基于BIM+GIS的灌區工程可視化研究

劉曉彬 夏濤 于敬舟 郭云濤

摘要：傳統灌區工程管理可視化程度低，難以形象、直觀地掌握工程管理動態信息。應用工程領域新興的BIM+GIS技術，依托于甘肅省古浪縣黃花灘調蓄供水工程信息化建設項目，構建了灌區建筑物及各種設備的BIM模型，融合灌區實景模型及正攝影像等GIS數據，實現了灌區工程的可視化展示。運行實踐表明：該項目的可視化應用提升了工程建設、運行、維護管理的精細化程度，加強了統一可視化平臺下的信息交流和溝通以及業務數據的共享和分析，為灌區管理提供了高效、直觀的信息服務。

關鍵詞：灌區工程; BIM+GIS; 實景模型; 可視化

中圖法分類號：S274文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.018

文章編號：1006 - 0081（2022）01 - 0097 - 05

0 引 言

隨著工程建設數字化、信息化、智慧化程度的發展[1-3]，灌區工程現代化管理水平也逐步提高，各種工程綜合管理系統基本成為了灌區信息化管理的標配建設部分[4-6]。但在灌區管理中，目前的智慧化建設大多局限于工程信息的匯集、統計、分析等基本功能，可視化應用程度還不高，甚至缺少必要的工程BIM（建筑信息模型）和GIS（三維地理信息系統）數據等基礎支撐，未能充分發揮出可視化技術在工程信息化管理建設中直觀展示形象、支撐數據信息、支持決策分析等多重作用[7]。

近年來，BIM+GIS技術已成為工程建設行業的前沿新興技術[8-11]?；贐IM+GIS技術，可將傳統的二維管理信息拓展至精細化BIM模型及大場景GIS數據等多元數據集成[12]，充分研究灌區工程中的可視化應用場景和業務應用，為灌區管理決策提供可視化環境，以期為灌區工程創造更大的效益。

1 工程概況

本文依托于甘肅省古浪縣黃花灘調蓄供水工程信息化建設項目。該項目涉及4座調蓄水池和1條分干渠，建設了信息化運行管理系統，形成了與灌區管理相配套的集信息感知采集、自動化監控、通信網絡、數據資源、應用支撐、業務應用為一體的信息化平臺體系，逐步增強黃花灘灌區水量的定量管理和科學調配，實現灌區管理能力的提升。

在此項目信息化運行管理系統建設中，本文研究了可視化技術應用，基于BIM+GIS技術開發了“灌區一張圖”模塊，強化了灌區運維期的業務管理綜合應用。

2 BIM+GIS技術應用背景

當前，BIM+GIS技術正在掀起一場工程行業的數字化革命。BIM作為信息交流核心，以信息數據為基礎，構建工程三維模型，集成工程全過程各階段和各方信息，支持多方協作，強化及時溝通和有效管理。在工程運維管理過程中，以BIM平臺為基礎，與現代互聯網技術建立各式集成應用，能夠達到對工程的有效管理和精準控制。GIS技術可疊加實景模型、DEM（數字高程模型）數據、正攝影像等空間數據信息[13]，具有采集、存儲、分析、處理地理信息等功能，能夠實現信息的可視化表達，為空間決策分析提供技術支持和服務。

BIM與GIS技術的融合，使微觀領域的BIM信息與宏觀領域的GIS數據實現交互操作。將BIM從微觀引入宏觀領域，拓展了三維BIM的應用范圍，為BIM技術發展帶來了新的契機，可全面提升管理水平和管理效率。

本項目基于BIM+GIS技術，把工程建筑信息模型微觀數據與灌區宏觀地理信息環境融合共享，形成灌區水源工程、輸配水工程的“數據樞紐”，應用到三維GIS分析中，實現宏觀灌區全景GIS模型和微觀精細化BIM模型的完美融合以及可視化無縫銜接瀏覽。

3 可視化數據創建

黃花灘調蓄供水工程包含4座調蓄水池和1條分干渠，涉及輸水構筑物、引水構筑物、場區構件、景觀、渠道以及監測設備等。收集和整理工程信息資料、設計施工圖紙、設備照片等已有資料，采集和制作空間數據，如DEM數據、衛星遙感影像數據、三維實景模型、BIM模型等。本文選取工程中BIM模型類型豐富、監測設備種類齊全、可視化應用代表性較強的“3號首調調蓄水池”為例，介紹可視化數據創建方法和應用過程。

3.1 BIM模型建設

本項目采用Bentley系列軟件中的OpenBuildings Designer（以下簡稱OBD）和Microstation（以下簡稱MS）[14]進行BIM模型創建。OBD是一款功能完善、全面詳細的多專業信息建模BIM軟件。

3號首調調蓄水池包含輸水構筑物、引水構筑物、景觀綠化、場區構件、監測設備等部分，以模型精度LOD300進行精細化建模，模型采用真實材質渲染，具體如下。

（1） 輸水構筑物。包含出水口、DN800輸水管、控制閥井、泵井、流量計閥井、鎮墩、渡管等結構，可視化效果如圖1所示。

（2） 引水構筑物。包含消力池、消能臺階漸變段、引水暗渠、取水口（分水閘、節制閘、啟閉機、樓梯）等結構，可視化效果如圖2所示。

（3） 景觀綠化部分。由于蓄水池周圍綠化樹木還未建成，現場實地不能展示出整體建設效果，因此，采用BIM綠化模型展示灌區可視化效果，樹木種類與實際規劃相符，可視化效果如圖3所示。

（4） 場區構件。包括路燈、中式欄桿、圍欄、大門等構件，構件模型可視化效果如圖4所示。

（5） 監測設備。包括報警主機（1～30號）、電子圍欄、觀測墩（表面位移標點TP1-16、工作基點TB1-4、校核基點TX1-4）、氣溫計、雨量計、攝像頭（進水口攝像頭、全局攝像頭、水尺攝像頭、周界1-11號攝像頭）、滲壓計（P1-P50）、水尺、水溫計（1～3號）、變壓器等，設備模型可視化效果如圖5所示。

3.2 GIS數據制作

GIS數據制作的主要工作包括：大場景數據制作、黃花灘灌區數據制作、重點施工區DOM（數字正射影像）與實景三維模型制作3個方面，總體技術路線如圖6所示。其中，重點區域3號首調調蓄水池實景模型如圖7所示。

3.3 三維場景建設

三維場景通過集成BIM+GIS數據生成得到。根據集成模式的不同，可以將二者應用集成模式劃分為3種類型：BIM應用中集成GIS功能、GIS應用中集成BIM功能以及BIM與GIS深度集成。由于黃花灘灌區控制灌溉面積大、輸水線路長，本項目采用GIS應用中集成BIM功能的方式。

在BIM+GIS平臺中，將衛星遙感影像數據和各種矢量數據疊加到數字高程模型表面，產生逼真的地形地貌模型，與灌區工程BIM模型進行無縫拼接，生成黃花灘灌區三維仿真場景，實現灌區從整體到局部、從水源區到下游的全方位立體式交互漫游、地圖導航和GIS分析等功能。3號首調調蓄水池區域BIM模型和實景數據集成效果如圖8所示。

4 可視化技術應用

4.1 BIM+GIS可視化應用引擎

BIM+GIS可視化應用引擎服務提供三維地理信息空間數據管理與發布功能。以數字正射影像、數字高程模型、無人機傾斜攝影、三維建模等技術生成的傾斜三維模型及水工建筑物三維模型為數據源，經脫密公眾化處理后集成在三維可視化平臺中，實現多尺度、多類型數據的統一瀏覽展示、信息查詢和可視化表達。

BIM+GIS可視化應用引擎服務的總體結構設計為B/S結構，即瀏覽器/服務器結構，實現空間信息和屬性信息的瀏覽和查詢。引擎服務架構如圖9所示。

4.2灌區一張圖

基于BIM+GIS可視化應用引擎服務，建立黃花灘灌區二、三維多元信息“灌區一張圖”模塊，實現二三維一張圖聯動?！肮鄥^一張圖”是數字線化地圖、數字高程模型、數字正射影像、三維實景模型、BIM模型等多源信息的集合，與灌區的整體調度方案相結合，實現信息的不同維度展示，提供信息的交互查詢和相應的空間分析。黃花灘灌區工程信息化系統“灌區一張圖”模塊界面如圖10所示。

4.3系統業務應用

（1） 基于“灌區一張圖”模塊的基礎數據支撐，通過模塊選擇或跳轉鏈接等方式，在信息化運行管理系統的“自動控制”和“安全監測”等模塊中，實現對工程運維期運行狀態的可視可控，為業務管理人員宏觀把控灌區輸配水工程調度提供信息支撐。其中，安全監測模塊界面如圖11所示。

（2） 將灌區數字化交付成果與BIM模型連接，實現工程設計、施工期數據資料的在線、快捷查看，為工程運維提供便利條件，提升工作效率。

（3） 通過接入工程區域的建筑物、埋設的儀器設備等建立三維仿真場景，用戶可以在三維場景中實時瀏覽和查詢各建筑物，以及監測儀器設備的各種信息，實現數據的直觀可視化分析與評價。

5結 語

本項目依托甘肅省古浪縣黃花灘調蓄供水工程信息化建設項目，構建了灌區建筑物和監測設備BIM模型，集成GIS數據，基于BIM+GIS技術實現灌區工程的可視化展示。結合黃花灘灌區工程信息化系統，基于BIM+GIS可視化應用引擎服務，集成BIM+GIS等多源數據，建立“灌區一張圖”功能模塊，實現多尺度、多類型數據的統一瀏覽展示、信息查詢和可視化表達。

本文實現了灌區項目的BIM+GIS可視化多重應用，提升了工程建設、運行、維護管理的精細化程度，加強了統一可視化平臺下的信息交流和溝通以及業務數據的共享和分析，為灌區管理提供了高效、直觀的信息服務。

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（編輯：李 慧）

Research of irrigation project visualization based on BIM+GIS

LIU Xiaobin1， XIA Tao2， YU Jingzhou1， GUO Yuntao1

（1. China Water Resources BeiFang Investigation， Design & Research Co.， Ltd.， Tianjin 300222， China; 2. Gansu Water Investment Co.，Ltd.， Lanzhou 730030，China）

Abstract： The visualization degree of the traditional irrigation project management is low， so grasping its dynamic information of the management vividly and intuitively is difficult. The emerging BIM+GIS technology in the engineering field in recent years was employed to construct BIM models of buildings and various equipment for Huanghuatan Reservoir and Water Diversion Project in Gulang County of Gansu Province， and the visual display of the irrigation district was realized through integrating GIS data such as the real scene model and forward photo. The practice showed that the visual display of the irrigation district had improved the operation efficiency and fine management， strengthened the information communication and the share and analysis of data under the unified visual platform， which has provided the irrigation district with efficient and visual service.

Key words： irrigation project; BIM+GIS; real scene model; visualization