基于三維BIM+WebGIS技術(shù)的區(qū)域數(shù)字水庫構(gòu)建

，，，，　

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，昆明　650201；2.河海大學(xué) a.力學(xué)與材料學(xué)院； b.水利水電學(xué)院，南京　210098；3.中國電建昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，昆明　650200；4.南京水利科學(xué)研究院，南京　210029)

1　研究背景

我國水資源豐富，且水庫眾多，這些水庫在防洪減災(zāi)以及水環(huán)境保護中發(fā)揮著重要作用，因此對水庫實施科學(xué)、安全、自動化的管理，已經(jīng)成為非常迫切的需求與趨勢。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用也逐漸普遍，水庫信息智能化系統(tǒng)正成為解決水庫安全科學(xué)管理的新途徑。

王安生等[1]設(shè)計并開發(fā)了全國中小水庫管理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了對全國水庫信息的錄入、查詢、統(tǒng)計分析等功能；謝森輝等[2]提出了GIS技術(shù)、空間數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)和空間分析技術(shù)相結(jié)合的開發(fā)水庫管理系統(tǒng)的實現(xiàn)方法；舒依娜等[3]開發(fā)了一套水庫管理信息系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了對水庫信息資料管理查詢功能。綜合來看，這些系統(tǒng)大多是純數(shù)據(jù)管理，覆蓋點位少、共享能力弱、更新周期長，均未涉及三維GIS與BIM平臺構(gòu)建，可視化程度不夠，用戶無身臨其境感覺，同時未能利用GIS和BIM的特點及優(yōu)勢。而建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)是近幾年來出現(xiàn)在建筑界中的一個新名詞，以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，集成建筑工程項目相關(guān)信息的工程數(shù)據(jù)模型[4]，是對該工程項目相關(guān)信息的詳盡表達，將BIM平臺技術(shù)的特點與優(yōu)勢與已成熟的GIS技術(shù)結(jié)合運用于水利工程之中為方便水利工程安全科學(xué)管理提供新的思路。本文將區(qū)域系統(tǒng)的諸要素數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化與可視化，用模型評價、分析、預(yù)測、預(yù)報區(qū)域的工程運行及社會經(jīng)濟的發(fā)展，將自然的區(qū)域變成可實時再現(xiàn)和模擬預(yù)測的信息化區(qū)域，構(gòu)建一個功能強大的水利區(qū)域可視化信息管理系統(tǒng)。

2　區(qū)域數(shù)字水庫系統(tǒng)的體系架構(gòu)

區(qū)域數(shù)字水庫，就是綜合運用遙感(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、三維BIM、網(wǎng)絡(luò)等現(xiàn)代技術(shù)，對某區(qū)域的水庫基礎(chǔ)信息、水情數(shù)據(jù)、大壩監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)信息進行數(shù)字化采集與存儲、動態(tài)管理、深層融合與挖掘、綜合管理與傳輸分發(fā)，構(gòu)建區(qū)域級水庫可視化的基礎(chǔ)信息平臺和BIM+WebGIS立體模型，將整個區(qū)域水庫信息模擬再現(xiàn)。

利用GIS高精度DEM和DOM數(shù)據(jù)，以及BIM模型集成的規(guī)劃、設(shè)計、施工及運營等階段的工程各種信息屬性，從而實現(xiàn)水文預(yù)報、水庫調(diào)度、大壩工作性態(tài)評估、潰壩分析等功能，通過建立各級職能和業(yè)務(wù)部門的專業(yè)應(yīng)用模型庫、規(guī)則庫及應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)區(qū)域水庫各類信息的可視化查詢、分析、決策、顯示和輸出。

根據(jù)區(qū)域數(shù)字水庫的基本思想，劃分為數(shù)字區(qū)域可視化基礎(chǔ)平臺(基礎(chǔ)層)、數(shù)字區(qū)域?qū)I(yè)應(yīng)用系統(tǒng)(應(yīng)用層)，以及數(shù)字區(qū)域管理與決策系統(tǒng)。區(qū)域數(shù)字水庫的體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1　區(qū)域數(shù)字水庫的體系架構(gòu)Fig.1　Framework of regional digital reservoir

3　區(qū)域數(shù)字水庫系統(tǒng)的框架設(shè)計

系統(tǒng)平臺采用B/S架構(gòu)，分為前端頁面展示模塊與后臺業(yè)務(wù)邏輯處理模塊。前端頁面負責(zé)對用戶的交互處理，將用戶的業(yè)務(wù)操作發(fā)送給后臺業(yè)務(wù)處理模塊進行處理，后臺業(yè)務(wù)處理模塊處理完成后返回相應(yīng)JSON數(shù)據(jù)到前端頁面進行展示。同時，后臺業(yè)務(wù)處理模塊也提供相應(yīng)業(yè)務(wù)服務(wù)接口供用戶進行調(diào)用，如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)前后端模塊Fig.2　Pre-and-back-end modules of the system

系統(tǒng)采用MVC模式設(shè)計，前端頁面使用JavaScript的富戶端頁面，主要應(yīng)用的框架有Jquery，Bootstrap。另外，還有自行封裝的一些 UI 組件，后端主要采用到的技術(shù)有Spring MVC，Hibernate ，以及自行開發(fā)的一個權(quán)限管理組件，數(shù)據(jù)庫采用的是 SQL Server 2008 R2，如圖3所示。

圖3　MVC架構(gòu)示意圖Fig.3　Framework of Model View Controller (MVC)

4　基于三維BIM+WebGIS的系統(tǒng)構(gòu)建

4.1　工程BIM

數(shù)字水庫中的BIM包括模型和信息2個方面：①模型包括大壩建筑物、安全監(jiān)測儀器、電氣設(shè)備等，可利用Inventor，Revit，3DS Max軟件及各種建模技術(shù)生成；②水利工程在規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營等階段中涉及到的信息數(shù)量十分龐大，包括樞紐建筑物、建筑物布置、施工過程與監(jiān)控、機電設(shè)備、金屬結(jié)構(gòu)、物資材料、水庫、移民環(huán)保等信息。為了實現(xiàn)對這些信息高效、動態(tài)的管理，必須對其進行合理的分類，BIM模型信息分類以信息模型為基礎(chǔ)，按照水利工程全生命周期各階段(規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營)進行信息劃分。

BIM信息模型的存儲方式同時選用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和分布式文檔存儲系統(tǒng)。其中，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫以表和字段的方式來存儲模型信息，包括基本屬性、模型拓撲、材料、工程量、進度、費用、機械設(shè)備、施工環(huán)境、施工質(zhì)量、安全監(jiān)(巡)視檢查、運行管理。以模型基本屬性信息為例，其數(shù)據(jù)庫表中字段應(yīng)包括模型編號、模型名稱、模型創(chuàng)建時間、修改時間、創(chuàng)建單位、創(chuàng)建人、修改人、存儲位置。分布式文檔存儲系統(tǒng)以文件形式進行信息存儲，包括模型文件、可行性研究報告、相關(guān)科研報告、模型相關(guān)的合同信息等便于以文檔方式進行存儲的文件。

4.2　數(shù)字水庫流域GIS模型

在構(gòu)建區(qū)域水庫地理信息模型GIS時，可利用收集到的數(shù)字高程模型(DEM)與正射影像相(DOM)數(shù)據(jù)疊加的方法來制作，收集區(qū)域地形影像、航空影像等圖像數(shù)據(jù)，數(shù)字高程模型和河流、道路等地形數(shù)據(jù)，利用相關(guān)軟件處理收集的空間數(shù)據(jù)來構(gòu)建能真實反映工程現(xiàn)場及流域地形地貌的三維地形。

4.3　三維BIM+WebGIS架構(gòu)

參考相關(guān)文獻[5-8]，設(shè)計三維BIM+WebGIS架構(gòu)。數(shù)字地形模型數(shù)據(jù)量大，同時涉及海量的BIM信息，如果用普通的可視化引擎來展示勢必會引起操作效率等問題。為快速、直觀流暢地展示，以及有效融合BIM信息，選用三維地理信息可視化系統(tǒng)SuperMap。

圖4　WebGIS控件與JavaScript交互方式Fig.4　Interactive modeof WebGIS control andJavaScript

SuperMap iClient3D for Plugin是一套基于SuperMap UGC (Universal GIS Core)底層類庫和 OpenGL 三維圖形處理庫的三維地理信息可視化客戶端開發(fā)包。且可支持相關(guān)瀏覽器以及自定義三維可視化場景，并實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)加載、數(shù)據(jù)瀏覽、圖層控制等功能。通過使用 JavaScript 腳本語言建立三維可視化地理信息客戶端，并以 ActiveX 控件形式集成于 Web 網(wǎng)頁中，如圖4所示。

4.4　三維可視化平臺

瀏覽器客戶端安裝SuperMap iClient3D for Plugin插件后即可打開并瀏覽三維大壩BIM+WebGIS場景，三維大壩BIM通過熱點與數(shù)據(jù)庫中存儲的BIM數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，可以在場景中顯示、查詢大壩BIM數(shù)據(jù)，如監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)及過程線展示，視頻攝像頭實時畫面。同時可對GIS場景進行量測，顯示降雨等值線等功能。通過大壩BIM+WebGIS，實現(xiàn)了區(qū)域數(shù)字水庫一張圖，使得管理人員的操作更有效率、更直觀，監(jiān)測數(shù)據(jù)的追溯變得輕而易舉，極大地提高了水庫管理水平。大壩BIM+WebGIS制作流程如圖5所示。

圖5　BIM+WebGIS發(fā)布流程Fig.5　Release process of BIM+WebGIS

采用BIM+WebGIS技術(shù)，在充分研究管理部門需求的基礎(chǔ)上，研發(fā)了基于三維BIM+WebGIS系統(tǒng)可視化平臺，如圖6所示。該平臺解決了水庫管理單位當前存在的“信息孤島”等問題[9]。平臺提供了直觀形象的展示方式，集成了離散的業(yè)務(wù)功能，實現(xiàn)了水庫及水庫群的集中監(jiān)控和聯(lián)合管理，有效地提高了管理部門工作的效率，為管理部門科學(xué)高效管理提供了支撐，為各職能部門提供區(qū)域級的綜合規(guī)劃、建設(shè)、運行管理等輔助決策手段，為社會公眾提供區(qū)域水庫信息服務(wù)。

圖6　三維BIM+WebGIS可視化平臺Fig.6　Three-dimensional visualization platformbased on BIM+WebGIS

5　結(jié)　語

基于工程BIM模型和數(shù)字水庫流域GIS模型，從系統(tǒng)體系架構(gòu)、框架設(shè)計等方面詳細闡述了三維BIM+WebGIS可視化區(qū)域數(shù)字水庫安全管理系統(tǒng)平臺的設(shè)計與開發(fā)。該系統(tǒng)在整合并利用現(xiàn)有各類水利信息資源的基礎(chǔ)上，依托計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的信息傳輸通道，以標準規(guī)范、信息全面、高度共享的數(shù)據(jù)中心為信息存儲、整合提取的基礎(chǔ)，實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水利機構(gòu)間各類信息資源的高度共享與統(tǒng)一管理，是區(qū)域水庫運行管理、科學(xué)決策的有效工具。

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