引言
近年来,我国桥梁工程建设快速发展,对工程项目的质量、进度、安全的要求也越来越高。如何利用信息化手段有效提升施工项目管控水平是行业的重要研究课题[1]。随着倾斜摄影技术与激光扫描技术在GIS领域的崛起，使三维GIS数据的获取、解析与构建宏观场景更加的便捷，大幅度提升其建模效率，实现地理空间的可视化分析与决策。其中BIM数据作为三维数据的关键一环，更加注重于构件信息的表达，但与周围环境关联性较弱。而BIM模型数据与三维GIS数据的融合，实现了BIM数据在GIS平台中的分析及运算能力[2]，将室内室外融为一体，为三维数据的提升迈向更广的空间。在BIM与GIS数据融合与平台搭建方面，SONG YongZe和KARAN EP等[3-4]使用语义Web技术确保现有BIM与GIS间语义的互操作性，实现了异构信息的查询。WuB等[5]从语义和几何信息的角度进行了BIM与GIS之间转换的优缺点分析，提出了用BIM数据集与GIS进行数据交换的优化方法。张文强等[6]提出并实现了BIM与3DGIS的集成技术，即首先将Revit软件产生的BIM进行针对3DGIS的快速无损格式转换，然后再集成到3DGIS的软件Skyline中，构建基于BIM与3DGIS集成的铁路桥梁施工管理信息系统。王玮[7]提出GIS环境下BIM模型精确定位、工程与地形相结合等关键问题的解决方法，并提出完整的一套BIM+GIS的系统构建方案。上述文献介绍了BIM数据与三维GIS数据的标准格式、数据融合方法以及系统构建的方案，但其中存在BIM数据转换丢失、细节层次不清晰、数据存储结构繁琐、调度速度慢、不具备单体化选择与查询功能等缺陷。
本文基于《空间三维模型数据格式》团体标准（S3M），提出BIM与三维GIS数据融合方法，构建工程场景，实现三维体数据模型与传统的桥梁施工质量、进度、安全及人员等项目信息的管控融合技术，采用Java，JavaScript等编程语言和MySQL数据库，研发基于3DGIS多维桥梁施工管理平台，实现可在多终端下多方信息协同、共享与利用。
1 三维数据构建与融合方法
1.1数据模型选取
BIM和实景三维模型在近阶段发展中均衍生出多种数据模型及对应的数据格式，为探索合适的模型融合方法，应首先确定融合前的模型源格式及融合后的目标格式[8]。在BIM的广泛领域当中，有各种各样的专业软件，相应的其BIM模型与格式也是多种多样但其擅长的领域也各不相同，比如Autodesk公司推出的Revit软件擅长于建筑模型这一领域；达索公司提供的Catia软件更加擅长军工类领域；而对于交通基础设施这一领域，Bentley公司提供以MicroStation为底层框架开发出的ORD与OBD等软件就更胜一筹，其对于道路与桥梁等大型场景模型的设计显得更加稳定、完整、快速、便捷等特点。因此本文选择运用MicroStation软件来进行桥梁模型的构建，形成DGN文件的格式进行信息的存储。
数据组织文件包括了描述文件（.scp）、数据文件(.s3mb)、索引树文件(.json)、属性文件(attribute.json/.s3md)。在这四个文件中，其中描述文件中包含了1-N个瓦片树（TileTree）的根节点信息，瓦片树中包含对应了1-N个瓦片（Tile），通过瓦片树的数据组织将每一个瓦片存储到对应的一个数据文件中。而索引树文件主要对应每个Tiles的描述信息，比如模型的空间包围盒、挂接的子节点信息等，主要起到提高瓦片信息检索效率。属性文件又分为属性描述文件与属性数据文件，主要存储瓦片树中的数据集属性描述信息与对象的属性信息。
1.2数据融合方法
道路桥梁与周围环境的实景三维模型构建依靠于倾斜摄影技术来完成。运用无人机高清测绘技术，在现场布置像控点，收集高精度影像数据，经过ContestCapture软件后期瓦片数据处理生成OSGB格式的实景三维模型。由于S3M的前身正是来自于SuperMap扩展的OSGB格式，所以SuperMap软件可以实现无缝衔接OSGB格式的倾斜摄影数据，然后运用SuperMap公司提供的iDesktop桌面软件进行数据处理，将实景三维模型进行矢量化数据的对应，若没有矢量化数据，可以将其倾斜摄影模型生成数字表面模型（DSM），进行等值面的提取与处理，最终合并等值面自动提取矢量数据并可在矢量数据中添加属性字段，最后将实景模型中每个节点的ID值与相同位置下的矢量面的ID值相对应，形成模型的ID单体化，实现了可以单独选取实景三维模型下的每一个物体。运用iDesktop将优化后的实景模型生成S3M格式，便于后期数据的发布与融合。将BIM模型转换为S3M模型需要经过4步流程。模型重构、坐标转换、几何与语义信息映射、内部格式转变。
1.3数据融合效果
以高速公路立交为例。首先采用MicroStation建立道路与桥梁模型如图1所示。其次运用无人机倾斜摄影技术拍摄施工场景影像数据，通过ContestCapture生成施工场景的实景三维模型如图2所示。最后将BIM模型与实景三维模型数据融合在球面坐标系下的效果图如图3所示。
图1道路桥梁模型
图2实景三维模型
图3数据融合效果图
1.4数据的发布
为了实现多终端下对空间三维数据的浏览与操作，需要将数据发布到服务器中，形成网络资源，实现数据实时调用与同步。其中rest service是一种网络服务的架构方式，通过统一资源标识符来实现对数据的访问与操作，这种风格的服务具有更加方便、简介、快速等特点。因此本文借助SuperMap iServer云GIS应用服务器进行rest风格的三维服务与数据服务，对上述空间三维模型进行数据发布、存储与管理。
2 平台架构设计
基于3DGIS的多维桥梁施工管理平台的构建思路主要是运用BIM数据与三维实景模型数据融合成为空间三维模型为载体，来挂接传统的施工进度、安全、质量等工程信息，采用面向服务（SOA）架构运用Java，JavaScript等编程语言和MySQL数据库来搭建面对实际需求的数字化与信息化的桥梁施工平台，为各参建方实现信息传递与协同管理。
平台的架构如图4所示，由下至上分别为数据层、服务层、应用层、业务层、展示层。其中底层的数据层包括了工程信息、模型信息与运维信息，是架构中最基础也是最重要的一个环节；服务层主要是对其进行数据的操作与分析处理，实现数据的更替与传递；应用层将工程信息与空间三维模型相结合，解决实际问题的需求；业务层将集成其各个应用管理系统，构建平台层次性，形成平台的门户；展示层包含了Web端、移动端等显示化，为多方人员提供应用的访问方式。
图4系统架构图
3 空间三维数据模型与桥梁项目管理融合
3.1Web端下工程场景的搭建
三维GIS对于宏观场景的管理具有得天独厚的优势，其基于空间数据库技术，面向从微观到宏观的海量三维地理空间数据的存储、管理和可视化分析应用，能有效支撑大范围的BIM数据展示[10]。搭建GIS平台来对空间三维数据模型的可视化管理，从而支持对工程项目的协同与共享。
在Web端下的一个工程场景可能包含了数以千记的模型其中包括了三维模型与矢量模型，模型所占的内存空间及浏览时所需要的网络带宽、电脑的计算性能与渲染性能都会影响到模型的加载与用户浏览的体验。为了提高浏览器对场景浏览的效率，在工程场景搭建完后，运用LOD动态显示技术对Web端下的场景进行渲染、调度与展示。其原理：当视点位置距离场景中三维模型较远时，模型精细度根据图形显示策略自动降低。在漫游情况下，根据视点的移动，对模型细节层次的划分与展示，动态对模型的加载和卸载，降低了计算机内存的消耗，加快了场景模型的显示速率。
3.2空间三维数据模型与工程业务数据挂接
空间三维数据模型在整个工程项目中需要对其几何信息与语义信息进行组织与更新，从设计到施工这个过程中都需要对其数据进行不断补充与完善。利用数据库技术对业务数据的高效组织与管理功能，将空间三维模型的特征数据包含几何信息与语义信息与业务数据映射，进行可视化的管理。比如桥墩的墩身模型除了自身所带的骨架、材质、属性信息，更应该映射其开工时间、完工时间、安全信息、设备与工人信息等字段，从墩身的开始到结束的整体过程记录并可视化进行展示。
具体实现方法：首先将工程业务信息运用数据库技术进行记录及每个模块创建外键，通过外键映射将其信息组织成树状结构，然后通过超图云服务器提供的API接口中的数据（data）类与场景（scene）类对其空间三维数据模型中的特征（feature）资源层与图层（layers）资源层进行数据的操作。将feature资源层中的SMID主键作为外键，插入到工程业务数据库中，将其业务数据对象与空间三维数据模型进行关联，实现工程业务数据与模型之间的映射。
4 系统功能
根据实际业务的需要，系统主要分为三大模块，如图5所示。
一是项目信息的组织与管理层：单位工程与单项工程信息、各个参与方人员信息、权限信息与组织流程。
二是模型管理层：对模型数据的组织、修改与构建及对其资源的定位，在多终端下的加载显示，精确定位。
三是业务应用层：以BIM和GIS融合场景为核心，实现了施工安全质量管理、进度管理、技术资料管理、设计变更管理和物料管理等业务管控[10]。其具体功能包括：
数据一张图：将构建的模型场景与工程业务数据相关联，形成一张直观有效的数据分析图，可以对其进行点选查询每一个构建的构件的属性信息、几何信息与其关联的业务信息。
安全质量巡检：在施工过程中通过工程师对现场的巡检与现场监控视频，将其施工质量不达标的构件，运用后台管理页面将其进行标注说明，上传照片或者视频，提出整改要求，并通过前端构件显示红色进行提醒。搭建一个施工项目风险库，有风险的提出、巡检、休整到审批，形成一个风险闭环，优化管理。
资料管理：以空间三维模型为载体，将其相关的图纸、技术交底、施工标准等资料的分类、上传与查询。
施工进度管理：根据实际工程师上传的施工进度与计划施工进度形成对比，并与空间三维模型相结合，以可视化的方式来查看施工进度情况，及时调整施工横道图。
图5系统功能图
5现场运用
本系统在云南省某高速某立交施工项目中进行实际运用。其立交桥包括15座桥梁，6条道路，其桥墩包括215个，薄壁空心墩包含了165个，梁体包括212个。构建模型数量庞大种类繁多，其主要的应用包括：
一是工程场景创建：将BIM模型与GIS三维实景模型进行数据融合与发布，构建网页端工程场景，实现项目中道路桥梁的精准定位、可视化展示、漫游及空间分析效果。
二是数据一张图：即将人员信息、施工材料用量、进度信息与等数据与模型挂接，直观的展示出工程中实际运行情况，提供给多方信息协同。
三是基于空间三维数据模型的信息查询：采用点选查询，查询构件的空间信息、属性信息及挂接的工程量、文档资料信息与风险信息。
四是基于空间三维数据模型的质量安全、施工进度、资料管理及工程变更的可视化管理。
6 结语
本文依托于三维GIS与BIM技术，提出二者数据融合的方法，在此基础上研发基于3DGIS的多维桥梁施工管理平台，实现了桥梁工程建设的施工质量、施工进度、物资管理与工程信息管理的三维可视化管控，为各参建方的信息交流与协同提供数据的支持与共享。主要解决的问题包括：第一，将工程的单体信息与整体信息相结合。BIM模型重点关注的是单体信息粒度的精细化，比如几何信息、属性信息及挂接的工程信息，在地理位置与场景的结合上稍显不足。而三维GIS可以准确的获取到地理位置与场景信息进行空间分析。搭建出BIM与GIS融合的工程场景，更好的保持了其信息的完整性与真实性，有利于更加直观的管理项目。第二，运用互联网技术将工程信息展示在多个终端上，实现信息共享与多方协同。与空间三维信息模型为载体，互联网技术为枢纽，搭建桥梁工程信息管理平台，大大的缩减了各参与方交流的时间，提高各个专业间的协同效率，体现出数据共享与协同的优势。
参考文献:
[1]王同军． 基于BIM 技术的铁路工程建设管理创新实践［J］．铁道学报，2019( 1) : 2 － 8．
[2]SuperMap GIS 10i BIM技术白皮书: PC2019-02-22-01[S].北京:超图研究院,2019.
[3] SONG Yongze, WANG Xiangyu, TAN Yi, et al. Trends and Opportunities of BIM-GIS Integration in the Architec-ture, Engineering and Construction Industry:a Review from a Spatio-Temporal Statistical Perspective [J]. Interna-tional Journal of Geo-Information,2017,6(12):397-428.
[4] KARAN EP, IRIZARRY J, HAYMAKER J. BIM and GIS Integration and Interoperability Based on Semantic Web Technology [J]. Journal of Computing in Civil Engineering,2016,30(3):04015043.
[5] WU B, ZHANG S. Integration of GIS and BIM for Indoor Geovisual Analytics [J]. The International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences,2016,41(B2):455-458.
[6]张文胜,吴强,祁平利,伍忠国,王丙占.BIM与3DGIS的集成技术及在铁路桥梁施工中的应用[J].中国铁道科学,2019,40(06):45-51.
[7]王玮.基于三维GIS的铁路BIM空间信息系统构建及其工程应用[J].测绘通报,2020(07):138-142.
[8]徐敬海,卜兰,杜东升,王曙光.建筑物BIM与实景三维模型融合方法研究[J/OL].建筑结构学报:1-11[2020-10-09].https://doi.org/10.14006/j.jzjgxb.2019.0739.
[9]张立立,周芹,冯振华.S3M空间三维模型数据格式的特点和应用[J].北京测绘,2020,34(01):23-26.
[10]张毅,黄从治,朱聪.基于BIM的铁路工程项目管理系统应用研究[J].铁道工程学报,2019,36(09):98-103.
