GIS+BIM水利工程信息管理系統(tǒng)的應(yīng)用研究

丁維馨，徐 俊，張李蓀,劉 楊

(1.江西省水利規(guī)劃設(shè)計研究院，江西 南昌 330029;2.江西省水工結(jié)構(gòu)工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029;3.南昌市水利安全監(jiān)測與預(yù)測預(yù)警工程技術(shù)研究中心，江西 南昌 330029)

1 概述

信息化技術(shù)己成為解決工程管理實際問題的重要手段，以BIM為代表的工程信息化技術(shù)應(yīng)用，正推動著工程建設(shè)管理模式的創(chuàng)新[1]。BIM技術(shù)和GIS技術(shù)各有側(cè)重，BIM技術(shù)側(cè)重于建筑物內(nèi)部信息的管理，GIS側(cè)重于與建筑物相關(guān)的室外地理空間數(shù)據(jù)分析。GIS和BIM融合不是簡單的捏合，以往的很多研究還是把二者孤立開來，看似整合其實還是一張皮，和傳統(tǒng)三維模型導(dǎo)入三維GIS平臺沒有本質(zhì)區(qū)別。二者真正的融合應(yīng)該是要考慮到不同的空間尺度、不同的數(shù)據(jù)格式中幾何信息和語義信息的轉(zhuǎn)換、屬性信息的保留等問題。

三維GIS研究宏觀地理世界，有強大的空間查詢和分析能力，三維GIS可以為BIM模型的信息管理提供決策支持，而BIM海量的建筑信息又是三維GIS重要的數(shù)據(jù)源，可以讓三維GIS由宏觀走微觀實現(xiàn)精細的組織管理，BIM和GIS的融合真正實現(xiàn)了從宏觀到具體的一體化管理[2]。BIM由單一技術(shù)應(yīng)用走向服務(wù)化和網(wǎng)絡(luò)化，并己經(jīng)滲透到工程建設(shè)管理的各個方面，由設(shè)計階段的虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)向施工階段的增強現(xiàn)實技術(shù)(AR)和運營階段的混合現(xiàn)實技術(shù)(MR)轉(zhuǎn)變[3]。BIM與GIS集成應(yīng)用，可增強大型公共設(shè)施的管理能力。

鄂竟平部長在2019全國水利工作會議中指出“水利工程補短板，水利行業(yè)強監(jiān)管”的重要工作方向，并明確要求重點補好防洪工程、供水工程、生態(tài)修復(fù)工程、信息化工程等方面的短板，加強對江河湖泊、水資源、水利工程、水土保持、水利資金、行政事務(wù)工作的監(jiān)管。水利信息化既是補短板的建設(shè)內(nèi)容之一，也是強監(jiān)管的手段之一。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)通過GIS+BIM等技術(shù)實現(xiàn)水利工程管理的信息化，其中，水利工程相關(guān)數(shù)據(jù)是實現(xiàn)的基礎(chǔ)，首先要收集整理工程基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，獲取IOT數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫中；為了更好地管理各水利工程，系統(tǒng)采用Web地圖，并采用無人機航飛等作業(yè)方式，獲取高程數(shù)據(jù)、攝影測量數(shù)據(jù)，由此實現(xiàn)三維地形場景的構(gòu)建，同時將水利工程以三維傾斜模型的形式，在三維GIS平臺進行數(shù)據(jù)展現(xiàn)[4]。通過三維數(shù)字化模型還能夠直觀形象的查找各類型設(shè)備、設(shè)施、管線的特征參數(shù)、結(jié)構(gòu)尺寸、相互關(guān)系、空間定位等關(guān)聯(lián)信息[5]。構(gòu)建基于Web技術(shù)的水利工程BIM數(shù)據(jù)管理及應(yīng)用平臺[6]。

為了更好地實現(xiàn)信息化，系統(tǒng)采用Bentley制作的水利工程BIM模型，實現(xiàn)水利工程細節(jié)信息的三維展示，數(shù)據(jù)由GIS地理信息數(shù)據(jù)、BIM三維模型數(shù)據(jù)、空間標注數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)對象等數(shù)據(jù)構(gòu)成[7]，通過BIM技術(shù)建立建筑物的幾何模型，通過三維傾斜攝影和三維激光掃描采集點云數(shù)據(jù)等進行三維實景建模[8](其中點云數(shù)據(jù)是整個三維場景構(gòu)建與可視化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的組成部分[9])，實現(xiàn)水利工程信息化、可視化(數(shù)字報表、地理定位、地圖展示、三維仿真、三維漫游)；同時結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)主要業(yè)務(wù)功能(預(yù)警、推演、統(tǒng)計分析、決策支持)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

3 GIS+BIM的水利工程信息管理系統(tǒng)的功能設(shè)計

GIS+BIM的水利工程信息管理系統(tǒng)能夠?qū)⒈O(jiān)測數(shù)據(jù)與BIM+GIS技術(shù)集成[10]，實現(xiàn)水利工程三維模型等展示，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的明細查詢、圖形屬性查詢、統(tǒng)計查詢等功能[11]；實現(xiàn)水利工程監(jiān)測信息展示，水情、雨情、視頻、預(yù)警等；實現(xiàn)三維標繪、量測；實現(xiàn)三維飛行瀏覽等。通過BIM進行三維空間模型的構(gòu)建，將工程內(nèi)部設(shè)備等情況直觀、清晰地展現(xiàn)出來，同時，還可以掌握與之相關(guān)的各種參數(shù)與信息，進行相關(guān)數(shù)據(jù)與信息的實時查詢[12]。

在瀏覽器中輸入系統(tǒng)地址，即可登錄系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)據(jù)展示、模型瀏覽、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計分析等功能模塊，以便更好地為水利工程管理提供決策支持。系統(tǒng)主要功能包括基本功能、圖層管理功能、量算功能、坐標定位功能、書簽功能、特效功能、標繪功能和漫游功能。系統(tǒng)啟動界面如圖2所示。

3.1 基本功能

系統(tǒng)默認在三維地球中添加了天地圖底圖數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)標注數(shù)據(jù)，便于用戶進行全局查看。為方便用戶系統(tǒng)操作，快速瀏覽查看興趣點，系統(tǒng)開發(fā)了基本功能，包括：搜索、基本的縮放、平移及旋轉(zhuǎn)功能，用戶可自由定位并選擇合適的視角進行興趣點查看功能。

搜索功能位于系統(tǒng)主界面右上角，點擊搜索按鍵，即可彈出搜索框，在搜索框中，可通過輸入興趣點名稱或坐標，再點擊搜索按鍵，即可自動搜索興趣點并定位，若系統(tǒng)中無該興趣點，系統(tǒng)會彈窗提示。系統(tǒng)可通過鼠標或三維操作面板對三維球進行操作，滑動鼠標滾輪/按住鼠標右鍵并豎直方向移動進行縮放；按住鼠標左鍵并拖動進行平移；按住鼠標滾輪并水平移動/鼠標左鍵點擊三維控制面板外圈并移動進行旋轉(zhuǎn)；按住鼠標滾輪并豎直方向移動/鼠標左鍵點擊三維控制面板內(nèi)圈并移動進行視角調(diào)整，如圖3所示。

3.2 圖層管理

點擊系統(tǒng)主功能區(qū)中的圖層按鍵，即可實現(xiàn)圖層管理列表的開啟和隱藏。圖層管理主要實現(xiàn)對各類數(shù)據(jù)(工程數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)底圖數(shù)據(jù)等)的列表展示及顯隱控制。結(jié)合BIM 建筑模型特點，可以輕松做到模擬真實情景定位[13]。將眾多功能的傳感器集成管控到統(tǒng)一的管理信息平臺上進行實時監(jiān)管[14]，通過應(yīng)用BIM，能明確不同建筑設(shè)備的具體位置，實現(xiàn)運維現(xiàn)場定位管理、及時顯示和傳送運維管理內(nèi)容[15]。所有數(shù)據(jù)均在圖層管理列表中展示，并前置復(fù)選框。通過勾選或取消數(shù)據(jù)前復(fù)選框，可實現(xiàn)該數(shù)據(jù)的顯示和隱藏。圖層管理列表中雙擊數(shù)據(jù)名稱，即可自動定位至該數(shù)據(jù)，如圖4—5所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3 興趣點搜索并定位

圖層管理可對水利工程數(shù)據(jù)管理。以魚尾閘數(shù)據(jù)為例：圖層列表中雙擊魚尾閘下工程點，可定位至魚尾閘，主界面中點擊魚尾閘標簽，及可展示魚尾電排站相關(guān)信息(水位、流量、基礎(chǔ)信息、設(shè)計圖紙)，如圖6—7所示。

圖層管理還可對視頻監(jiān)控、水質(zhì)點數(shù)據(jù)進行管理和展示。其中，視頻監(jiān)控可實時接入并顯示監(jiān)控攝像頭視頻，并可對攝像頭進行云臺控制，如圖8—9所示。

3.3 量算

量算功能主要實現(xiàn)對目標長度、高度和面積的量算功能。點擊主功能區(qū)中“量算”按鍵，即可彈出量算功能框，進行長度、高度和面積的量算。

單位設(shè)置：量算界面中，點擊單位下拉框，可自由選擇長度單位，或由系統(tǒng)自動判斷后自主選擇。

時間名詞兒化，也較為頻繁。彭鮮紅女士根據(jù)電腦初步查詢得出以下結(jié)果：“今兒”一詞出現(xiàn)約229次，“明兒”一詞約169次，“昨兒”約為108次，“前兒”約出現(xiàn)98次，“后兒”則約為13次。如：

長度量算：點擊“長度”按鍵，鼠標左鍵點擊開始設(shè)置起點，移動鼠標至終點并雙擊數(shù)據(jù)左鍵，即可自動計算長度并結(jié)束長度量算。

面積量算：點擊“面積”按鍵，鼠標左鍵點擊開始設(shè)置起點，移動鼠標并點擊選擇邊角點，終點雙擊數(shù)據(jù)左鍵，即可自動計算面積并結(jié)束面積量算。

清除：點擊“清除”按鍵，可清除之前量算結(jié)果和標注。如圖10—12所示。

3.4 坐標定位

坐標定位功能，可在已知興趣點坐標情況下，進行目標點定位。點擊主功能區(qū)中“坐標”按鍵，在坐標定位功能框中輸入目標點經(jīng)緯度坐標，點擊“確認”按鍵，即可實現(xiàn)目標點坐標定位。如圖13所示。

圖4 傾斜模型展示并自動定位

圖6 工程基礎(chǔ)信息

圖7 工程水位信息

圖8 視頻監(jiān)控

圖9 水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)展示

圖10 量算單位設(shè)置

圖11 長度量算

圖12 面積量算

圖13 坐標定位

圖14 書簽管理

3.5 書簽管理

書簽功能可用于保存、管理工程視角，便于快速查看興趣點。點擊主功能區(qū)“書簽”按鍵，彈出“視角書簽”菜單。調(diào)整好主視圖視角后，在“書簽”欄中輸入書簽，點擊“添加”按鍵，即可添加書簽，該書簽顯示在書簽列表中。雙擊書簽列表中書簽，及可快速自動定位至該書簽所設(shè)置視角。

書簽功能中，還可對書簽進行管理(排序、刪除)。點擊名稱框格中右側(cè)三角圖標，可實現(xiàn)書簽排序。點擊書簽右側(cè)“刪除”圖標，可刪除無用、重復(fù)和錯誤書簽。如圖14所示。

3.6 特效

系統(tǒng)含特效功能，點擊主功能區(qū)“特效”按鍵，彈出“粒子效果”對話框，點擊“添加火焰”，主視圖區(qū)域點擊鼠標左鍵，即可在點擊處添加火焰特效。點擊“清除”按鍵，即可將特效清除。如圖15所示。

3.7 標繪

標繪功能可用于對目標點進行文字、圖標形式的標記，便于瀏覽及查看。點擊主功能區(qū)“標繪”按鍵，即可彈出標繪功能框，使用標繪功能。如圖16所示。

在標繪功能框中，主要實現(xiàn)文字和圖標標注，點擊標繪功能框中“文字”、“點”、“圖標”，再鼠標左鍵點擊要標注的目標點，即可完成標注。標注點添加后，系統(tǒng)會自動彈出標注點屬性對話框，可查看標注點坐標并設(shè)置標注內(nèi)容的相關(guān)屬性：標注名、透明度、顏色、字體、字體大小、是否加粗等屬性。鼠標點擊標注內(nèi)容，在彈出的標繪窗口中，點擊底部“刪除”按鍵，可將選中標注點刪除。

圖15 火焰特效

圖16 標繪功能框

圖17 文字標繪

圖18 手動繪制漫游路徑

如圖17所示。

3.8 漫游

漫游功能，主要用于預(yù)設(shè)路徑，以所設(shè)路徑對目標區(qū)域中興趣點進行飛行瀏覽。點擊主功能區(qū)“漫游”按鍵，即可彈出飛行漫游功能框，使用漫游功能。漫游功能中有“手動繪制”功能用于路徑設(shè)置，“預(yù)設(shè)路線”功能用于選擇預(yù)設(shè)路線進行飛行漫游。點擊漫游功能框中“手動繪制”，可切換出繪制路徑功能。該功能中可選擇路徑點，點擊“設(shè)定路線”，進入路徑設(shè)置，鼠標左鍵點擊添加路徑點，雙擊鼠標左鍵結(jié)束路徑添加。路徑添加過程中，可設(shè)置高度、時長、速度等參數(shù)。路徑設(shè)置完成后，點擊“開始漫游”，可對當(dāng)前所設(shè)路徑進行飛行漫游，點擊“停止漫游”按鍵，結(jié)束飛行漫游。路徑設(shè)置完成后，點擊“保存路線”，可保存當(dāng)前所設(shè)路徑。如圖18所示。

點擊漫游功能框中“預(yù)設(shè)路徑”，彈出路徑列表，雙擊列表中路徑名稱，即可選擇該路徑進行漫游。并可設(shè)置相關(guān)參數(shù)。點擊“停止漫游”，結(jié)束飛行。如圖19所示。

4 結(jié)語

GIS+BIM的水利工程信息管理系統(tǒng)通過三維設(shè)計平臺建立工程項目信息模型，結(jié)合使用物聯(lián)網(wǎng)智能硬件實時采集工程相關(guān)數(shù)據(jù)[16]，實現(xiàn)了水利工程管理的信息化、可視化(數(shù)字報表、地理定位、地圖展示、三維仿真、三維漫游)；同時結(jié)合業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)主要業(yè)務(wù)功能(預(yù)警、推演、統(tǒng)計分析、決策支持)。對提高水利工程運行和管理的信息化應(yīng)用水平有很好的推進作用。下一步需開展水利工程建設(shè)過程中GIS+BIM技術(shù)、云計算技術(shù)、知識圖譜技術(shù)等的融合應(yīng)用研究，推動GIS+BIM等新技術(shù)在水利工程全生命周期推廣應(yīng)用。

圖19 按預(yù)設(shè)路徑飛行漫游