述物理要素与具有语义信息的道路部件相对应，所述道路部件包括第二几何信息和属性信息。

在该技术方案中，将道路实体要素分为空间要素和物理要素，有助于解析语义信息的完整性。

进一步而言，所述步骤S2包括：

S21、在CityGML标准外部定义ADE道路扩展模式文件XML Schema，在独立的命名空间中定义描述新的要素类；

S22、继承CityGML标准原生定义的交通模型类要素(_TransportationObject)中的道路(Road)子要素进一步定义ADE扩展模型，包括两个分支部分：扩展路段要素(ADE RoadSegment)和扩展空间约束要素(ADE SpatialConstraint)；所述扩展路段要素包括路段空间要素和物理要素的构成和属性定义；所述扩展空间约束则定义了路段要素几何表达的基础要素。

在该技术方案中，定义新的要素类，避免现有技术的不同专业领域通过简单模型转换实现信息交互的方法只保留了少量的语义信息的问题，有效提高语义信息解析的完整性。

进一步而言，所述步骤S3包括：

S31、遍历LandXML对象节点，组合获取具有语义特征的道路要素对象，包括：平面线性、纵断面和横断面装配；

S32、转换道路BIM实体要素的几何表达方式，由扫掠实体模型(Swept Solid)转换为CityGML ADE中定义的边界表面模型(Boundary Representation,BRep)；

S33、针对于超高和加宽设计路段，以道路中线与偏移线的空间约束关系为基础，通过离散化处理来获得路段表面模型。

在该技术方案中，实现了如何将BIM实体要素转换为三维GIS几何要素的方法，通过边界表面模型进行转换，有效提高模型转换的精度。

进一步而言，所述步骤S31包括：

S311、制定路线名称的定义规则为：[路段名称]+[子分段序号]+[方向]+[dlzx/部件类型]，根据Alignment节点的name属性来查找道路中线及其偏移线，并根据命名建立偏移线之间的关联关系；

S312、读取LandXML文件Alignment元素下的Profile子元素，包括曲面纵断面(ProfSurf)和设计纵断面(ProfAlign)，具体由直线段和圆形曲线或对称抛物线组合构成，组合同一路线的平面和纵断面线形数据，得到路段线型的三维几何信息；

S313、读取CrossSect元素下的横断面装配信息，其中每个DesignCrossSectSurf子元素为构成当前横断面的一个部件，首先根据“side”属性把当前横断面一侧的所有部件信息读出，然后按照每个部件的位置组合路段横向结构。

在该技术方案中，通过对路线进行定义，读取模型信息，以便对道路模型进行划分面片。

进一步而言，所述步骤S32包括：

S321、将扫掠平面和扫掠线坐标值转换为世界坐标系统下的坐标值；定义函数实现基于扫掠面和扫掠线生成边界表面，设扫掠平面的边为AB,A＝(X_A,Y_A,Z_A)，B＝(X_B,Y_B,Z_B)，扫掠向量V＝(X_V,Y_V,Z_V)，扫掠后边点坐标满足：

A'＝A+V

B'＝B+V

S322、新生成的扫掠平面为AA'B'B可直接转换为边界表面。

当扫掠线为曲线时，可将其表示为一系列相连的点串，所述曲线表示为：

CURVE＝{P₁(X₁,Y₁,Z₁),P₂(X₂,Y₂,Z₂)...P_n(X_n,Y_n,Z_n)}

设曲线中点P_n位置的切线向量为T_n，所述T_n满足：

T_n＝(X_n-X_n-1,Y_n-Y_n-1,Z_n-Z_n-1)

S323、在扫掠平面边界上选定点A＝(X_A,Y_A,Z_A,0)，则其对应在扫掠曲面上的近似点坐标计算满足：

A_n＝A×M_n

其中，M_n满足：所述N为扫掠曲线所在平面的法向量。

在该技术方案中，通过扫掠平面设定边界表面，以便对道路模型进行划分面片。

进一步而言，所述步骤S33包括：

S331、以路段中心线为横向基准，沿路段走向设置固定间隔的桩位，沿桩位位置做路段中线的法线，与偏移线相交的点位记为相同的桩号；

S332、连接相同的桩号节点，将加宽和超高路段划分为离散的面片；

S333、根据两侧线形位置上的部件的宽度尺寸修正面片宽度，结合部件厚度信息在Z轴方向调整面片偏移位置。

在该技术方案中，通过设置桩位进行划分离散面片，具体固定间隔可以根据需要进行设定。一方面保证面片数量不会太多，另一方面保证系统处理速度也得以优化。

进一步而言，所述步骤S4包括：

S41、继承CityGML LOD标准框架，补充定义道路模型在不同LOD级别的可视化内容；所述LOD级别包括：LOD1、LOD2、LOD3、LOD4；

所述LOD1的道路数据为道路设计的基础线形，用于表达道路的位置、走向和路段间的拓扑结构等信息，以网状的方式展示大范围道路网的空间布局；

所述LOD2的道路数据为三维简要模型，用于展示以道路中线和宽度信息自动生成的简要模型，表达路段的空间范围信息；

所述LOD3的道路数据为细化后的道路模型，用于表达路面的材质和行道线等标志物信息，包括道路车道划分和交叉口连通关系；

所述LOD4的道路数据为全要素道路设计成果，包括道路模型中所述道路部件、附属设施和空间组合关系，所述空间组合关系包含明确的道路语义、拓扑和几何信息；

S42、根据道路模型所述LOD级别定义，对集成转换后的LOD4道路模型执行简化操作，自动生成LOD2、LOD3的道路模型；所述简化操作包括：附属设施删除、面片合并、纹理简化。

在该技术方案中，通过设置LOD级别定义，并根据需求分级别进行可视化展示，根据不同场景展示不同的显示内容，有助于优化系统性能，提高系统处理速度。

本发明的有益效果是：本发明以CityGML标准为基础，结合市政道路BIM设计要素内容，对其进行扩展，建立了新的道路类ADE模型，提高了宏观GIS数据和微观道路BIM数据要素集成的完整性和结构准确性，为道路BIM和GIS数据的集成提供了框架和可行的路径，实现了LandXML道路设计模型和CityGML三维GIS模型数据的一体化集成与展示。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式的流程示意图；

图2是本发明一具体实施例方式的路段实体要素关系示意图；

图3是本发明一具体实施例方式的LOD1-LOD4道路模型可视化示例。

其中，101-防水堤；102-L型排水沟；103-路缘石；104-隔离带；105-路面铺装层；106-道路基层；107-U型排水沟。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1-3所示，在本发明第一实施例中，提供一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成方法，包括如下步骤：

S1、从道路设计平台中导出LandXML格式的道路BIM设计模型，并分解道路模型实体要素；

S2、按照CityGML ADE扩展框架定义新的道路扩展模型，并将分解后的所述道路模型实体要素映射为所述道路扩展模型中的要素类；

S3、根据前述分解得到的道路模型实体要素和所述道路扩展模型对所述道路BIM设计模型进行语义化解析，并将解析得到的BIM实体要素经几何转换为三维GIS几何要素；

S4、继承CityGML LOD标准框架，补充定义道路模型在不同LOD级别的可视化内容，并在三维软件中展示转换集成后的道路模型。

在本实施例中，所述步骤S1包括：

S11、对所述道路BIM设计模型的LandXML文件进行全要素解析，根据应用特征将道路实体要素分为空间要素和物理要素；所述空间要素，用于表达道路的第一几何信息和/或拓扑信息；所述物理要素与具有语义信息的道路部件相对应，所述道路部件包括第二几何信息和属性信息。

值得一提的是，所述空间要素为表达道路对象空间位置、几何结构、拓扑关系等信息的基础要素；道路实体包括构成道路的不同路段的横断面部件、交叉口和附属设施等具有语义特征的要素对象。

在本实施例中，所述步骤S2包括：

S21、在CityGML标准外部定义ADE道路扩展模式文件XML Schema，在独立的命名空间中定义描述新的要素类；

S22、继承CityGML标准原生定义的交通模型类要素(_TransportationObject)中的道路(Road)子要素进一步定义ADE扩展模型，包括两个分支部分：扩展路段要素(ADE RoadSegment)和扩展空间约束要素(ADE SpatialConstraint)；所述扩展路段要素包括路段空间要素和物理要素的构成和属性定义；所述扩展空间约束则定义了路段要素几何表达的基础要素。如图2中给出了路段实体要素关系。

在本实施例中，所述步骤S3包括：

S31、遍历LandXML对象节点，组合获取具有语义特征的道路要素对象，包括：平面线性、纵断面和横断面装配；

S32、转换道路BIM实体要素的几何表达方式，由扫掠实体模型(Swept Solid)转换为CityGML ADE中定义的边界表面模型(Boundary Representation,BRep)；

S33、针对于超高和加宽设计路段，以道路中线与偏移线的空间约束关系为基础，通过离散化处理来获得路段表面模型。

在本实施例中，所述步骤S31包括：

S311、制定路线名称的定义规则为：[路段名称]+[子分段序号]+[方向]+[dlzx/部件类型]，根据Alignment节点的name属性来查找道路中线及其偏移线，并根据命名建立偏移线之间(车行道、人行道等)的关联关系；

S312、读取LandXML文件Alignment元素下的Profile子元素，包括曲面纵断面(ProfSurf)和设计纵断面(ProfAlign)，具体由直线段和圆形曲线或对称抛物线组合构成，组合同一路线的平面和纵断面线形数据，得到路段线型的三维几何信息；

S313、读取CrossSect元素下的横断面装配信息，其中每个DesignCrossSectSurf子元素为构成当前横断面的一个部件，首先根据“side”属性把当前横断面一侧的所有部件信息读出，然后按照每个部件的位置(x坐标)组合路段横向结构。

在本实施例中，所述步骤S32包括：

S321、将扫掠平面和扫掠线坐标值转换为世界坐标系统下的坐标值；定义函数实现基于扫掠面和扫掠线生成边界表面，设扫掠平面的边为AB,A＝(X_A,Y_A,Z_A)，B＝(X_B,Y_B,Z_B)，扫掠向量V＝(X_V,Y_V,Z_V)，扫掠后边点坐标满足：

A'＝A+V

B'＝B+V

S322、新生成的扫掠平面为AA'B'B可直接转换为边界表面。

当扫掠线为曲线时，可将其表示为一系列相连的点串，所述曲线表示为：

CURVE＝{P₁(X₁,Y₁,Z₁),P₂(X₂,Y₂,Z₂)...P_n(X_n,Y_n,Z_n)}

设曲线中点P_n位置的切线向量为T_n，所述T_n满足：

T_n＝(X_n-X_n-1,Y_n-Y_n-1,Z_n-Z_n-1)

S323、在扫掠平面边界上选定点A＝(X_A,Y_A,Z_A,0)，则其对应在扫掠曲面上的近似点坐标计算满足：

A_n＝A×M_n

其中，M_n满足：所述N为扫掠曲线所在平面的法向量。

在本实施例中，所述步骤S33包括：

S331、以路段中心线为横向基准，沿路段走向设置固定间隔的桩位，沿桩位位置做路段中线的法线，与偏移线相交的点位记为相同的桩号；

S332、连接相同的桩号节点，将加宽和超高路段划分为离散的面片；

S333、根据两侧线形位置上的部件(隔离带、路缘石等)的宽度尺寸修正面片宽度，结合部件厚度信息在Z轴方向调整面片偏移位置。

在本实施例中，所述步骤S4包括：

S41、继承CityGML LOD标准框架，补充定义道路模型在不同LOD级别的可视化内容；所述LOD级别包括：LOD1、LOD2、LOD3、LOD4；

所述LOD1的道路数据为道路设计的基础线形，用于表达道路的位置、走向和路段间的拓扑结构等信息，以网状的方式展示大范围道路网的空间布局；

所述LOD2的道路数据为三维简要模型，用于展示以道路中线和宽度信息自动生成的简要模型，表达路段的空间范围信息；

所述LOD3的道路数据为细化后的道路模型，用于表达路面的材质和行道线等标志物信息，包括道路车道划分和交叉口连通关系；

所述LOD4的道路数据为全要素道路设计成果，包括道路模型中所述道路部件、附属设施和空间组合关系，所述空间组合关系包含明确的道路语义、拓扑和几何信息；

S42、根据道路模型所述LOD级别定义，对集成转换后的LOD4道路模型执行简化操作，自动生成LOD2、LOD3的道路模型；所述简化操作包括：附属设施删除、面片合并、纹理简化。如图3给出了本实施例的LOD1-LOD4道路模型可视化示例。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。