本發(fā)明涉及三維道路模型集成領(lǐng)域，特別是涉及一種市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與GIS數(shù)據(jù)集成方法。

背景技術(shù)：

近年來，以協(xié)同工作和信息集成為目標(biāo)的建筑信息模型(BIM)技術(shù)被廣泛推廣。然而，BIM主要被用于對單個(gè)項(xiàng)目工程的設(shè)計(jì)、管理應(yīng)用，很難顧及建筑周邊宏觀的地理環(huán)境因素的影響，尤其是市政道路、公路建設(shè)項(xiàng)目的實(shí)施與大范圍沿線地形、地質(zhì)、景觀以及建成區(qū)現(xiàn)狀等關(guān)系密切。為了實(shí)現(xiàn)真正的從規(guī)劃設(shè)計(jì)到施工運(yùn)營的工程全生命周期數(shù)字化管理目標(biāo)，越來越多的學(xué)者開展了BIM與地理信息系統(tǒng)(GIS)的集成應(yīng)用研究。

現(xiàn)有BIM和GIS集成研究主要集中于工業(yè)基礎(chǔ)類(IFC)與CityGML兩類標(biāo)準(zhǔn)之間的集成，而道路BIM具有特殊的語義結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有集成框架和方法在處理市政道路BIM和GIS集成的應(yīng)用中具有很大局限性。此類研究是在現(xiàn)有BIM模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展對道路對象的支持，實(shí)際上不同專業(yè)領(lǐng)域通過簡單模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信息交互的方法只保留了少量的語義信息，應(yīng)用局限性十分明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與GIS數(shù)據(jù)集成方法。旨在實(shí)現(xiàn)市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與GIS數(shù)據(jù)的集成，同時(shí)，通過道路擴(kuò)展模型對道路BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行語義化解析，轉(zhuǎn)換獲得完整的道路設(shè)計(jì)要素、對象幾何模型，保留語義信息，提高應(yīng)用的廣度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與GIS數(shù)據(jù)集成方法，包括如下步驟：

S1、從道路設(shè)計(jì)平臺中導(dǎo)出LandXML格式的道路BIM設(shè)計(jì)模型，并分解道路模型實(shí)體要素；

S2、按照CityGML ADE擴(kuò)展框架定義新的道路擴(kuò)展模型，并將分解后的所述道路模型實(shí)體要素映射為所述道路擴(kuò)展模型中的要素類；

S3、根據(jù)前述分解得到的道路模型實(shí)體要素和所述道路擴(kuò)展模型對所述道路BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行語義化解析，并將解析得到的BIM實(shí)體要素經(jīng)幾何轉(zhuǎn)換為三維GIS幾何要素；

S4、繼承CityGML LOD標(biāo)準(zhǔn)框架，補(bǔ)充定義道路模型在不同LOD級別的可視化內(nèi)容，并在三維軟件中展示轉(zhuǎn)換集成后的道路模型。

在該技術(shù)方案中，以CityGML標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合市政道路BIM設(shè)計(jì)要素內(nèi)容，對其進(jìn)行擴(kuò)展，建立了新的道路類ADE模型，提高了宏觀GIS數(shù)據(jù)和微觀道路BIM數(shù)據(jù)要素集成的完整性和結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，為道路BIM和GIS數(shù)據(jù)的集成提供了框架和可行的路徑，實(shí)現(xiàn)了LandXML道路設(shè)計(jì)模型和CityGML三維GIS模型數(shù)據(jù)的一體化集成與展示。在該技術(shù)方案中，通過道路擴(kuò)展模型對道路BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行語義化解析，轉(zhuǎn)換獲得完整的道路設(shè)計(jì)要素、對象幾何模型，保留語義信息，提高應(yīng)用的廣度。

進(jìn)一步而言，所述步驟S1包括：

S11、對所述道路BIM設(shè)計(jì)模型的LandXML文件進(jìn)行全要素解析，根據(jù)應(yīng)用特征將道路實(shí)體要素分為空間要素和物理要素；所述空間要素，用于表達(dá)道路的第一幾何信息和/或拓?fù)湫畔?；所述物理要素與具有語義信息的道路部件相對應(yīng)，所述道路部件包括第二幾何信息和屬性信息。

在該技術(shù)方案中，將道路實(shí)體要素分為空間要素和物理要素，有助于解析語義信息的完整性。

進(jìn)一步而言，所述步驟S2包括：

S21、在CityGML標(biāo)準(zhǔn)外部定義ADE道路擴(kuò)展模式文件XML Schema，在獨(dú)立的命名空間中定義描述新的要素類；

S22、繼承CityGML標(biāo)準(zhǔn)原生定義的交通模型類要素(_TransportationObject)中的道路(Road)子要素進(jìn)一步定義ADE擴(kuò)展模型，包括兩個(gè)分支部分：擴(kuò)展路段要素(ADE RoadSegment)和擴(kuò)展空間約束要素(ADE SpatialConstraint)；所述擴(kuò)展路段要素包括路段空間要素和物理要素的構(gòu)成和屬性定義；所述擴(kuò)展空間約束則定義了路段要素幾何表達(dá)的基礎(chǔ)要素。

在該技術(shù)方案中，定義新的要素類，避免現(xiàn)有技術(shù)的不同專業(yè)領(lǐng)域通過簡單模型轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)信息交互的方法只保留了少量的語義信息的問題，有效提高語義信息解析的完整性。

進(jìn)一步而言，所述步驟S3包括：

S31、遍歷LandXML對象節(jié)點(diǎn)，組合獲取具有語義特征的道路要素對象，包括：平面線性、縱斷面和橫斷面裝配；

S32、轉(zhuǎn)換道路BIM實(shí)體要素的幾何表達(dá)方式，由掃掠實(shí)體模型(Swept Solid)轉(zhuǎn)換為CityGML ADE中定義的邊界表面模型(Boundary Representation,BRep)；

S33、針對于超高和加寬設(shè)計(jì)路段，以道路中線與偏移線的空間約束關(guān)系為基礎(chǔ)，通過離散化處理來獲得路段表面模型。

在該技術(shù)方案中，實(shí)現(xiàn)了如何將BIM實(shí)體要素轉(zhuǎn)換為三維GIS幾何要素的方法，通過邊界表面模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，有效提高模型轉(zhuǎn)換的精度。

進(jìn)一步而言，所述步驟S31包括：

S311、制定路線名稱的定義規(guī)則為：[路段名稱]+[子分段序號]+[方向]+[dlzx/部件類型]，根據(jù)Alignment節(jié)點(diǎn)的name屬性來查找道路中線及其偏移線，并根據(jù)命名建立偏移線之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

S312、讀取LandXML文件Alignment元素下的Profile子元素，包括曲面縱斷面(ProfSurf)和設(shè)計(jì)縱斷面(ProfAlign)，具體由直線段和圓形曲線或?qū)ΨQ拋物線組合構(gòu)成，組合同一路線的平面和縱斷面線形數(shù)據(jù)，得到路段線型的三維幾何信息；

S313、讀取CrossSect元素下的橫斷面裝配信息，其中每個(gè)DesignCrossSectSurf子元素為構(gòu)成當(dāng)前橫斷面的一個(gè)部件，首先根據(jù)“side”屬性把當(dāng)前橫斷面一側(cè)的所有部件信息讀出，然后按照每個(gè)部件的位置組合路段橫向結(jié)構(gòu)。

在該技術(shù)方案中，通過對路線進(jìn)行定義，讀取模型信息，以便對道路模型進(jìn)行劃分面片。

進(jìn)一步而言，所述步驟S32包括：

S321、將掃掠平面和掃掠線坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)值；定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)基于掃掠面和掃掠線生成邊界表面，設(shè)掃掠平面的邊為AB,A＝(X_A,Y_A,Z_A)，B＝(X_B,Y_B,Z_B)，掃掠向量V＝(X_V,Y_V,Z_V)，掃掠后邊點(diǎn)坐標(biāo)滿足：

A'＝A+V

B'＝B+V

S322、新生成的掃掠平面為AA'B'B可直接轉(zhuǎn)換為邊界表面。

當(dāng)掃掠線為曲線時(shí)，可將其表示為一系列相連的點(diǎn)串，所述曲線表示為：

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

設(shè)曲線中點(diǎn)P_n位置的切線向量為T_n，所述T_n滿足：

T_n＝(X_n-X_n-1,Y_n-Y_n-1,Z_n-Z_n-1)

S323、在掃掠平面邊界上選定點(diǎn)A＝(X_A,Y_A,Z_A,0)，則其對應(yīng)在掃掠曲面上的近似點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算滿足：

A_n＝A×M_n

其中，M_n滿足：所述N為掃掠曲線所在平面的法向量。

在該技術(shù)方案中，通過掃掠平面設(shè)定邊界表面，以便對道路模型進(jìn)行劃分面片。

進(jìn)一步而言，所述步驟S33包括：

S331、以路段中心線為橫向基準(zhǔn)，沿路段走向設(shè)置固定間隔的樁位，沿樁位位置做路段中線的法線，與偏移線相交的點(diǎn)位記為相同的樁號；

S332、連接相同的樁號節(jié)點(diǎn)，將加寬和超高路段劃分為離散的面片；

S333、根據(jù)兩側(cè)線形位置上的部件的寬度尺寸修正面片寬度，結(jié)合部件厚度信息在Z軸方向調(diào)整面片偏移位置。

在該技術(shù)方案中，通過設(shè)置樁位進(jìn)行劃分離散面片，具體固定間隔可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。一方面保證面片數(shù)量不會(huì)太多，另一方面保證系統(tǒng)處理速度也得以優(yōu)化。

進(jìn)一步而言，所述步驟S4包括：

S41、繼承CityGML LOD標(biāo)準(zhǔn)框架，補(bǔ)充定義道路模型在不同LOD級別的可視化內(nèi)容；所述LOD級別包括：LOD1、LOD2、LOD3、LOD4；

所述LOD1的道路數(shù)據(jù)為道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)線形，用于表達(dá)道路的位置、走向和路段間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息，以網(wǎng)狀的方式展示大范圍道路網(wǎng)的空間布局；

所述LOD2的道路數(shù)據(jù)為三維簡要模型，用于展示以道路中線和寬度信息自動(dòng)生成的簡要模型，表達(dá)路段的空間范圍信息；

所述LOD3的道路數(shù)據(jù)為細(xì)化后的道路模型，用于表達(dá)路面的材質(zhì)和行道線等標(biāo)志物信息，包括道路車道劃分和交叉口連通關(guān)系；

所述LOD4的道路數(shù)據(jù)為全要素道路設(shè)計(jì)成果，包括道路模型中所述道路部件、附屬設(shè)施和空間組合關(guān)系，所述空間組合關(guān)系包含明確的道路語義、拓?fù)浜蛶缀涡畔ⅲ?/p>

S42、根據(jù)道路模型所述LOD級別定義，對集成轉(zhuǎn)換后的LOD4道路模型執(zhí)行簡化操作，自動(dòng)生成LOD2、LOD3的道路模型；所述簡化操作包括：附屬設(shè)施刪除、面片合并、紋理簡化。

在該技術(shù)方案中，通過設(shè)置LOD級別定義，并根據(jù)需求分級別進(jìn)行可視化展示，根據(jù)不同場景展示不同的顯示內(nèi)容，有助于優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)處理速度。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明以CityGML標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，結(jié)合市政道路BIM設(shè)計(jì)要素內(nèi)容，對其進(jìn)行擴(kuò)展，建立了新的道路類ADE模型，提高了宏觀GIS數(shù)據(jù)和微觀道路BIM數(shù)據(jù)要素集成的完整性和結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確性，為道路BIM和GIS數(shù)據(jù)的集成提供了框架和可行的路徑，實(shí)現(xiàn)了LandXML道路設(shè)計(jì)模型和CityGML三維GIS模型數(shù)據(jù)的一體化集成與展示。

附圖說明

圖1是本發(fā)明一具體實(shí)施方式的流程示意圖；

圖2是本發(fā)明一具體實(shí)施例方式的路段實(shí)體要素關(guān)系示意圖；

圖3是本發(fā)明一具體實(shí)施例方式的LOD1-LOD4道路模型可視化示例。

其中，101-防水堤；102-L型排水溝；103-路緣石；104-隔離帶；105-路面鋪裝層；106-道路基層；107-U型排水溝。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

如圖1-3所示，在本發(fā)明第一實(shí)施例中，提供一種市政道路BIM設(shè)計(jì)模型與GIS數(shù)據(jù)集成方法，包括如下步驟：

S1、從道路設(shè)計(jì)平臺中導(dǎo)出LandXML格式的道路BIM設(shè)計(jì)模型，并分解道路模型實(shí)體要素；

S2、按照CityGML ADE擴(kuò)展框架定義新的道路擴(kuò)展模型，并將分解后的所述道路模型實(shí)體要素映射為所述道路擴(kuò)展模型中的要素類；

S3、根據(jù)前述分解得到的道路模型實(shí)體要素和所述道路擴(kuò)展模型對所述道路BIM設(shè)計(jì)模型進(jìn)行語義化解析，并將解析得到的BIM實(shí)體要素經(jīng)幾何轉(zhuǎn)換為三維GIS幾何要素；

S4、繼承CityGML LOD標(biāo)準(zhǔn)框架，補(bǔ)充定義道路模型在不同LOD級別的可視化內(nèi)容，并在三維軟件中展示轉(zhuǎn)換集成后的道路模型。

在本實(shí)施例中，所述步驟S1包括：

S11、對所述道路BIM設(shè)計(jì)模型的LandXML文件進(jìn)行全要素解析，根據(jù)應(yīng)用特征將道路實(shí)體要素分為空間要素和物理要素；所述空間要素，用于表達(dá)道路的第一幾何信息和/或拓?fù)湫畔?；所述物理要素與具有語義信息的道路部件相對應(yīng)，所述道路部件包括第二幾何信息和屬性信息。

值得一提的是，所述空間要素為表達(dá)道路對象空間位置、幾何結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系等信息的基礎(chǔ)要素；道路實(shí)體包括構(gòu)成道路的不同路段的橫斷面部件、交叉口和附屬設(shè)施等具有語義特征的要素對象。

在本實(shí)施例中，所述步驟S2包括：

S21、在CityGML標(biāo)準(zhǔn)外部定義ADE道路擴(kuò)展模式文件XML Schema，在獨(dú)立的命名空間中定義描述新的要素類；

S22、繼承CityGML標(biāo)準(zhǔn)原生定義的交通模型類要素(_TransportationObject)中的道路(Road)子要素進(jìn)一步定義ADE擴(kuò)展模型，包括兩個(gè)分支部分：擴(kuò)展路段要素(ADE RoadSegment)和擴(kuò)展空間約束要素(ADE SpatialConstraint)；所述擴(kuò)展路段要素包括路段空間要素和物理要素的構(gòu)成和屬性定義；所述擴(kuò)展空間約束則定義了路段要素幾何表達(dá)的基礎(chǔ)要素。如圖2中給出了路段實(shí)體要素關(guān)系。

在本實(shí)施例中，所述步驟S3包括：

S31、遍歷LandXML對象節(jié)點(diǎn)，組合獲取具有語義特征的道路要素對象，包括：平面線性、縱斷面和橫斷面裝配；

S32、轉(zhuǎn)換道路BIM實(shí)體要素的幾何表達(dá)方式，由掃掠實(shí)體模型(Swept Solid)轉(zhuǎn)換為CityGML ADE中定義的邊界表面模型(Boundary Representation,BRep)；

S33、針對于超高和加寬設(shè)計(jì)路段，以道路中線與偏移線的空間約束關(guān)系為基礎(chǔ)，通過離散化處理來獲得路段表面模型。

在本實(shí)施例中，所述步驟S31包括：

S311、制定路線名稱的定義規(guī)則為：[路段名稱]+[子分段序號]+[方向]+[dlzx/部件類型]，根據(jù)Alignment節(jié)點(diǎn)的name屬性來查找道路中線及其偏移線，并根據(jù)命名建立偏移線之間(車行道、人行道等)的關(guān)聯(lián)關(guān)系；

S312、讀取LandXML文件Alignment元素下的Profile子元素，包括曲面縱斷面(ProfSurf)和設(shè)計(jì)縱斷面(ProfAlign)，具體由直線段和圓形曲線或?qū)ΨQ拋物線組合構(gòu)成，組合同一路線的平面和縱斷面線形數(shù)據(jù)，得到路段線型的三維幾何信息；

S313、讀取CrossSect元素下的橫斷面裝配信息，其中每個(gè)DesignCrossSectSurf子元素為構(gòu)成當(dāng)前橫斷面的一個(gè)部件，首先根據(jù)“side”屬性把當(dāng)前橫斷面一側(cè)的所有部件信息讀出，然后按照每個(gè)部件的位置(x坐標(biāo))組合路段橫向結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，所述步驟S32包括：

S321、將掃掠平面和掃掠線坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換為世界坐標(biāo)系統(tǒng)下的坐標(biāo)值；定義函數(shù)實(shí)現(xiàn)基于掃掠面和掃掠線生成邊界表面，設(shè)掃掠平面的邊為AB,A＝(X_A,Y_A,Z_A)，B＝(X_B,Y_B,Z_B)，掃掠向量V＝(X_V,Y_V,Z_V)，掃掠后邊點(diǎn)坐標(biāo)滿足：

A'＝A+V

B'＝B+V

S322、新生成的掃掠平面為AA'B'B可直接轉(zhuǎn)換為邊界表面。

當(dāng)掃掠線為曲線時(shí)，可將其表示為一系列相連的點(diǎn)串，所述曲線表示為：

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

設(shè)曲線中點(diǎn)P_n位置的切線向量為T_n，所述T_n滿足：

T_n＝(X_n-X_n-1,Y_n-Y_n-1,Z_n-Z_n-1)

S323、在掃掠平面邊界上選定點(diǎn)A＝(X_A,Y_A,Z_A,0)，則其對應(yīng)在掃掠曲面上的近似點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算滿足：

A_n＝A×M_n

其中，M_n滿足：所述N為掃掠曲線所在平面的法向量。

在本實(shí)施例中，所述步驟S33包括：

S331、以路段中心線為橫向基準(zhǔn)，沿路段走向設(shè)置固定間隔的樁位，沿樁位位置做路段中線的法線，與偏移線相交的點(diǎn)位記為相同的樁號；

S332、連接相同的樁號節(jié)點(diǎn)，將加寬和超高路段劃分為離散的面片；

S333、根據(jù)兩側(cè)線形位置上的部件(隔離帶、路緣石等)的寬度尺寸修正面片寬度，結(jié)合部件厚度信息在Z軸方向調(diào)整面片偏移位置。

在本實(shí)施例中，所述步驟S4包括：

S41、繼承CityGML LOD標(biāo)準(zhǔn)框架，補(bǔ)充定義道路模型在不同LOD級別的可視化內(nèi)容；所述LOD級別包括：LOD1、LOD2、LOD3、LOD4；

所述LOD1的道路數(shù)據(jù)為道路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)線形，用于表達(dá)道路的位置、走向和路段間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等信息，以網(wǎng)狀的方式展示大范圍道路網(wǎng)的空間布局；

所述LOD2的道路數(shù)據(jù)為三維簡要模型，用于展示以道路中線和寬度信息自動(dòng)生成的簡要模型，表達(dá)路段的空間范圍信息；

所述LOD3的道路數(shù)據(jù)為細(xì)化后的道路模型，用于表達(dá)路面的材質(zhì)和行道線等標(biāo)志物信息，包括道路車道劃分和交叉口連通關(guān)系；

所述LOD4的道路數(shù)據(jù)為全要素道路設(shè)計(jì)成果，包括道路模型中所述道路部件、附屬設(shè)施和空間組合關(guān)系，所述空間組合關(guān)系包含明確的道路語義、拓?fù)浜蛶缀涡畔ⅲ?/p>

S42、根據(jù)道路模型所述LOD級別定義，對集成轉(zhuǎn)換后的LOD4道路模型執(zhí)行簡化操作，自動(dòng)生成LOD2、LOD3的道路模型；所述簡化操作包括：附屬設(shè)施刪除、面片合并、紋理簡化。如圖3給出了本實(shí)施例的LOD1-LOD4道路模型可視化示例。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的較佳具體實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動(dòng)就可以根據(jù)本發(fā)明的構(gòu)思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術(shù)領(lǐng)域中技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在由權(quán)利要求書所確定的保護(hù)范圍內(nèi)。