多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法及系统

1.一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1、基于获取的高速铁路基础设施的BIM模型建立以树状结构进行存储的IFC构件库和信息库，并建立IFC构件库和信息库之间的映射关系；步骤2、基于筛选规则对IFC构件库进行构件筛选、剔除和更新，得到修改后的IFC构件库；步骤3、遍历修改后的IFC构件库的树状结构，将每个节点构件转换为OBJ格式形成OBJ构件库，以修改后的IFC构件库的树状结构方式进行存储，并建立OBJ构件库与修改后的IFC构件库和信息库的节点映射；步骤4、基于已知高速铁路基础设施的BIM模型提取线路骨架，并基于线路骨架提取高速铁路基础设施基础构筑物骨架模型进行全局、局部融合，得到全局-局部相结合的骨架模型；步骤5、基于全局-局部相结合的骨架模型构建多层次语义约束规则；具体步骤为:步骤5.1、构建空间布局语义约束规则，具体为先定义对构件的BIM模型沿线路中心线横向布局进行约束的空间布局约束规则，再利用XML Schema规范语言将空间布局约束规则进行规范化表达，形成空间布局语义约束规则，最后利用空间布局语义约束规则约束构件的BIM模型在横向上的布局；步骤5.2、构建空间拓扑语义约束规则，具体为先定义对构件的BIM模型进行模型内部构件的组合关系、连接关系及纵向分布关系进行约束的空间拓扑约束规则，再利用XMLSchema规范语言将空间拓扑约束规则进行规范化表达，形成空间拓扑语义约束规则，最后利用空间拓扑语义约束规则约束构件的BIM模型内部的组合关系、连接关系及纵向的分布关系，使得各构件的BIM模型映射时，各构件的BIM模型内部符合正确的拓扑关系，在纵向上实现连续；步骤5.3、构建空间姿态语义约束规则，具体为先定义对构件的BIM模型本身进行姿态约束的空间姿态约束规则，再利用XML Schema规范空间姿态约束规则，形成空间姿态语义约束规则，最后利用空间姿态语义约束规则约束构件的模型自身的位置姿态，使得各构件的BIM模型映射时，各构件的BIM模型本身姿态正确，实现精准映射；步骤6、基于修改后的IFC构件库、OBJ构件库、信息库、OBJ构件库与修改后的IFC构件库和信息库的节点映射、全局-局部相结合的骨架模型、多层次语义约束规则将BIM模型映射到GIS场景，最终得到GIS场景并实时更新。 2.根据权利要求1所述的一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤为：步骤1.1、将获取的高速铁路基础设施的BIM模型转换为IFC文件，实现BIM模型格式统一；步骤1.2、基于构件拆分规则调用BIMServer API中的检索包对转换为IFC文件后的BIM模型进行构件拆分，拆分后得到多级构件，并根据构件拆分规则进行存储得到IFC构件库，其中，构件拆分规则是指对IFC文件中的构件进行分专业拆分，并针对各专业进行树状结构拆分，专业包括路基、桥梁、隧道和轨道,树状结构包括作为一级根节点的项目，作为二级子节点的路基、桥梁、隧道和轨道；步骤1.3、基于IFC构件库进行数模分离构建信息库，并建立IFC构件库与信息库之间的映射关系，具体步骤为：步骤1.31、利用深度优先算法遍历IFC构件库，随后利用IfcOpenShell开源库对遍历到的IFC文件进行解析，提取BIM模型构件的全局ID、几何信息和非几何信息，并以CSV文件保存构件的几何信息、以JSON文件保存构件的非几何信息，其中，构件的全局ID需分别存储在CSV文件和JSON文件中，几何信息包括几何建模信息与坐标变换信息，非几何信息包括语义信息和属性信息；步骤1.32、基于IFC构件库的树状结构建立几何信息、非几何信息与IFC构件库的树状结构一一对应的树状存储结构，具体为将存储几何信息的CSV文件与存储非几何信息的JSON文件分别组织为与IFC构件库树状结构一一对应的树状存储结构，得到包括树状结构的多个信息库，多个信息库包括几何信息库和非几何信息库，同时将几何信息库和非几何信息库中构件的全局ID作为树状结构的节点标识符；步骤1.33、基于设定的映射约束规则，具体为构建IFC构件库与各信息库之间的映射关系规则，其中，映射约束规则是指IFC构件库与对应的信息库之间的映射是单射并且树状结构保持，具体为每个元素在IFC构件库中的树状结构中只能映射到对应的信息库的树状结构中的一个唯一元素并且还要保持树状结构，保持树状结构是指若两个节点在IFC构件库中的树状结构中是父子关系，在信息库中的树状结构中的映射也应该保持父子关系；步骤1.34、以映射约束规则作为映射约束，以全局ID作为关键字，建立IFC构件库与各信息库之间的一一映射关系，具体为建立IFC构件库、几何信息库和非几何信息库之间的一一映射关系。 3.根据权利要求2所述的一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为：步骤2.1、给定筛选规则为对IFC构件库中的构件进行分专业、分节点筛选其中,分专业是指IFC构件库中第二级节点将高速铁路基础设施分为不同专业领域，逐一选择IFC构件库中的第二级节点作为根节点开始分专业筛选，在分专业筛选的基础上，对不存在功能差别，只存在几何尺寸差别的节点进行筛选，具体为对路基、桥梁、隧道、轨道专业下的叶子节点进行筛选，对于路基对第四级节点包含的所有叶子节点进行筛选，对于桥梁、隧道和轨道对第五级节点包含的所有叶子节点进行筛选；步骤2.2、基于几何信息库和筛选规则对IFC构件库进行修改，具体为对几何信息库中CSV文件进行分专业、分节点筛选比较：将几何信息库第二级节点作为根节点逐一分专业遍历，采用深度优先算法遍历到各第二级节点下的所有叶子节点，将每个叶子节点的几何信息与余下的叶子节点逐一进行比较，若存在不同，则保留余下叶子节点中该叶子节点的数据；若相同，则利用几何信息库与IFC构件库的映射关系，检索到IFC构件库中与几何信息库中对应的具有相同几何信息的叶子节点，将该叶子节点数据替换为与之比较的叶子节点在IFC构件库中对应的路径信息，同时，被替换的该叶子节点不再参与后续的比较，最终得到修改后的IFC构件库。 4.根据权利要求3所述的一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤为：步骤3.1、依次遍历修改后的IFC构件库，将未被替换的叶子节点利用IfcOpenShell开源库中的ifcConvert工具将IFC文件转为OBJ格式文件，对于修改后的构件库中替换了的叶子节点只有路径信息，对应的叶子节点只需保留其路径信息；同时，将转换过程中丢失的构件的全局ID存储在OBJ文件中；步骤3.2、将得到的OBJ格式文件和只有路径信息的叶子节点以与修改后的IFC构件库相同的树状结构进行组织，形成一一对应的OBJ构件库并存储到数据库中，同时将OBJ构件库中构件的全局ID作为树状结构的节点标识符；步骤3.3、基于映射约束规则与全局ID，建立OBJ构件库与修改后的IFC构件库、几何信息库和非几何信息库之间的一一映射关系。 5.根据权利要求4所述的一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法，其特征在于：所述步4的具体步骤为：步骤4.1、利用BIM软件手动或自动提取已知高速铁路基础设施的BIM模型的线路中心线及平纵断面各项参数，其中，线路中心线为总体骨架模型或线路骨架，是具有几何形状的实际的线，平纵断面各项参数是线路中心线的属性信息，包括起始坡度信息、高程信息和结构物位置；步骤4.2、基于已知高速铁路基础设施的BIM模型提取4类基础构筑物的骨架模型，其中，4类基础构筑物为路基、桥梁、隧道和轨道；具体步骤为：步骤4.21、人为剖析路基、桥梁、隧道和轨道4类基础构筑物的核心特征，构建4类基础构筑物的构件之间的连接关系的抽象表达规则，其中，抽象表达规则的抽象表达形式包括点、线、面、体和参数；步骤4.22、基于4类基础构筑物的核心特征将线路中心线上4类基础构筑物的构件按照抽象表达规则进行抽象表达，得到4类基础构筑物的骨架模型，具体为得到高速铁路基础设施基础结构物的骨架模型，同时，给骨架模型中的构件赋予全局ID；步骤4.3、以线路中心线为核心，将路基、桥梁、隧道和轨道的骨架模型按照位置信息与线路中心线相融合，形成一个全局-局部相结合的骨架模型。 6.根据权利要求5所述的一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射方法，其特征在于：所述步骤6的具体步骤为:步骤6.1、构建初步地形，具体为GIS平台加载获取的DEM数据，利用GIS平台将DEM数据转等高线，再将等高线转为TIN模型，将得到的TIN模型作为基础地形模型；步骤6.2、BIM模型映射，具体为先将全局-局部相结合的骨架模型放入基础地形模型，再基于全局-局部相结合的骨架模型及构件的全局ID进行实例化，根据全局-局部相结合的骨架模型的构件的全局ID定位到OBJ构件库和信息库中的对应构件，并调用全局ID对应的构件进行实例化，最后利用空间布局语义约束规则、空间拓扑语义约束规则和空间姿态语义约束规则对实例化后的模型进行检查和微调，得到映射到GIS场景中的BIM模型；步骤6.3、地形自适应在隧道段，将映射到GIS场景中的BIM模型与基础地形模型进行布尔求差运算，挖除隧道段基础地形模型，生成隧道段的自适应地形模型；在路基或桥梁段，映射到GIS场景中的BIM模型与基础地形模型之间存在漂浮情况，根据路基或桥墩或桥台底部高程对基础地形模型进行局部拉伸，生成路基或桥梁段漂浮情况下的自适应地形模型，再将映射到GIS场景中的BIM模型与自适应地形模型进行镶嵌，具体为利用映射到GIS场景中的BIM模型边界实现与自适应地形模型的贴合，生成路基或桥梁段漂浮情况最终的自适应地形模型；在路基或桥梁段，基础地形模型存在遮挡映射到GIS场景中的BIM模型的情况，将映射到GIS场景中的BIM模型与基础地形模型进行布尔求差运算，挖除基础地形模型遮挡映射到GIS场景中的BIM模型的部分，生成路基/桥梁段遮挡情况下的自适应地形模型；通过上述步骤，基础地形模型实现了与映射到GIS场景中的BIM模型的贴合；步骤6.4、地形赋纹理，具体为将数字正射影像作为地形真实感纹理以贴图方法叠加到步骤6.3得到的最终的自适应地形模型之上，得到具有真实感的BIM+GIS场景；步骤6.5、实时更新，具体为获取到更新构件时，根据构件的全局ID在修改后的IFC构件库、信息库、OBJ构件库进行索引、定位和更新，再根据构件的全局ID对骨架模型进行局部更新，具体为针对全局-局部相结合的骨架模型中需要修改的部分再次执行步骤6.2来实现GIS场景的更新。 7.一种多层次语义约束的高速铁路基础设施BIM-GIS虚实映射系统，其特征在于，包括：映射模块：基于获取的高速铁路基础设施的BIM模型建立以树状结构进行存储的IFC构件库和信息库，并建立IFC构件库和信息库之间的映射关系；构件修改模块：基于筛选规则对IFC构件库进行构件筛选、剔除和更新，得到修改后的IFC构件库；节点映射模块：遍历修改后的IFC构件库的树状结构，将每个节点构件转换为OBJ格式形成OBJ构件库，以修改后的IFC构件库的树状结构方式进行存储，并建立OBJ构件库与修改后的IFC构件库和信息库的节点映射；骨架模型提取模块：基于已知高速铁路基础设施的BIM模型提取线路骨架，并基于线路骨架提取高速铁路基础设施基础构筑物骨架模型进行全局、局部融合，得到全局-局部相结合的骨架模型；多层次语义约束规则构建模块：基于全局-局部相结合的骨架模型构建多层次语义约束规则；具体实现步骤为：步骤5.1、构建空间布局语义约束规则，具体为先定义对构件的BIM模型沿线路中心线横向布局进行约束的空间布局约束规则，再利用XML Schema规范语言将空间布局约束规则进行规范化表达，形成空间布局语义约束规则，最后利用空间布局语义约束规则约束构件的BIM模型在横向上的布局；步骤5.2、构建空间拓扑语义约束规则，具体为先定义对构件的BIM模型进行模型内部构件的组合关系、连接关系及纵向分布关系进行约束的空间拓扑约束规则，再利用XMLSchema规范语言将空间拓扑约束规则进行规范化表达，形成空间拓扑语义约束规则，最后利用空间拓扑语义约束规则约束构件的BIM模型内部的组合关系、连接关系及纵向的分布关系，使得各构件的BIM模型映射时，各构件的BIM模型内部符合正确的拓扑关系，在纵向上实现连续；步骤5.3、构建空间姿态语义约束规则，具体为先定义对构件的BIM模型本身进行姿态约束的空间姿态约束规则，再利用XML Schema规范空间姿态约束规则，形成空间姿态语义约束规则，最后利用空间姿态语义约束规则约束构件的模型自身的位置姿态，使得各构件的BIM模型映射时，各构件的BIM模型本身姿态正确，实现精准映射；GIS场景映射及更新模块：基于修改后的IFC构件库、OBJ构件库、信息库、OBJ构件库与修改后的IFC构件库和信息库的节点映射、全局-局部相结合的骨架模型、多层次语义约束规则将BIM模型映射到GIS场景，最终得到GIS场景并实时更新。