BIM與GIS集成下的工程測量數據融合研究
2025-11-08 00:00:00王清洛
粘接 2025年10期
中圖分類號：TP391;TQ018 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2025）10-0215-04
Research on engineering measurement data fusion under the integration ofBIM and GIS
WANG Qingluo （Yinchuan Survey and Mapping Institute，Yinchuan 75ooO1，China）
Abstract：Inorderto realize theefective integrationof engineering measurement data，BIM（Building Information Model）technology and GIS（Geographic Information System）technologyare integrated，and aconstruction engineering management platform integrating BIMand GIS is proposed.Among them，BIMandGIS are used to perform spatial fusion and information fusion of three-dimensional dataand engineering surveydata.Finally，thefused data is applied andthe project is visualizedthrough the platform.The results show thatthedatafusionmethod can improve the qualityof engineering dataand provide a powerful technical framework forthe fusionof engineering measurement data，so as to meet the needs ofmulti-measurement integrationand inteligent managementof building construction.
Key words： enginering surveying;integration of multiple tests;data fusion; BIM technology ; GIS technology
隨著我國工程建設規模逐漸擴大，如何推動落實\"多測合一\"改革工作。其中，“多測合一\"中對工程測量數據處理在精度和效率方面的需求有待提高。BIM和GIS作為重要的工程工具，在工程建設和數據融合中被廣泛應用，如陳星竹等為實現縣級國土空間中多源數據的有效集成，采用BIM-GIS技術分別繪制相應的施工圖紙、三維模型和提供施工現場及周邊的地理信息，一定程度上提高了土地測量和施工管理效率與質量；何華容等2提出采用BIM技術進行多源數據融合的實景三維建模，并完成了建模精度的驗證分析；張悅3為實現橋梁智慧監測，提出將BIM+GIS技術應用到橋梁智慧監測任務中，通過其完成了橋梁三維模型構建和地圖信息測繪。
本研究認為，BIM和GIS分別側重于對工程微觀信息和宏觀信息的處理，若將兩者集成，可實現從微觀到宏觀的全方位信息整合。其中，工程測量數據含有豐富的空間位置信息和屬性信息，是BIM與GIS集成的基礎成果數據，然而，各類數據之間面臨的兼容性、數據精度和尺度差異等難題，則嚴重制約了工程測量數據的有效融合與利用。因此，提出開展BIM與GIS集成下的工程測量數據融合研究，并通過構建建筑工程管理平臺實現對工程測量數據的有效應用。
1關鍵技術
1.1 BIM技術
BIM技術基于數據技術和三維信息模型，構建了一個信息管理框架，其通過創建、管理建筑項目全生命周期的結構化信息模型，實現對建設項目的有效管理，提高成本控制能力和決策水平。BIM模型可實現三維可視化、信息集成、協同工作和模擬分析等功能4，可實現建筑項目全方位信息的數字化表述，對建筑施工信息進行集成分析，可幫助工程管理人員對施工信息進行一體化管理。
BIM軟件可分為三種類型，包括房建類軟件、基建類軟件和施工平臺類軟件。其中，房建類軟件中較為經典的為Revit系列軟件，也可根據工程性質細分為建筑、結構、機電；基建類軟件可細分為建筑、結構、機電電氣等。BIM技術充分應用于智慧工地：基于BIM的可視化三維設計、基于BIM的碰撞檢查及設計優化、基于BIM的施工工藝模擬、基于BIM的5D施工模擬5
1.2 GIS技術
GIS技術在地理學、地圖學與地理信息系統、遙感信息科學等行業得到廣泛應用，其可將地理信息數據結合計算機系統，實現地理信息輸入、存儲、查詢、分析等功能。GIS地理信息系統為一種整合技術，對二、三維地理空間數據提供有效編輯、存儲和深度可視化等分析功能。
GIS平臺中較為常用的軟件為Arcgis、Cesium，其中Cesium是一個三維模型地球、地圖可視化結合的開源JS庫，為GIS三維能提供一個高效的數據可視化平臺。因此，本文采用Cesium作為三維GIS平臺框架。
2數據融合方法
工程測量數據為基礎的工程建設數據，其含有大量空間位置信息與屬性信息，非常適配于BIM與GIS集成分析。其中，基于兩種集成技術進行工程測量融合，可實現工程測量數據作用最大化，工程測量數據多為多源數據，對其進行數據融合的原理需根據選取算法規則，將多場景多采集源數據進行融合處理，由此獲得更精確、更完整、更有效的信號，采用該融合信息可實現目標或場景的綜合描述。同時，可提升數據來源的完整性和可靠性，增強目標檢測與識別的準確性。
工程測量數據融合主要分為三個流程，分別為數據預處理、空間融合和信息融合。其中，預處理步驟是對采集的遙感影像進行常規處理，即輻射定標、幾何校正和大氣校正等。
2.1 空間融合
空間融合即將多源異構數據統一至相同坐標系下，以實現不同數據的圖像配準。目前，較為常用的坐標系為圖像坐標系、成像平面坐標系、地理坐標系和投影坐標系?？筛鶕嬎銠C視覺理論實現坐標系間的相互轉換。設待轉換的2個坐標分別為（A）=
，則其中一個坐標系中，某點 P 的坐標向量為：
當兩坐標系間為平移關系時，有 
，則 BP=AP+BOA 0
當兩坐標系間為旋轉關系時，旋轉矩陣 
可表示為 3×3 的數組：
式（2）滿足 ABR=ABRT 。對選準矩陣進行分解后，可獲得矩陣乘積，此乘積主要以 i?j ！ k 為中心，通過對其進行旋轉得到8。基于上式的 
，可獲得坐標系 B 內的 BP=ABRAP 。
根據坐標系的差異性不同，對原點和基本向量進行判別分析，由此實現其轉換方式評估。其中，BP=ABRAP+BO 。在齊次坐標情況下可通過矩陣形式進行表示：
其中 
基于公式即可實現坐標系的統一，完成多源數據的空間融合[9]
2.2 信息融合
信息融合即根據融合算法對空間融合后的數據進行處理，以生成豐富信息量的融合產品。工程測量的多源數據多為矢量、影像和點云數據，其中點云數據和影像數據分別包含三維場景中的全部信息內容的目標表面細節特征[1]。通過對兩種數據進行聯合配準，可生成豐富的真三維產品，為后續BIM與GIS集成提供數據支撐?；诖?，提出采用卡爾曼濾波模型進行信息融合。
卡爾曼濾波模型的主要作用是消除數據噪聲中的不確定性因素。該濾波器的當前期望值和新期望值分別為狀態方程預測結果和加權后的測量值。利用誤差協方差矩陣可對測量值的權重進行計算。因此，卡爾曼濾波基于“預測-測量-修正\"準則，實現信息推導[11]。
針對不同性質的處理信息，可將卡爾曼濾波分為線性和非線性兩種類型。工程測量數據通過不同傳感器在多點位下進行測量得到，需通過參數模型方法進行數據融合處理，而卡爾曼濾波則可滿足其融合需求。因此，提出采用卡爾曼濾波算法進行工程測量數據信息融合[12-13]?？柭鼮V波器操作步驟為：
（1）建立模型?？柭鼮V波器包含以下兩個方程：
xk=Axk-1+Buk-1+wk-1
zk=Hxk+νk
式中： xk、xk-1 分別為 k 時刻和 k-1 時刻系統的狀態值； uk-1?zk 分別為 k-1 時刻輸入控制量和 k 時刻系統的觀測值; wk-1?νk 分別為符合高斯分布的過程噪聲和測量噪聲。在模型建立時，需確定 wk-1 和wk 的平均值和標準差，基于這兩個值可實現卡爾曼濾波器的正確近似[14];
（2）基于預測時間和修正測量更新方程進行濾波器構建;
（3）基于以上建立模型和濾波器運行結果，即可獲得所需工程測量數據。根據該數據進行估值迭代操作，并將上一狀態估計值看作當前狀態輸入值。其中，卡爾曼濾波進行狀態變量構建時，基于高斯分布具體情況進行實現。其進行最優狀態估計以 k 時刻為標準，以得到相應最優估計結果和協方差矩陣[15]。同時，獲得當前狀態信息后，即可預測下一狀態信息，從而完成工程測量數據全部預測，最后給出最新的高斯分布結果，以此實現估值迭代操作。
3實驗驗證
3.1 實驗環境
為驗證BIM與GIS集成下工程測量數據融合方法的有效性，實驗采用16GB內存的Inteli7-7700HQCPU作為硬件設備，選用64位Windows10操作系統作為軟件系統。開發語言為JavaScript，軟件開發工具為IntelliJIDEA2020.4。開發平臺框架為VUE，軟件支持環境為Node.js。
3.2 融合方法驗證
為驗證本工程測量數據融合方法的有效性，實驗采用單一的BIM工程測量數據、GIS工程測量數據和BIM+GIS集成下的工程測量融合數據分別輸入至三維模型中進行圖像質量對比分析。實驗采用峰值信噪比（PSNR）對圖像質量評估，即對比原始信號與處理信號間的差異，實現圖像失真程度評估。由此得到不同數據量下，三種測量數據的圖像質量對比如圖1所示。
由圖1對比結果可知，隨著工程測量數據的不斷增加，BIM+GIS集成下工程測量數據融合后圖像PSNR值和真實值擬合曲線極為接近，兩者均隨著數據量的增加而不斷提升。而單一的BIM集成數據和GIS集成數據的圖像的PSRN值均與真實圖像的PSNR值存在明顯差異。綜合分析說明，本方法集成下的工程測量數據融合方法具備有效性，通過其可提高工程測量圖像質量。
3.3 系統應用與分析
為驗證BIM與GIS集成下工程測量數據融合方法在建筑工程管理系統中的實際應用效果。實驗采用PyCharm和VisualStudioCode兩種編程工具進行系統開發，開發語言為Python語言，平臺運行結構為C/S形式，結合BIN和GIS技術實現三維可視化平臺構建。系統整體結構如圖2所示。
該系統為一種集成信息模型和地理信息系統的框架，其采用多層架構設計，由數據層、服務層、應用層、前端交互層和前端用戶層組成。其中，數據層負責提供數據統一訪問和處理服務，其有效整合了BIM和GIS技術，可對數據完整性和更新進行實時維護。服務層負責提供多樣服務和APT端口，為上層提供數據傳輸和處理支持。應用層包含可視化和建筑施工管理功能。交互層和用戶層可為用戶提供一個直觀可視的操作界面，支持多種終端運行。
基于驗證BIM與GIS集成下工程測量數據融合方法，對搭建的建筑工程管理系統進行功能測試后，可得到測試結果如表1所示。
表1系統功能測試結果
Tab.1 System function test results
由表1可知，系統各功能模塊完善，滿足設計要求。
4結語
綜上，本研究提出的BIM與GIS集成下工程測量數據融合方法具備可行性和有效性，此方法能夠實現工程測量數據的有效集成，實現了工程測量數據與BIM-GIS框架的深度結合，形成從微觀到宏觀、從建設到管理的統一數據體系；利用空間融合推動工程建設項目成果的坐標和格式統一融合，實現“多測合一\"統一數據標準的要求;信息融合則進一步提高工程建設項目測量成果質量，助力“一次測繪，共享利用\"的目標，同時系統平臺實現了施工過程的可視化、數據集成、信息共享和智能化管理，提高了項目全流程的監管效率。
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