BIM技术在地理国情监测中的应用

曾庆伟，王 涛，晁召波

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000； 2. 机械工业勘察设计研究院，陕西 西安 710043)

BIM技术在地理国情监测中的应用

曾庆伟1，王 涛1，晁召波2

(1. 陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000； 2. 机械工业勘察设计研究院，陕西 西安 710043)

建筑信息模型(BIM)技术以其三维、实时且全生命周期的建筑信息管理模式，为地理国情监测提供了新的信息获取途径和方法。本文分析了BIM技术在地理国情监测应用中的必要性和可行性，研究了BIM技术在地理国情监测的模型创建、变形预测、信息获取与管理等方面的应用。测绘单位可通过进一步的统计分析工作，挖掘建筑BIM成果中蕴含的地理要素信息，为全覆盖的地理国情监测创造条件。

BIM技术；测绘信息化；地理国情监测；应用

地理国情是反映一个国家在特定时期的自然、经济、人文等地理要素信息，包括国土疆域概况、地理区域特征、地形地貌特征、道路交通网络、江河湖海分布、土地利用与土地覆盖、城市布局和城镇化扩张、灾害分布、环境与生态状况等基本情况。当前，我国正处于工业化、城镇化快速发展时期，产生了大量的高层建筑、地铁、隧道、高速铁路等重要单体构筑物，地表地理要素信息快速变化。客观准确地掌握地理国情变化，进行科学有效的宏观调控，建设资源节约型、环境友好型社会的紧迫性更加突出。

开展地理国情监测，提供地理要素的时空分布模式、数量与质量统计特征、发展趋势与演变规律等是测绘地理信息服务的进一步深化发展[1]。其不仅可以为政府部门科学决策提供依据，提高管理的科学性、规范性和前瞻性，优化国土空间利用，推动低碳经济发展，加强生态环境保护；而且可以使社会公众全面、直观地了解国家和地区经济建设、环境变化等方面的实际情况，促进公众提高节约资源、保护环境的意识，增强社会责任感，自觉选择绿色、低碳生活方式，携手共建美丽中国。

地理国情监测基于对地理要素基本情况的全面、准确掌握，利用地理空间信息数据构建地理国情信息本底数据库，集成多专题资源数据形成地理国情监测数据库，是地理国情信息服务系统建设的基础[2]。开展地理国情监测要充分利用已取得的测绘信息成果，采用先进科学技术，减少重复投资，扩展服务方式和内容。BIM技术作为一项跨专业的技术手段，能够融合多专业的专题数据资源，它的推广应用为地理国情监测搭建了一个良好的基础地理信息利用平台。

1 BIM技术在地理国情监测中的必要性

1.1 BIM技术特性

建筑信息模型(building information modeling，BIM)是一种应用于建筑工程设计、建造、运营管理的三维数字化技术。通过参数模型，整合建筑工程各环节的数据资源信息，以便在建筑的全生命周期过程中进行共享和传递，为设计、建造、运营管理单位在内的各方提供协同工作的基础，在提高生产效率、节约成本、缩短工期和减少风险方面发挥着重要作用[3]。BIM是以建筑工程的相关信息数据为基础，进行建筑模型的建立。BIM技术具有完备性、关联性和一致性等特性。

(1) 完备性。指能够全面表达建筑工程的物理特性和功能特性。物理特性主要指建筑的空间位置、几何尺寸、地质情况等，功能特性主要是与建筑本身有关的属性信息。BIM建模实现虚拟模型对实体数字化描述的最大化，实现了建筑实体在虚拟世界的“重生”。

(2) 关联性。指模型中涉及的对象是可识别并相互关联的，系统可以对模型信息进行统计、分析，并生成分析图表。若其中某个对象发生变化，与之关联的所有对象都能够随之更新，以继续保持模型的完备性、正确性。

(3) 一致性。指建筑全生命周期的各个阶段，模型的信息要求是一致的。对于同一内容的信息，只需输入一次。信息模型可以进行修改、扩充，无需重新创建，从而避免信息不一致的错误。

1.2 必要性分析

“信息”是BIM技术的灵魂。BIM技术对推动工程建设行业信息化产生巨大的影响。通过搭建底层数据库、信息附加及二次开发，建筑信息数据从工程设计阶段传递到运营阶段，可为施工分析、工序、工艺、资源配置、施组计划、施工模拟等提供数据基础。BIM技术在建筑工程中的应用主要通过建模软件(Revit等软件)和分析软件(PKPM等软件)实现[4]。BIM技术实施过程类似于一个拼图游戏，不同的参与者将手中的拼版(信息)放在桌面(平台)上，桌面协调各块拼版，将图案(数据库)状态即时展现，使整个图案趋于完整。

BIM成果中含有丰富的、规范的、统一标准的基础信息数据，包括各类测绘地理信息。BIM技术在工程建设中的推广应用丰富了信息资源，特别是对隧道、地铁等重要单体构筑物信息的掌握，促进了城市信息化发展，支撑了政府科学决策，改善了服务民生方式，提高了人们的生活质量，起到了强决策、精管理、惠民生、促发展的作用。

如果测绘地理信息资源覆盖不全面，全面推进地理国情监测工作就无从谈起。随着地理国情监测工作的深入开展，多源异构的海量数据形成了大数据[5]。地理国情监测可充分利用BIM成果，在其上扩展收集包括水资源与环境、城市规划、植被覆盖、基础设施、人口分布、经济等专题数据，进行数据整合处理，实现统计信息与空间位置关联、专题空间信息与基础空间信息集成，为地理国情监测提供辅助信息[6]。结合地理国情监测数据成果，建设包含重要地理国情监测信息与典型地理国情监测信息的地理国情动态监测信息数据库，进而构建面向应用的地理国情服务系统，为政府部门提供地理国情信息共享平台。对于地理国情监测而言，BIM技术的核心价值体现在对测绘地理信息成果的生成与输出上，这意味着监测对象的有序管理及可视化、三维化、交互式的成果表达和信息共享。

2 BIM技术在地理国情监测中的应用

2.1 创建信息模型

地理国情监测离不开对被监测对象的信息采集、分析。BIM技术在地理国情监测中的应用途径研究，首先要解决以何种方式将测绘地理信息数据与BIM技术有效结合，将测绘地理信息数据转化为信息模型，让海量数据有序化、可视化。

地理国情监测可通过3S技术、三维激光扫描、摄影测量等技术，辅以外业调绘，进行三维点云、平立剖面图、属性信息等测绘地理信息数据的获取[7]。近年来，三维激光扫描技术因其方便、快捷且避免对建筑造成接触性损害而广泛应用于地理国情监测。在进行三维激光扫描前，先对被测建筑工程实施控制测量，在建筑周围和内部布设一系列控制点，使用精密全站仪(或GPS)测定控制点坐标。在控制点上安置三维激光扫描仪进行建筑工程三维激光扫描。由于扫描仪无法一次性扫描覆盖整个建筑，因此需要架设在不同的“测站”进行多次扫描。扫描完成后，将每测站扫描数据拼合成完整的三维点云。经过“去噪”和“校正”的点云数据可输出为IFC标准格式，再导入BIM软件中即可创建信息模型。在大型建筑施工过程中，可随时采用三维激光扫描技术进行点云采集，快速构建信息模型，通过与先前BIM模型对比，显示实体偏差，及时发现问题[8]。利用BIM技术创建信息模型如图1所示。

当前，BIM建模软件有Revit、CATIA等系列软件。如Revit Architecture软件，在运行模式上，软件所提供的信息平台与数据库可实现测绘地理信息数据的高效生成、存储与管理。软件所支持的点云导入不仅为后续的建模工作提供了参照，也将原始的测绘信息资料作为建筑信息模型的重要组成部分加以保存，并确保其在信息平台中被高效利用。软件中信息模型创建操作实现是基于对“族”的创建与修改而成，创建者可以根据测绘数据建立相应的模型，并设置不同的参数以满足使用需求。这种参数化的建模过程为建筑工程各部分的测绘信息建立了有效的关联，只要一部分发生变动，其他部分会自动进行相应调整。

图1 测绘地理信息数据导入BIM软件生成信息模型

2.2 实施工程变形预测

地铁、隧道等工程构筑物是重要的地理国情监测对象，是重要城市综合功能单元[9]。近年来，地铁、隧道等地下工程建设迅速发展。地下工程施工会引起地层移动，导致不同程度的沉降和位移,造成地面沉陷、基坑垮塌、隧道破坏、周边建筑物损害、地下管线破坏等事故，影响隧道和地表建筑物的正常使用和安全运营[10]。因此，正确预测隧道等工程的移动及变形十分必要。

通过BIM技术不仅可以及时了解隧道工程的实时状况，也为隧道工程变形预测提供了手段。利用BIM技术对建筑工程进行变形预测模拟分析，需要以信息为基础，建立分析模型。根据预测目的不同，在模型中设置、输入相应的参数信息，如图2所示。目前，分析模型建立有多种方法，可选择建立模糊神经网络模型进行变形预测模拟分析。其中，输入层中输入参量的确定是影响预测精度的关键环节。隧道工程变形是一个复杂的力学过程，其影响因素有围岩的流变属性、掌子面的推进距离、围岩与支护结构相互作用、时间周期、工程的结构构件、几何图形、材质属性和荷载等。根据影响权重，可以将时间周期、断面与掌子面的距离这两个特征量作为隧道变形预测模糊神经网络模型的输入参量。基于BIM技术的变形预测分析将测绘工作带入了一个更深的层次，意味着可以在测绘成果中直接反映隧道在其全生命周期内的变化过程。同时，也使测绘成果可以直接用于全面的计算机分析，分析结论也能即时地体现在信息模型之中。

2.3 构建信息管理平台

BIM技术的核心价值是在建筑全生命周期中，相关专业人员可以通过信息的共享，做到真正的协同工作。搭建一个以信息技术为核心，各个专业利用图形平台等工具进行协同工作的BIM建筑信息管理平台，对所有资料进行真三维环境下的归档和共享发布，为每个阶段提供全方位数据支持是BIM应用与价值体现的基础。信息管理平台可分为数据层、图形层和专业层，如图3所示。数据层为平台的最底层，为BIM数据库，用于存储IFC标准数据文件格式的建筑信息，可以被建筑的各个专业共享使用；图形层为完成建筑的规划、设计、施工、运营维护等的工作层，可进行图形显示编辑；专业层为使用层，各专业可利用专业软件对建筑完成概预算、结构计算、地理国情监测等专业工作。信息管理平台建成后，信息数据修改完善都可以经由平台同步更新至各方，进行多方协同，减少问题冲突。

图2 BIM软件进行隧道变形预测模拟分析

图3 BIM信息管理平台构建

BIM技术以建筑信息管理见长，通过对测绘地理信息建模所形成的建筑信息模型，可有效实现建筑信息可视化、动态化、交互式、共享化要求。这不仅与GIS的信息管理特点相适应，而且在建筑层面上弥补了GIS技术的不足。BIM与GIS的结合，其实质是以测绘成果为载体的建筑信息与地理国情监测管理平台的结合。GIS对于区域或城市整体信息的管理具有绝对优势，但对于工程建筑单体本身的信息处理能力却略显不足[11]。BIM作为建筑信息管理平台的重要组成部分，是今后发展的趋势，是建设城市地理信息数据库的重要技术手段[12]。这要求前期的工程建筑测绘地理信息应充分利用BIM技术，进行统一、规范的表达，以便在后续的信息管理平台建设中能够良好地对接。

建筑工程交付阶段，如果开发企业能够将包含准确的设计信息、施工过程信息(如各类电气设备、安装构件、管线阀门位置等信息)、反映建筑最终情况的BIM模型交付运维单位，将为运维单位提供巨大便利[13]。在设备日常维护、检修等环节，运维部门依靠BIM模型中的数据能够轻松获得所有设备管线和固定资产的日常运行维护信息、房屋设施设备的全生命周期管理信息、房间的使用功能及相关设计参数。根据大数据所反馈的数据信息，为设备检修、保养、更换作出预警，避免由于设备老化、检修不及时对建筑安全使用造成的影响。

3 结束语

近几年，国家对地理国情监测的投入加大，认识逐步增强，各种技术手段得到广泛应用，取得了显著成效[14]。测绘地理信息化体系是地理国情监测的重要支撑，BIM技术为测绘地理信息化体系构建提供了重要途径，增加了信息来源。随着地理国情监测的常态化，未来，BIM技术在地理国情监测中的实践应用将更加广泛[15]。测绘地理信息化体系的完善反过来也将促进BIM技术中多专业的融合。

BIM在国内的应用处于起步阶段。目前，仅小部分工程项目使用BIM技术，如上海的迪士尼乐园、腾讯北京总部大楼等。各行业对BIM应用深度要求不统一、接口规范不一致等问题造成了不同应用阶段之间、不同专业之间的数据损失等问题，制约了推进过程。因此，有待国家制定政策引导和支持BIM技术在相关行业的应用，并加紧制定包括支持交换共享的地理空间信息时空参照规范、模型描述、数据格式、接口规范等数据交换标准，实现异构地理信息系统之间基于统一数据模型和空间定位基础的数据交换和共享。

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Research on Application of BIM Technology in National Geographical Conditions Monitoring

ZENG Qingwei1,WANG Tao1,CHAO Zhaobo2

(1. Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000,China; 2. China JiKan Institute of Engineering Investigations and Design,Xi’an 710043,China)

Building information model (BIM) technology provides a new way for national geographical conditions monitoring,because of its three-dimensional, dynamic and life cycle of information management model. This paper analyzes the necessity of BIM technology in the field of national geographical conditions monitoring, and studies the application of BIM technology in the information model creation, deformation prediction, information acquisition and management and so on.Through further statistical analysis, the surveying and mapping unit can excavate the geographical element information contained in the BIM results of the building and create conditions for the monitoring of the whole covered geographical conditions.

BIM technology; surveying and mapping information; national geographical conditions monitoring; application

曾庆伟，王涛，晁召波.BIM技术在地理国情监测中的应用[J].测绘通报，2017(2)：120-123.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0064.

2016-05-07；

2016-07-21

陕西省教育厅自然科学基金(14JK1167)；陕西铁路工程职业技术学院科学研究基金(2012-31)

曾庆伟(1984—)，男，讲师，主要从事工程测量教学与应用研究工作。E-mail：523280988@qq.com

P208

A

0494-0911(2017)02-0120-04