基于GIS 的施工过程三维可视化系统实现及作用

宋红亮 吴 越

建设项目施工是一个动态的过程,它不仅涉及地形地质等静态信息,而且还要反映施工过程中动态的施工逻辑关系。GIS特有的空间数据组织形式,为反映施工过程这种具有时空特征的空间信息提供了条件,因此,建立一个能充分反映工程施工过程的时空信息的施工进度三位数字模型是实现施工进度可视化的基础。所谓数字建模是指把客观世界中实体对象在计算机中用真实[1]的空间位置来表示,并使空间关系及其属性按一定的方式结合起来,从而实现空间信息与属性信息的一一对应。GIS中空间实体对象用图形数据和属性数据[8-10]来共同描述,并分别使用不同的存储模块。前者描述实体的几何空间数据和拓扑关系[11],后者描述实体的属性及两者的关联标识。空间数据和属性数据通过内部代码和用户标识代码作为公共数据项连接起来,使得构成空间对象的每一个图元与描述该图元的属性建立一一对应关系。这种空间数据组织结构[12,17]为数字模型[13-16]的可视化空间操作与分析提供了条件。

1 基于GIS的施工过程三维可视化系统实现

1.1 三维动态数字模型的构造

三维动态模型也称时空模型,可以用时间—空间参考坐标系统描述,将时空数据表示为 v=f(x,y,z,t),其中,(x,y,z)为空间信息,记录地理现象的空间变化;(t)为时间维,记录地象的时间变化。本文中地理现象指工程施工过程,称工程现象。工程现象空间上则由若干的空间实体(建筑物等对象)所组成,在时间上则是由一系列状态所组成,状态的转换称作“事件”,一个工程现象中只要所包含的对象有一个发生变化,就构成一次事件,意味着一次状态的转换。在一个状态内过程现象的时间特征是相对稳定的,所表现出的是其空间变化特征,即对象间差异。每一个“状态”都对应一个“工程面貌”。这样状态、工程面貌、对象就构成了一个时空数据的基本概念框架。

1.2 基于GIS的三维动态演示方法

如上文所述,时空模型不仅表现地理现象的空间变化,而且可以表达空间信息随时间变化的过程。针对系统而言,就是表现随施工进行各种建筑物的空间面貌的变化过程。基于三维动态演示是对任意时刻系统仿真面貌的再现,它反映了仿真过程数动态变化规律。利用仿真模块得到工程系统的动态信息,结合已有的三维数据模型,时空数字模型。工程系统作为离散系统进行仿真,获得的仿真信息也可以按天、周、旬、月或季为单位显示。根据仿真进度,对应建筑物几何及其属性等,生成工程施工系统各环节某一动态变化单元i对应的图元任意t的面貌vi(t),则t时刻的工程整体面貌可表示为其中,n为总的图元数;Vi(t)=fi(Xi,Yi,Zi,t)表示在动态施工过程中,包含时间信息元的几何形状,它随时间的变化而变化。把工程施工任意时刻的整体面貌存放在图形库中,并与其一一对应的属性数据建立联系,从而在动画演示时,按顺序读取图形库中的形体数据及相对应的属性信息,不断更新绘图变量性变量赋值,同时不断刷新屏幕显示。这样就实现了整体工程施工过程的面貌及相应信息的动态显示。具体实现步骤如下:1)将仿真计算得到的建设项目的施工信息(例如各工序的时间参数续时间、开始时间、结束时间),各时刻各施工单元的形体参数等,按工序大小以电子表格的形式输出。2)通过GIS读取这些数据,并将其存放入相应的数据库。3)根据各时刻各施工单元的形体参数,运用GIS技术生成任一工序任一时刻的三维面貌vi(t)(i为工序,t为时刻)。4)将同一时刻各工序的三维面貌进行组合,得到各时刻的建设项整体三维面貌,即(n为总的工序数)。5)将各时刻建设项目的整体三维面貌 V(t)按时间进行排序(将按排序的各时刻的建设项目的整体三维面貌库称为施工动态面貌库)。6)逐条读取施工动态面貌库中每条记录的形体数据及其他相关信息体数据以数字化三维图形的形式显示在屏幕上,其他信息以文本的形式显示在信息框中,从而实现了建设项目施工过程的三维可视化和当前时刻相关信息显示。

2 基于GIS的施工过程三维可视化系统的作用

从基于GIS的建设项目施工过程三维可视化可以获得以下工程信息:

1)虚拟的工程环境。应用GIS技术制作了工程的三维可视化数字,在计算机内虚构一个完整的工程布置,从各种各样的视角和路径都能看见由于GIS所特有的数字地形显示功能,使得建设项目所处位置的地形地貌一目了然。

2)建设项目在各个时刻的形象进度。基于GIS的建设项目施工过程三维可视化系统有时间坐标轴,想看任意时刻的形象进度,观察对应于该时刻的建设项目施工面貌即可。

3)施工期间任一时刻同时施工的工序。

4)各单位工程、分部工程施工的逻辑关系。建设项目施工是非常复杂的,施工工序繁多,各工序之间逻辑关系快速地把握整个建设项目施工的全貌比较困难,而基于GIS的施工过程三维可视化技术提供了协调、组织、展示信息的有效途径。将基于GIS的施工过程三维可视化技术引入系统仿真研究中,使得仿真结果更加清晰、直观,便于把握建设项目施工系统的整体演进,发现其内在规律。其主要作用体现在以下几个方面:

a.便于施工方案的分析。传统的施工进度计划方案以时间参数和静形给出。当施工工序繁多、逻辑关系复杂时,很难直观地揭示施工的全貌于GIS的施工过程,三维可视化能够清晰地显示各单位工程、分部工程在空间、逻辑上的关系,辅助对施工方案分析。b.便于施工方案的确认。通常“确认”工作是由熟知施工系统的专导的,其任务是审查和评价,因此系统专家与施工组织设计人员之间的交确认过程十分重要。基于GIS的施工过程三维可视化技术提供了有效的交段。使系统专家对工程有一个形象直观的了解,充分暴露设计中的漏洞且有助于专家提出卓有成效的意见和建议,并进一步指导施工组织设计的步调。c.便于信息的沟通与表达。信息的沟通程度会影响到一项有价值的方案是否被决策者采纳,决策者的认可程度通常与设计人员的描述和表达方式相关。基于GIS的施工过程三维可视化技术表达的信息量大,能够生动形象的演绎推荐方案,有助于信息沟通,为决策者提供信息服务。

3 结语

1)基于GIS的建设项目施工系统动态可视化仿真通过数字化三维图象形象地描绘了建设项目施工系统的动态行为特征,生动地刻画了建设项目施工过程以及施工过程中各工序的时间、空间和逻辑关系,使得仿真结果更加清晰直观,便于人们把握建设项目施工系统的整体演进,发现其内在的规律。2)基于GIS的建设项目施工动态可视化仿真充分利用GIS强大的空间数据处理功能和图形处理技术,在绘制图形上更加精确灵活。

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