GIS和BIM集成平臺架構(gòu)設(shè)計在水利工程管理中的應(yīng)用探討

李名哲

（長江空間信息技術(shù)工程有限公司，湖北 武漢 430010）

1 引言

由于需要面對大量復(fù)雜且高度分散的信息，在施工的每個階段，有效的溝通和信息共享都十分必要。過去十年，采用建筑信息模型（BIM）成為建筑行業(yè)信息管理的主要趨勢，為整個建設(shè)項目周期進行信息管理和項目管理提供了一種先進的數(shù)字工具和信息共享平臺[1]。BIM 集成了建筑物和設(shè)施的圖形和非圖形數(shù)據(jù)，依托生成的虛擬現(xiàn)實模型，引入流程管理概念，減少了規(guī)劃、設(shè)計、施工和運營中的信息遺漏，提供了對象級協(xié)調(diào)功能，允許查詢、上傳、更新、傳輸和管理模型數(shù)據(jù)，并支持多種應(yīng)用程序集，適合與相關(guān)技術(shù)進行集成[2]。

隨著地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)的不斷發(fā)展，GIS的應(yīng)用日益廣泛，很多應(yīng)用是基于Web 創(chuàng)建，提供多種Web Services 服務(wù)，改變了傳統(tǒng)GIS 數(shù)據(jù)應(yīng)用的訪問和傳輸方式。這些應(yīng)用提供各種標(biāo)準(zhǔn)接口，成為多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的空間承載，使GIS 真正成為可以被公眾使用的工具[3]。

近年來，GIS 和BIM 不斷走向融合，兩者融合的益處在實際應(yīng)用中得到了證明：將BIM 信息融入GIS空間場景，采用信息化和空間化的技術(shù)手段，對改進復(fù)雜建筑工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計和設(shè)施管理尤為重要[4]。

2 技術(shù)流程

水利水電工程項目的特點是需要集成運用不同信息管理技術(shù)，本文提出集成GIS 地理空間模型、BIM和3D 可視化技術(shù)，實現(xiàn)對水利水電工程項目和地理環(huán)境的智能化建模，將BIM 和GIS 異構(gòu)數(shù)據(jù)集成到統(tǒng)一環(huán)境，無需轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)或?qū)С鲋虚g格式。技術(shù)流程如圖1 所示。

圖1 BIM和GIS集成模型和方法

數(shù)據(jù)融合主要包括四個關(guān)鍵技術(shù)：（1）模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和地圖數(shù)據(jù)的3D 可視化；（2）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將BIM 和GIS 數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一，確保建筑模型在地理環(huán)境中的準(zhǔn)確定位；（3）模型繪制，用于解決統(tǒng)一場景中大型模型的實時繪制問題；（4）信息顯示和檢索，用于檢索建筑模型信息和地理空間元素信息。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)采用B/S 開發(fā)架構(gòu)，主要包括表示層、應(yīng)用層和數(shù)據(jù)層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

3.1 表達層

表達層是指為最終用戶提供的用于交互式數(shù)據(jù)可視化、檢索和操作的用戶界面，是系統(tǒng)的頂層，基于HTML5、JavaScript 和Cascade 樣 式 表（CSS）開發(fā)，支持在Web 瀏覽器（如Google Chrome、Mozilla Firefox、Safari 和Opera）上顯示3D 內(nèi)容。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)

3.2 應(yīng)用層

應(yīng)用層包含JavaScript 函數(shù)和Web 應(yīng)用程序，采用PHP 編寫并部署在ThinkPHP Web 框架中。Apache HTTP Server 用于處理各種用戶的業(yè)務(wù)請求，并將響應(yīng)信息發(fā)送回客戶端。JavaScript 函數(shù)和Web 應(yīng)用程序是關(guān)鍵部分，涉及四個主要功能組件 ：可視化查詢、對象級數(shù)據(jù)管理、分析工具和設(shè)施管理，構(gòu)成系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的核心。

3.3 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層位于最底層，主要用于數(shù)據(jù)的存儲和訪問。數(shù)據(jù)存儲部分由關(guān)系數(shù)據(jù)庫、BIM 模型數(shù)據(jù)庫、地理空間數(shù)據(jù)庫和文檔組成。關(guān)系數(shù)據(jù)庫是一個由關(guān)系變量組成的數(shù)據(jù)庫，直接通過數(shù)據(jù)表來管理數(shù)據(jù)；地理空間數(shù)據(jù)集和用于空間數(shù)據(jù)分析的算法位于地理空間數(shù)據(jù)庫；通過數(shù)據(jù)庫訪問接口，Web 服務(wù)接口以及使用開放地理空間聯(lián)盟（OGC）制定的開放標(biāo)準(zhǔn)（如Web功能服務(wù)或Web 地圖服務(wù)）來訪問數(shù)據(jù)。

4 案例分析

系統(tǒng)在云南省某水電站項目管理中得到了應(yīng)用，該電站于2014 年建成并投入生產(chǎn)，總裝機容量為5850MW，包括一座261.5 米高的堆石壩、一條露天溢洪道、兩條泄洪隧道和一個地下動力系統(tǒng)，以及其他結(jié)構(gòu)。為了支持與應(yīng)用程序的互操作性，已基于IFC標(biāo)準(zhǔn)建立了電站的BIM 模型。水電站項目布局如圖3所示。

水利水電項目具有復(fù)雜的地形條件，涉及廣泛的專業(yè)領(lǐng)域，需要處理工程樞紐的復(fù)雜布局以及異構(gòu)信息源等各種問題。根據(jù)云南某水利水電項目的特點，通過將3D BIM 模型集成到GIS 3D 大場景中，實現(xiàn)工程宏信息和微觀信息的集成，進而實現(xiàn)地理空間3D 導(dǎo)航和建筑模型的動態(tài)瀏覽和虛擬仿真，主要功能包括縮放、平移、旋轉(zhuǎn)、定位和動態(tài)場景漫游顯示等。除了基本3D 內(nèi)容的可視化和查詢，系統(tǒng)還集成了安全監(jiān)視和分析、設(shè)施管理等其他功能。集成BIM 和GIS 的優(yōu)點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

圖3 云南某水電站項目布局

4.1 可視化和查詢

在WebGL 的支持下，客戶端可以可視化3D 建筑模型、地形和各種專題圖。使用Cesium API 提供的一些基本功能，將其添加到查看器中，利用縮放、平移、旋轉(zhuǎn)，以及提供實時動態(tài)可視化的特殊功能，讓用戶能夠創(chuàng)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的動態(tài)場景。

基于真實地形建模環(huán)境，集成平臺可以對設(shè)計和施工道路進行優(yōu)化，也可以使用BIMQL 提取所有列的查詢，生動展示設(shè)計思路，從而便于選擇施工技術(shù)方案，大大提高工作效率和設(shè)計質(zhì)量，平臺可視化查詢?nèi)鐖D4 所示。

圖4 平臺可視化查詢

4.2 對象級數(shù)據(jù)管理

對象級數(shù)據(jù)管理是BIM 的天然優(yōu)勢，可以確保平臺清楚顯示基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的層次結(jié)構(gòu)，并直接維護對象上的數(shù)據(jù)。此外，用戶可以執(zhí)行諸如隱藏、隔離、顯示和透明化等操作。

4.3 分析功能

分析功能主要包括：（1）輪廓分析，用于對空間中的分散數(shù)據(jù)進行插值計算；（2）緩沖分析，用于計算一個要素的影響范圍；（3）網(wǎng)絡(luò)分析，用于路由選擇、資源分配和網(wǎng)絡(luò)流量分析；（4）安全監(jiān)測與分析，用于大壩安全穩(wěn)定計算。大壩安全分析如圖5 所示。

圖5 大壩安全分析

4.4 設(shè)施管理

BIM 和GIS 的集成為設(shè)施管理提供了可靠的工作平臺，記錄了統(tǒng)一、完整的模型、屬性和地理位置等信息。利用設(shè)施管理模塊，用戶可以查詢相關(guān)設(shè)備信息，包括設(shè)備狀態(tài)、用戶手冊和維護記錄。如果發(fā)生緊急情況，可以快速識別和定位故障設(shè)備。同時，可以從平臺上查詢設(shè)備維護計劃、工單分配和賬戶記錄，提高了工作效率。

5 結(jié)論

近年來，隨著區(qū)域經(jīng)濟一體化的發(fā)展和深化，跨區(qū)域互聯(lián)互通基礎(chǔ)設(shè)施的需求日益增長，全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正迎來一輪發(fā)展新機遇。BIM、GIS、多源數(shù)據(jù)融合等信息技術(shù)正成為這一浪潮的催化劑。本文提出了一種集成BIM 和GIS 的方法，將基礎(chǔ)設(shè)施項目的BIM 數(shù)據(jù)集成應(yīng)用于真實大場景GIS 環(huán)境中，通過實際案例驗證了可行性，為相似的工程項目提供了參考借鑒。