基于BIM+GIS的大壩安全監(jiān)測信息可視化展示技術(shù)研究

文富勇

(1.水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410014；2.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

大壩安全監(jiān)測是服務(wù)于大壩安全的，通過安全監(jiān)測可及時(shí)獲取第一手資料，分析大壩及基巖的運(yùn)行狀態(tài)，為掌握大壩的工作形態(tài)、評(píng)價(jià)大壩安全狀況、發(fā)現(xiàn)大壩異常跡象提供依據(jù)[1]。大壩安全監(jiān)測包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變以及環(huán)境量等效應(yīng)量的監(jiān)測，根據(jù)工程規(guī)模不同可能會(huì)有成百上千甚至上萬支傳感器，且分布在不同的位置。

目前，水電工程監(jiān)測系統(tǒng)多是基于二維的監(jiān)測信息呈現(xiàn)，監(jiān)測儀器設(shè)施三維可視化程度低，用戶無法清晰、快速的定位監(jiān)測儀器設(shè)施，無法及時(shí)獲取相關(guān)測點(diǎn)的監(jiān)測基礎(chǔ)信息。隨著近年來BIM+GIS技術(shù)的快速發(fā)展，基于BIM+GIS技術(shù)的工程應(yīng)用服務(wù)越來越成熟和廣泛，通過構(gòu)建電站BIM監(jiān)測模型并結(jié)合GIS應(yīng)用，將監(jiān)測儀器設(shè)施的所有基本信息與BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使得使用者能夠快速從三維模型定位監(jiān)測測點(diǎn)的位置、查詢測點(diǎn)基本信息及相關(guān)圖紙報(bào)表，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位、以及輔助分析，從而將工程安全監(jiān)測從傳統(tǒng)的二維空間拓展到三維空間，具有重要的意義。

1 BIM+GIS應(yīng)用現(xiàn)狀

BIM以工程的各種相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，通過構(gòu)建虛擬的建筑工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)、信息化技術(shù)為模型提供與實(shí)際結(jié)構(gòu)一致的信息庫[2]。近年來，隨著BIM技術(shù)的發(fā)展，我國水電工程建設(shè)逐步引入BIM 技術(shù)，并在兩河口水電站、猴子巖水電站、錦屏一級(jí)水電站等多個(gè)大型水電工程中得到了應(yīng)用[3]，已成功應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)、施工、以及運(yùn)維等全壽命周期。

三維地理信息系統(tǒng)GIS通過疊加融合傾斜攝影數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、BIM數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)，提供更多的地形、建筑、設(shè)施等信息[4]。隨著GIS技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，GIS技術(shù)具有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和空間分析功能，可將現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)象的空間位置與相關(guān)屬性有機(jī)結(jié)合起來，從而為空間決策提供技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)可視化表達(dá)，目前，GIS技術(shù)被廣泛應(yīng)用于水利水電工程[5]。

2 BIM+GIS監(jiān)測應(yīng)用的意義

目前，大多數(shù)工程及建筑物結(jié)構(gòu)、巡視檢查部位及記錄、監(jiān)測儀器信息以及工程文檔無法和實(shí)際的空間位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)查詢，僅有極為熟悉電站安全監(jiān)測布置及運(yùn)行情況的專業(yè)人員才能快速準(zhǔn)確的獲得相關(guān)信息[6]，不利于開展工程安全分析和評(píng)價(jià)工作，影響電站安全管理。

已建成的電站安全監(jiān)測自動(dòng)化管理系統(tǒng)的信息查詢與展示以文字、表格及二維圖形為主，難以做到簡單直觀的展示大壩整體運(yùn)行情況，不利于開展對(duì)外展示交流活動(dòng)。

隨著信息化技術(shù)在工程領(lǐng)域的不斷推廣和應(yīng)用，安全監(jiān)測信息集中管控、三維可視化展示成為可能，也為電站管理帶來了極大便利[7]。為了優(yōu)化管理流程、提升管理質(zhì)量、形象、生動(dòng)的展示數(shù)據(jù)[8]，開展基于BIM+GIS的安全監(jiān)測三維可視化應(yīng)用是未來發(fā)展的必然趨勢，將安全監(jiān)測信息展示從二維空間拓展到三維空間的應(yīng)用是非常重要而有意義的。

3 可視化展示技術(shù)研究

3.1 BIM建模

收集工程基本信息資料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙、監(jiān)測施工圖紙、以及相關(guān)技改和設(shè)計(jì)變更資料，并進(jìn)行系統(tǒng)整理和歸類，為構(gòu)建大壩及監(jiān)測三維模型做準(zhǔn)備[9]。由于BIM+GIS的大壩監(jiān)測信息三維可視化展示應(yīng)用對(duì)大壩結(jié)構(gòu)建模的要求不高，其重點(diǎn)是在大壩結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建監(jiān)測儀器的精細(xì)化模型，因此，大壩結(jié)構(gòu)模型按三維建模精度考慮，監(jiān)測儀器模型按BIM模型精度構(gòu)建[10]。

基于CATIA、REVIT、BENTLEY等主流BIM建模軟件平臺(tái)，對(duì)大壩結(jié)構(gòu)三維建模，模型精細(xì)度等級(jí)為LOD3.0。在已構(gòu)建的大壩結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上，按1∶1建立所有變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度等監(jiān)測儀器設(shè)備設(shè)施的BIM模型，模型精細(xì)度為LOD4.0，對(duì)監(jiān)測儀器BIM模型進(jìn)行編碼、關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)屬性添加、輕量化技術(shù)處理，形成監(jiān)測儀器全信息三維模型。

3.2 模型輕量化

將已有的結(jié)構(gòu)三維模型和監(jiān)測儀器BIM模型進(jìn)行輕量化處理，針對(duì)不同的應(yīng)用場景選擇不同的三維渲染引擎進(jìn)行針對(duì)性的輕量化處理。BIM和GIS數(shù)據(jù)深入融合應(yīng)用，在統(tǒng)一的GIS平臺(tái)上搭建三維場景，為數(shù)字化工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。目前，桌面GIS平臺(tái)主要有ArcGIS、超圖、偉景行、Skyline等平臺(tái)，瀏覽器主要有Cesium、Babylon、ThreeJS等WebGL框架，由于安全監(jiān)測三維可視化應(yīng)用相對(duì)來說對(duì)模型的要求不高，模型體量也相對(duì)不大，以及基于當(dāng)前基于云服務(wù)應(yīng)用的需要，建議安全監(jiān)測三維可視化展示應(yīng)用采用基于Cesium引擎的應(yīng)用，這樣既可在不用安裝任何插件的情況下在瀏覽器上三維可視化展示監(jiān)測信息，又不用在服務(wù)器搭建專門應(yīng)用場景來支撐三維可視化應(yīng)用，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)基于GIS和BIM數(shù)據(jù)融合應(yīng)用。

3.3 三維可視化展示

通過全景、大壩三維結(jié)構(gòu)模型、監(jiān)測BIM模型等多樣化的三維表達(dá)技術(shù)，在WebGL三維引擎上建立大壩全景模型，具備對(duì)大壩360°全景瀏覽以及播放功能。

開發(fā)基于監(jiān)測信息的三維可視化系統(tǒng)，支持用戶能夠快速從三維模型定位監(jiān)測測點(diǎn)的位置、查詢測點(diǎn)基本信息，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)生成各種類型的圖表以供使用者快速分析和了解各部位建筑物的結(jié)構(gòu)安全性狀，主要功能包括基本信息查詢、監(jiān)測定位查詢、監(jiān)測曲線查詢、漫游等。

可視化系統(tǒng)能夠?qū)Υ髩谓Y(jié)構(gòu)從任意角度和方向進(jìn)行距離測量，同時(shí)具備對(duì)大壩結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體剖切和透視的功能；能夠?qū)?shí)際巡檢路線模擬到三維模型上，通過漫游虛擬巡檢路線，實(shí)時(shí)展示巡檢過程各種監(jiān)測儀器設(shè)施、以及相關(guān)主要信息。

4 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

4.1 常規(guī)基礎(chǔ)功能

(1)通用數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)。安全監(jiān)測有引張線、靜力水準(zhǔn)、視準(zhǔn)線、基巖變位計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)、滲壓計(jì)、量水堰、應(yīng)變計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、幾何水準(zhǔn)、正倒垂線、控制網(wǎng)等不同類型監(jiān)測儀器設(shè)施[1]，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式各不相同。構(gòu)建符合大壩安全監(jiān)測信息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式的通用數(shù)據(jù)庫，能夠?qū)崿F(xiàn)多項(xiàng)目快速入庫以及基于云服務(wù)的大壩安全監(jiān)測信息化管理與維護(hù)[11]。

(2)數(shù)據(jù)同步功能設(shè)計(jì)。基于BIM+GIS的大壩安全監(jiān)測信息展示系統(tǒng)暫時(shí)可不考慮基于前端數(shù)據(jù)采集和控制的功能設(shè)計(jì)，主要目的在于對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理、維護(hù)、可視化展示以及輔助預(yù)警分析功能[12]。因此，應(yīng)針對(duì)不同項(xiàng)目、以及不同數(shù)據(jù)格式導(dǎo)入形式設(shè)計(jì)一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)同步功能模塊，在數(shù)據(jù)采集完成后及時(shí)、實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)同步至BIM+GIS應(yīng)用平臺(tái)。

(3)數(shù)據(jù)管理與圖形制作功能。數(shù)據(jù)管理與圖形制作功能是大部分監(jiān)測管理系統(tǒng)都具備的基礎(chǔ)功能模板，主要功能為對(duì)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除、修改、導(dǎo)入和導(dǎo)出等基本數(shù)據(jù)管理工作[13]，以及繪制過程線、分布圖、相關(guān)圖等基本圖形。

4.2 三維可視化展示

根據(jù)應(yīng)用需求，開發(fā)監(jiān)測信息的三維可視化展示功能，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測儀器在三維場景中基本信息查詢、監(jiān)測定位查詢、監(jiān)測曲線查詢，使得使用者能夠快速從BIM模型定位監(jiān)測測點(diǎn)的位置、了解測點(diǎn)基本信息，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，動(dòng)態(tài)生成各種類型的圖表以供使用者快速分析和了解各部位建筑物的結(jié)構(gòu)安全性狀，特別是針對(duì)異常測點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位、以及輔助分析。

利用已構(gòu)建的BIM模型，將所有變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量等監(jiān)測信息融入BIM模型，利用數(shù)字模擬、以及相關(guān)先進(jìn)數(shù)字化技術(shù)將所有信息直接反映到BIM模型，即動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)變形、滲流等過程變化，通過過程監(jiān)控、以及基于大數(shù)據(jù)智能分析初步判斷結(jié)構(gòu)建筑物的安全性狀。

4.3 預(yù)警輔助分析

目前，多數(shù)電站的規(guī)模均相對(duì)較大，每個(gè)電站均有幾千支儀器，且每天每支儀器都會(huì)采集新的數(shù)據(jù)[14]，針對(duì)多電站的集中管控，每天面對(duì)海量的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，管理與維護(hù)人員要從海量數(shù)據(jù)中找出異常信息，并及時(shí)進(jìn)行預(yù)警是一項(xiàng)非常艱難的工作，以及現(xiàn)有基于最大值、儀器量程為依據(jù)的預(yù)警理論效果差，應(yīng)用率低。

針對(duì)上述情況，可針對(duì)性的開發(fā)一套基于自適應(yīng)算法的大數(shù)據(jù)智能預(yù)警系統(tǒng)，每天定時(shí)對(duì)各個(gè)電站所有監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能計(jì)算[15]，將異常測點(diǎn)分5級(jí)(1～4級(jí)、提示區(qū))提取出來，通過郵件、短信等方式發(fā)送給相關(guān)人員，然后利用其他相關(guān)系統(tǒng)和輔以人工進(jìn)一步深入分析與評(píng)價(jià)。

5 工程實(shí)例

桃源水電站位于湖南省常德市桃源縣城附近的沅水干流上，是沅水干流最末一個(gè)水電開發(fā)梯級(jí)。電站以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、旅游等綜合利用。電站樞紐主要由泄洪閘、發(fā)電廠房、船閘等水工建筑物組成。泄洪閘共25孔，孔口凈寬20 m，堰頂高程26.00 m，左側(cè)河道布置14孔，長度326.60 m，右側(cè)河道布置11孔，長度257.00 m，閘壩頂部高程50.70 m，最大壩高30.20 m；廠房軸線長271.2 m，順?biāo)飨蜷L91.45 m，最大高度45.20 m。桃源水電站主要設(shè)置了表面水平位移、表面垂直位移、揚(yáng)壓力、繞壩滲流、壩基變形、混凝土及鋼筋應(yīng)力應(yīng)變、壩基滲流等監(jiān)測項(xiàng)目。

桃源水電站已建成安全監(jiān)測自動(dòng)化管理系統(tǒng)，本次基于BIM+GIS的大壩安全監(jiān)測三維可視化展示應(yīng)用，在不改變?cè)斜O(jiān)測自動(dòng)化管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制情況下，采用數(shù)據(jù)同步軟件實(shí)現(xiàn)原監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)與BIM+GIS應(yīng)用平臺(tái)間數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，然后在BIM+GIS應(yīng)用平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)監(jiān)測信息三維可視化展示，如圖1所示。

圖1 基于GIS的大壩安全監(jiān)測信息界面

采用B/S結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫選用Microsoft SQL Server 2012，后臺(tái)語言采用PHP，三維可視化渲染引擎采用Cesium。

平臺(tái)主要功能包括系統(tǒng)管理、巡檢日志、數(shù)據(jù)同步、數(shù)據(jù)管理、圖表管理、統(tǒng)計(jì)建模等常規(guī)模塊，平臺(tái)設(shè)計(jì)以“所見即所得”為宗旨，包含批量導(dǎo)入、導(dǎo)出、以及批量粗差剔除等批處理功能，減少軟件繁瑣的操作。平臺(tái)還具有輔助預(yù)警分析、監(jiān)測報(bào)告自動(dòng)生成、三維可視化展示等專用功能模塊，其中三維可視化展示模塊主要包括監(jiān)測儀器設(shè)施定位查詢、監(jiān)測數(shù)據(jù)及曲線查詢、基本信息查詢、距離測量、立體剖切、虛擬巡檢漫游、透明顯示等功能。圖形繪制模塊見圖2，三維可視化展示模塊見圖3。

圖2 圖形繪制模塊示意

圖3 三維可視化展示模塊示意

6 結(jié) 論

工程實(shí)例表明，基于BIM+GIS的大壩安全監(jiān)測信息可視化展示，能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)測信息從二維空間拓展到三維空間的應(yīng)用，能夠快速定位查詢監(jiān)測儀器基本信息及監(jiān)測數(shù)據(jù)，更能形象、生動(dòng)的展示監(jiān)測信息，提高監(jiān)測管理工作效率。未來隨著信息化技術(shù)發(fā)展，BIM+GIS技術(shù)在大壩安全監(jiān)測領(lǐng)域應(yīng)用將會(huì)越來越成熟，具有廣闊的應(yīng)用前景，本文研究還不夠深入，旨在拋磚引玉，以便更多學(xué)者運(yùn)用BIM+GIS技術(shù)服務(wù)于大壩安全監(jiān)測。