基于WebGIS的建筑物信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

歐陽(yáng)昉昕，杜曉初

(1.武漢工業(yè)學(xué)院土木工程與建筑學(xué)院，湖北武漢 430023)(2.湖北大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，湖北武漢 430062)

在網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的信息時(shí)代，為了提高建筑行業(yè)的生產(chǎn)效率，貫徹綠色建筑的理念，需要對(duì)建筑物信息管理方式進(jìn)行變革，采用數(shù)字化的建筑物信息管理系統(tǒng)。由于精確定位和測(cè)量一直都是建筑項(xiàng)目關(guān)注的重要信息，同時(shí)對(duì)這些空間信息的分析和三維模擬也是在建筑設(shè)計(jì)、施工和管理過(guò)程中需要經(jīng)常用到的方法，而對(duì)空間數(shù)據(jù)的獲取、分析和可視化正是地理信息系統(tǒng)(GIS)的主要功能，因此目前有很多研究者將GIS技術(shù)應(yīng)用于建筑信息的管理，如將GIS技術(shù)應(yīng)用于建筑工程管理、建筑能耗分析、建筑物抗震檢查、應(yīng)急疏散救援系統(tǒng)、建筑物重建等［1－6］。

為了對(duì)建成的建筑物進(jìn)行科學(xué)管理和恰當(dāng)?shù)木S護(hù)，需要建立相應(yīng)的信息系統(tǒng)，便于管理人員、維修人員以及需要進(jìn)入該建筑的人員查詢，例如維修人員需要了解建筑物用地的地質(zhì)資料、所用的建筑材料以及項(xiàng)目的施工方式，參觀人員需要了解建筑物的進(jìn)出通道以及消防通道，業(yè)主需要了解房屋滲漏處自來(lái)水管的閥門等等。建筑信息模型(BIM，Building Information Model)具有可視化、模擬性和出圖性等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)、建造與管理過(guò)程中，可以極大提高建筑工程的生產(chǎn)效率、減少建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于GIS技術(shù)而言，BIM方法在空間數(shù)據(jù)分析與決策方面有所欠缺，同時(shí)在與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合方面，也沒(méi)有GIS應(yīng)用方便。因此，將Web-GIS技術(shù)應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)與管理可以極大提高工作效率和工程質(zhì)量。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 系統(tǒng)的總體目標(biāo)

由于目前工業(yè)和民用建筑逐漸趨向大型化，因此在建筑物管理過(guò)程中信息量大、需要實(shí)現(xiàn)的功能復(fù)雜，并且需要考慮到不同類型的用戶的需求。為此，需要建立一個(gè)關(guān)于建筑物管理信息系統(tǒng)，使用戶可以通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)了解關(guān)于該建筑物的空間信息和屬性信息，提高管理效率、降低管理成本，并提供可靠的決策支持，實(shí)現(xiàn)管理的科學(xué)化和信息化。

1.2 系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用客戶端/服務(wù)器模式，客戶端和服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行信息交互。系統(tǒng)總體采用三層結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)庫(kù)層、應(yīng)用服務(wù)層和表現(xiàn)層，如圖1所示。數(shù)據(jù)庫(kù)層儲(chǔ)存建筑物的空間數(shù)據(jù)如基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、房屋的定位數(shù)據(jù)等空間數(shù)據(jù)以及建筑物層數(shù)、建筑類型、建筑材料以及材料屬性等屬性數(shù)據(jù)，維護(hù)各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并提供數(shù)據(jù)備份、數(shù)據(jù)存檔以及數(shù)據(jù)的安全機(jī)制，主要包括空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng);應(yīng)用服務(wù)層是整個(gè)框架的核心，主要提供Web服務(wù)和GIS服務(wù)，GIS服務(wù)又包括數(shù)據(jù)查詢服務(wù)、空間數(shù)據(jù)分析服務(wù)、空間統(tǒng)計(jì)服務(wù)、空間數(shù)據(jù)模擬服務(wù)等;表現(xiàn)層中，客戶端為用戶提供可視化界面，以圖文的方式顯示建筑物的空間信息和屬性信息，同時(shí)也為用戶提供建筑信息查詢、地圖分析的接口，表現(xiàn)層可以借助ArcGIS API for Flex和 Flex Framework 實(shí)現(xiàn)［7］。

圖1 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)圖

1.3 實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方法

由于本系統(tǒng)的主要功能是為用戶提供建筑信息查詢與建筑信息的可視化，因此這里采用 CGI(Common gateway interface)方法。該方法需要有服務(wù)器在后臺(tái)運(yùn)行，通過(guò)CGI腳本，將GIS服務(wù)器和Web服務(wù)器鏈接，客戶端的所有操作和分析，都是在GIS服務(wù)器中完成的。CGI方法步驟如下:首先由客戶端用戶發(fā)出URL(universal resources locator)以及建筑物數(shù)據(jù)的操作請(qǐng)求，Web服務(wù)器接受該請(qǐng)求，然后通過(guò)CGI腳本，將用戶的請(qǐng)求傳送給GIS服務(wù)器，GIS服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，進(jìn)行空間分析及數(shù)據(jù)處理，將處理結(jié)果形成GIF或JPEG圖像，最后GIS服務(wù)器將這些圖像通過(guò)CGI腳本以及Web服務(wù)器返回給客戶端瀏覽器顯示。

如果系統(tǒng)需要擴(kuò)展客戶端的GIS操作功能，也可以采用應(yīng)用程序插件技術(shù)方法、ActiveX控件技術(shù)方法以及Java語(yǔ)言編程技術(shù)方法。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

基于WebGIS的建筑物信息管理系統(tǒng)包括4個(gè)主要功能模塊，即用戶管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、空間查詢與分析模塊以及模擬顯示模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主要功能模塊

2.1 用戶管理模塊

用戶進(jìn)入該系統(tǒng)需要進(jìn)行授權(quán)，不同的用戶擁有不同的權(quán)限，例如建筑物管理人員、維修人員以及業(yè)主等可以查詢不同的信息，符合權(quán)限的用戶才能進(jìn)入該系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)操作。用戶管理模塊由用戶登錄和權(quán)限控制兩個(gè)部分組成，其中用戶登錄模塊使用戶可以通過(guò)用戶名和密碼登錄本系統(tǒng)，權(quán)限控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)不同類型用戶在系統(tǒng)中權(quán)限的定義、保存以及檢查。用戶管理模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全性保護(hù)。

2.2 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊由數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)輸出以及數(shù)據(jù)更新三個(gè)部分組成。通過(guò)數(shù)據(jù)輸入模塊，可以向系統(tǒng)輸入不同來(lái)源的數(shù)據(jù)文件，如基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、建筑設(shè)計(jì)圖紙以及文字資料等空間和屬性數(shù)據(jù)，在設(shè)計(jì)輸入模塊的時(shí)候要注意數(shù)據(jù)與系統(tǒng)的兼容性。數(shù)據(jù)輸出可以以屏幕可視化方式顯示建筑物外部形態(tài)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以打印的方式輸出各種圖形和文本，或者以不同的文件格式輸出電子文件。

建筑工程完工交付使用后，在運(yùn)行過(guò)程中仍然需要對(duì)部分空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，如建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改變、建筑物用途的改變以及配套設(shè)施的更新等，因此系統(tǒng)需要對(duì)相關(guān)的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行更改，同時(shí)也需要對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充或修改。

2.3 空間查詢與分析模塊

通過(guò)空間查詢工具，用戶可以全面了解建筑物各方面的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，也可以詳細(xì)查詢建筑物某一細(xì)部的情況。例如建筑物某處出現(xiàn)了滲透情況，維修人員需要對(duì)該處附近的給排水管道進(jìn)行詳細(xì)分析。需要查看附近的閥門分布狀況以及建筑構(gòu)件，這涉及到空間數(shù)據(jù)的查詢，同時(shí)需要了解這些給排水管線以及建筑構(gòu)件的材質(zhì)，這又是屬性數(shù)據(jù)的查詢。查詢方式可以是通過(guò)屬性查詢圖形，也可以通過(guò)圖形查詢屬性。

空間分析是GIS系統(tǒng)的核心功能，通過(guò)空間分析可以獲取建筑物管理和維護(hù)過(guò)程中需要的決策信息。在本系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)空間量算、空間統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)分析、空間分布分析、疊置分析、緩沖區(qū)分析等?？臻g量算工具可以對(duì)建筑物整體和局部進(jìn)行精確測(cè)量，得到精確的1維、2維和3維量度?？臻g統(tǒng)計(jì)工具主要對(duì)建筑物屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行快速計(jì)算，得到精確的結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)分析用于對(duì)建筑物內(nèi)部的各種管線(如水管、電路、網(wǎng)線)以及交通線路進(jìn)行分析和管理，如消防通道的分析和設(shè)計(jì)就要用到網(wǎng)絡(luò)分析工具?？臻g分布分析可以對(duì)建筑物內(nèi)各種點(diǎn)、線、面狀專題要素的分布狀況進(jìn)行表達(dá)與顯示。緩沖區(qū)分析可以完成對(duì)建筑物組成部分鄰近目標(biāo)的查詢。

2.4 模擬顯示模塊

動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)當(dāng)是建筑物管理系統(tǒng)的重要組成部分。例如，在系統(tǒng)中建立火災(zāi)動(dòng)態(tài)模擬子系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以演示當(dāng)建筑物不同部位發(fā)生火災(zāi)時(shí)，在一定的時(shí)間段內(nèi)火災(zāi)的動(dòng)態(tài)發(fā)展態(tài)勢(shì)，以及人員疏散通道的通行情況，同時(shí)還可以顯示附近消防水閥的準(zhǔn)確位置和運(yùn)行狀況。在應(yīng)急事件中，也可以通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬，顯示建筑布局、應(yīng)急設(shè)備和安全進(jìn)出線路圖;還可以通過(guò)實(shí)時(shí)的監(jiān)控界面，顯示出應(yīng)急設(shè)備和安全通道。

三維可視化演示也是本系統(tǒng)的重要構(gòu)成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中包含了建筑物各個(gè)方面的不同維度的信息，包括物理結(jié)構(gòu)(如建筑的建設(shè)規(guī)劃)和保障建筑物正常使用的設(shè)備系統(tǒng)。利用三維可視化工具，管理人員以及其他用戶可以對(duì)建筑內(nèi)的任意位置進(jìn)行三維成圖，而傳統(tǒng)的GIS將建筑物看作一個(gè)封閉的盒子，一般顯示建筑物外部輪廓的三維景觀。在顯示過(guò)程中還可以實(shí)現(xiàn)圖形縮放、移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和鷹眼燈功能。

3 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)數(shù)據(jù)來(lái)源廣泛、格式多樣，包括地形圖、建筑、結(jié)構(gòu)、給排水、通訊網(wǎng)絡(luò)、供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖等空間數(shù)據(jù)以及觀測(cè)結(jié)果、統(tǒng)計(jì)資料、法律法規(guī)、文件等屬性數(shù)據(jù)以及圖片等。

由于本系統(tǒng)需要管理空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，為此數(shù)據(jù)庫(kù)采用混合結(jié)構(gòu)型數(shù)據(jù)模型，即以GIS基礎(chǔ)平臺(tái)管理空間數(shù)據(jù)，而以關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)來(lái)管理屬性數(shù)據(jù)，二者之間通過(guò)標(biāo)識(shí)碼或關(guān)鍵字進(jìn)行鏈接，其表現(xiàn)形式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)庫(kù)組織模式

空間數(shù)據(jù)以圖形文件的形式存在，每個(gè)圖形文件又包含不同的圖層，即空間數(shù)據(jù)的分層管理。數(shù)據(jù)分層時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮數(shù)據(jù)的使用目的、幾何特征、比例尺大小、數(shù)據(jù)來(lái)源以及安全級(jí)別等多種要素。每個(gè)數(shù)據(jù)層中的幾何要素除了定位特征外，還有屬性特征，屬性特征通過(guò)屬性數(shù)據(jù)的標(biāo)識(shí)碼與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的關(guān)系的標(biāo)識(shí)碼鏈接，而各個(gè)關(guān)系之間也可以通過(guò)屬性進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這樣就實(shí)現(xiàn)了空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)。

4 結(jié)束語(yǔ)

提出一種基于WebGIS技術(shù)的構(gòu)建建筑物信息管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，該方法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。其一是充分發(fā)揮地理信息系統(tǒng)的空間查詢、分析和空間數(shù)據(jù)可視化功能，可以方便地完成建筑物的管理和維護(hù)過(guò)程中需要的數(shù)據(jù)處理工作。其二是充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的功能，可以使不同的用戶能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取關(guān)于建筑物的相關(guān)信息，為進(jìn)行決策提供及時(shí)準(zhǔn)確的信息。

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