基于BIM+3DGIS的塊體監(jiān)測系統(tǒng)應用研究

耿峻　李會中　丁琦華　朱志宏

摘要：針對水電工程地下廠房塊體穩(wěn)定性監(jiān)測與三維可視化的表達問題，采用BIM+3DGIS 技術搭建了三維可視化塊體監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)在高精度地形場景中可準確反映塊體空間信息和幾何形態(tài)，展示監(jiān)測儀器布設位置，集成廠房BIM模型，關聯(lián)監(jiān)測數(shù)據(jù)，形成三維可視化的塊體實時監(jiān)測預警體系。將系統(tǒng)應用在三峽水電站右岸電站地下廠房塊體穩(wěn)定性監(jiān)測中，極大地提高了實時監(jiān)測信息及廠房安全管理的效率，可為塊體穩(wěn)定性分析評價提供決策依據(jù)。相關經(jīng)驗對水利水電工程三維可視化監(jiān)測管理具有一定參考價值。

關鍵詞：地下廠房; 塊體穩(wěn)定性; 安全監(jiān)測; BIM+3DGIS

中圖法分類號： TV698

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.037

0引 言

水利水電工程地下廠房塊體穩(wěn)定性問題一直是地下工程中重要的技術難點[1-3]。水電站廠房施工過程中，塊體采用了合理的工程技術手段支護且布設了大量的監(jiān)測儀器。塊體深埋地底，地下電站裝飾后塊體和監(jiān)測儀器隱藏在墻壁巖體之后，塊體的分布位置、監(jiān)測儀器的涉及區(qū)域都不可見，導致運維管理階段塊體信息直觀性不強，監(jiān)測實時性較差，安全管理和監(jiān)測效率較低，傳統(tǒng)手段難以滿足現(xiàn)階段塊體可視化監(jiān)測管理的需求。

近年來BIM和3DGIS技術得到了長足發(fā)展，其強大的三維可視化技術、三維建模能力、數(shù)據(jù)加載能力、數(shù)據(jù)處理能力為水利水電工程安全監(jiān)測提供了全新的解決思路。目前，將BIM和3DGIS技術應用在水利水電工程安全監(jiān)測中的相關成果已有不少。馬瑞[4]提出了基于3DGIS技術的水庫大壩安全管理;朱亭等[5]開發(fā)了基于BIM技術的三維可視化大壩安全監(jiān)控系統(tǒng);卞小草等[6]提出了基于BIM+3DGIS的水電項目群建設管理系統(tǒng);He等[7]將三維 GIS 技術應用在了小浪底水電站安全監(jiān)測方面。然而，將BIM和3DGIS技術運用到巖石塊體監(jiān)測中的案例卻很少。筆者基于BIM+3DGIS技術開發(fā)了塊體監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮二者優(yōu)點，搭建3DGIS地表場景，融合采用BIM 技術構建的地下廠房實體、塊體BIM模型、監(jiān)測儀器模型，關聯(lián)監(jiān)測信息。同時，開發(fā)出集成三維可視化模型展示、數(shù)據(jù)查詢展示及監(jiān)測預警等模塊的塊體安全監(jiān)控系統(tǒng)，以提高地下廠房安全管理效率。

1BIM+3DGIS關鍵技術

在行業(yè)應用中，BIM提供模型的數(shù)據(jù)基礎和微觀表達，3DGIS則提供環(huán)境數(shù)據(jù)和空間地理信息。3DGIS的多源空間數(shù)據(jù)為BIM應用提供了宏觀可靠的地理環(huán)境基礎，BIM的精細化模型數(shù)據(jù)彌補了3DGIS無法表達和描述對象內部結構的缺陷。BIM與3DGIS技術的融合，實現(xiàn)了微觀領域的BIM信息與宏觀領域的3DGIS信息的交換和互操作[8-10]。在BIM+3DGIS系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要解決信息模型建模、數(shù)據(jù)集成、平臺搭建、坐標系轉換、渲染效果等關鍵技術。

1.1BIM和3DGIS信息模型

通過無人機航飛結合近景攝影技術采集地形數(shù)據(jù)，加工形成 DEM、DOM、DLG等數(shù)字產(chǎn)品，數(shù)據(jù)融合構建三維地形基礎數(shù)據(jù)庫，建立研究區(qū)3DGIS模型。采用BIM模型進行三維可視化的核心內容是BIM建模與信息關聯(lián)。采用達索系統(tǒng)3DE平臺的知識工程（Knowledge Engineering）模塊搭建建筑物、地質、塊體模型的模板，根據(jù)不同構件參數(shù)調用模板進行參數(shù)化建模，建立大壩、地下廠房、塊體的BIM模型，以及三維地質模型和監(jiān)測儀器設備模型。

BIM模型和3DGIS模型的建立，實現(xiàn)了對地形、建筑、地質條件、地下廠房、塊體、監(jiān)測模型的精細化表達。

1.2坐標轉換

BIM模型一般使用高斯平面直角坐標系，如北京54、地方坐標系，3DGIS中常以大地坐標系來表示空間位置信息。因此BIM模型與3DGIS數(shù)據(jù)的集成面臨坐標系不同、無法匹配的問題，必須進行坐標轉換。

采用C++編寫坐標系統(tǒng)轉換插件，將BIM模型中所有頂點、中心點通過轉換算法進行坐標轉換，實現(xiàn)BIM與3DGIS坐標層面上的融合，其算法轉換流程如圖1所示。

1.3BIM與3DGIS數(shù)據(jù)集成

BIM和3DGIS數(shù)據(jù)集成是一項復雜的課題。BIM是在IFC標準體系下建立和管理數(shù)據(jù)，以IFC格式進行數(shù)據(jù)交互流通;3DGIS是以CityGML為編碼標準，用以存儲和交換虛擬三維空間信息。BIM與3DGIS的融合，核心在于IFC和CityGML兩個數(shù)據(jù)標準之間的數(shù)據(jù)轉換[7]。

本文中BIM模型采用IFC格式導入3dsMax，通過紋理和渲染，賦予模型真實材質。導出為IVE 數(shù)據(jù)類型，對 IVE 數(shù)據(jù)和IFC數(shù)據(jù)進行集成，構建BIM模型數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)系統(tǒng)精度和數(shù)據(jù)量大小對模型進行LOD分層分級、化簡和存儲，生成系統(tǒng)中所需的三維數(shù)據(jù)格式。最后將BIM模型數(shù)據(jù)與三維地形數(shù)據(jù)的坐標單位、坐標系和投影方式等進行統(tǒng)一，將BIM數(shù)據(jù)融入3DGIS平臺中，實現(xiàn)BIM和3DGIS數(shù)據(jù)的融合集成[8]。

1.4基于BIM+3DGIS技術的可視化管理平臺開發(fā)

基于BIM+3DGIS技術的可視化管理平臺開發(fā)的最大難點是開發(fā)滿足BIM和3DGIS功能需求的底層三維平臺。經(jīng)過綜合分析，本文系統(tǒng)開發(fā)底層采用osgEarth 開源庫，同時結合HDR渲染技術優(yōu)化底層三維展示效果[10]，使其能夠同時滿足3DGIS空間信息應用需求和BIM模型精細化展示效果。

osgEarth三維場景可視化開源引擎是使用C++語言和三維渲染引擎OSG開發(fā)的地形生成系統(tǒng)，能加載GIS數(shù)據(jù)，訪問地圖服務器，支持地圖本地緩存、金字塔影像自動創(chuàng)建、數(shù)據(jù)分層分塊顯示等操作。通過對osgEarth的封裝、優(yōu)化，完成基礎平臺搭建?；诘讓娱_發(fā)了數(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)存儲管理、數(shù)據(jù)集成瀏覽等一系列工具軟件。利用這套完整的工具軟件，對多源數(shù)據(jù)進行處理和集成可形成多尺度BIM+3DGIS場景，支撐水電工程監(jiān)測系統(tǒng)的模擬仿真應用[11]。數(shù)據(jù)處理集成流程如圖2所示。

2塊體監(jiān)測系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1系統(tǒng)架構

系統(tǒng)在設計上綜合考慮用戶需求，選用C/S架構設計。系統(tǒng)自下而上分為感知層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務邏輯層、表示層4個層次，系統(tǒng)架構如圖3所示[9]。

2.2系統(tǒng)功能設計與實現(xiàn)

系統(tǒng)主要包括BIM+3DGIS可視化管理、地質信息管理、運行維護管理、塊體信息管理、實時預警管理5個模塊，系統(tǒng)模塊功能如圖4所示。

功能模塊：① BIM+3DGIS可視化管理。實現(xiàn)BIM模型在3DGIS場景中的三維可視化及數(shù)據(jù)交互，包括模型管理、視圖管理、數(shù)據(jù)查詢綁定等功能。② 地質信息模塊。展示地下廠房所處地質環(huán)境、地質條件。③ 運行維護管理。④ 塊體信息管理。維護記錄塊體分布、位置、方量、和監(jiān)測儀器的對應關系、初始穩(wěn)定性、初始處理措施。⑤ 實時預警管理。主要包括監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、實時預警等。開發(fā)監(jiān)聽程序實時接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，對不同儀器數(shù)據(jù)實時分類顯示，對監(jiān)測數(shù)據(jù)設置相關算法和規(guī)則，進行實時分析預警，并基于E-chart實現(xiàn)數(shù)據(jù)圖形可視化。

3工程案例應用

以長江三峽水利樞紐工程右岸地下廠房為例，基于BIM+3DGIS技術建立塊體三維可視化監(jiān)測系統(tǒng)。三峽水電站右岸地下電站主廠房圍巖中的結構面、斷層和洞室開挖面組合切割形成不同類型塊體，其中大于100 m3約77個[1-3]，施工過程中采用錨桿錨索進行支護設計，并埋設多點位移計、應力計等監(jiān)測設備。該系統(tǒng)集成地形3DGIS模型、建筑物BIM模型、塊體模型、監(jiān)測儀器模型，關聯(lián)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對三峽電站主廠房塊體進行可視化管理和穩(wěn)定性監(jiān)測。

3.1三維可視化展示與管理

采用BIM技術對三峽地下電站廠房、塊體、監(jiān)測儀器進行三維可視化建模，如圖5所示。通過自研插件完成基于HDR技術的高質量渲染。采用BIM技術完成三維地質模型，如圖6所示。

采用DEM、DOM數(shù)據(jù)建立三峽工程壩址區(qū)3DGIS地形地表模型，構建真實三維地形地貌如圖7所示。

將BIM模型數(shù)據(jù)集成在3DGIS平臺中，完成整體三維場景搭建，近乎真實地展示三峽樞紐區(qū)三維場景、地下電站主廠房實體結構、地質條件、塊體空間分布和幾何特征、監(jiān)測儀器埋設位置等，如圖8～9所示。在平臺中可以實現(xiàn)對 BIM 模型的基本操作與查看，如平移、旋轉、縮放、測量、標注、漫游等。

將平臺和VR視覺表達進行混合開發(fā)，實現(xiàn)地下廠房模型與真實世界場景的融合。用戶通過佩戴VR眼鏡在三峽水電站地下電廠BIM模型中漫游、交互式操作，真正做到足不出戶即可對整個廠房進行瀏覽和管理。

3.2數(shù)據(jù)查詢

傳感器獲取的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳回數(shù)據(jù)中心，并集成在本系統(tǒng)中與BIM模型關聯(lián)。數(shù)據(jù)查詢機制是塊體空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的雙向互動檢索。一方面可以拾取三維場景中的實體對象（包括廠房建筑、塊體、監(jiān)測儀器），查詢并顯示實體的屬性信息;另一方面也根據(jù)屬性數(shù)據(jù)，按目標條件進行查詢，實現(xiàn)目標塊體的快速空間定位和查詢。查詢的結果通過動態(tài)生成曲線圖、柱狀圖、散點圖以及數(shù)理統(tǒng)計結果表等圖表形式（見圖10～11），綜合展示塊體及監(jiān)測儀器相關監(jiān)測信息。

3.3實時監(jiān)測預警

系統(tǒng)運行后實時監(jiān)測數(shù)據(jù)變化，對監(jiān)測數(shù)據(jù)設置相關算法和規(guī)則，當監(jiān)測數(shù)據(jù)觸發(fā)監(jiān)測預警規(guī)則即發(fā)送郵件消息，消息中包含監(jiān)測異常值、所涉及塊體信息和相關處理方式。根據(jù)標準化操作對消息及時處理和反饋，結合專業(yè)分析對塊體穩(wěn)定性進行甄別和判斷。監(jiān)測預警流程圖如圖12所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)郵件推送如圖13所示。

4結 語

本文闡述了BIM和3DGIS各自的特點，研究了BIM和3DGIS建模、坐標轉換、BIM和3DGIS數(shù)據(jù)集成、BIM+3DGIS底層開發(fā)等幾大關鍵技術?；贐IM+3DGIS研發(fā)了三維可視化塊體監(jiān)測系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應用在三峽工程地下廠房塊體監(jiān)測中，全面直觀地表達了地形地貌、廠房結構、塊體監(jiān)測信息，并實時監(jiān)測預警，極大提高了廠房安全管理的效率，為水電工程三維可視化安全監(jiān)測管理提供了參考。

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（編輯：鄭 毅）

Abstract：Aiming at safety monitoring and 3D visualization expression of rock blocks in underground powerhouse of hydropower engineering，we established a 3D visualization monitoring software of rock blocks by using BIM+ 3DGIS technologies.The monitoring software can reflect space information of blocks and geometric shape in high-resolution terrain scene，also it candisplaylocation of monitoring gauges，incorporate the BIM model of workshops and associate monitoring data，realizing pre-warning for blocks in 3D visualization environment.The monitoring software has greatly improved the effectiveness of safety monitoring in right-bank underground workshop in the Three Gorges Hydropower Station.The relevant experience could provide some referential values for the 3D visualization monitoring and management of the water resources and hydropower projects.

Key words：underground powerhouse;stability of blocks;safety monitoring;BIM+3DGIS