GIS+BIM在數字孿生機場建設中的應用

張 雷

新疆機場（集團）有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830016

當前國民經濟快速發展，智慧城市建設興起，作為重要交通樞紐的機場，其建設也隨之成為行業建設關注的焦點。中國民用航空局提出“四型機場”建設，以平安、綠色、智慧、人文為核心，而多種技術融合創新應用是當前四型機場建設的必然選擇，GIS與BIM技術的融合創新應用，為四型機場的建設提供了創新應用手段。

烏魯木齊機場對標中國民用航空局《中國民航四型機場建設行動綱要》要求，結合先進技術在烏魯木齊機場改擴建過程中積極探索及實踐，建立了全國機場改擴建指揮部首個BIM管理中心，其利用BIM+GIS融合技術為機場的規劃設計、建設、投運提供了技術保障。

BIM管理中心在推廣BIM+GIS融合應用的過程中進行了積極探索，如對管理機構的建立、技術培訓、人員培訓、應用場景等方面進行了大量的前期準備工作。文章通過烏魯木齊機場建設對GIS+BIM融合技術的應用進行具體論述。

1 數字孿生機場建設的必要技術手段

數字孿生機場是智慧機場的起點，是智慧機場的基礎設施，其以構建機場的數字模型為基礎，實現物理機場與數字機場之間的虛實映射和實時交互，進而實現數據共享、智能運行、協同高效、生產要素全面物理的智慧機場。

數字孿生機場主要包括以下三個層面：（1）物理表達。用GIS、BIM、三維仿真等技術實現機場空域、地面、地下三位一體的空間建模，以及航空器、車輛、設施設備的空間表達，完成機場的物理仿真。（2）智能感知。利用物聯網和5G技術，采集并傳輸機場重要設備設施的實時狀態及運行趨勢，實現機場的智能感知。（3）業務融合。對人員、設備、組織的表達與管理包括業務流程的各類應用，通過對業務流程的表達和優化促進智慧決策。

GIS+BIM技術是數字孿生機場建設的重要技術手段之一，為數字孿生機場中的物理表達提供了重要的數據源，在機場建設中GIS及BIM的集成應用貫穿于機場規劃、設計、實施、運營的全生命周期之中，如工程建設管理、工程規劃設計、機場設施管理和應急救援等方面。

2 GIS+BIM的應用方向

過去GIS與BIM立足于各自領域發揮各自的作用，隨著時代與技術的發展二者逐漸走向跨界融合：BIM需要GIS將BIM帶入更宏觀的場景，實現對宏觀情況的全盤掌握、統一調度；GIS需要BIM使GIS突破室內外的隔閡，做到室內外的無縫連接一體化應用。

GIS與BIM融合技術在交通、水利、建筑、能源等行業應用廣泛，包括道路、軌道的工程規劃設計、城市的規劃設計、綜合管廊管理、消防救援、培訓教育、旅游和休閑活動、交通流量分析等諸多領域。二者融合后在分析精度、工程質量、成本控制、決策效率等方面的應用有明顯效果。

BIM需要GIS。單體BIM精細化模型通過GIS宏觀大場景進行完美展示，離開GIS宏觀地理環境將無法突顯其價值。同時GIS通過宏觀地理環境研究，為BIM提供決策支持，如綜合管網的空間碰撞分析、應急救援路徑規劃。

GIS需要BIM。BIM數據包括的空間數據及屬性數據是GIS數據的重要來源之一，實現了GIS宏觀到微觀的一體化應用，促進了精細化、智能化的業務管理，融合室內BIM數據后為室內外管理一體化應用提供了新的技術手段。

GIS+BIM在數據及應用方面有重疊點，如空間分析、數據表現形式、信息管理等方面，因此二者的融合產生了無限的可能。

3 BIM轉換GIS的過程

3.1 BIM數據轉換

（1）BIM模型數據格式轉換。當前GIS與BIM融合以Gity GML和IFC兩個標準為主，包括數據格式轉換和標準擴展兩個方式。BIM生命周期伴隨建筑的規劃、設計、施工、運維，產生了大量的BIM數據，其包括空間數據和屬性數據。將BIM模型數據通過格式轉換以Web接口方式共享出來，并導入GIS平臺中展示，供機場其他部門及服務商進行調用，處理流程如下：①BIM數據通過轉換工具轉換成slpk格式的三維數據和xml格式的屬性數據；②slpk格式中保留ID字段和xml中對應；③slpk數據發布到GIS平臺進行數據展示；④xml格式的屬性數據導入數據庫，編寫Web接口，供Web端使用；⑤使用GIS平臺SDK for JavaScript展示BIM數據，在需要時根據ID請求Web接口獲取BIM數據的屬性數據進行展示。

（2）數據輕量化。BIM模型數據是單體建筑，GIS需要管理機場區域的BIM數據，這就要求不僅要進行數據格式轉換，同時要進行數據輕量化和優化。實現BIM輕量化，首先，要利用原生LOD技術將BIM中的三維對象參數三角化成三角網，進而生成不同細節層次的GIS模型，即將BIM模型生成不同精度和顯示層級；其次，利用實例化技術將BIM模型中大量共用對象進行優化處理，結合GIS坐標位置實現復用模型化，提高實例化的渲染效率。

綜上所述，BIM數據作為GIS的數據源，可通過數據格式轉換手段將BIM數據的幾何信息和屬性信息進行無損分離，將幾何信息和屬性信息剝離分開存儲。同時對BIM數據進行標準化處理，進而完成BIM模型數據的輕量化處理，根據業務應用需求對數據和圖層進行集中管理使用完成優化處理，使得GIS平臺實現從宏觀走向微觀，從室外走向室內的一體化。

3.2 GIS利用BIM數據

（1）BIM模型在GIS平臺中的表達。GIS三維體對象模型需集成三角化的BIM模型數據，在GIS中進行三維空間關系、運算、分析的展示，為機場的規劃設計提供技術支持。

（2）BIM單體之間的互聯表示。單體BIM模型之間的網絡聯系通過GIS空間網絡模型中的三維網絡空間模型進行拓撲關聯表達，從而為機場中綜合管網及專業的水電氣管網提供爆管網絡分析、碰撞分析等提供技術支持，避免盲目施工給機場帶來安全問題。

（3）三維數據坐標轉換。BIM平面坐標與GIS的地理坐標隸屬不同坐標系統，通過成熟的坐標轉換工具將二者之間的坐標轉換，實現二者數據的精確匹配，避免在GIS渲染時的漏洞和格列茨曼等問題，從而滿足機場在規劃、設計、建設、運營管理過程中對數據的精度要求。

（4）BIM與GIS多源數據融合匹配。通過對BIM數據進行統一坐標化以及標準化，根據實際業務需求將海量的BIM數據進行輕量化及優化處理，實現數據的平滑銜接以及紋理的自然銜拼接。

（5）BIM三維空間數據標準化。GIS+BIM應用越來越廣泛，但缺乏統一的三維空間數據標準和規范體系，限制三維數據的共享和互操作。通過將BIM三維空間數據標準化，可實現數據的傳輸、交換和高性能可視化，從而實現數據的web端以及移動端的相關應用。

4 GIS+BIM的具體應用

烏魯木齊機場秉承“智慧機場建設運營一體化”理念，利用GIS與BIM融合技術貫穿于機場規劃、設計、施工、運營的全生命周期建設過程，滿足建設方、運營方等多主體、多單位的需求，從以下應用方面進行了積極探索。

4.1 機場規劃設計階段

在機場前期規劃設計中，GIS+BIM任務明確，作用明顯。GIS的應用側重地理環境的宏觀規劃，對宏觀場景信息進行分析與管理，從宏觀角度對機場工程分布進行規劃定義。BIM對機場局部建筑、設施、飛行區等重點區域進行精細化表達，并通過GIS的宏觀大場景進行室內外一體化展示。

基于GIS的宏觀地理環境結合單體BIM的微觀精細化，機場設計團隊可以在虛擬的物理環境中查看3D模型，并與之互動，探索之前無法看見的建筑性能。讓工作人員足不出戶就能進入建筑設計、工程施工的各種虛擬模型場景，獲得實境體驗，參與討論設計方案、施工現場的變更等，幫助用戶在混合現實（MR）中進行三維模型的協同設計與討論，從而解決更多復雜的空間問題。

重點場景仿真主要有交通仿真，滑行路線仿真，旅客排隊仿真，旅客進港、離港仿真，如圖1所示。

圖1 規劃設計仿真評估

4.2 機場運營階段

（1）飛行區運行管理。基于GIS+BIM等技術構建的數字孿生服務平臺，接入機場場面上航空器的實時位置、車輛的實時位置、機位實時狀態、場面實時視頻、氣象信息、廊橋位等，使場區實際運行狀態一目了然，進行全景虛實結合的綜合監控管理。同時基于數字孿生服務平臺可直觀查看當前航班保障進程狀態，以及詳細的保障進程信息，包括所有保障進程節點、已完成節點的計劃時間或實際時間、正在保障的節點、未進行的節點、預計保障完成的時間等。

（2）機場智能安防監控。立足于平安機場建設，利用GIS+BIM等技術構建三維機場并接入機場安防監控、門禁、周界、機場集成等系統數據，對航空器、車輛、人員、設施設備等進行實時監控，針對人群異常聚集、危險人員識別、人員跟蹤、報警聯動等事件，可通過三維機場迅速定位事件發生地點，防治并處理突發事件，突破傳統安防監控的模式，實現室內外無縫對接一體化展示的安防監控管理，為管理人員提供了技術手段，提升了其工作效率。

（3）智慧管網。秉承機場設計建設運營一體化理念，利用機場建設中移交的數字資產，充分利用BIM和GIS融合技術對機場航站樓內和飛行區、公共區地下水電氣管線進行三維建模，模擬其供水、電、氣傳導路線，利用傳感器檢測與感知水電氣運行狀態數據，基于GIS宏觀空間分析能力對其進行故障排除以及周邊影響分析。

（4）機場資產管理。針對機場航站樓基礎資源、運行資源、旅服資源、管網及弱電等專業資產資源存在的資產管理不明或位置錯亂問題，可以單體BIM的精細建筑模型為載體，結合GIS宏觀地理信息環境和物聯網、GNSS等技術，通過二維電子地圖、360°實景、三維模型、BIM模型多元化方式直觀展示資源的分布與位置，實現資源的可視化呈現。將機場建筑中的設施設備與BIM模型進行關聯，并通過相關物聯網手段感知相關設備的能耗數據及狀態監控，并置于GIS宏觀大環境中，在相關設備設施出現隱患時對周邊的影響進行分析。

（5）應急救援演練。當前的機場應急救援演練局限于室外GIS路徑規劃，對建筑室內結構、資源分布、救援路徑涉及較少，而GIS+BIM的融合應用拓展了應急救援演練的空間及深度，基于BIM精細模型，可對救援響應時間、應急事件處理、人員應急疏散等提供技術支持。BIM數據輕量化轉為GIS數據時，置于GIS宏觀環境中，對應急救援路徑的規劃提供技術支持，基于BIM三維模型結構，對消防災害發生一定時間內的煙霧、火勢、人員等情況進行模擬，動態化生成逃生方案。GIS+BIM的融合應用為當前應急救援工作提供了強有力的技術支撐，突破了傳統的室內外救援隔離的視覺障礙。

（6）機場商業管理。利用BIM+GIS技術展示機場航站樓宏觀微觀信息、整理和收集航站樓內的各種商業資源，為機場和商戶提供精確全面實時的商業資源信息，對航站樓內的商業資源、租戶信息、商鋪租用率、人流量、經濟收益等進行可視化的維護、查詢、統計與分析等管理，并可對每個資源的商業指標進行專題統計分析，以及時直觀地掌握航站樓內商業資源的基本信息，提高對商業資源的管理水平，合理地分配商業資源，實現收益最大化。

（7）機場能源管理。通過物聯網技術集成機場能源生產及消耗的各類資源及設備信息，包括但不限于各能源生產系統（電力、水、氣、冷暖等系統）及能源消耗系統（IBMS、電力SCADA等消耗系統）等。結合GIS+BIM技術構建的三維模型，接入能源生產管理及能源消耗管理采集的數據，對機場范圍內能源生產消耗系統的運行狀態進行統一的狀態監視及視圖展示，使工作人員總覽機場能源運行情況。

5 結束語

BIM及GIS融合在智慧機場建設中具有廣泛的應用價值，是機場精細化、智慧化管理的必要技術手段。二者的數據融合應用已在機場規劃、設計、建設、運營方面取得了一定的成果并積累了一定的經驗。數字孿生機場是傳統數字機場的終點，也是智慧機場的起點，要建設好智慧機場首先要建設數字孿生機場，而BIM與GIS融合在其建設中是必不可少的技術手段，其采集感知的數據將成為數字孿生機場、數字孿生體建設的重要數據源。如何拓展GIS+BIM的融合應用價值及其在數字孿生機場中的應用空間，是下一步關注的焦點。