GIS+BIM水利工程信息管理系統的應用研究

丁維馨，徐 俊，張李蓀,劉 楊

(1.江西省水利規劃設計研究院，江西 南昌 330029;2.江西省水工結構工程技術研究中心，江西 南昌 330029;3.南昌市水利安全監測與預測預警工程技術研究中心，江西 南昌 330029)

1 概述

信息化技術己成為解決工程管理實際問題的重要手段，以BIM為代表的工程信息化技術應用，正推動著工程建設管理模式的創新[1]。BIM技術和GIS技術各有側重，BIM技術側重于建筑物內部信息的管理，GIS側重于與建筑物相關的室外地理空間數據分析。GIS和BIM融合不是簡單的捏合，以往的很多研究還是把二者孤立開來，看似整合其實還是一張皮，和傳統三維模型導入三維GIS平臺沒有本質區別。二者真正的融合應該是要考慮到不同的空間尺度、不同的數據格式中幾何信息和語義信息的轉換、屬性信息的保留等問題。

三維GIS研究宏觀地理世界，有強大的空間查詢和分析能力，三維GIS可以為BIM模型的信息管理提供決策支持，而BIM海量的建筑信息又是三維GIS重要的數據源，可以讓三維GIS由宏觀走微觀實現精細的組織管理，BIM和GIS的融合真正實現了從宏觀到具體的一體化管理[2]。BIM由單一技術應用走向服務化和網絡化，并己經滲透到工程建設管理的各個方面，由設計階段的虛擬現實技術(VR)向施工階段的增強現實技術(AR)和運營階段的混合現實技術(MR)轉變[3]。BIM與GIS集成應用，可增強大型公共設施的管理能力。

鄂竟平部長在2019全國水利工作會議中指出“水利工程補短板，水利行業強監管”的重要工作方向，并明確要求重點補好防洪工程、供水工程、生態修復工程、信息化工程等方面的短板，加強對江河湖泊、水資源、水利工程、水土保持、水利資金、行政事務工作的監管。水利信息化既是補短板的建設內容之一，也是強監管的手段之一。

2 系統架構

系統通過GIS+BIM等技術實現水利工程管理的信息化，其中，水利工程相關數據是實現的基礎，首先要收集整理工程基礎數據，獲取IOT數據，將數據存入數據庫中；為了更好地管理各水利工程，系統采用Web地圖，并采用無人機航飛等作業方式，獲取高程數據、攝影測量數據，由此實現三維地形場景的構建，同時將水利工程以三維傾斜模型的形式，在三維GIS平臺進行數據展現[4]。通過三維數字化模型還能夠直觀形象的查找各類型設備、設施、管線的特征參數、結構尺寸、相互關系、空間定位等關聯信息[5]。構建基于Web技術的水利工程BIM數據管理及應用平臺[6]。

為了更好地實現信息化，系統采用Bentley制作的水利工程BIM模型，實現水利工程細節信息的三維展示，數據由GIS地理信息數據、BIM三維模型數據、空間標注數據、業務對象等數據構成[7]，通過BIM技術建立建筑物的幾何模型，通過三維傾斜攝影和三維激光掃描采集點云數據等進行三維實景建模[8](其中點云數據是整個三維場景構建與可視化的基礎數據的組成部分[9])，實現水利工程信息化、可視化(數字報表、地理定位、地圖展示、三維仿真、三維漫游)；同時結合業務需求，實現主要業務功能(預警、推演、統計分析、決策支持)。系統架構圖如圖1所示。

3 GIS+BIM的水利工程信息管理系統的功能設計

GIS+BIM的水利工程信息管理系統能夠將監測數據與BIM+GIS技術集成[10]，實現水利工程三維模型等展示，實現各類數據的明細查詢、圖形屬性查詢、統計查詢等功能[11]；實現水利工程監測信息展示，水情、雨情、視頻、預警等；實現三維標繪、量測；實現三維飛行瀏覽等。通過BIM進行三維空間模型的構建，將工程內部設備等情況直觀、清晰地展現出來，同時，還可以掌握與之相關的各種參數與信息，進行相關數據與信息的實時查詢[12]。

在瀏覽器中輸入系統地址，即可登錄系統。系統設計了數據展示、模型瀏覽、數據查詢、統計分析等功能模塊，以便更好地為水利工程管理提供決策支持。系統主要功能包括基本功能、圖層管理功能、量算功能、坐標定位功能、書簽功能、特效功能、標繪功能和漫游功能。系統啟動界面如圖2所示。

3.1 基本功能

系統默認在三維地球中添加了天地圖底圖數據和基礎標注數據，便于用戶進行全局查看。為方便用戶系統操作，快速瀏覽查看興趣點，系統開發了基本功能，包括：搜索、基本的縮放、平移及旋轉功能，用戶可自由定位并選擇合適的視角進行興趣點查看功能。

搜索功能位于系統主界面右上角，點擊搜索按鍵，即可彈出搜索框，在搜索框中，可通過輸入興趣點名稱或坐標，再點擊搜索按鍵，即可自動搜索興趣點并定位，若系統中無該興趣點，系統會彈窗提示。系統可通過鼠標或三維操作面板對三維球進行操作，滑動鼠標滾輪/按住鼠標右鍵并豎直方向移動進行縮放；按住鼠標左鍵并拖動進行平移；按住鼠標滾輪并水平移動/鼠標左鍵點擊三維控制面板外圈并移動進行旋轉；按住鼠標滾輪并豎直方向移動/鼠標左鍵點擊三維控制面板內圈并移動進行視角調整，如圖3所示。

3.2 圖層管理

點擊系統主功能區中的圖層按鍵，即可實現圖層管理列表的開啟和隱藏。圖層管理主要實現對各類數據(工程數據、模型數據底圖數據等)的列表展示及顯隱控制。結合BIM 建筑模型特點，可以輕松做到模擬真實情景定位[13]。將眾多功能的傳感器集成管控到統一的管理信息平臺上進行實時監管[14]，通過應用BIM，能明確不同建筑設備的具體位置，實現運維現場定位管理、及時顯示和傳送運維管理內容[15]。所有數據均在圖層管理列表中展示，并前置復選框。通過勾選或取消數據前復選框，可實現該數據的顯示和隱藏。圖層管理列表中雙擊數據名稱，即可自動定位至該數據，如圖4—5所示。

圖1 系統架構圖

圖3 興趣點搜索并定位

圖層管理可對水利工程數據管理。以魚尾閘數據為例：圖層列表中雙擊魚尾閘下工程點，可定位至魚尾閘，主界面中點擊魚尾閘標簽，及可展示魚尾電排站相關信息(水位、流量、基礎信息、設計圖紙)，如圖6—7所示。

圖層管理還可對視頻監控、水質點數據進行管理和展示。其中，視頻監控可實時接入并顯示監控攝像頭視頻，并可對攝像頭進行云臺控制，如圖8—9所示。

3.3 量算

量算功能主要實現對目標長度、高度和面積的量算功能。點擊主功能區中“量算”按鍵，即可彈出量算功能框，進行長度、高度和面積的量算。

單位設置：量算界面中，點擊單位下拉框，可自由選擇長度單位，或由系統自動判斷后自主選擇。

時間名詞兒化，也較為頻繁。彭鮮紅女士根據電腦初步查詢得出以下結果：“今兒”一詞出現約229次，“明兒”一詞約169次，“昨兒”約為108次，“前兒”約出現98次，“后兒”則約為13次。如：

長度量算：點擊“長度”按鍵，鼠標左鍵點擊開始設置起點，移動鼠標至終點并雙擊數據左鍵，即可自動計算長度并結束長度量算。

面積量算：點擊“面積”按鍵，鼠標左鍵點擊開始設置起點，移動鼠標并點擊選擇邊角點，終點雙擊數據左鍵，即可自動計算面積并結束面積量算。

清除：點擊“清除”按鍵，可清除之前量算結果和標注。如圖10—12所示。

3.4 坐標定位

坐標定位功能，可在已知興趣點坐標情況下，進行目標點定位。點擊主功能區中“坐標”按鍵，在坐標定位功能框中輸入目標點經緯度坐標，點擊“確認”按鍵，即可實現目標點坐標定位。如圖13所示。

圖4 傾斜模型展示并自動定位

圖6 工程基礎信息

圖7 工程水位信息

圖8 視頻監控

圖9 水質監測數據展示

圖10 量算單位設置

圖11 長度量算

圖12 面積量算

圖13 坐標定位

圖14 書簽管理

3.5 書簽管理

書簽功能可用于保存、管理工程視角，便于快速查看興趣點。點擊主功能區“書簽”按鍵，彈出“視角書簽”菜單。調整好主視圖視角后，在“書簽”欄中輸入書簽，點擊“添加”按鍵，即可添加書簽，該書簽顯示在書簽列表中。雙擊書簽列表中書簽，及可快速自動定位至該書簽所設置視角。

書簽功能中，還可對書簽進行管理(排序、刪除)。點擊名稱框格中右側三角圖標，可實現書簽排序。點擊書簽右側“刪除”圖標，可刪除無用、重復和錯誤書簽。如圖14所示。

3.6 特效

系統含特效功能，點擊主功能區“特效”按鍵，彈出“粒子效果”對話框，點擊“添加火焰”，主視圖區域點擊鼠標左鍵，即可在點擊處添加火焰特效。點擊“清除”按鍵，即可將特效清除。如圖15所示。

3.7 標繪

標繪功能可用于對目標點進行文字、圖標形式的標記，便于瀏覽及查看。點擊主功能區“標繪”按鍵，即可彈出標繪功能框，使用標繪功能。如圖16所示。

在標繪功能框中，主要實現文字和圖標標注，點擊標繪功能框中“文字”、“點”、“圖標”，再鼠標左鍵點擊要標注的目標點，即可完成標注。標注點添加后，系統會自動彈出標注點屬性對話框，可查看標注點坐標并設置標注內容的相關屬性：標注名、透明度、顏色、字體、字體大小、是否加粗等屬性。鼠標點擊標注內容，在彈出的標繪窗口中，點擊底部“刪除”按鍵，可將選中標注點刪除。

圖15 火焰特效

圖16 標繪功能框

圖17 文字標繪

圖18 手動繪制漫游路徑

如圖17所示。

3.8 漫游

漫游功能，主要用于預設路徑，以所設路徑對目標區域中興趣點進行飛行瀏覽。點擊主功能區“漫游”按鍵，即可彈出飛行漫游功能框，使用漫游功能。漫游功能中有“手動繪制”功能用于路徑設置，“預設路線”功能用于選擇預設路線進行飛行漫游。點擊漫游功能框中“手動繪制”，可切換出繪制路徑功能。該功能中可選擇路徑點，點擊“設定路線”，進入路徑設置，鼠標左鍵點擊添加路徑點，雙擊鼠標左鍵結束路徑添加。路徑添加過程中，可設置高度、時長、速度等參數。路徑設置完成后，點擊“開始漫游”，可對當前所設路徑進行飛行漫游，點擊“停止漫游”按鍵，結束飛行漫游。路徑設置完成后，點擊“保存路線”，可保存當前所設路徑。如圖18所示。

點擊漫游功能框中“預設路徑”，彈出路徑列表，雙擊列表中路徑名稱，即可選擇該路徑進行漫游。并可設置相關參數。點擊“停止漫游”，結束飛行。如圖19所示。

4 結語

GIS+BIM的水利工程信息管理系統通過三維設計平臺建立工程項目信息模型，結合使用物聯網智能硬件實時采集工程相關數據[16]，實現了水利工程管理的信息化、可視化(數字報表、地理定位、地圖展示、三維仿真、三維漫游)；同時結合業務需求，實現主要業務功能(預警、推演、統計分析、決策支持)。對提高水利工程運行和管理的信息化應用水平有很好的推進作用。下一步需開展水利工程建設過程中GIS+BIM技術、云計算技術、知識圖譜技術等的融合應用研究，推動GIS+BIM等新技術在水利工程全生命周期推廣應用。

圖19 按預設路徑飛行漫游