文|北京理正軟件股份有限公司 曾艷 楊國平 崔年治 張志剛
近年來,勘察成果數(shù)據(jù)的管理、展示、再利用方面的軟件作品有很多,主要分為兩種:一是軟件廠商編制的商品化集成展示軟件,如理正巖土BIM 集成展示平臺,其中有地質(zhì)專題可用于勘察成果的展示與共享,但這個軟件只是單機工具軟件,只解決集成展示問題,不解決發(fā)布與共享問題。二是一些勘察單位自籌資金基于GIS技術(shù)建立了各種地質(zhì)數(shù)據(jù)庫、勘察數(shù)據(jù)管理平臺,如北京市勘察院、青島市勘察院、鎮(zhèn)江市規(guī)劃局等。這些系統(tǒng)能夠解決勘察成果的積累問題,但都存在如下問題:采用私有云模式,系統(tǒng)建設(shè)成本很高;數(shù)據(jù)入庫工作量巨大;一般組織內(nèi)使用,與外部人員共享困難;基于GIS,展示效果欠佳;未提供再利用接口。造成這種模式不能在整個業(yè)內(nèi)推廣應(yīng)用。
隨著互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、城市信息模型(CIM)等新技術(shù)發(fā)展,以及行業(yè)內(nèi)勘探、物探、航測手段的不斷進步,出現(xiàn)了鉆探數(shù)據(jù)、物探數(shù)據(jù)、傾斜攝影、激光點云等多源數(shù)據(jù),傳統(tǒng)單一數(shù)據(jù)展示和交付模式已經(jīng)不能滿足需求。因此,構(gòu)建全息、高精度工程勘察模型,疊加多維數(shù)據(jù)進行綜合展示,已成為行業(yè)發(fā)展趨勢。
本文提出基于CIM 技術(shù),重新構(gòu)建符合BIM 理念的新一代“勘察數(shù)字化發(fā)布展示云平臺”的構(gòu)想,試圖解決前文提到的五個問題,對平臺的定位、功能、架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)進行了研究,并在平臺搭建成功后,采用實際案例進行了初步驗證。
勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺基于BIM 理念,作為“勘察BIM 一體化系統(tǒng)”的重要組成部分,其在一體化系統(tǒng)中位置如圖1所示。整個一體化系統(tǒng),主要由“野外勘探采集APP、勘察生產(chǎn)管理云平臺、三維勘察CAD 軟件、勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺”四大部分組成。其中,勘察生產(chǎn)管理云平臺負責協(xié)同生產(chǎn),下達勘探任務(wù),接收野外勘探采集數(shù)據(jù),協(xié)調(diào)土工試樣測試任務(wù),監(jiān)控工程進度等;三維勘察CAD 主要進行內(nèi)業(yè)整理、完成勘察報告、生成圖件報表、三維模型、并完成數(shù)字化提交;野外勘探采集APP 負責接受勘探任務(wù),錄入并上報野外勘探數(shù)據(jù)。
勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺(后文簡稱“展示平臺”)主要用于將“勘察全數(shù)字化交付成果”實現(xiàn)云端發(fā)布、可視化展現(xiàn)、高效率檢索、權(quán)限化共享與再利用。其使用對象包括土木建筑工程全生命期的各個參與方,如建設(shè)單位、總承包單位、勘測院、設(shè)計院、施工企業(yè)和政府監(jiān)管部門等。主要用于勘察成果展示匯報、工程方案三維可視化研討、歷史資料再利用等場合。
圖1 發(fā)布展示平臺在勘察BIM 一體化系統(tǒng)中的定位
展示平臺采用分層架構(gòu)設(shè)計,包括網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)器層、數(shù)據(jù)庫層、平臺層和功能層共五層。自下而上分別為:網(wǎng)絡(luò)層,基于公有云技術(shù)部署,能夠支持多租戶,傳輸與存儲具備很高的安全性,并具有負載均衡能力,以應(yīng)對海量數(shù)據(jù)的存儲與訪問,用戶不必部署硬件、組網(wǎng)與運維,而是以年租用的方式使用,可大幅降低使用維護門檻;服務(wù)器層,包括Web 服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、GIS 服務(wù)器、BIM 服務(wù)器和文件服務(wù)器等,可按照負載要求擴展,以滿足不斷增長的勘察工程交付成果的存儲、展示、查詢與再利用;數(shù)據(jù)庫層包括原始數(shù)據(jù)、內(nèi)業(yè)整理數(shù)據(jù)、三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)、構(gòu)建筑物模型數(shù)據(jù)、其它數(shù)據(jù)等;平臺層基于開源三維地球cesium 框架,構(gòu)建出適合地質(zhì)三維數(shù)字化發(fā)布與展示的理正CIM平臺,包括在線GIS 圖層發(fā)布、BIM 圖層發(fā)布、各種格式轉(zhuǎn)換引擎,以及滿足地質(zhì)體展示、剖切、渲染等特殊引擎;功能層,在理正CIM 平臺和MIS 平臺基礎(chǔ)上,開發(fā)一系列功能,構(gòu)建出整個展示平臺。
(1)地質(zhì)體的輕量化與瓦片化技術(shù)
地質(zhì)BIM 模型中的地層體具有特殊結(jié)構(gòu)特征,諸如連續(xù)場區(qū)地層面片數(shù)量巨大、透鏡體等形狀不規(guī)則、地層聯(lián)通性導(dǎo)致難以進行面片分組等問題,主要研究兩項關(guān)鍵技術(shù)點:一是地質(zhì)體的輕量化處理,采用三角網(wǎng)簡化、相似圖元合并、紋理去重等;二是構(gòu)建地質(zhì)體三維模型瓦片,針對地質(zhì)體特點進行地層模型LOD 分組,通過屬性進行圖元聯(lián)接運算;最后,通過展示平臺進行模型貼圖、顯示比例設(shè)置等,實現(xiàn)海量異構(gòu)模型的平滑融合展示。
(2)不同精度三維地形的融合
因cesium 平臺中三維地形數(shù)據(jù)為金字塔分級瓦片數(shù)據(jù),在展示場景中只能有一份,所以直接采用cesium 是不能展示項目范圍內(nèi)的高精度三維地形的。為了顯示局部范圍高精度項目地形,需要完成兩項工作:首先,要完成局部高精地形與基礎(chǔ)地形融合,將項目范圍內(nèi)各級地形瓦片進行替換,同時原始地形瓦片也必需保留,以供不顯示項目時使用。其次,需要建立高精度瓦片內(nèi)存索引,修改cesium 中瓦片調(diào)度邏輯,當渲染引擎發(fā)現(xiàn)某個項目高精度瓦片已經(jīng)進入視野,就要用高精度瓦片替換基礎(chǔ)瓦片。
(3)基于Web 技術(shù)的地質(zhì)體實時剖切
在對地質(zhì)成果進行展示匯報時,除了常規(guī)的展示內(nèi)容與方式外,對三維地質(zhì)體的剖切展示是必不可少的,這與建筑BIM中的構(gòu)件也是完全不同的。剖切展示又分為兩種情況,一種是截面剖切展示,并不需要真的把地質(zhì)體切開為兩個實體,而是利用顯卡中的三角面片進行實時遮蔽運算,隱藏掉切掉的三角面片,達到剖切展示的效果,但往往剖切面不會自動填充巖性圖例,展示效果欠佳;另一種是實體剖切,要把地質(zhì)體進行水平、豎向切分,或者挖溝、挖洞、場地平整等運算,其結(jié)果是剖出了新的地質(zhì)體,剖切面上也自然會有巖性圖例填充,展示效果非常好。因為剖切運算的計算量十分巨大,邏輯算法非常復(fù)雜,在Web 瀏覽器模式下,前端代碼實現(xiàn)剖切有很大的難度,運算也會非常慢。所以一般情況下都是在服務(wù)器端進行剖切,而將剖切結(jié)果返回到前端進行展示。
(4)地質(zhì)BIM 模型在線發(fā)布技術(shù)
針對cesium 平臺不具備在線發(fā)布BIM模型的問題,需要開發(fā)BIM 模型在線轉(zhuǎn)換服務(wù)。這些服務(wù)利用多線程技術(shù),實現(xiàn)BIM 模型的排隊后臺轉(zhuǎn)換。這種轉(zhuǎn)換一般分為兩步,首先要將原始BIM 文件格式(如rvt)進行輕量化,實現(xiàn)數(shù)模分離;然后對輕量化后的模型進行三維瓦片化處理,滿足CIM 平臺中的展示需求。因為轉(zhuǎn)換過程復(fù)雜,環(huán)節(jié)多,涉及的軟件也很多,因此其運行的穩(wěn)定性不容易保證。為了解決轉(zhuǎn)換服務(wù)死鎖或崩潰造成的服務(wù)失效,采用部署相應(yīng)的進程守護服務(wù),監(jiān)控服務(wù)程序的狀態(tài),發(fā)現(xiàn)異??梢躁P(guān)閉死鎖進程并重啟的方式。
圖2 基于CIM 的工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺總體架構(gòu)
圍繞工程勘察數(shù)字化交付成果發(fā)布、展示和再利用需求,搭建了勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺,其總體功能框圖如圖3。
展示平臺主要包括發(fā)布、展示、檢索、分析、共享、接口六大部分功能,提供Web 與移動APP 兩種客戶端。分別如下:
應(yīng)依據(jù)企業(yè)實際情況和市場人才培養(yǎng)需要,加大資源投入和校園建設(shè)。建設(shè)多媒體網(wǎng)絡(luò)教室、旅游專業(yè)實驗室、校外實踐教學(xué)基地等;以便于學(xué)生了解、學(xué)習(xí)和掌握旅游業(yè)前沿業(yè)務(wù)的流程,培養(yǎng)市場需要的旅游專業(yè)人才。根據(jù)學(xué)校實際情況,在原有實訓(xùn)條件基礎(chǔ)上,升級改造配備調(diào)酒、茶藝實訓(xùn)室、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字語言實訓(xùn)室等,突出本地特色地位。
(1)交付成果在線發(fā)布
為了解決全勘察數(shù)字化交付數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一管理和在線發(fā)布問題,在三維勘察CAD 軟件設(shè)計一鍵導(dǎo)入功能,將勘察全數(shù)字化交付數(shù)據(jù)包一鍵上傳。在服務(wù)器端實現(xiàn)數(shù)據(jù)入庫、文檔入庫、模型清理化轉(zhuǎn)換、地物坐標系轉(zhuǎn)換;并可自動完成模型與資料的關(guān)聯(lián)掛接,極大地降低了數(shù)據(jù)處理工作的難度,提高工作效率。
圖3 基于CIM 的工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示平臺功能框圖
展示平臺提供了在線補充其他構(gòu)建筑模型、管線模型等功能??芍С纸^大部分主流BIM 模型格式,也可支持顯示激光點云、傾斜攝影等數(shù)據(jù),實現(xiàn)地質(zhì)模型與其他模型在Web 端流暢綜合展示,提高綜合展示效果,有利于成果方案的討論。
(2)模型及屬性數(shù)據(jù)的展示
針對海量、多源異構(gòu)、多尺度、多級勘察數(shù)據(jù)的綜合展示效果和效率優(yōu)化問題,研發(fā)Cesium 封裝及關(guān)鍵技術(shù),構(gòu)建勘察數(shù)字化發(fā)布展示云平臺,以圖層樹方式組織管理,支持分組或單個控制地形、地圖、矢量圖層、BIM 模型等實體的顯示、隱藏、透明顯示,查看地層及物理力學(xué)指標信息,提供爆炸圖、豎向放縮、巖性花紋、影像圖貼圖等多種顯示方式,方便操作人員查看數(shù)據(jù)。
(3)精準屬性、空間復(fù)合搜索方式
根據(jù)對象的屬性值,自定義高級查詢條件進行數(shù)據(jù)檢索。也支持地圖區(qū)域繪制圓形、矩形、多邊形、點緩沖、線緩沖、圓形緩沖查詢邊界、地物實時查詢、輸入坐標范圍的空間檢索方式,并且支持屬性與空間復(fù)合檢索。實現(xiàn)多維度精準檢索及定位,提高共享協(xié)作效率。
可以對地質(zhì)模型進行豎向、水平向、斜向、指定軌跡線的靈活剖切,直觀查看地質(zhì)體內(nèi)部構(gòu)造,并可通過剝層查看各地層的相互關(guān)系。
可設(shè)置漫游路徑,模擬在三維模型中飛行過程,查看周圍地質(zhì)等環(huán)境。對成果分析、再利用提供有利分析手段。
(5)成果共享
權(quán)限安全機制:統(tǒng)一授權(quán)管理,實現(xiàn)單點登錄??蓡为氃O(shè)置不同人員、角色的功能權(quán)限;不同人員通過用戶名、密碼登錄云平臺后,根據(jù)擁有的功能和數(shù)據(jù)權(quán)限自動顯示對應(yīng)的功能菜單和工程數(shù)據(jù),保證了系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全性。
方便的共享、再利用方式:對于發(fā)布的成果資源,提供二維碼共享方式,分享給系統(tǒng)外人員,并可控制時間期限;web 端提供瀏覽網(wǎng)頁的方式,查看輕量化的展示成果。
(6)提供再利用接口
提供組件式WebAPI 二次開發(fā)接口,方便用戶在線訪問發(fā)布的數(shù)據(jù)與模型,定制實現(xiàn)更為豐富的應(yīng)用。
以深圳某市政快速路工程為例,該工程全長約37.4 公里,以橋梁、隧道及地面道路方式進入城市大道。工程規(guī)模較大,場地復(fù)雜程度、巖土條件復(fù)雜程度均為一級,技術(shù)人員搜集1455 個鉆孔資料,376個橫縱剖斷面,收錄到理正三維勘察軟件中,統(tǒng)計分析,成圖成表,生成勘察報告,建三維模型后,自動生成了數(shù)字交付數(shù)據(jù)包(成果圖表、數(shù)據(jù)庫、三維模型按數(shù)字標準目錄進行了自動歸類),一鍵提交到工程數(shù)字化發(fā)布展示云平臺,無縫對接各圖層目錄,無需繁瑣收集整理過程,標準化處理,簡捷高效。并導(dǎo)入了橋、防波堤、隧道、管線構(gòu)建筑物模型、傾斜攝影進行綜合展示(圖4、5)??梢暬@示鉆孔、地層、剖線,控制顯隱,形象地展示巖土分層的分布規(guī)律,展示效果良好,便于方案討論、分析。
基于CIM 技術(shù),構(gòu)建工程勘察數(shù)字化發(fā)布展示云平臺,在技術(shù)上可以滿足勘察數(shù)字化成果的發(fā)布、展示、再利用需求。在發(fā)布環(huán)節(jié),通過一鍵提交在線發(fā)布功能,可以大幅度降低前期數(shù)據(jù)處理工作量與難度;在展示效果上,三維展示模式極大地提升了展示效果,有利于成果展示與方案討論;再利用環(huán)節(jié),Web 無插件瀏覽,移動APP 的引入,共享連接方式以及WebAPI 接口的提供等,給成果再利用帶來了極大方便性。在推廣模式上,可以降低用戶使用資金門檻,有利于大批量推廣。
圖4 構(gòu)筑物、地質(zhì)模型輕量化展示
圖5 剖切結(jié)果展示