摘要：本文针对勘察成果数字化发布、可视化展示与成果再利用的需求，通过对业务现状与现有软件的分析，提出以CIM技术重构勘察成果数据发布展示平台的构想。对平台的定位、功能、技术架构进行了探讨；研究了地质体轻量化、瓦片化、实时剖切与在线发布等一系列关键技术；平台搭建完成后，应用实际工程进行了测试验证。
关键词：工程勘察、CIM、BIM、轻量化、数字化、发布展示
引言
近年来，勘察成果数据的管理、展示、再利用方面的软件作品也有很多，主要分为两种情况：一是软件厂商编制的商品化集成展示软件，如理正岩土BIM集成展示平台，其中有地质专题可用于勘察成果的展示与共享，但这个软件只是单机工具软件，只解决集成展示问题，不解决发布与共享问题。二是一些勘察单位自筹资金基于GIS技术建立了各种地质数据库、勘察数据管理平台，如北京市勘察院、青岛市勘察院、镇江市规划局等。这些系统能够解决勘察成果的积累问题，但都存在如下问题：（1）采用私有云模式，系统建设成本很高。
（2）数据入库工作量巨大。
（3）一般组织内使用，与外部人员共享困难。
（4）基于GIS，展示效果欠佳。
（5）未提供再利用接口。造成这种模式不能在整个业内推广应用。
另外，随着互联网、云计算、大数据、城市信息模型（CIM）等新技术发展，以及行业内勘探、物探、航测手段的不断进步，出现了钻探数据、物探数据、倾斜摄影、激光点云等多源数据，传统单一数据展示和交付模式已经不能满足需求。因此，构建全息、高精度工程勘察模型，叠加多维数据进行综合展示，已成为行业发展趋势。
本文提出基于CIM技术，重新构建符合BIM理念的新一代“勘察数字化发布展示云平台”的构想，试图解决前文提到的五个问题，对平台的定位、功能、架构、关键技术进行了研究，并在平台搭建成功后，采用实际案例进行了初步验证。
01平台架构与关键技术研究
1.1勘察数字化发布展示平台的定位
勘察数字化发布展示平台基于BIM理念[1~4]，作为“勘察BIM一体化系统”的重要组成部分，其在一体化系统中位置如图1所示。整个一体化系统，主要由“野外勘探采集APP、勘察生产管理云平台、三维勘察CAD软件、勘察数字化发布展示平台”四大部分组成。其中，勘察生产管理云平台负责协同生产，下达勘探任务，接收野外勘探采集数据，协调土工试样测试任务，监控工程进度等；三维勘察CAD主要进行内业整理、完成勘察报告、生成图件报表、三维模型、并完成数字化提交；野外勘探采集APP，负责接受勘探任务，录入并上报野外勘探数据。
勘察数字化发布展示平台（后文简称“展示平台”）主要用于将“勘察全数字化交付成果”实现云端发布、可视化展现、高效率检索、权限化共享与再利用。其使用对象包括土木建筑工程全生命期的各个参与方，如建设单位、总承包单位、勘测院、设计院、施工企业和*府监管部门等。主要用于勘察成果展示汇报、工程方案三维可视化研讨、历史资料再利用等场合。
图1发布展示平台在勘察BIM一体化系统中的定位
1.2展示平台技术架构
展示平台采用分层架构设计，包括网络层、服务器层、数据库层、平台层和功能层共五层。自下而上分别为：
（1）网络层，基于公有云技术部署，能够支持多租户，传输与存储具备很高的安全性，并具有负载均衡能力，以应对海量数据的存储与访问，用户不必部署硬件、组网与运维，而是以年租用的方式使用，可大幅降低使用维护门槛；
（2）服务器层，包括Web服务器、数据库服务器、GIS服务器、BIM服务器和文件服务器等，可按照负载要求扩展，以满足不断增长的勘察工程交付成果的存储、展示、查询与再利用；（3）数据库层包括原始数据、内业整理数据、三维地质模型数据、构建筑物模型数据、其它数据等；
（4）平台层基于开源三维地球cesium框架，构建出适合地质三维数字化发布与展示的理正CIM平台，包括在线GIS图层发布、BIM图层发布、各种格式转换引擎，以及满足地质体展示、剖切、渲染等特殊引擎；
（5）功能层，在理正CIM平台和MIS平台基础上，开发一系列功能，构建出整个展示平台。
图2基于CIM的工程勘察数字化发布展示平台总体架构
1.3关键技术与难点
（1）地质体的轻量化与瓦片化技术
地质BIM模型中的地层体具有特殊结构特征，诸如连续场区地层面片数量巨大、透镜体等形状不规则、地层联通性导致难以进行面片分组等问题，主要研究两项关键技术点：一是地质体的轻量化处理，采用三角网简化、相似图元合并、纹理去重等；二是构建地质体三维模型瓦片，针对地质体特点进行地层模型LOD分组，通过属性进行图元联接运算；最后，通过展示平台进行模型贴图、显示比例设置等，实现海量异构模型的平滑融合展示。
（2）不同精度三维地形的融合
因cesium平台中三维地形数据为金字塔分级瓦片数据，在展示场景中只能有一份，所以直接采用cesium是不能展示项目范围内的高精度三维地形的。为了显示局部范围高精度项目地形，需要完成两项工作：首先，要完成局部高精地形与基础地形融合，将项目范围内各级地形瓦片进行替换，同时原始地形瓦片也必需保留，以供不显示项目时使用。其次，需要建立高精度瓦片内存索引，修改cesium中瓦片调度逻辑，当渲染引擎发现某个项目高精度瓦片已经进入视野，就要用高精度瓦片替换基础瓦片。
（3）基于Web技术的地质体实时剖切
在对地质成果进行展示汇报时，除了常规的展示内容与方式外，对三维地质体的剖切展示是必不可少的，这与建筑BIM中的构件也是完全不同的。剖切展示又分为两种情况，一种是截面剖切展示，并不需要真的把地质体切开为两个实体，而是利用显卡中的三角面片进行实时遮蔽运算，隐藏掉切掉的三角面片，达到剖切展示的效果，但往往剖切面不会自动填充岩性图例，展示效果欠佳；另一种是实体剖切，要把地质体进行水平、竖向切分，或者挖沟、挖洞、场地平整等运算，其结果是剖出了新的地质体，剖切面上也自然会有岩性图例填充，展示效果非常好。因为剖切运算的计算量十分巨大，逻辑算法非常复杂，在Web浏览器模式下，前端代码实现剖切有很大的难度，运算也会非常慢。所以一般情况下都是在服务器端进行剖切，而将剖切结果返回到前端进行展示。
（4）地质BIM模型在线发布技术
针对cesium平台不具备在线发布BIM模型的问题，需要开发BIM模型在线转换服务。这些服务利用多线程技术，实现BIM模型的排队后台转换。这种转换一般分为两步，首先要将原始BIM文件格式（如rvt）进行轻量化，实现数模分离；然后对轻量化后的模型进行三维瓦片化处理，满足CIM平台中的展示需求。因为转换过程复杂，环节多，涉及的软件也很多，因此其运行的稳定性不容易保证。为了解决转换服务死锁或崩溃造成的服务失效，采用部署相应的进程守护服务，监控服务程序的状态，发现异常可以关闭死锁进程并重启的方式。
02系统功能设计研究
围绕工程勘察数字化交付成果发布、展示和再利用需求，搭建了勘察数字化发布展示平台，其总体功能框图如下所示：
图3基于CIM的工程勘察数字化发布展示平台功能框图
展示平台主要包括发布、展示、检索、分析、共享、接口六大部分功能，提供Web与移动APP两种客户端。分别如下：
（1）交付成果在线发布
为了解决全勘察数字化交付数据缺乏统一管理和在线发布问题，在三维勘察CAD软件设计一键导入功能，将勘察全数字化交付数据包一键上传。在服务器端实现数据入库、文档入库、模型清理化转换、地物坐标系转换；并可自动完成模型与资料的关联挂接，极大地降低了数据处理工作的难度，提高工作效率。
展示平台提供了在线补充其他构建筑模型、管线模型等功能。可支持绝大部分主流BIM模型格式，也可支持显示激光点云、倾斜摄影等数据，实现地质模型与其他模型在Web端流畅综合展示，提高综合展示效果，有利于成果方案的讨论。
（2）模型及属性数据的展示
针对海量、多源异构、多尺度、多级勘察数据的综合展示效果和效率优化问题，研发Cesium封装及关键技术，构建勘察数字化发布展示云平台，以图层树方式组织管理，支持分组或单个控制地形、地图、矢量图层、BIM模型等实体的显示、隐藏、透明显示，查看地层及物理力学指标信息，提供爆炸图、竖向放缩、岩性花纹、影像图贴图等多种显示方式，方便操作人员查看数据。
（3）精准属性、空间复合搜索方式
根据对象的属性值，自定义高级查询条件进行数据检索。也支持地图区域绘制圆形、矩形、多边形、点缓冲、线缓冲、圆形缓冲查询边界、地物实时查询、输入坐标范围的空间检索方式，并且支持属性与空间复合检索。实现多维度精准检索及定位，提高共享协作效率。
（4）剖切、动态观察、漫游分析功能
可以对地质模型进行竖向、水平向、斜向、指定轨迹线的灵活剖切，直观查看地质体内部构造，并可通过剥层查看各地层的相互关系。
可设置漫游路径，模拟在三维模型中飞行过程，查看周围地质等环境。对成果分析、再利用提供有利分析手段。
（5）成果共享
权限安全机制：统一授权管理，实现单点登录。可单独设置不同人员、角色的功能权限；不同人员通过用户名、密码登录云平台后，根据拥有的功能和数据权限自动显示对应的功能菜单和工程数据，保证了系统和数据的安全性。
方便的共享、再利用方式：对于发布的成果资源，提供