BIM-GIS技術(shù)在輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

梁運(yùn)鴻 馮敏 巴歡歡 賈寧霄

摘要：為促進(jìn)BIM和GIS技術(shù)在輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，針對(duì)BIM與GIS數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)來(lái)源多樣化、融合標(biāo)準(zhǔn)化程度低等問(wèn)題，以3D Tiles格式為數(shù)據(jù)集成容器，提出了通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、屬性集成、輕量化等步驟實(shí)現(xiàn)BIM與GIS融合的技術(shù)路線。以羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程為例，驗(yàn)證了該方法的實(shí)用性和可操作性，并探討了基于3DE的BIM模型和GIS多源數(shù)據(jù)融合成果在輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)階段中的應(yīng)用。研究成果可為同類輸水隧洞工程提供參考。

關(guān)鍵詞：BIM； GIS； 3DEXPERIENCE； 多源數(shù)據(jù)融合； 輸水隧洞

中圖法分類號(hào)： TP391；TV22

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.051

0引 言

長(zhǎng)距離輸水隧洞工程具有輸水線路長(zhǎng)、沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、涉及專業(yè)眾多等特點(diǎn)，給勘察設(shè)計(jì)工作帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。隨著新一代信息技術(shù)的發(fā)展，BIM、GIS、IoT、大數(shù)據(jù)等技術(shù)已逐步運(yùn)用到長(zhǎng)線型水利水電工程項(xiàng)目中，為工程的勘察設(shè)計(jì)提供新的解決思路。BIM技術(shù)側(cè)重于工程模型內(nèi)部信息的精細(xì)化表達(dá)，GIS技術(shù)側(cè)重于宏觀大場(chǎng)景數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，兩者的融合有利于提高輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行全生命周期精細(xì)化管理水平［1］。蔣樂(lè)龍等基于Skyline平臺(tái)開發(fā)了引水工程建設(shè)管理系統(tǒng)［2］，李獻(xiàn)忠等采用BIM和GIS技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了引調(diào)水工程運(yùn)行管理平臺(tái)［3］，尤林奇等依托超圖平臺(tái)進(jìn)行BIM和GIS多源數(shù)據(jù)融合和應(yīng)用［4］。但是，現(xiàn)有研究多通過(guò)IFC中間格式［5］或針對(duì)Autodesk系列和Bentley系列模型格式進(jìn)行融合，未系統(tǒng)研究3DE平臺(tái)模型與GIS數(shù)據(jù)的融合，且多側(cè)重于建設(shè)和運(yùn)行管理階段的應(yīng)用。因此，本文研究了3DE平臺(tái)下的BIM模型和GIS數(shù)據(jù)的融合方法，并在輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)中進(jìn)行應(yīng)用。

1關(guān)鍵技術(shù)

1.1BIM+GIS數(shù)據(jù)融合技術(shù)路線

GIS側(cè)重宏觀地理空間，BIM 側(cè)重內(nèi)部微觀表達(dá)，兩者既有聯(lián)系又有區(qū)別。目前，在BIM與GIS融合方面，需要解決以下問(wèn)題［6］：

（1） 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不同。BIM數(shù)據(jù)格式多種多樣，其中IFC是BIM行業(yè)通用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，可以表達(dá)工程模型的幾何信息和語(yǔ)義信息。City GML是三維GIS中普遍使用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，側(cè)重于三維城市建模，采用GML建模語(yǔ)言。

（2） 坐標(biāo)系不同。BIM模型通常采用地方坐標(biāo)系或工程坐標(biāo)系，GIS模型常采用大地坐標(biāo)系，為保證BIM模型準(zhǔn)確定位到真實(shí)地理世界中，須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

（3） 信息丟失。BIM模型除了幾何信息外，還包含豐富的材質(zhì)、顏色、語(yǔ)義等信息，在與GIS數(shù)據(jù)融合過(guò)程中，如何完整、準(zhǔn)確地保留上述信息需要深入研究。

（4） 輕量化。水利水電工程的BIM模型在設(shè)計(jì)階段精度要求較高，尤其對(duì)于機(jī)電和金屬結(jié)構(gòu)模型，單個(gè)模型數(shù)據(jù)量通常達(dá)到GB規(guī)模，不利于在Web端進(jìn)行高速傳輸和加載渲染。

針對(duì)BIM+GIS融合的技術(shù)難點(diǎn)，本文對(duì)3DEXPERIENCE平臺(tái)的BIM模型和GIS數(shù)據(jù)從幾何圖形、屬性信息、坐標(biāo)系統(tǒng)等多維度進(jìn)行融合，進(jìn)而進(jìn)行統(tǒng)一的組織管理和應(yīng)用，技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

1.2BIM模型融合

1.2.1BIM模型創(chuàng)建

輸水隧洞工程BIM模型包含地質(zhì)地形、建筑、水工、機(jī)電、金結(jié)、施工、安全監(jiān)測(cè)等專業(yè)?；?DE在線協(xié)同平臺(tái)開展三維正向設(shè)計(jì)，項(xiàng)目啟動(dòng)階段，在統(tǒng)一的合作區(qū)預(yù)先搭建標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)樹，通過(guò)創(chuàng)建WBS分解，將多專業(yè)任務(wù)以工作包的形式進(jìn)行任務(wù)分派；項(xiàng)目執(zhí)行階段，基于已定位的骨架開展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、細(xì)部設(shè)計(jì)，通過(guò)校審后交付歸檔。

1.2.2屬性信息集成

BIM模型不僅包含了工程精確的幾何形態(tài)，還包括了豐富的屬性信息，以便完整地表達(dá)工程的實(shí)際情況，如工程概況、物理特性、運(yùn)算規(guī)則等靜態(tài)信息，以及環(huán)境、調(diào)度、運(yùn)行、監(jiān)測(cè)、監(jiān)控、巡檢等動(dòng)態(tài)信息。

BIM模型和屬性信息集成可使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)建立BIM幾何模型和屬性信息關(guān)系表實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)和檢索查詢［7］。為建立數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，需建立模型索引表、屬性信息表和二者之間關(guān)系表，其中模型索引表存儲(chǔ)BIM數(shù)據(jù)的基本信息；屬性信息表存儲(chǔ)BIM數(shù)據(jù)的屬性信息，如空間尺寸、材料、高程等；關(guān)系表存儲(chǔ)模型每個(gè)構(gòu)件和屬性信息的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)主鍵和外鍵關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)關(guān)系如圖2所示。

1.2.3格式轉(zhuǎn)換

由于輸水隧洞工程線路較長(zhǎng)，各專業(yè)模型精細(xì)度高，3DExperience平臺(tái)原始的數(shù)據(jù)格式無(wú)法直接與GIS數(shù)據(jù)集成，因此需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換才能與GIS數(shù)據(jù)融合。本文通過(guò)將3DXML文件轉(zhuǎn)換為中間格式fbx，同時(shí)保留顏色和材質(zhì)信息，為后續(xù)與GIS數(shù)據(jù)集成建立橋梁。3DXML是3DE平臺(tái)創(chuàng)建的原生格式，包含模型結(jié)構(gòu)樹、實(shí)體信息和裝配信息等。3DXML文件的基本結(jié)構(gòu)［8］如圖3所示。

3DXML符合XML語(yǔ)法，可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)XML接口進(jìn)行解析，提取必要信息后逐個(gè)圖元寫入fbx文件完成格式轉(zhuǎn)換，步驟如圖4所示。

1.2.4坐標(biāo)系融合

在勘察設(shè)計(jì)階段BIM模型常采用工程坐標(biāo)系，而GIS數(shù)據(jù)常采用大地坐標(biāo)系，因此有必要統(tǒng)一BIM和GIS的坐標(biāo)系。如工程BIM模型采用的是地方坐標(biāo)系（基于西安80坐標(biāo)系），GIS數(shù)據(jù)采用的是國(guó)家2000大地坐標(biāo)系，轉(zhuǎn)換步驟如下［9］：

（1） 將地方坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)；進(jìn)而將西安80坐標(biāo)系平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)系大地坐標(biāo)。

（2） 將西安80坐標(biāo)系大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為西安80坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)。

（3） 將西安80坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國(guó)家2000大地坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)。

（4） 將國(guó)家2000大地坐標(biāo)系空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為國(guó)家2000大地坐標(biāo)系大地坐標(biāo)。

1.2.5模型輕量化

為保證BIM模型在Web端的高速傳輸與流暢顯示，需要對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化轉(zhuǎn)換，以提升用戶的瀏覽體驗(yàn)。本文采用LOD技術(shù)將BIM模型劃分為不同的深度等級(jí)，不同的LOD級(jí)別對(duì)應(yīng)著不同的細(xì)節(jié)層次，可有效減少三角面片數(shù)和模型復(fù)雜度，加快系統(tǒng)圖形處理和渲染的速度［10］。三維瓦片（3D Tiles）是一個(gè)集成大量多源異構(gòu)3D地理空間數(shù)據(jù)的開放數(shù)據(jù)規(guī)范，可以支持的數(shù)據(jù)類型有：傾斜影像、BIM模型、點(diǎn)云、三維地形、矢量數(shù)據(jù)等［11］。本文選擇3D Tiles數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)作為BIM與GIS數(shù)據(jù)的集成容器，將3DXML轉(zhuǎn)換后的fbx文件進(jìn)行輕量化，方便后續(xù)與GIS數(shù)據(jù)深度融合，從而實(shí)現(xiàn)集中管理、無(wú)縫瀏覽、相互操作、統(tǒng)一分析。

1.3GIS數(shù)據(jù)融合

1.3.1傾斜攝影數(shù)據(jù)融合

傾斜攝影技術(shù)通過(guò)多鏡頭采集真實(shí)地理環(huán)境，詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)如表1所列。傾斜攝影數(shù)據(jù)融合［12］的技術(shù)路線如下：

（1） 外業(yè)數(shù)據(jù)采集。首先進(jìn)行像片控制點(diǎn)的布設(shè)和測(cè)量，接著規(guī)劃飛行線路，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行影像和POS數(shù)據(jù)采集。

（2） 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理。使用ContextCapture軟件對(duì)采集的影像和POS數(shù)據(jù)進(jìn)行空三解算、TIN構(gòu)建、紋理映射、模型修復(fù)，最后生成實(shí)景三維模型。其中osgb文件存儲(chǔ)三維實(shí)景模型數(shù)據(jù)，xml文件存儲(chǔ)坐標(biāo)系及模型原點(diǎn)坐標(biāo)值。

（3） 數(shù)據(jù)融合。由于傾斜攝影與BIM模型高度存在差異，兩者疊加顯示可能會(huì)存在部分遮擋。首先生成BIM模型的投影矢量面數(shù)據(jù)，然后對(duì)融合范圍內(nèi)的傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行壓平操作，對(duì)接邊區(qū)域進(jìn)行鑲嵌處理以實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，最后將處理后的傾斜攝影數(shù)據(jù)（osgb格式）轉(zhuǎn)換為3D Tiles格式數(shù)據(jù)。

1.3.2DEM與DOM融合

數(shù)字高程模型（DEM）和數(shù)字正射影像（DOM）是制作GIS場(chǎng)景經(jīng)常用到的數(shù)據(jù)。在小比例尺下，通常只需要展示工程的地理位置和地形起伏。

通過(guò)地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站下載工程區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)或者利用傾斜攝影成果生成工程DEM數(shù)據(jù)；接著建立金字塔結(jié)構(gòu)以提高瀏覽速度，利用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D Tiles格式數(shù)據(jù)；最后將DOM數(shù)據(jù)發(fā)布成WMTS服務(wù)，在三維場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)地形與影像的融合。

1.3.3二三維數(shù)據(jù)融合

輸水隧洞工程在勘測(cè)設(shè)計(jì)階段需要依托地理空間數(shù)據(jù)，主要包括水系、交通、地質(zhì)、地下管線、施工布置圖、三區(qū)三線、自然保護(hù)區(qū)等，以標(biāo)準(zhǔn)地圖服務(wù)形式集成到統(tǒng)一地圖中。同時(shí)，基于天地圖等基礎(chǔ)地理底圖，結(jié)合各類水利專題數(shù)據(jù)，通過(guò)制定統(tǒng)一的空間數(shù)據(jù)入庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對(duì)各類數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化入庫(kù)；將各類空間數(shù)據(jù)按照OGC標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布成服務(wù)，以標(biāo)準(zhǔn)接口方式供業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用［13］，主要包括WMTS、WMS、WFS等。

2工程應(yīng)用

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程是珠江三角洲水資源配置工程在深圳市內(nèi)配套項(xiàng)目之一，也是深圳市四縱三橫原水干線之一，從北向南穿越深圳西部片區(qū)，服務(wù)寶安區(qū)、南山區(qū)的城市生活及生產(chǎn)用水要求。工程設(shè)計(jì)輸水規(guī)模 260 萬(wàn)m3/d，工程等別為 I 等、工程規(guī)模為大（1）型，輸水干線全長(zhǎng)約 21.68 km，北起羅田水庫(kù)，南至鐵崗水庫(kù)，沿線設(shè)豎井、地下閥室及檢修交通洞，主要穿越廣深港客運(yùn)專線、地鐵六號(hào)線、機(jī)荷高速、在建深大城際、鐵石水質(zhì)保障工程排水隧洞等，隧洞干線未占用地表和淺層空間［14］。

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

工程數(shù)據(jù)包含BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)，其中BIM數(shù)據(jù)為3DE平臺(tái)建立的項(xiàng)目BIM模型；GIS數(shù)據(jù)包括項(xiàng)目沿線區(qū)域傾斜攝影數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)、水系數(shù)據(jù)、交通數(shù)據(jù)、詳細(xì)規(guī)劃數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)等，根據(jù)前文所述方法開展數(shù)據(jù)處理、融合。具體內(nèi)容如表2所列。

2.2工區(qū)一張圖

基于BIM+GIS融合后的成果構(gòu)建工程區(qū)域一張圖，通過(guò)實(shí)景三維模型立體、真實(shí)地展示工程區(qū)域周邊實(shí)景環(huán)境，同時(shí)融合BIM模型搭建工程三維數(shù)據(jù)底板，并關(guān)聯(lián)模型屬性。通過(guò)構(gòu)建工程宏觀微觀、室內(nèi)室外、地上地下一體化可視仿真模型，可為后續(xù)供水調(diào)度、智能巡檢等仿真模擬提供模型基礎(chǔ)，效果如圖5所示。

2.3選線選址分析

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程穿越城市建成區(qū)，對(duì)線路選擇及建筑物布置要求高。因此需結(jié)合地形地質(zhì)數(shù)據(jù)、詳細(xì)規(guī)劃數(shù)據(jù)、自然保護(hù)區(qū)數(shù)據(jù)、交叉建筑物等，盡量避開區(qū)域內(nèi)基本農(nóng)田、生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)區(qū)等各行業(yè)紅線邊界和敏感點(diǎn)等，利用參數(shù)計(jì)算、空間分析和模擬功能輔助進(jìn)行選線分析，確定最優(yōu)線路和最佳選址，結(jié)果如圖6所示。

2.4方量計(jì)算

在勘察設(shè)計(jì)階段，輸水隧洞工程土方工程量的測(cè)量與計(jì)算直接關(guān)系到工程造價(jià)和項(xiàng)目工期，土方量?jī)?yōu)化是工程勘察設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)［15］。本文以工程區(qū)域的DEM數(shù)據(jù)和BIM模型為基礎(chǔ)開展土方量的計(jì)算。首先提取BIM模型的輪廓邊界，將高精度的DEM面作為基準(zhǔn)曲面，BIM輪廓曲面為對(duì)照曲面；接著疊加兩個(gè)曲面，進(jìn)行布爾運(yùn)算；最后生成填挖方計(jì)量報(bào)告。

3結(jié) 論

（1） 以3D Tiles為數(shù)據(jù)集成容器，探索了BIM與GIS融合的技術(shù)路線，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、屬性掛接等步驟，實(shí)現(xiàn)BIM與GIS的深度融合。

（2） 研究成果在羅-鐵輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)階段進(jìn)行應(yīng)用，結(jié)果表明技術(shù)路線具有可操作性，可以實(shí)現(xiàn)BIM與GIS等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合，可為BIM與GIS技術(shù)在輸水隧洞工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用提供參考。

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（編輯：黃文晉）