地下管線 BIM 及二維碼信息識別查詢工程關鍵技術研究

黃海濤，楊玲玲

（1.興化市住建局，江蘇 興化 225700；2.江蘇誠泰測繪科技有限公司，江蘇 泰州 225300）

0 引言

新形勢下，城市建設進入快速發展時期，實施城市地下管線最有效的管理與建設是擺在當前的一項重要課題［1-3］。為加快推進信息化、數字化、智能化的新型城市基礎設施建設，盡量減少管網工程施工對地面“開膛破肚”行為，保障隱蔽性工程安全，進一步提升城市地下管線運行的安全性、可靠性，本文積極研究地下管線 BIM 及二維碼信息識別查詢關鍵技術，努力探索地下管線管建工作的新路徑、新模式、新方法。在此基礎上開發了地下管線二維碼智能識別與智能管理系統，將 BIM 技術與地下管線矢量數據庫相結合，建立城市地下管線三維現狀信息模擬模型，實現地下管線“可視化”。

1 技術路線與關鍵技術

1.1 現狀分析

地下管線涉及給水、雨水、污水、燃氣、電力等十多種地下管線，形成了一張錯綜復雜的地下管線網絡，傳統的二維管理方式難以準確、直觀地顯示地下管線交叉排列的空間位置關系。目前，國內的地下管線三維模型重建一般采用手動（如利用 3dsMax 等建模工具）、半自動（如程序+建模工具的方式）和自動建模 3 種方式，以滿足地下管線的三維瀏覽、查詢、分析與應用需求，但或多或少存在三維管線模型精度不夠、建模效率不高、與地上三維模型不能銜接一致、更新維護煩瑣和三維展示效果單一等問題［4，5］。隨著虛擬現實技術的快速發展和地下管線三維應用的不斷深化，地下管線三維建模正朝著高精度自動化、局部更新快速化和地上地下一體化等方向發展。

針對以上問題，在已建的地下管線二維數據庫基礎上，本文以二三維一體化 GIS 技術平臺為基礎框架，基于 BIM+GIS 技術進一步拓展二三維一體化數據模型［6］，快速構建管線 BIM 模型，建立了一個完整透明的地下管網模型數據庫，并融合傾斜攝影、二維碼、電子底圖等多源異構數據，集成 WebGL、物聯網、二維碼、云 GIS 動態管理等 IT 新技術，實現了城市管線管理的宏觀微觀一體化與地上地下一體化動態協同管理，有力地提升了管線的智慧化運維管理水平。

1.2 關鍵技術研究

主要關鍵技術點如下。

1）采用 2 000 國家大地坐標系，運用新一代三維GIS 新技術，將無人機實景三維模型與三維管線 BIM 模型相結合，以三維地上地下一體化方式形象展現地下管線的埋深、材質、形狀、走向以及附件結構和周邊環境，全面整合了各類數據，實現管線全生命周期的三維化管理，在管線管理中輕點鼠標，二維圖紙上錯綜復雜的管線便一下子變得清晰明了。

2）在三維 GIS 技術支持下利用 BIM 和二維碼技術［7，8］實現全生命周期的地下管線管理，環環相扣，全面提高地下管線工程設計、施工和運營相關的成果質量。通過二維碼掃描和地表開挖技術，實時動態快速獲取工作區域管線現狀，分析沿路開挖等工程施工對地下管線的影響，預防事故的發生。在智慧管線管理工作中，創新了一種快速、便捷、直觀的日常管線運維管理方式。

3）在高速網絡及 5G 技術支持下，物聯網技術的應用，能夠把傳感器收集到的管線實時數據傳輸到 APP 系統，傳感器信息在三維場景中以可視化的方式進行動態呈現，實現管線設施管理的實時監測預警，再通過動態更新形成可視化動態圖表，一旦發現問題，管理人員可以迅速定位，快速排查排除隱患，極大縮短了響應時間。

4）面向大場景研究了一種三維模型傾斜優化技術，項目從根節點合并和轉為 S3M 格式對數據進行了優化，節點個數縮減為原來 1/4，存儲量縮減為原來的 1/2，大大減少了網絡傳輸的數據量，且模型的質量并沒有減小。在網絡環境正常的情況下，試驗區三維模型瀏覽模型加載響應快，瀏覽流暢無卡頓，用戶具有三維實景的體驗感。

5）基于新一代三維 GIS 技術，利用 GIS-BIM、物聯網感知、移動互聯網、二維碼等技術自主研發了 APP 軟件，支持平板等移動端直接通過網絡加載地下管線地上地下一體化三維實景，通過二維碼快速定位、查詢、分析管線設施 BIM 模型部件信息，并依據需要進行動態渲染，進行真實三維表達，并可進行自由漫游瀏覽。APP 能有進一步有效提高城市地下管線管理工作的質量，成本低廉且易于推廣，社會價值和經濟效益較好。

1.3 系統設計技術路線

地下管線二維碼智能識別與智能管理系統具體實現采用 B/S 架構，按基礎設施層、數據層、中間層、應用服務層、終端用戶層、安全保障體系五層架構設計。系統主要功能包括基本三維 GIS 功能、信息的瀏覽查詢和統計、管線業務運維管理等。系統將核心的業務邏輯和公共的組件以及安全和集成相關的組件進行封裝到服務器中，通過中間件的形式向外提供服務和應用擴展。系統將相關的功能封裝，形成服務，統一向外提供管網信息的瀏覽、管網信息查詢、統計服務、業務運行數據、空間分析服務等。

系統采用組件式開發，客戶端通過認證層獲取相應的圖層數據權限，對授權圖層數據進行查看、編輯、導出等操作，實現各用戶單位對綜合管線運維應用的需要，同時保證數據的安全性。采用模塊化、零插件 WebGL 框架技術實現數據的動態交互式瀏覽。采用大型數據庫管理系統，對多源數據進行統一掛接管理。同時，對于地下管線數據與二維碼數據建立適當的空間索引，以加速對數據的訪問，提高數據存儲和系統運行效率。

2 建設實施

2.1 數據建設

按照實施方案，在統一的時空基準下開展數據建設，主要建設內容如下。

1）構建地上地下三維場景，完成傾斜攝影數據生產任務飛行及三維快速建模。

2）試點區域內地下管線的二維碼數據成果，接入泰州市地下管線二維碼管理平臺，實地布設到位更新地下管線數據庫，將二維碼數據掛接到相應的管線。

3）對 BIM 軟件運行過程中所需要的管線數據進行獲取與處理，本項目的基礎數據是 2018 年 3 月完成的興化市地下管線的探測及路段 1∶500 比例尺帶狀地形圖修測和數據，在此基礎上，根據近兩年來的市政建設情況和圖紙進行修測，形成試點區域約 3 km2內的地下管線數據庫成果，構建真實管線三維和 BIM 模型數據［9］。

4）部署傳感器監測數據，傳感器監測及預警數據接入數據庫。

2.2 軟件建設

在項目數據建設的基礎上，嚴格遵循質量管理體系進行項目管理，建立了完整的標準規范和管理機制體系，保障了平臺的開發建設規范有序。依托三維 GIS 技術，基于移動開發技術研發了興化管線通 APP V1.0。主要軟件功能如下。

1）用戶管理。后臺為 APP 提供用戶信息交互功能的支撐，對用戶、角色、功能等進行管理，包括用戶注冊、刪除、修改等操作，實現管理平臺用戶的賬號、密碼及對應角色權限的目的。

2）二維碼掃描。APP 基于 QR 條碼掃描技術開發相應功能，點擊主界面后，跳出二維碼掃描窗口，使用平板等移動終端對準二維碼掃一掃，解析二維碼，與二維碼數據庫查詢對接，若為管線庫的二維碼，則彈出二維碼信息表格，點擊詳情，定位到二維碼解析的管段，進入三維場景查看該管段的地理位置、走向等空間信息。

3）地下管線瀏覽。系統接入電信、供電、給水等15種管線圖層，結合 APP 系統，可隨時隨地，只需打開移動 APP，能精確查詢詳實的三維管線數據和位置信息及走向信息。系統提供基礎的三維量算功能，包括面積、測高、測距等。有效輔助管線、管段之間凈距量測分析。

系統支持在三維場景中實時瀏覽、查詢；支持指定路線管線場景的三維飛行漫游。同時，支持在實景三維場景下，通過鼠標點擊管線模型具體部件，直觀展示管徑、材質、長度等管線基本信息及內部結構細節，基于 WebGL 渲染技術可進行管段 BIM 模型內部結構快速漫游瀏覽。

4）傳感器監測。進入主頁面后，主要實現監測設備列表展示和空間定位，可直觀在三維場景中看到各類監測點空間分布情況，通過監測設備列表的點擊可直接定位監測設備精確位置；點擊具體監測點，可查看壓力、流量等指標的 24 h 動態監測曲線。該模塊進一步拓展了平臺的應用能力，為后期智慧運維升級奠定技術試點經驗，方便綜合考察城市管線的日常正常運行情況。

5）傳感器預警。通過監測設備列表的點擊可直接定位監測設備精確位置；點擊具體監測點，可查看 24 h 壓力、流量等指標的動態監測曲線，若超過閾值，一般情況曲線呈黃色顯示，嚴重情況曲線呈紅色顯示。該模塊進一步拓展了平臺的應用能力，為后期智慧運維升級奠定技術試點經驗，方便綜合考察城市管線的日常正常運行情況。

6）管線專業分析。系統可快速實時加載試驗區的三維傾斜模型，結合三維地下管線，實現地上地下一體化漫游；能夠完成場景放大、場景縮小、快速定位，旋轉相機任意角度、等漫游操作；實現從不同方位、不同角度自由瀏覽場景。

系統加入了地表模擬開挖功能，分析沿路開挖等工程施工對地下管線的影響，并將受影響的管網通過列表圖表的方式動態可視化表示，支持三維場景下圖文交互查詢：管線部件點擊查詢、開挖統計查詢、結果列表定位三維場景、開挖類型統計與分析等功能，實現圖表之間的交互查詢。預防事故的發生；而且統計分析后，還可將開挖模型進行清理，還原真實的三維實景模型（見圖 1）。

圖1 部分功能界面截圖

3 結論與展望

本文針對興化市地下管線建設工作，基于地下管線 BIM 及二維碼識別查詢工作的關鍵技術提出了一些思路和方法，并基于試點區域進行了針對性的研究與實現，三維 GIS 技術支持下利用 BIM 和二維碼技術，將傾斜攝影實景三維與地下管線三維模型、物聯網監測設備、靜態二維碼等多源數據結合，開發一套三維管線可視化管理系統 APP，可直觀描述地下管線的空間層次和位置，以三維可視化方式形象展現地下管線的埋深、材質、形狀、走向以及工井結構和周邊環境，使得本來在平面顯示下錯綜復雜的管線變得更加清晰明了，并提供各類查詢、統計管線、輔助分析等功能。為地下管線資源的日常運維及工程建設等工作提供了動態、準確、直觀、高效的參考，實現管線智慧運維，更好服務城市管網后期的運營以及改造工程，技術選型先進，具有很好的推廣價值。

但由于是探索性工作，仍面臨著諸多不足與挑戰。后續的地下管線智慧化運維是一項持續性的工作，需要繼續堅持“服務大局，服務社會，服務民生”的宗旨，以數據集中和共享為途徑，推動技術融合、業務融合、數據融合，逐步建立以大數據驅動管線運維業務創新的政務服務新模式，在平臺的穩定性和效率的同時，進一步提升平臺深層次的數據挖掘、分析能力，增加完善斷面分析、連通性分析、覆土深度分析、爆管關閥分析等功能［10］。Q