BIM+GIS技術在冬奧場館智能化管理平臺中的應用

張曉燕 姚勇

一、引言

隨著BIM與GIS技術的日漸成熟，我國一些大型項目都會采用BIM+GIS技術，而在2022年將要舉行的冬奧會項目中，延慶賽區的冬奧會場館及賽道就運用了BIM和GIS技術，除了完成建筑物的設計、建造、維護外，BIM和GIS的融合以及與多源建筑物設備運行數據的融合將為冬奧會場館、賽事運營提供強有力的支持。BIM+GIS的三維特性，是進行可視化運營的天然載體，通過對三維模型融合、多源數據融合、智能管理系統的研究，完成冬奧會智能化管理平臺建設。

二、BIM和GIS融合的關鍵技術

（一） BIM和GIS的特點與融合

BIM（Building Information Model），即建筑信息模型，是將項目的整個生命周期內的所有信息集合在一個模型中，并包含施工進度，建造過程，運營維護等全部過程，并集合了所有幾何信息、功能要求和構件性能。BIM既可以認為是建筑信息模型，也可以被理解為建筑信息建模。

BIM的概念雖然早在上個世紀七十年代被提出，但直到本世紀才開始興起，特別是隨著計算機硬件性能的提升、三維可視化技術和激光掃描等技術的成熟，日益受到重視，并在國內的建設項目中開始得到應用。

BIM技術具有如下特點：

BIM是一個由三維模型形成的數據庫，該數據庫存儲了建筑物從設計、施工到建成后運營的全過程信息。

該三維建筑模型所包含的信息之間是相互關聯的，對其中一個信息的任何更改，都會引起關聯信息的改變。

基于開放的數據標準—IFC（Industry Foundation Classes）標準，BIM模型有效地支持建筑行業內各個應用系統之間的數據交換和建筑物全生命周期的數據管理。

GIS（Geographic Information System），即地理信息系統，是對地理空間信息進行描述、采集、處理、存儲、管理、分析和應用。GIS技術集成了地圖視覺效果與地理信息的分析，對地理分布數據進行一系列的數字化統計管理和處理，具有成熟的空間管理功能。與BIM相比，GIS技術的開發使用相對成熟，已廣泛應用于測繪、城市規劃、城市建設、城市應急、環境保護等各個領域。

GIS技術具有四大特點：

數據管理，是GIS中最核心的組成部分，通過統一的平臺實現關系型的圖形與屬性數據的統一管理、瀏覽、查詢。

空間定位，具有統一空間參考的GIS數據具有空間位置信息，可實現空間定位功能。

空間分析，具有強大的空間分析功能，可提供拓撲分析、緩沖區分析、空間插值等空間分析功能。

多元展示，GIS技術不僅實現了二維數據的展示、瀏覽，也可對二維數據進行加工建模，以三維模型展示空間數據。

BIM技術側重于建筑物內部信息的管理，GIS則側重于與建筑物相關的室外地理空間數據分析。近幾年，隨著各地“智慧城市”建設步伐的加快，將海量的建筑數據應用于城市地理信息的管理，提升城市精細化管理水平，BIM和GIS的融合已經大勢所趨。

首先，BIM在整個建筑物生命周期都是精細化的單體建模，但如果脫離了與周圍地理環境的聯系只能是空中樓閣。而GIS研究宏觀地理世界，有強大的空間查詢和分析能力，可以為BIM模型的信息管理提供決策支持，可以更好的協助BIM。同時BIM大量的建筑信息又是GIS重要的數據源，可以讓GIS由宏觀走向微觀實現精細的組織管理，BIM和GIS的融合真正實現了室外到室內的一體化管理。

其次，BIM數據結構包括空間圖形數據（三維模型）和屬性數據（建筑參數），這與GIS數據構成類似。GIS包含了BIM的數據結構（空間數據+屬性數據），但BIM主要針對建筑數據，而GIS包含除建筑數據外廣闊的地理數據，二者都有信息管理、空間分析等功能重疊。因此兩者有融合的可能性。

（二） BIM和GIS融合的關鍵技術

1、BIM的輕量化處理技術

BIM模型對于建筑物和其內部構件的表達是極其精細的，對于構件的細節表達很細致，且記錄了豐富的幾何語義信息和屬性信息，這意味著龐大的數據量。而GIS更多的是分析管理功能，比如一面墻在BIM中可能有5層：外層、面層、氣層、核心層、內層等等，在GIS中我們可能不關心這5層，我們更關心墻體的長寬體積，5層墻會被抽象成1層墻體。

在BIM數據導入GIS系統時，需要進行不同程度的輕量化處理，即將模型的某些骨架進行刪除或者簡化。不同的領域BIM數據的精細程度也不盡相同。對GIS應用來說，根據項目實際需求，將BIM數據導入到三維GIS平臺需要進行不同程度的輕量化操作。不同的開發平臺提供了不同的輕量化功能，如在SuperMap產品中提供了多種BIM輕量化和三角網的操作，包括：提取外殼（外殼和內部分離）、三角網簡化、子對象簡化（刪除）、刪除重復頂點、計算（刪除）法線、模型拆分、模型合并等諸多實用功能。

2、三維模型數據的轉換技術

三維模型結構大體分線框模型一類、表面模型一類、實體模型一類。BIM建模主要是實體建模，如采用幾何實體創建法（Constructive Solid Geometry， CSG）。一般復雜的空間實體經過簡單的實體元素如圓錐、圓柱、三角錐、長方體、正方體、球體經過一系列布爾運算組合、求交集、求差集等構建。BIM中的每個模型都是一個實體，因此可以對每個室內構件進行實體查詢。

而大部分GIS模型是表面模型，這區別于BIM的實體模型，它主要用邊界表示法表示。邊界表示法B-rep指的是GIS模型進行建模時通過三角網形成三角面或者曲面然后將這些表面進行粘合形成封閉的空間區域，表層記載了大量點、線、面幾何信息與屬性信息。這些模型對三維空間關系和拓撲關系的表達不足，無法支持三維的空間分析與計算，難以實現有效的三維城市建模。

技術實現方面，一種方案是基于B-rep與CSG的轉換算法來對三維圖形數據進行轉換，過程中需要進行不同BIM數據格式到標準IFC格式的數據轉換（見圖1）；另一種方案，是直接在GIS系統建立三維實體數據模型，可以實現BIM主流數據的無損接入以及BIM數據到GIS平臺的精準匹配。

圖1 BIM與GIS模型的轉換流程

三、BIM與多源數據的融合

BIM技術的發展為三維GIS提供了更為精細的三維模型，讓GIS更精細化的管理成為可能。同時，隨著數據采集技術的迅速發展，空間多源數據的產生為GIS數據的集成與應用帶來了新的挑戰。實現海量、不同來源、不同分辨率空間數據的高效融合，對降低GIS應用系統的建設成本、提高空間數據的使用效率具有重要的現實意義。

多源數據在三維場景中進行融合匹配，首先應該是坐標轉換和數據配準，將BIM、三維攝影、地形測繪數據和多源傳感的時空數據統一到一個坐標系。

（一） BIM與三維地形數據的融合

將BIM數據與地形數據進行融合，BIM提供了微觀的數據信息，地形數據提供BIM模型在宏觀環境中的位置信息及周邊環境。融合過程中，需要進行實地驗證遙感/航飛影像數據和地圖數據的校準，以及施工區域的地表環境、地形、地貌的數字化信息與分析。具體工作包括坐標基準轉換、衛星影像數據化裁切、相對坐標與絕對坐標校準匹配、不同格式數據對應轉換和集成融合等技術問題。通過多源信息的融合，為用戶提供更加真實、準確的可視化體驗，以及三維空間分析數據支撐。

（二）BIM與物聯網數據的融合

BIM將建筑物數據化、模型化，用來標明整個建筑內各類要素發生的位置。而物聯網技術將各種建筑運營數據通過傳感器收集起來，并通過NB-IoT或者4G/5G網絡實時上傳到本地運營中心，經數據處理和分析到遠程用戶手上。

圖2 BIM與物聯網融合系統效果圖

圖3智能化管理平臺的功能架構

基于BIM技術和物聯網技術的融合是實現智能建筑的基礎，而BIM是物聯網應用的基礎，基于統一的時空網絡，物聯網的應用可以深入建筑物的內部，對其運行狀態進行實時監控，其融合平臺效果如圖2所示。

四、基于BIM+GIS的冬奧場館智能化管理平臺

（一） 開發平臺選擇

目前三維GIS平臺主要以國外ESRI公司的ArcGIS Pro，Skyline公司的SkylineGlobe軟件，國內比較大的有SuperMap和偉景行公司的三維GIS平臺等。其中SuperMap的三維GIS平臺采用三維實體模型，提供了BIM Revit格式數據的無縫導入，并且提供了多種數據接口支持多源數據的匹配，因此本項目選用SuperMap平臺進行開發。

（二） 平臺功能架構

本平臺是針對高山滑雪賽事賽后場地場館的智能化管理服務平臺，結合場館精細化BIM+GIS融合模型和多源傳感技術，將實現森林防火監控、設備設施智能化管理、安防分析與管理以及場館智能引導，并支持與醫療、電商、旅游、應急救援等第三方平臺的數據對接。平臺的總體功能架構如圖3所示。

高山滑雪場館賽事賽后智能化管理平臺在功能上重點實現場館BIM綜合展示、場館室內導航、數字化講解、森林防火監控、設備設施管理、場館智能數據統計分析、容災救援輔助等功能。

（三） 核心功能介紹

1、BIM場館展示

首頁將三維GIS和場館精細化BIM模型進行融合展示，構建高山滑雪賽事賽后場館智能化管理服務平臺，并結合場館設備設施管理功能模塊實現對設備智能化監測和管理。通過設備列表能快速準確的找到對應設備的位置以及運行情況。

2、場館室內導航

通過場館和設備的BIM以及獲取到的用戶實時坐標數據，實現場館的智能化導航功能。

3、設備設施管理

平臺總共統計11類設備的狀態參數，針對每類設備，點擊該左側列表設備類別，在BIM模型中顯示該類設備在模型中的位置，并在下方顯示設備監測參數的各種統計，不同種類的設備具有不同的監測數據及數據展示方式。

五、結語

本文通過對BIM和GIS數據的特點進行分析，提出了BIM和GIS融合的關鍵技術即BIM輕量化處理技術及三維模型數據的轉換技術；為BIM和GIS的融合方法提供了一種方法，此項融合技術利于在數據融合之上進行應用開發，可大大拓寬BIM+GIS的應用空間，在三維展示、室內導覽、設備智能管理等方面可進行較為創新的應用示范。

作者單位：北京北控智慧城市科技發展有限公司

【基金項目】國家重點研發計劃科技冬奧專項“復雜山地條件下冬奧雪上場館設計建造運維關鍵技術”（編號：2018YFF0300300）