基于BIM+GIS的灌區(qū)工程可視化研究

劉曉彬 夏濤 于敬舟 郭云濤

摘要：傳統(tǒng)灌區(qū)工程管理可視化程度低，難以形象、直觀地掌握工程管理動態(tài)信息。應(yīng)用工程領(lǐng)域新興的BIM+GIS技術(shù)，依托于甘肅省古浪縣黃花灘調(diào)蓄供水工程信息化建設(shè)項目，構(gòu)建了灌區(qū)建筑物及各種設(shè)備的BIM模型，融合灌區(qū)實(shí)景模型及正攝影像等GIS數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)工程的可視化展示。運(yùn)行實(shí)踐表明：該項目的可視化應(yīng)用提升了工程建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)管理的精細(xì)化程度，加強(qiáng)了統(tǒng)一可視化平臺下的信息交流和溝通以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享和分析，為灌區(qū)管理提供了高效、直觀的信息服務(wù)。

關(guān)鍵詞：灌區(qū)工程; BIM+GIS; 實(shí)景模型; 可視化

中圖法分類號：S274文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.018

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0097 - 05

0 引 言

隨著工程建設(shè)數(shù)字化、信息化、智慧化程度的發(fā)展[1-3]，灌區(qū)工程現(xiàn)代化管理水平也逐步提高，各種工程綜合管理系統(tǒng)基本成為了灌區(qū)信息化管理的標(biāo)配建設(shè)部分[4-6]。但在灌區(qū)管理中，目前的智慧化建設(shè)大多局限于工程信息的匯集、統(tǒng)計、分析等基本功能，可視化應(yīng)用程度還不高，甚至缺少必要的工程BIM（建筑信息模型）和GIS（三維地理信息系統(tǒng)）數(shù)據(jù)等基礎(chǔ)支撐，未能充分發(fā)揮出可視化技術(shù)在工程信息化管理建設(shè)中直觀展示形象、支撐數(shù)據(jù)信息、支持決策分析等多重作用[7]。

近年來，BIM+GIS技術(shù)已成為工程建設(shè)行業(yè)的前沿新興技術(shù)[8-11]?；贐IM+GIS技術(shù)，可將傳統(tǒng)的二維管理信息拓展至精細(xì)化BIM模型及大場景GIS數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)集成[12]，充分研究灌區(qū)工程中的可視化應(yīng)用場景和業(yè)務(wù)應(yīng)用，為灌區(qū)管理決策提供可視化環(huán)境，以期為灌區(qū)工程創(chuàng)造更大的效益。

1 工程概況

本文依托于甘肅省古浪縣黃花灘調(diào)蓄供水工程信息化建設(shè)項目。該項目涉及4座調(diào)蓄水池和1條分干渠，建設(shè)了信息化運(yùn)行管理系統(tǒng)，形成了與灌區(qū)管理相配套的集信息感知采集、自動化監(jiān)控、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、業(yè)務(wù)應(yīng)用為一體的信息化平臺體系，逐步增強(qiáng)黃花灘灌區(qū)水量的定量管理和科學(xué)調(diào)配，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)管理能力的提升。

在此項目信息化運(yùn)行管理系統(tǒng)建設(shè)中，本文研究了可視化技術(shù)應(yīng)用，基于BIM+GIS技術(shù)開發(fā)了“灌區(qū)一張圖”模塊，強(qiáng)化了灌區(qū)運(yùn)維期的業(yè)務(wù)管理綜合應(yīng)用。

2 BIM+GIS技術(shù)應(yīng)用背景

當(dāng)前，BIM+GIS技術(shù)正在掀起一場工程行業(yè)的數(shù)字化革命。BIM作為信息交流核心，以信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，構(gòu)建工程三維模型，集成工程全過程各階段和各方信息，支持多方協(xié)作，強(qiáng)化及時溝通和有效管理。在工程運(yùn)維管理過程中，以BIM平臺為基礎(chǔ)，與現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立各式集成應(yīng)用，能夠達(dá)到對工程的有效管理和精準(zhǔn)控制。GIS技術(shù)可疊加實(shí)景模型、DEM（數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)、正攝影像等空間數(shù)據(jù)信息[13]，具有采集、存儲、分析、處理地理信息等功能，能夠?qū)崿F(xiàn)信息的可視化表達(dá)，為空間決策分析提供技術(shù)支持和服務(wù)。

BIM與GIS技術(shù)的融合，使微觀領(lǐng)域的BIM信息與宏觀領(lǐng)域的GIS數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)交互操作。將BIM從微觀引入宏觀領(lǐng)域，拓展了三維BIM的應(yīng)用范圍，為BIM技術(shù)發(fā)展帶來了新的契機(jī)，可全面提升管理水平和管理效率。

本項目基于BIM+GIS技術(shù)，把工程建筑信息模型微觀數(shù)據(jù)與灌區(qū)宏觀地理信息環(huán)境融合共享，形成灌區(qū)水源工程、輸配水工程的“數(shù)據(jù)樞紐”，應(yīng)用到三維GIS分析中，實(shí)現(xiàn)宏觀灌區(qū)全景GIS模型和微觀精細(xì)化BIM模型的完美融合以及可視化無縫銜接瀏覽。

3 可視化數(shù)據(jù)創(chuàng)建

黃花灘調(diào)蓄供水工程包含4座調(diào)蓄水池和1條分干渠，涉及輸水構(gòu)筑物、引水構(gòu)筑物、場區(qū)構(gòu)件、景觀、渠道以及監(jiān)測設(shè)備等。收集和整理工程信息資料、設(shè)計施工圖紙、設(shè)備照片等已有資料，采集和制作空間數(shù)據(jù)，如DEM數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)、三維實(shí)景模型、BIM模型等。本文選取工程中BIM模型類型豐富、監(jiān)測設(shè)備種類齊全、可視化應(yīng)用代表性較強(qiáng)的“3號首調(diào)調(diào)蓄水池”為例，介紹可視化數(shù)據(jù)創(chuàng)建方法和應(yīng)用過程。

3.1 BIM模型建設(shè)

本項目采用Bentley系列軟件中的OpenBuildings Designer（以下簡稱OBD）和Microstation（以下簡稱MS）[14]進(jìn)行BIM模型創(chuàng)建。OBD是一款功能完善、全面詳細(xì)的多專業(yè)信息建模BIM軟件。

3號首調(diào)調(diào)蓄水池包含輸水構(gòu)筑物、引水構(gòu)筑物、景觀綠化、場區(qū)構(gòu)件、監(jiān)測設(shè)備等部分，以模型精度LOD300進(jìn)行精細(xì)化建模，模型采用真實(shí)材質(zhì)渲染，具體如下。

（1） 輸水構(gòu)筑物。包含出水口、DN800輸水管、控制閥井、泵井、流量計閥井、鎮(zhèn)墩、渡管等結(jié)構(gòu)，可視化效果如圖1所示。

（2） 引水構(gòu)筑物。包含消力池、消能臺階漸變段、引水暗渠、取水口（分水閘、節(jié)制閘、啟閉機(jī)、樓梯）等結(jié)構(gòu)，可視化效果如圖2所示。

（3） 景觀綠化部分。由于蓄水池周圍綠化樹木還未建成，現(xiàn)場實(shí)地不能展示出整體建設(shè)效果，因此，采用BIM綠化模型展示灌區(qū)可視化效果，樹木種類與實(shí)際規(guī)劃相符，可視化效果如圖3所示。

（4） 場區(qū)構(gòu)件。包括路燈、中式欄桿、圍欄、大門等構(gòu)件，構(gòu)件模型可視化效果如圖4所示。

（5） 監(jiān)測設(shè)備。包括報警主機(jī)（1～30號）、電子圍欄、觀測墩（表面位移標(biāo)點(diǎn)TP1-16、工作基點(diǎn)TB1-4、校核基點(diǎn)TX1-4）、氣溫計、雨量計、攝像頭（進(jìn)水口攝像頭、全局?jǐn)z像頭、水尺攝像頭、周界1-11號攝像頭）、滲壓計（P1-P50）、水尺、水溫計（1～3號）、變壓器等，設(shè)備模型可視化效果如圖5所示。

3.2 GIS數(shù)據(jù)制作

GIS數(shù)據(jù)制作的主要工作包括：大場景數(shù)據(jù)制作、黃花灘灌區(qū)數(shù)據(jù)制作、重點(diǎn)施工區(qū)DOM（數(shù)字正射影像）與實(shí)景三維模型制作3個方面，總體技術(shù)路線如圖6所示。其中，重點(diǎn)區(qū)域3號首調(diào)調(diào)蓄水池實(shí)景模型如圖7所示。

3.3 三維場景建設(shè)

三維場景通過集成BIM+GIS數(shù)據(jù)生成得到。根據(jù)集成模式的不同，可以將二者應(yīng)用集成模式劃分為3種類型：BIM應(yīng)用中集成GIS功能、GIS應(yīng)用中集成BIM功能以及BIM與GIS深度集成。由于黃花灘灌區(qū)控制灌溉面積大、輸水線路長，本項目采用GIS應(yīng)用中集成BIM功能的方式。

在BIM+GIS平臺中，將衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)和各種矢量數(shù)據(jù)疊加到數(shù)字高程模型表面，產(chǎn)生逼真的地形地貌模型，與灌區(qū)工程BIM模型進(jìn)行無縫拼接，生成黃花灘灌區(qū)三維仿真場景，實(shí)現(xiàn)灌區(qū)從整體到局部、從水源區(qū)到下游的全方位立體式交互漫游、地圖導(dǎo)航和GIS分析等功能。3號首調(diào)調(diào)蓄水池區(qū)域BIM模型和實(shí)景數(shù)據(jù)集成效果如圖8所示。

4 可視化技術(shù)應(yīng)用

4.1 BIM+GIS可視化應(yīng)用引擎

BIM+GIS可視化應(yīng)用引擎服務(wù)提供三維地理信息空間數(shù)據(jù)管理與發(fā)布功能。以數(shù)字正射影像、數(shù)字高程模型、無人機(jī)傾斜攝影、三維建模等技術(shù)生成的傾斜三維模型及水工建筑物三維模型為數(shù)據(jù)源，經(jīng)脫密公眾化處理后集成在三維可視化平臺中，實(shí)現(xiàn)多尺度、多類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一瀏覽展示、信息查詢和可視化表達(dá)。

BIM+GIS可視化應(yīng)用引擎服務(wù)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計為B/S結(jié)構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)空間信息和屬性信息的瀏覽和查詢。引擎服務(wù)架構(gòu)如圖9所示。

4.2灌區(qū)一張圖

基于BIM+GIS可視化應(yīng)用引擎服務(wù)，建立黃花灘灌區(qū)二、三維多元信息“灌區(qū)一張圖”模塊，實(shí)現(xiàn)二三維一張圖聯(lián)動?！肮鄥^(qū)一張圖”是數(shù)字線化地圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像、三維實(shí)景模型、BIM模型等多源信息的集合，與灌區(qū)的整體調(diào)度方案相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息的不同維度展示，提供信息的交互查詢和相應(yīng)的空間分析。黃花灘灌區(qū)工程信息化系統(tǒng)“灌區(qū)一張圖”模塊界面如圖10所示。

4.3系統(tǒng)業(yè)務(wù)應(yīng)用

（1） 基于“灌區(qū)一張圖”模塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，通過模塊選擇或跳轉(zhuǎn)鏈接等方式，在信息化運(yùn)行管理系統(tǒng)的“自動控制”和“安全監(jiān)測”等模塊中，實(shí)現(xiàn)對工程運(yùn)維期運(yùn)行狀態(tài)的可視可控，為業(yè)務(wù)管理人員宏觀把控灌區(qū)輸配水工程調(diào)度提供信息支撐。其中，安全監(jiān)測模塊界面如圖11所示。

（2） 將灌區(qū)數(shù)字化交付成果與BIM模型連接，實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計、施工期數(shù)據(jù)資料的在線、快捷查看，為工程運(yùn)維提供便利條件，提升工作效率。

（3） 通過接入工程區(qū)域的建筑物、埋設(shè)的儀器設(shè)備等建立三維仿真場景，用戶可以在三維場景中實(shí)時瀏覽和查詢各建筑物，以及監(jiān)測儀器設(shè)備的各種信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的直觀可視化分析與評價。

5結(jié) 語

本項目依托甘肅省古浪縣黃花灘調(diào)蓄供水工程信息化建設(shè)項目，構(gòu)建了灌區(qū)建筑物和監(jiān)測設(shè)備BIM模型，集成GIS數(shù)據(jù)，基于BIM+GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)灌區(qū)工程的可視化展示。結(jié)合黃花灘灌區(qū)工程信息化系統(tǒng)，基于BIM+GIS可視化應(yīng)用引擎服務(wù)，集成BIM+GIS等多源數(shù)據(jù)，建立“灌區(qū)一張圖”功能模塊，實(shí)現(xiàn)多尺度、多類型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一瀏覽展示、信息查詢和可視化表達(dá)。

本文實(shí)現(xiàn)了灌區(qū)項目的BIM+GIS可視化多重應(yīng)用，提升了工程建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)管理的精細(xì)化程度，加強(qiáng)了統(tǒng)一可視化平臺下的信息交流和溝通以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享和分析，為灌區(qū)管理提供了高效、直觀的信息服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉建軍. 疏勒河灌區(qū)水利信息化建設(shè)實(shí)踐與展望[J]. 水利規(guī)劃與設(shè)計，2018（10）：12-14，61.

[2] 孫玉梅， 李勇， 聶振鋼. 3DGIS與BIM集成技術(shù)在公路隧道智慧運(yùn)維中的應(yīng)用[J]. 測繪通報， 2020（10）：127-130.

[3] 郭曉寧. BIM 技術(shù)在涔天河智慧水庫建設(shè)中的應(yīng)用及意義[J]. 水電站機(jī)電技術(shù)， 2020， 43（10）：70-72.

[4] 程帥，豆明珠，劉照，等. 三維 GIS 在灌區(qū)管理中的應(yīng)用[J]. 水資源與水工程學(xué)報， 2015， 26（6）：230-235.

[5] 吉仁古日巴， 張亮. BIM 技術(shù)在河套灌區(qū)水利工程全生命周期的應(yīng)用[J]. 工程建設(shè)與管理， 2019（12）： 20-22.

[6] 馬飛. 基于BIM的水利工程安全監(jiān)測管理系統(tǒng)研究[D]. 邯鄲：河北工程大學(xué)， 2017.

[7] 孫建偉，周忠偉. 基于B/S架構(gòu)的小開河引黃灌區(qū)三維可視化管理平臺的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 科技視界，2018（6）：217-218.

[8] 劉偉翌. GIS技術(shù)在新時代水利工程信息化中的運(yùn)用[J]. 工程技術(shù)與應(yīng)用，2019 （19）： 83-84.

[9] 蘇本謙，于德湖，孫寶娣，等. 水利工程信息化與BIM+GIS融合應(yīng)用的研究進(jìn)展[J]. 青島理工大學(xué)學(xué)報， 2020， 41（5）：126-132.

[10] 賈玉豪，萬艷. 基于BIM+3D GIS的大壩安全監(jiān)測管理系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J]. 陜西水利，2020， 5（5）：149-158.

[11] 胡文高. BIM技術(shù)在沿海高樁碼頭監(jiān)測中的應(yīng)用[J]. 珠江水運(yùn)， 2020（11）： 42-43.

[12] 文富勇. 基于BIM+GIS的大壩安全監(jiān)測信息可視化展示技術(shù)研究[J]. 水力發(fā)電，2021，47（3）：94-97.

[13] 王啟龍. 無人機(jī)傾斜攝影測量技術(shù)在水利工程中BIM建模的應(yīng)用[J]. 水利技術(shù)監(jiān)督， 2020（4）： 61-63.

[14] 盧玉梅， 李志剛. 基于MicroStation的灌區(qū)建筑物參數(shù)化建模應(yīng)用研究[J]. 黑龍江水利科技，2019，47（4）：164-166.

（編輯：李 慧）

Research of irrigation project visualization based on BIM+GIS

LIU Xiaobin1， XIA Tao2， YU Jingzhou1， GUO Yuntao1

（1. China Water Resources BeiFang Investigation， Design & Research Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 2. Gansu Water Investment Co.，Ltd.， Lanzhou 730030，China）

Abstract： The visualization degree of the traditional irrigation project management is low， so grasping its dynamic information of the management vividly and intuitively is difficult. The emerging BIM+GIS technology in the engineering field in recent years was employed to construct BIM models of buildings and various equipment for Huanghuatan Reservoir and Water Diversion Project in Gulang County of Gansu Province， and the visual display of the irrigation district was realized through integrating GIS data such as the real scene model and forward photo. The practice showed that the visual display of the irrigation district had improved the operation efficiency and fine management， strengthened the information communication and the share and analysis of data under the unified visual platform， which has provided the irrigation district with efficient and visual service.

Key words： irrigation project; BIM+GIS; real scene model; visualization