BIM+GIS 及融合北斗定位數據在勘察管控中的應用

牛作鵬，劉 明，鄒艷春，曹旭梅，王漢臣

(1.中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430010)

目前，人工智能、5G、云計算、大數據等新一代信息技術推動了我國企業生產管理信息化發展進程，但在國內勘察設計行業中，面向勘察管理的信息化應用卻屈指可數。現場勘察技術人員主要通過現場巡檢、旁站等傳統管理方式實現外業安全防控和質量把控，在整個交接流轉的過程中存在信息交換錯誤、有時間差、無法預警等問題。鑒于以上情況，本文綜合利用BIM、GIS、北斗∕GNSS(全球導航衛星系統，Global Navigation Satellite System)定位數據，依托某航道工程勘察項目進行預警、管控業務數據等探索和驗證。

BIM 側重于微觀數據管理，GIS 側重于宏觀整體數據管理，針對BIM 和GIS 的融合技術及應用，國內眾多學者已開展多領域的相關研究。錢意[1]研究BIM 和GIS 在軌道交通建設全生命周期管理中的應用；薛梅[2]以構成建筑骨架的主要空間構件為研究對象，在參考IFC 標準基礎上提出建筑信息模型和三維數字城市集成方案；朱亮等[3]結合BIM 與3D GIS 技術實現城市精準三維建模；周匯光等[4]分析了傳統工程勘察信息管理手段的不足，給出了基于GIS 的大型橋梁工程勘察信息管理系統設計思路及設計方案。BIM 彌補了GIS 對精準建筑物模型缺失的空白，推動了GIS 技術的升級，BIM＋GIS 技術可為大場景、大尺度的航道工程勘察項目精細化管理提供技術支撐。

1 關鍵技術

1.1 北斗∕GNSS 系統

北斗∕GNSS 系統(北斗∕全球衛星導航系統)，主要指北斗、GPS、GLONASS 系統[5]。北斗衛星導航系統是我國自主建設并與GPS、GLONASS 導航系統兼容共用、獨立運行的全球衛星導航系統，由27 顆中圓地球軌道(MEO)衛星、5 顆地球靜止軌道(GEO)衛星和3 顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛星共35 顆衛星組成空間星座，具備定位、短報文通信及授時服務，可基于GPRS 實現定位數據實時傳輸，服務于預警調度、分析決策等應用。

目前，主流的導航定位數據輸出格式采用美國國家海洋電子協會定義的NMEA-0183 標準協議，該協議采用ASCII 碼，其串行通信默認參數為:數據位＝8 bit，波特率＝9 600 bps，開始位＝1 bit，停止位＝1 bit，無奇偶校驗。中國衛星導航系統管理辦公室基于《北斗∕全球衛星導航系統(GNSS)接收機導航定位數據輸出格式》 定義了北斗導航定位數據格式，與NMEA-0183 相比，增加部分字段對北斗導航系統進行兼容。在實際導航定位產品中，常用的語句為GGA、GLL、GSV、RMC、VTG、GSA、ZDA 和TXT 等[6]。

1.2 BIM+GIS 融合技術

BIM 技術將不同階段的各類工程信息集中存儲在信息模型中，可真實模擬工程建構筑物的微觀細節信息；GIS 技術適用于大場景、大廣度的地理空間信息，著重于大場景中重點對象的數據分析和呈現。BIM 與GIS 的應用各有優勢和不足，如將兩種技術進行集成融合，可實現兩種技術的優勢互補。

目前，BIM 與GIS 融合的方法大體上主要分為基于軟件平臺和基于數據標準兩種方式。基于軟件平臺的方法是行業主要應用方式，通過BIM建模在3D GIS 平臺上進行可視化展示，并在此基礎上實現集中管理、統一分析等應用功能，使對象的空間信息得以直觀展示和深入應用。

1.3 技術路線

本文基于SuperMap 和基礎數據(BIM 數據、地理數據)構建3D GIS 基礎平臺，并融合北斗∕GNSS定位數據和業務數據，在具體航道勘察項目管控中實現位置預警、勘探船舶軌跡追溯、模型和業務數據聯動。技術路線見圖1。

圖1 技術路線

2 勘察管控應用

2.1 限定位置區域預警

在實際的航道工程勘察野外工作中，實施水域鉆探作業易受周邊環境和惡劣氣象影響，勘探作業船會出現偏離限定位置區域的情況，導致水域鉆孔位置不正確，以致影響工程質量。可通過設置限定位置區域的電子圍欄，再基于BIM ＋GIS 技術對北斗∕GNSS 定位數據進行融合，進而直觀形象地判斷出勘探船舶是否處于電子圍欄中，并通過GPRS 傳輸定位數據通知后臺，使相關人員及時獲取勘探船舶偏離信息，提升預警能力。

2.2 船舶軌跡追溯

勘探船舶是航道工程勘察野外工作中水上交通的行為主體，研究勘探船舶異常行為是水上安全監控和管理的重要內容。基于BIM＋GIS 技術定制研發，實現基于北斗∕GNSS 定位數據的勘探船舶歷史軌跡追溯，可分析勘探船舶歷往某一時段的航行軌跡，便于總結勘探船舶漂移規律，有助于安全監控工作由被動轉為主動，輔助預警決策。

2.3 基于BIM 的業務數據聯動

為了加強勘察項目質量管理，保證工作的正確性、完整性，往往需要歸集勘察項目整個作業周期的技術質量文檔，并按質量管理要求通過表格、圖紙、文檔等方式存儲。如基于BIM 在信息承載、傳遞、共享等方面的優勢，實現模型與技術、質量等業務數據聯動，可直觀有效地追溯項目實施過程中涉及的技術質量信息，不斷滿足勘察技術人員對于數據綜合分析、信息服務的高要求。

3 案例應用

本文以湖北省武漢市某航道工程為例。項目起點位于二七路與工農兵路交叉口，沿二七路敷設下穿漢口濱江商務區后穿越長江，在武昌岸沿鐵機路敷設，終點位于友誼大道東側。工程采用雙向六車道城市次干道建設標準，設計時速50 km∕h，隧道全長5 191 m，暗埋段長度4 869 m，兩岸共設3 對匝道，見圖2。

圖2 項目示意

因水流及過往船只影響，本項目勘探船舶存在偏離指定位置的風險且屬重點項目，對作業過程質量的管控要求較嚴格。綜合利用BIM、GIS、北斗∕GNSS 定位數據，在項目中實現限定位置區域預警、勘探船舶軌跡追溯和業務數據聯動，以滿足管控需求。

3.1 北斗∕GNSS 定位數據的獲取

本項目勘探船舶上放置的定位設備為自主研發的北斗∕GNSS 定位器，定位器內置可同時接受北斗、GPS 和GLONASS 衛星信號的GNSS 定位模塊和4G 網絡模塊，通過4G 網絡獲取差分數據后解算可得到分米級精度的定位結果，定位結果可通過4G 網絡傳輸數據至后臺。北斗∕GNSS 定位器進行GGA 輸出，定位數據樣例結果如下:

以“ ＄GNGGA，070541.00，3032.795386，N，11418.933034，E，1，17，1.0，58.136，M，0.0，M，，*7C”GGA輸出語句為例，各部分含義見表1。

表1 GGA 語句格式說明

3.2 限定位置區域預警

為滿足勘探船舶偏離限定位置區域時可及時預警的管控需求，基于SuperMap 和基礎數據(BIM數據、地理數據)構建3D GIS 基礎平臺，通過設置電子圍欄以限定位置區域，并根據項目實際需求在后臺輸入限定位置的地理坐標(圖3)，再基于北斗∕GNSS 定位數據判斷勘探船舶是否處于電子圍欄中(圖4)，如果勘探船舶偏離限定位置的區域(圖5)，船舶則會高亮顯示，以達到預警的作用。

圖3 電子圍欄地理坐標設定

圖4 電子圍欄示意

圖5 勘探船舶實時位置信息

3.3 勘探船舶軌跡追溯

基于BIM＋GIS 技術實現北斗∕GNSS 定位數據融合，并將勘探船舶歷史定位數據進行后臺存儲，定制研發勘探船舶軌跡追溯功能(圖6)，分析勘探船舶特定時段的航跡異常行為，提升水上安全監控和管理能力，滿足本航道工程勘察項目的實際管控需求。

圖6 勘探船舶軌跡追溯

3.4 基于BIM 的業務數據聯動

為精準管控各鉆孔施工進度，首先對項目所有鉆孔模型進行編碼，并充分結合BIM 在信息承載、傳遞、共享等方面的優勢，基于BIM＋GIS 技術實現模型與技術、質量等業務數據聯動(圖7)，實現模型對項目實施過程中涉及的技術、質量等信息的承載、傳遞和共享，可直觀有效地追溯項目實施過程中的業務數據，滿足了項目基于BIM實現技術、質量等業務數據查詢、分析等信息服務的要求。

圖7 模型與業務數據聯動

4 結語

1)研究了北斗∕GNSS 定位系統和BIM＋GIS 融合技術，實現了基于BIM ＋GIS 技術融合北斗∕GNSS 定位數據。并基于某航道工程勘察項目探索其在管控中的應用，實現限定位置區域預警和船舶軌跡追溯，提升了航道工程勘察野外工作中水上安全監控和管理能力。

2)充分結合BIM 在信息化方面的優勢，挖掘勘察管控工作的BIM 應用需求，實現模型與業務數據的聯動及項目實施過程中技術、質量等業務信息的可視化追溯，提升了本項目信息服務能力，具有較強的應用價值。