面向建筑全生命期的空間信息集成管理與應用系統建設

現代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室 田 飛

北京建筑工程學院測繪與城市空間信息學院 危雙豐

【關鍵字】 建筑信息化 空間信息 建筑全生命期

一、引言

進入新世紀以來，世界上許多發達國家都紛紛開始在建筑領域中引入信息化技術，現代計算機技術的發展，使實現建筑生命周期內信息的統一管理成為了可能。用信息系統的方式來管理建筑領域的開發和應用，能有效提升建筑行業的競爭力，特別是BIM理念的提出，為實現創建豐富的數字化信息、管理整個生命周期的數據、在參與方之間共享信息提供了強大的技術支持和思想依托。近些年我國也越來越重視建筑業信息化技術的研究，但由于長期以來我國建筑業管理缺乏基于建筑生命周期的總體規劃，致使其信息化仍只停留在建筑生命周期的某一階段、某一局部管理業務功能的物理復制上，使現有的管理系統形成一個“信息孤島”，無法實現建筑生命周期內的信息共享與協同工作。

本文從建筑項目信息化管理的角度出發，全面考慮建筑項目生命周期中所涉及到的各種空間信息，在對信息進行分類與規范化的基礎上，研究建筑空間信息的標準化、規范化的組織技術，研發建筑空間信息集成管理與應用系統（以下簡稱“建筑系統”），將建筑項目生命周期不同階段中的空間信息集成至一個大的框架內，實現建筑空間信息的共享。

二、建筑信息化的空間信息需求

涵蓋建筑生命周期的過程階段包括規劃、設計、勘察、施工、運營、拆除和再利用等。在建筑生命周期的各階段，對空間信息的主要需求十分廣泛。

從表1可以看出，建筑項目全生命期涉及矢量數據、影像數據、數字高程模型、建筑三維模型等空間數據以及各種非空間數據。

表1 建筑生命周期各階段對空間信息的需求

三、建筑空間數據標準化處理與組織管理

建筑生命周期內涉及到多個階段的多種數據，要納入到數據庫統一管理，必須對其進行標準化處理。

其中，標準化處理的主要環節包括（1）格式轉換：將各種不同格式的數據，統一處理為標準的建筑模型信息；（2）投影轉換：將影像由一種坐標系轉換到另一種坐標系，系統內置常用的地理坐標系和投影坐標系；（3）數據拼接：對某一地區的數據進行分析時，可能覆蓋了多景影像，需要將影像拼接到一起處理；（4）數據質量評估：對數據進行質量評估檢查等，并生成評估報告輸出到元數據中；（5）元數據生成：元數據是對衛星下行數據進行描述的一種數據，它包含了數據的掃描時間、數據的空間位置信息以及數據的質量信息等。

圖2 建筑空間數據標準化處理

圖3 系統數據庫設計

建筑系統數據庫包括基礎庫、矢量庫、影像庫、地形庫、業務庫、模型庫和索引庫六個子庫。

基礎庫用來支撐系統的運行，包括系統用戶的管理，系統安全維護等；矢量庫、影像庫、地形庫、業務庫、模型庫是存放系統數據的五個子庫，在實際的數據存儲中，將建筑生命周期內的數據進行歸納分類，總結為矢量、柵格、三維模型、業務數據等幾類，分別對應用五個子庫進行管理。索引庫是將數據庫中的數據與建筑生命周期各種數據關聯起來的關鍵，最簡單的索引庫的體現是二維地籍圖，地籍圖上包含各種建筑的平面投影幾何要素，幾何要素的屬性中包含了建筑生命周期中各種數據，通過幾何要素的屬性將分布存放在各個子庫中的數據聯系起來。其中，空間數據庫包括矢量庫、影像庫和地形庫三個子庫，空間數據庫用ArcSDE進行管理，ArcSDE中存儲的空間數據表，通過表名與索引庫的屬性進行關聯。

圖4 系統總體架構

四、建筑系統設計與實現

1.系統總體架構

建筑系統是一個軟硬件結合的應用系統，總體架構如圖4所示。

系統的硬件有數據庫、服務器、網絡設備、輸入輸出設備幾個部分組成，可以實現數據的存儲管理、數據和請求網絡傳輸、數據和服務發布、用戶的前端展示等功能，滿足軟件系統的構建需求。

軟件系統可以分為軟件支撐層、服務層和應用層。其中，支撐層包括軟件系統的構建和運維需要的操作系統和其他軟件，如數據庫系統、文件管理系統和通訊系統等基礎軟件，以及軟件系統構建的開發軟件（Microsoft.Net）和提供空間數據操作的成熟軟件（ArcGIS）模塊等。服務層，也稱業務層，為支撐層和應用層快速交互而設定，其主要工作是：接收、解譯應用層發送的請求，重新組裝請求、通過語言、環境、協議到數據庫、文件系統獲取數據，然后進行組裝，返回應用層需要的結果，完成一個服務過程。應用層，也稱操作層，直接和用戶交互，為用戶提供操作界面，接收客戶操作，封裝請求、發送請求到服務層、獲取客戶需要的數據并進行可視化。

2.系統工作原理、應用模式

建筑生命周期空間信息系統與傳統的建筑信息系統軟件有著本質的不同。系統基于網絡環境構建，在集群存儲支持下，解決建筑工程全生命期中的信息創建、信息管理問題，并結合網絡技術、GIS技術以及三維虛擬現實技術，實現建筑生命周期內的所有信息的共享。

2.1 系統工作原理

整個系統由數據庫、建筑數據管理系統和數據分發與業務系統三大部分組成，系統的運作均是在網絡環境支撐下完成。

圖5 系統工作原理

數據庫部署于管理部門，是整個系統的核心所在，分為規劃數據庫、施工數據庫、運營數據庫等多個庫，此外還另設備份數據庫，用于定時對系統數據進行備份。

建筑數據管理系統部署于管理部門與各個業務部門，每個部門負責維護自己的業務數據，通過數據處理入庫系統，將業務數據處理為統一的格式，提交到系統數據庫統一管理。經過處理之后的建筑信息模型是完全的數字化，支持建筑工程中的各種運算形式，并且他們是動態的，可以隨時在項目的生命周期內添加各種信息，滿足項目的各種需要。

數據分發與業務系統部署于用戶端，所有需要使用該系統的用戶均需要安裝，該系統整合了各個部門提交的數據，可對數據進行統一管理和交叉分析，為用戶提供各種服務。

2.2 系統應用模式

圖6 系統應用模式

系統實現了對整個建筑生命周期內各種數據的統一管理，并在這些數據的基礎之上提供各種服務，同時也開發了一系列功能模塊便于在業務系統中對數據進行瀏覽和分析。

本系統的核心是建筑信息數據庫，所有的系統功能均是圍繞數據庫中的建筑信息而開發，由于使用了組件技術，系統所有的功能都被封裝為各種小功能模塊，因此本系統可靈活的定制為各種業務系統，服務于建筑信息管理，輔助決策。

系統定制模式如下圖：

五、系統主要功能模塊與系統實現

1.系統開發的軟件環境

本系統采用Microsoft Visual Studio 2008開發平臺和ESRI公司強大的、用于構建集中管理、支持多用戶的企業級GIS應用的平臺軟件——ArcGIS Server 9.3的web開發框架ADF相結合，進行頁面和WebGIS應用的開發，管理和發布地圖服務。采用Geodatabase空間數據模型建立了面向對象的空間數據庫，選用ESRI公司的數據庫引擎ArcSDE管理關系型數據庫(本系統中采用Oracle 10g)，存儲空間數據。

2.系統主要功能模塊

數據管理系統用于對建筑各種空間、非空間數據進行規范化處理和統一管理，業務應用系統用于展示經過規范化處理之后的各類建筑數據信息，并提供各種分析功能，對這些數據進行深入信息挖掘與再利用，并搭建應用模塊和應用子系統。

2.1 基礎功能

2.1.1 系統在建筑信息集成管理的基礎上，提供豐富的查詢功能。包括權屬查詢、數據類別查詢、生命周期階段查詢、時間查詢等，對符合條件的結果提供可視化瀏覽，并可根據自定義字段進行統計匯總，并且可以結合空間數據在地理底圖上進行定位，獲取到更直觀的詳細內容。

2.1.2 對于選定的建筑，可以查看建筑中所有分層分戶的信息以及所有權利人信息；可以直接調用分層平面圖以及分層屬性信息，調用分戶信息，顯示分戶平面圖。

2.1.3 對所選數據的各項指標進行統計匯總，并用直方圖或餅圖的方式顯示統計結果。

2.1.4 系統對于各種數據和查詢統計結果可以進行打印和輸出。

2.1.5 用戶權限管理，管理員進行數據的導入、導出、更新、維護，一般用戶可以進行信息的查詢統計瀏覽。

圖7 系統主要功能模塊

2.2 業務功能

2.2.1 物業管理。基于系統對建筑數據的精細化管理，可以提供物業管理服務，包括建筑現狀、用戶、房間部件與水電煤暖，監控信息實時調用與管理。

2.2.2 建筑質量安全。根據建筑材料信息，變形監測信息等，實現建筑質量實時監控，提供分析預測服務。

2.2.3 建筑節能。利用高分辨率遙感影像數據進行小區及其周邊一定范圍內緩沖帶內的環境監測，為建筑、社區的節能減排提供數據依據。

六、結束語

建筑系統面向建筑全生命期實現建筑的信息化管理，以先進的空間、非空間數據存儲技術、管理技術和軟件進行數據集成組織管理，以網絡傳輸技術、空間數據建模技術、二三維空間信息可視化技術進行建筑數據的可視化、網絡化、規范化、科學化，實現城市建筑空間數據和屬性數據的統一管理、綜合高效使用，進而加強建筑管理，提高房屋管理的質量、水平和效率，并為統計分析，決策等應用服務打下基礎。同時，拓展數字城市管理系統的應用，使城市管理人員能夠在數字城市系統虛擬世界中，精細化管理到每家每戶，數字城市的綜合能力和水平將得到大幅度提升。