地下管線 BIM 及二維碼信息識(shí)別查詢工程關(guān)鍵技術(shù)研究

黃海濤，楊玲玲

（1.興化市住建局，江蘇 興化 225700；2.江蘇誠泰測(cè)繪科技有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

新形勢(shì)下，城市建設(shè)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，實(shí)施城市地下管線最有效的管理與建設(shè)是擺在當(dāng)前的一項(xiàng)重要課題［1-3］。為加快推進(jìn)信息化、數(shù)字化、智能化的新型城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，盡量減少管網(wǎng)工程施工對(duì)地面“開膛破肚”行為，保障隱蔽性工程安全，進(jìn)一步提升城市地下管線運(yùn)行的安全性、可靠性，本文積極研究地下管線 BIM 及二維碼信息識(shí)別查詢關(guān)鍵技術(shù)，努力探索地下管線管建工作的新路徑、新模式、新方法。在此基礎(chǔ)上開發(fā)了地下管線二維碼智能識(shí)別與智能管理系統(tǒng)，將 BIM 技術(shù)與地下管線矢量數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，建立城市地下管線三維現(xiàn)狀信息模擬模型，實(shí)現(xiàn)地下管線“可視化”。

1 技術(shù)路線與關(guān)鍵技術(shù)

1.1 現(xiàn)狀分析

地下管線涉及給水、雨水、污水、燃?xì)狻㈦娏Φ仁喾N地下管線，形成了一張錯(cuò)綜復(fù)雜的地下管線網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的二維管理方式難以準(zhǔn)確、直觀地顯示地下管線交叉排列的空間位置關(guān)系。目前，國內(nèi)的地下管線三維模型重建一般采用手動(dòng)（如利用 3dsMax 等建模工具）、半自動(dòng)（如程序+建模工具的方式）和自動(dòng)建模 3 種方式，以滿足地下管線的三維瀏覽、查詢、分析與應(yīng)用需求，但或多或少存在三維管線模型精度不夠、建模效率不高、與地上三維模型不能銜接一致、更新維護(hù)煩瑣和三維展示效果單一等問題［4，5］。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的快速發(fā)展和地下管線三維應(yīng)用的不斷深化，地下管線三維建模正朝著高精度自動(dòng)化、局部更新快速化和地上地下一體化等方向發(fā)展。

針對(duì)以上問題，在已建的地下管線二維數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，本文以二三維一體化 GIS 技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)框架，基于 BIM+GIS 技術(shù)進(jìn)一步拓展二三維一體化數(shù)據(jù)模型［6］，快速構(gòu)建管線 BIM 模型，建立了一個(gè)完整透明的地下管網(wǎng)模型數(shù)據(jù)庫，并融合傾斜攝影、二維碼、電子底圖等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，集成 WebGL、物聯(lián)網(wǎng)、二維碼、云 GIS 動(dòng)態(tài)管理等 IT 新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了城市管線管理的宏觀微觀一體化與地上地下一體化動(dòng)態(tài)協(xié)同管理，有力地提升了管線的智慧化運(yùn)維管理水平。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)研究

主要關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)如下。

1）采用 2 000 國家大地坐標(biāo)系，運(yùn)用新一代三維GIS 新技術(shù)，將無人機(jī)實(shí)景三維模型與三維管線 BIM 模型相結(jié)合，以三維地上地下一體化方式形象展現(xiàn)地下管線的埋深、材質(zhì)、形狀、走向以及附件結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，全面整合了各類數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)管線全生命周期的三維化管理，在管線管理中輕點(diǎn)鼠標(biāo)，二維圖紙上錯(cuò)綜復(fù)雜的管線便一下子變得清晰明了。

2）在三維 GIS 技術(shù)支持下利用 BIM 和二維碼技術(shù)［7，8］實(shí)現(xiàn)全生命周期的地下管線管理，環(huán)環(huán)相扣，全面提高地下管線工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營(yíng)相關(guān)的成果質(zhì)量。通過二維碼掃描和地表開挖技術(shù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)快速獲取工作區(qū)域管線現(xiàn)狀，分析沿路開挖等工程施工對(duì)地下管線的影響，預(yù)防事故的發(fā)生。在智慧管線管理工作中，創(chuàng)新了一種快速、便捷、直觀的日常管線運(yùn)維管理方式。

3）在高速網(wǎng)絡(luò)及 5G 技術(shù)支持下，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，能夠把傳感器收集到的管線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?APP 系統(tǒng)，傳感器信息在三維場(chǎng)景中以可視化的方式進(jìn)行動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)管線設(shè)施管理的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警，再通過動(dòng)態(tài)更新形成可視化動(dòng)態(tài)圖表，一旦發(fā)現(xiàn)問題，管理人員可以迅速定位，快速排查排除隱患，極大縮短了響應(yīng)時(shí)間。

4）面向大場(chǎng)景研究了一種三維模型傾斜優(yōu)化技術(shù)，項(xiàng)目從根節(jié)點(diǎn)合并和轉(zhuǎn)為 S3M 格式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化，節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)縮減為原來 1/4，存儲(chǔ)量縮減為原來的 1/2，大大減少了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，且模型的質(zhì)量并沒有減小。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境正常的情況下，試驗(yàn)區(qū)三維模型瀏覽模型加載響應(yīng)快，瀏覽流暢無卡頓，用戶具有三維實(shí)景的體驗(yàn)感。

5）基于新一代三維 GIS 技術(shù)，利用 GIS-BIM、物聯(lián)網(wǎng)感知、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、二維碼等技術(shù)自主研發(fā)了 APP 軟件，支持平板等移動(dòng)端直接通過網(wǎng)絡(luò)加載地下管線地上地下一體化三維實(shí)景，通過二維碼快速定位、查詢、分析管線設(shè)施 BIM 模型部件信息，并依據(jù)需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)渲染，進(jìn)行真實(shí)三維表達(dá)，并可進(jìn)行自由漫游瀏覽。APP 能有進(jìn)一步有效提高城市地下管線管理工作的質(zhì)量，成本低廉且易于推廣，社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益較好。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)路線

地下管線二維碼智能識(shí)別與智能管理系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)采用 B/S 架構(gòu)，按基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)層、中間層、應(yīng)用服務(wù)層、終端用戶層、安全保障體系五層架構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)主要功能包括基本三維 GIS 功能、信息的瀏覽查詢和統(tǒng)計(jì)、管線業(yè)務(wù)運(yùn)維管理等。系統(tǒng)將核心的業(yè)務(wù)邏輯和公共的組件以及安全和集成相關(guān)的組件進(jìn)行封裝到服務(wù)器中，通過中間件的形式向外提供服務(wù)和應(yīng)用擴(kuò)展。系統(tǒng)將相關(guān)的功能封裝，形成服務(wù)，統(tǒng)一向外提供管網(wǎng)信息的瀏覽、管網(wǎng)信息查詢、統(tǒng)計(jì)服務(wù)、業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)據(jù)、空間分析服務(wù)等。

系統(tǒng)采用組件式開發(fā)，客戶端通過認(rèn)證層獲取相應(yīng)的圖層數(shù)據(jù)權(quán)限，對(duì)授權(quán)圖層數(shù)據(jù)進(jìn)行查看、編輯、導(dǎo)出等操作，實(shí)現(xiàn)各用戶單位對(duì)綜合管線運(yùn)維應(yīng)用的需要，同時(shí)保證數(shù)據(jù)的安全性。采用模塊化、零插件 WebGL 框架技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)交互式瀏覽。采用大型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，對(duì)多源數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一掛接管理。同時(shí)，對(duì)于地下管線數(shù)據(jù)與二維碼數(shù)據(jù)建立適當(dāng)?shù)目臻g索引，以加速對(duì)數(shù)據(jù)的訪問，提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)運(yùn)行效率。

2 建設(shè)實(shí)施

2.1 數(shù)據(jù)建設(shè)

按照實(shí)施方案，在統(tǒng)一的時(shí)空基準(zhǔn)下開展數(shù)據(jù)建設(shè)，主要建設(shè)內(nèi)容如下。

1）構(gòu)建地上地下三維場(chǎng)景，完成傾斜攝影數(shù)據(jù)生產(chǎn)任務(wù)飛行及三維快速建模。

2）試點(diǎn)區(qū)域內(nèi)地下管線的二維碼數(shù)據(jù)成果，接入泰州市地下管線二維碼管理平臺(tái)，實(shí)地布設(shè)到位更新地下管線數(shù)據(jù)庫，將二維碼數(shù)據(jù)掛接到相應(yīng)的管線。

3）對(duì) BIM 軟件運(yùn)行過程中所需要的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取與處理，本項(xiàng)目的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是 2018 年 3 月完成的興化市地下管線的探測(cè)及路段 1∶500 比例尺帶狀地形圖修測(cè)和數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)近兩年來的市政建設(shè)情況和圖紙進(jìn)行修測(cè)，形成試點(diǎn)區(qū)域約 3 km2內(nèi)的地下管線數(shù)據(jù)庫成果，構(gòu)建真實(shí)管線三維和 BIM 模型數(shù)據(jù)［9］。

4）部署傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，傳感器監(jiān)測(cè)及預(yù)警數(shù)據(jù)接入數(shù)據(jù)庫。

2.2 軟件建設(shè)

在項(xiàng)目數(shù)據(jù)建設(shè)的基礎(chǔ)上，嚴(yán)格遵循質(zhì)量管理體系進(jìn)行項(xiàng)目管理，建立了完整的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和管理機(jī)制體系，保障了平臺(tái)的開發(fā)建設(shè)規(guī)范有序。依托三維 GIS 技術(shù)，基于移動(dòng)開發(fā)技術(shù)研發(fā)了興化管線通 APP V1.0。主要軟件功能如下。

1）用戶管理。后臺(tái)為 APP 提供用戶信息交互功能的支撐，對(duì)用戶、角色、功能等進(jìn)行管理，包括用戶注冊(cè)、刪除、修改等操作，實(shí)現(xiàn)管理平臺(tái)用戶的賬號(hào)、密碼及對(duì)應(yīng)角色權(quán)限的目的。

2）二維碼掃描。APP 基于 QR 條碼掃描技術(shù)開發(fā)相應(yīng)功能，點(diǎn)擊主界面后，跳出二維碼掃描窗口，使用平板等移動(dòng)終端對(duì)準(zhǔn)二維碼掃一掃，解析二維碼，與二維碼數(shù)據(jù)庫查詢對(duì)接，若為管線庫的二維碼，則彈出二維碼信息表格，點(diǎn)擊詳情，定位到二維碼解析的管段，進(jìn)入三維場(chǎng)景查看該管段的地理位置、走向等空間信息。

3）地下管線瀏覽。系統(tǒng)接入電信、供電、給水等15種管線圖層，結(jié)合 APP 系統(tǒng)，可隨時(shí)隨地，只需打開移動(dòng) APP，能精確查詢?cè)攲?shí)的三維管線數(shù)據(jù)和位置信息及走向信息。系統(tǒng)提供基礎(chǔ)的三維量算功能，包括面積、測(cè)高、測(cè)距等。有效輔助管線、管段之間凈距量測(cè)分析。

系統(tǒng)支持在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)瀏覽、查詢；支持指定路線管線場(chǎng)景的三維飛行漫游。同時(shí)，支持在實(shí)景三維場(chǎng)景下，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊管線模型具體部件，直觀展示管徑、材質(zhì)、長(zhǎng)度等管線基本信息及內(nèi)部結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，基于 WebGL 渲染技術(shù)可進(jìn)行管段 BIM 模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速漫游瀏覽。

4）傳感器監(jiān)測(cè)。進(jìn)入主頁面后，主要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備列表展示和空間定位，可直觀在三維場(chǎng)景中看到各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)空間分布情況，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備列表的點(diǎn)擊可直接定位監(jiān)測(cè)設(shè)備精確位置；點(diǎn)擊具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可查看壓力、流量等指標(biāo)的 24 h 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線。該模塊進(jìn)一步拓展了平臺(tái)的應(yīng)用能力，為后期智慧運(yùn)維升級(jí)奠定技術(shù)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，方便綜合考察城市管線的日常正常運(yùn)行情況。

5）傳感器預(yù)警。通過監(jiān)測(cè)設(shè)備列表的點(diǎn)擊可直接定位監(jiān)測(cè)設(shè)備精確位置；點(diǎn)擊具體監(jiān)測(cè)點(diǎn)，可查看 24 h 壓力、流量等指標(biāo)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)曲線，若超過閾值，一般情況曲線呈黃色顯示，嚴(yán)重情況曲線呈紅色顯示。該模塊進(jìn)一步拓展了平臺(tái)的應(yīng)用能力，為后期智慧運(yùn)維升級(jí)奠定技術(shù)試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，方便綜合考察城市管線的日常正常運(yùn)行情況。

6）管線專業(yè)分析。系統(tǒng)可快速實(shí)時(shí)加載試驗(yàn)區(qū)的三維傾斜模型，結(jié)合三維地下管線，實(shí)現(xiàn)地上地下一體化漫游；能夠完成場(chǎng)景放大、場(chǎng)景縮小、快速定位，旋轉(zhuǎn)相機(jī)任意角度、等漫游操作；實(shí)現(xiàn)從不同方位、不同角度自由瀏覽場(chǎng)景。

系統(tǒng)加入了地表模擬開挖功能，分析沿路開挖等工程施工對(duì)地下管線的影響，并將受影響的管網(wǎng)通過列表圖表的方式動(dòng)態(tài)可視化表示，支持三維場(chǎng)景下圖文交互查詢：管線部件點(diǎn)擊查詢、開挖統(tǒng)計(jì)查詢、結(jié)果列表定位三維場(chǎng)景、開挖類型統(tǒng)計(jì)與分析等功能，實(shí)現(xiàn)圖表之間的交互查詢。預(yù)防事故的發(fā)生；而且統(tǒng)計(jì)分析后，還可將開挖模型進(jìn)行清理，還原真實(shí)的三維實(shí)景模型（見圖 1）。

圖1 部分功能界面截圖

3 結(jié)論與展望

本文針對(duì)興化市地下管線建設(shè)工作，基于地下管線 BIM 及二維碼識(shí)別查詢工作的關(guān)鍵技術(shù)提出了一些思路和方法，并基于試點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行了針對(duì)性的研究與實(shí)現(xiàn)，三維 GIS 技術(shù)支持下利用 BIM 和二維碼技術(shù)，將傾斜攝影實(shí)景三維與地下管線三維模型、物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備、靜態(tài)二維碼等多源數(shù)據(jù)結(jié)合，開發(fā)一套三維管線可視化管理系統(tǒng) APP，可直觀描述地下管線的空間層次和位置，以三維可視化方式形象展現(xiàn)地下管線的埋深、材質(zhì)、形狀、走向以及工井結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，使得本來在平面顯示下錯(cuò)綜復(fù)雜的管線變得更加清晰明了，并提供各類查詢、統(tǒng)計(jì)管線、輔助分析等功能。為地下管線資源的日常運(yùn)維及工程建設(shè)等工作提供了動(dòng)態(tài)、準(zhǔn)確、直觀、高效的參考，實(shí)現(xiàn)管線智慧運(yùn)維，更好服務(wù)城市管網(wǎng)后期的運(yùn)營(yíng)以及改造工程，技術(shù)選型先進(jìn)，具有很好的推廣價(jià)值。

但由于是探索性工作，仍面臨著諸多不足與挑戰(zhàn)。后續(xù)的地下管線智慧化運(yùn)維是一項(xiàng)持續(xù)性的工作，需要繼續(xù)堅(jiān)持“服務(wù)大局，服務(wù)社會(huì)，服務(wù)民生”的宗旨，以數(shù)據(jù)集中和共享為途徑，推動(dòng)技術(shù)融合、業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)融合，逐步建立以大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)管線運(yùn)維業(yè)務(wù)創(chuàng)新的政務(wù)服務(wù)新模式，在平臺(tái)的穩(wěn)定性和效率的同時(shí)，進(jìn)一步提升平臺(tái)深層次的數(shù)據(jù)挖掘、分析能力，增加完善斷面分析、連通性分析、覆土深度分析、爆管關(guān)閥分析等功能［10］。Q