基于BIM+GIS技術的體育場時空立體數據平臺構建*

郭 忻，趙一青

(河南工業大學土木工程學院，河南 鄭州 450001)

0 引言

近年來我國具有獨特風格和藝術水平的多元化體育建筑快速發展，這些大型體育場館是城市的重要建筑，是城市經濟文化的窗口之一。為加速體育建筑的發展，借助現代化科學手段對具有高水平設備、配套設施完善和使用功能齊全的大型綜合性體育場館進行數字信息化管理已成為新趨勢。

白秦濤[1]依托GIS、動態仿真等技術設計了延安黃河引水工程管理調度系統的總體架構；葛彬等[2]將BIM和Web GIS技術結合，設計并實現了能實時定位體育館人員的可視化框架；韓光瞬等[3]以大型活動全生命周期過程為原則，以空間位置為支撐，搭建了大型活動安保信息系統基本框架。從應用現狀來看，BIM+GIS技術在大型體育場館管理過程中未能充分發揮在信息集成管理及開發數據平臺方面的應用價值。

本文將大型體育場館運行管理過程中的多維管理要素與BIM模型耦合關聯，并與GIS三維地理場景空間充分集成，形成了宏觀與微觀信息并舉的地理空間和建筑信息融合模型。通過構建符合大型體育場館運行管理需求的時空立體數據平臺，提供了一個可視化的信息共享與協同管理系統，使管理者能夠高效、精準識別體育場館大型賽事及活動運行管理過程中出現的各類問題，提高了管理人員的工作效率，并為科學決策提供依據。

1 大型體育場館管理模式

1.1 傳統管理模式

大型體育場館總體管理目標是保障大型賽事活動參賽人員及群眾的秩序，使所有體育場館及場館內設備均保持正常工作，保證體育場館運營效益，同時提高管理效率。傳統體育場館管理模式主要存在以下弊端：①運行維護工作量大 傳統模式下，由于大型體育場館分館眾多，占地面積較大，管理對象復雜，導致日常維護人員工作任務繁重。②信息分散，相互獨立 在大型比賽及活動過程中，通常需要多個并立的信息管理系統配合，傳統的空間信息管理方式仍然沿用相對落后的手動操作方法。即使將地理信息概念用于配合一些較為基礎顯示功能的簡單二維管理模式，這些模式所具有的分散和不規范的缺陷，也使全面的區域三維研究和空間分析很難進行。③時空特性復雜 大型體育場館具有顯著的時空關系，傳統模式下信息與異形空間缺乏結合，為決策帶來不便。④決策方式落后 在決策方面，當前主要通過管理人員對局部數據進行統計分析，結合經驗進行決策，缺乏對信息的總體性分析。

1.2 基于BIM+GIS的可視化管理模式

基于BIM+GIS的時空立體數據平臺是一種信息管理系統，具有對大規模海量數據集成管理，無縫對接、三維實時漫游及常規應用程序擴展等數字化功能。平臺管理流程如圖1所示。系統將大型體育場館眾多管理對象與地理信息結合，采用智能化數據分析方法，協助體育場館感知緊急情況，及時通知管理人員進行分析決策，使各類信息實現地圖實時定位及實時刷新，并解決物聯網的多源異構信息集成問題。平臺從數據采集、信息錄入、決策發布等方面，形成了一套共享能力強、覆蓋點位多的管理流程，彌補了傳統體育場館管理模式的不足。

圖1 時空立體數據平臺管理流程

2 時空立體數據平臺設計

2.1 平臺體系架構

構建時空立體數據平臺的核心思路是將BIM建模技術與瀏覽器結合搭建三維空間場景，并開發多樣的功能模塊。平臺集成多種數據來源，通過統一運算、調度、管理，使信息在系統內高效流轉，及時、準確傳遞到各子系統或功能模塊，實現數字化、信息化管理。平臺建設應堅持高彈性、高靈活性、高個性化的原則，采用合理、先進的系統架構，對模型結構進行科學的設計，實現業務內容增減變動的控制與定制，適應未來技術發展趨向和需求變化。因此，時空立體數據平臺的架構劃分為3個層次，如圖2所示。

圖2 時空立體數據平臺體系架構

應用展現層(SaaS，software as a service)，內容包括行業服務、公共服務、基礎服務，于自有服務器上部署應用程序，對不同類型、不同服務目標的用戶，根據實際需求，提供不同級別的時空信息云服務應用。服務平臺層(PaaS，platform as a service)，包括公共組件服務、開發環境、運行支撐，將服務器平臺視為一種服務以提供運算平臺與解決方案的模式[4]。基礎設施層(IaaS，infrastructure as a service)，包含自動化、虛擬化、資源池，根據用戶的實際使用或資源占用情況計費，并通過網絡對外提供基礎設施。

2.2 平臺開發環境

系統基于CesiumGIS平臺，在JAVAScript, Python等語言環境下，使用Microsoft Visual Studio為代碼編輯工具，采用PostgreSQL為數據庫進行系統開發。PostgreSQL作為一種特性齊全的數據庫管理系統，具有穩定性強、速度快、支持地理信息處理擴展等特點。平臺部分開發工具信息如表1所示。

表1 開發工具信息

2.3 平臺開發框架

系統中的網絡結構可以根據不同形式分為C/S(客戶端/服務器)或B/S(瀏覽器/服務器)模式。在基于C/S的系統中，用戶通常與在PC上專用的BIM軟件進行交互，且允許對BIM信息進行深度訪問，并在客戶端上緩存數據。但使用客戶端BIM平臺的用戶需安裝相應的BIM應用程序，系統裝載軟件和數據展示不能及時完成，使用和維護十分繁瑣。而基于瀏覽器的BIM模型，任何項目成員或管理人員無需專業培訓即可熟悉操作流程并進行交互，界面常規，各參與方不用額外下載安裝客戶端[5]。除Web瀏覽器外，不用再額外添加任何軟件或插件即可顯示3D模型。綜合以上對2種模式的對比，同時考慮平臺更新維護及用戶需求，選用B/S模式進行系統設計。

系統采用ASP.NET MVC為Web開發框架。MVC(model view controller)即模型、界面和控制器，是一個軟件分級框架。該框架將前端控制視圖顯示和后端處理業務邏輯分離，并將應用邏輯與后臺數據分離。ASP.NET MVC架構如圖3所示。控制器向每個業務模型傳遞用戶所需要輸入的指令和信息，模型實現對業務邏輯判斷和對數據庫訪問，根據不同的邏輯判斷選擇不同的計算圖像，并將計算結果進行頁面顯示反饋給用戶，以便進行下一步的處理操作。該框架具有易于維護、擴展性良好、保障功能實現等優勢，在改進個性化定制界面時，無需重寫業務邏輯。

圖3 ASP.NET MVC架構示意

3 時空立體數據平臺關鍵技術

3.1 模型信息集成與可視化

3.1.1BIM+GIS信息集成

BIM在近階段發展中衍生出多種數據模型及對應的數據格式，為探索合適的模型融合方法，應首先確定模型源格式。BIM專業軟件種類繁多，不同的建模軟件相應的格式文件也形式多樣。目前，IFC(industry foundation class，工業基礎類)已成為由IAI(international alliancefor interoperability，國際協同聯盟)所制定并管理的BIM數據標準，被建筑工程領域中公認且廣泛使用，具有穩定性、開放性、完整性等特點[6]，因此選擇IFC作為建筑信息模型的源數據格式。但IFC格式需進行格式轉換后才可以被Cesium直接讀取。

Cesium是一個開源JAVAScript庫，用于在Web瀏覽器中組合3D虛擬模型與2D平面地圖，它以符合地理信息平臺(GIS)行業規范的方式訪問空間數據，并支持公共和私有數據源，通過遠程服務加載服務器端地圖數據，并在瀏覽器中可視化地圖數據[7]。3D Tiles是一種用于流化和呈現海量多源異構3D地理空間數據集的開放規范，是一種可以高效加載的數據格式，Cesium為3D Tiles提供了一個平臺。

實現模型格式轉換，需從建模軟件Revit中導出模型文件為IFC格式作為源格式。IFC和OBJ都是常見的模型文件格式，是轉換3D模型的良好介質。但IFC包含建筑信息模型和相關組件的大量語義信息，而OBJ文件僅包含幾何信息和材料屬性。為確保格式轉換后模型屬性的完整性，應根據已建立的規律將模型拆分為IFC文件和JSON文件。對于結構部件，模型分為結構柱、梁、樓板、剪力墻等。建筑組件分為建筑柱、構造柱、墻等裝飾組件。在BIM server服務器管理平臺中上傳IFC文件，并通過IFC engine對其進行拆分。在此運行流程中，IFC文件中的所有對象會被一一遍歷，而包含幾何信息的對象將根據模型拆分的原理被導出為單獨的IFC格式文件中，相關對象語義屬性的信息由JSON文件保留。

格式轉換流程如圖4所示。①第1步 將模型從建模軟件中導出IFC格式文件，進行IFC文件解析和拆分；②第2步 使用IFCOpenShell提供的開源數據轉換框架將IFC文件轉換為OBJ文件；③第3步 應用obj2gltf工具使OBJ文件轉變為glTF文件，與含有屬性信息的JSON文件組成瓦片數據b3dm文件。④最終，在b3dm文件中添加用來組織三維瓦片空間結構的瓦片集文件(Tileset.json)，得到可在Cesium框架中展示的3D Tiles文件。

圖4 IFC格式轉換流程

3.1.2模型的WebGIS可視化

Cesium是基于WebGL的3DGIS開源框架，具有良好的封裝和較快的模型渲染速度[8]。Cesium體系結構分為4個級別：核心層、渲染層、場景層、動態場景層。核心層是架構的最底層，封裝了矩陣向量計算、坐標轉換等算法。調用核心層可以實現模型坐標的轉換。渲染層是對WebGL底層的抽象和封裝，渲染過程主要包括片元著色、頂點緩沖、紋理圖形繪制等。場景層以核心層、渲染層為基礎，實現地形數據異步加載、地圖切換、模型加載及視圖窗口控制等。動態場景層主要實現矢量數據的處理和分析以及動態對象的創建，動態對象由可視化類對每一幀渲染實現場景下實時可視化展示。

Cesium支持除3D Tiles外多種格式建筑信息模型的加載，其內部運用LOD(levels of detail，多細節層次)算法。該算法根據模型節點于顯示界面中的位置和重要程度，減少了非重要對象面數、降低了細節程度，以獲得高效的渲染操作。應用LOD算法使場景在實時渲染的條件下，最大程度提升顯示效果。

3.1.3LOD層級劃分

加載的模型主要以b3dm的形式存儲在數據庫的文件中，空間加載索引和空間LOD級別的空間劃分，也在較大程度上影響了3D Tiles的具體加載速度以及文件渲染后的效果。正確使用空間集合索引數據結構和應用LOD算法中的層級劃分不僅能有效提高數據加載的效率，且有效避免了遍歷所有類型數據的整個空間集合，從而顯著提高數據渲染的執行速度。3D Tiles的空間索引結構包括四叉樹、八叉樹[9]等結構。IFC文件使用工具轉換格式過程中，完成數據過濾、數據組織和數據映射以獲得glTF文件，通過添加具有屬性信息的JSON文件來形成b3dm文件。LOD層級劃分過程如圖5所示。組織數據并構造索引結構后，隨著視點與模型之間的距離減小，將加載模型的更高層級的LOD4數據。隨著視點與模型間距增加，將防止相對較小的窗口、樓板等組件被加載到較低的LOD2和LOD3級別，且組件中的某些信息會直接從高級別LOD中刪除。當視角偏離模型較遠時，將僅加載LOD1層級的場地輪廓，以確保加載速度和視點精度之間的平衡。

圖5 LOD層級劃分過程示意

3.2 模型交互

模型交互處理通過實時監聽獲取用戶前端發送的鼠標鍵盤操作事件實現。首先點擊選中模型實體構件獲取唯一標識符guid，并通過ajax異步實時反饋給后臺執行SQL語句，以便數據庫根據觸發信息獲得觸發類型，完成相關業務數據檢索與關聯。通過獲取到的模型構件唯一標識符guid與初始化場景加載到內存中的JSON文件進行匹配，獲取與構件相關的IFC屬性信息。基于JAVAScript腳本在前臺頁面顯示相關業務流程數據，將生成交互渲染結果的圖片數據流及時反饋給對應的頁面，使對應的頁面獲取所需的圖形數據進行交互展示[10]。

4 時空立體數據平臺應用案例

隨著相關軟件產品的快速發展，集成可視化平臺已成為BIM應用領域的一種趨勢。IFC和WebGL的使用不限于特定的數據管理域，已實現用于支持信息交互和BIM可視化的管理平臺。結合以上理論研究的基礎，將BIM+GIS技術應用于鄭州市某大型體育場館，構建基于Web瀏覽器的時空立體數據平臺。

4.1 項目概況

鄭州奧體中心項目位于鄭州市鄭西新區常西湖新區，體育中心包括4個部分：體育場、體育館、游泳館及配套商業。總建筑面積為58.4萬m2，屬于大型一流體育場。體育場中央為標準田徑運動場，舉辦足球比賽和田徑比賽，正面看臺西側設有羽毛球場和乒乓球場，北側看臺的北地下部分設有羽毛球和籃球訓練室，東側看臺的東面設有8層酒店，為復雜的綜合性多功能體育場。管理方決定采用信息化的科技手段將場館內分散的多種設備和各類系統集成，以保證大型賽事及活動的安保系統完備并提高管理效率。

4.2 平臺應用流程

時空立體數據平臺的顯示前端采用響應頁面，Web服務器連接在奧體中心內部網絡的私有云中，只需連接內部的局域網，打開瀏覽器并輸入相應的網址，即可在PC或移動端進入平臺，查看奧體中心管理信息。管理員可對視角信息、監控數據、漫游視頻、消防預案、聯動車輛等信息進行查詢、刪除操作。用戶分為兩類，超級管理員和管理員，超級管理員具有添加新管理員的權限，包括更改用戶名、密碼、姓名、權限分配和角色等操作。具體應用流程如圖6所示。

圖6 鄭州奧體中心時空立體數據平臺應用流程

4.3 平臺功能展示

在Web瀏覽器上，模型具有穩定的渲染質量，可應用于構建大型體育場館BIM數據管理平臺。奧體中心時空立體數據平臺是為某大型運動會順利舉辦而開發的可視化信息管理系統，基于安防等各方面綜合考慮設置了多種定制子系統和功能模塊，如圖7所示。

圖7 鄭州奧體中心時空立體數據平臺功能展示

1)公共模塊

該模塊主要功能包括看板展示、智能搜索、地理數據分析及工具下載。看板展示和智能搜索主要是對場館里的重要關注點，例如消防設備、停車場、出入口等進行簡單介紹。實現BIM模型在GIS場景中與其他業務模塊及數據信息進行交互的可視化顯示，包括模型管理、視圖管理、數據查詢，在三維空間環境內展現體育場館內部構造及設備，以便管理人員結構化、條理化地進行決策。地理數據分析主要包括三維空間內測距、測面、三角形測高、定點測高及可視域分析，以解決地形上監測點集合的可視性問題。場館二維、三維模型系統的正常運行需要配合插件，在工具下載頁面下載。例如，在系統中瀏覽海康監控視頻使用到海康監控插件和三維監控播放器，在系統中瀏覽車載監控視頻需安裝零壹車載視頻插件，插件均需用戶提前安裝和配置，系統將提供安裝程序下載。

2)場館操作

本模塊包括監控數據管理、消防預案管理、漫游視頻管理。每個場館的操作大同小異，內容主要包含維護管理、視頻監控、應急管理方面的功能。前后臺交互通過Ajax回傳方式實現，并將業務信息與BIM模型綁定。監控設備與三維系統配合，在疊加實景視頻的同時實現監控的實時觀看和操作。監控數據包括所屬建筑監控名稱、設備類別、設備標識、設備視角。管理員具有對監控數據信息、消防預案信息及漫游視頻信息的查找、刪除權限，便于直觀查看處理，提高工作效率。

3)三維聯動

管理人員在該模塊可將安保車輛與車載攝像頭進行聯動。首先需配置車輛對應的GPSID和攝像頭ID，根據車牌號查找，選擇對應的車輛，然后通過三維聯動的控制端，進行解除鎖定、視角轉換、路線顯示等操作。結合三維聯動，運行管理人員可根據維護任務制定消防疏散預案、添加巡檢記錄、處理隱患。系統可針對突發事故預警進行應急響應，包括應急預案啟動、物資人員調派、應急上報等，以實現全面的安保管理。同時各功能業務信息與BIM模型關聯并在系統頁面顯示，通過可視化的信息浮現機制使問題快速定位，實現了信息的及時傳達與共享，提升時空立體數據的管理水平。

5 結語

基于BIM模型和Web瀏覽器，從平臺體系架構、開發環境、開發框架及關鍵技術等方面闡述了大型體育場館時空立體數據平臺的設計與開發。同時結合鄭州奧體中心實體項目，實現大型體育場館管理信息的集成與可視化，為奧體中心大型賽事及活動的運行管理決策提供參考。

時空立體數據平臺具有對網絡前端軟件和硬件要求低、維護升級方便、與移動終端兼容度高等諸多優勢。該平臺在整合體育場館特殊用途的基礎上，依靠計算機網絡系統提供的信息傳輸通道，以標準規范、全面覆蓋、智能感知的數據中心進行信息存儲、集成和提取。平臺包含的各種功能模塊實現了各類信息資源的高度共享和統一管理，是大型體育賽事及活動運營管理和科學決策的有效工具。