基于三维BIM+WebGIS技术的区域数字水库构建

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(1.云南农业大学 水利学院，昆明　650201；2.河海大学 a.力学与材料学院； b.水利水电学院，南京　210098；3.中国电建昆明勘测设计研究院有限公司，昆明　650200；4.南京水利科学研究院，南京　210029)

1　研究背景

我国水资源丰富，且水库众多，这些水库在防洪减灾以及水环境保护中发挥着重要作用，因此对水库实施科学、安全、自动化的管理，已经成为非常迫切的需求与趋势。随着计算机技术的不断发展，其在工程领域的应用也逐渐普遍，水库信息智能化系统正成为解决水库安全科学管理的新途径。

王安生等[1]设计并开发了全国中小水库管理信息系统，实现了对全国水库信息的录入、查询、统计分析等功能；谢森辉等[2]提出了GIS技术、空间数据库管理技术和空间分析技术相结合的开发水库管理系统的实现方法；舒依娜等[3]开发了一套水库管理信息系统软件，实现了对水库信息资料管理查询功能。综合来看，这些系统大多是纯数据管理，覆盖点位少、共享能力弱、更新周期长，均未涉及三维GIS与BIM平台构建，可视化程度不够，用户无身临其境感觉，同时未能利用GIS和BIM的特点及优势。而建筑信息模型(Building Information Modeling, BIM)是近几年来出现在建筑界中的一个新名词，以三维数字技术为基础，集成建筑工程项目相关信息的工程数据模型[4]，是对该工程项目相关信息的详尽表达，将BIM平台技术的特点与优势与已成熟的GIS技术结合运用于水利工程之中为方便水利工程安全科学管理提供新的思路。本文将区域系统的诸要素数字化、网络化、虚拟化与可视化，用模型评价、分析、预测、预报区域的工程运行及社会经济的发展，将自然的区域变成可实时再现和模拟预测的信息化区域，构建一个功能强大的水利区域可视化信息管理系统。

2　区域数字水库系统的体系架构

区域数字水库，就是综合运用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、三维BIM、网络等现代技术，对某区域的水库基础信息、水情数据、大坝监测数据、视频数据等多源异构信息进行数字化采集与存储、动态管理、深层融合与挖掘、综合管理与传输分发，构建区域级水库可视化的基础信息平台和BIM+WebGIS立体模型，将整个区域水库信息模拟再现。

利用GIS高精度DEM和DOM数据，以及BIM模型集成的规划、设计、施工及运营等阶段的工程各种信息属性，从而实现水文预报、水库调度、大坝工作性态评估、溃坝分析等功能，通过建立各级职能和业务部门的专业应用模型库、规则库及应用系统，实现区域水库各类信息的可视化查询、分析、决策、显示和输出。

根据区域数字水库的基本思想，划分为数字区域可视化基础平台(基础层)、数字区域专业应用系统(应用层)，以及数字区域管理与决策系统。区域数字水库的体系架构如图1所示。

图1　区域数字水库的体系架构Fig.1　Framework of regional digital reservoir

3　区域数字水库系统的框架设计

系统平台采用B/S架构，分为前端页面展示模块与后台业务逻辑处理模块。前端页面负责对用户的交互处理，将用户的业务操作发送给后台业务处理模块进行处理，后台业务处理模块处理完成后返回相应JSON数据到前端页面进行展示。同时，后台业务处理模块也提供相应业务服务接口供用户进行调用，如图2所示。

图2　系统前后端模块Fig.2　Pre-and-back-end modules of the system

系统采用MVC模式设计，前端页面使用JavaScript的富户端页面，主要应用的框架有Jquery，Bootstrap。另外，还有自行封装的一些 UI 组件，后端主要采用到的技术有Spring MVC，Hibernate ，以及自行开发的一个权限管理组件，数据库采用的是 SQL Server 2008 R2，如图3所示。

图3　MVC架构示意图Fig.3　Framework of Model View Controller (MVC)

4　基于三维BIM+WebGIS的系统构建

4.1　工程BIM

数字水库中的BIM包括模型和信息2个方面：①模型包括大坝建筑物、安全监测仪器、电气设备等，可利用Inventor，Revit，3DS Max软件及各种建模技术生成；②水利工程在规划、设计、施工和运营等阶段中涉及到的信息数量十分庞大，包括枢纽建筑物、建筑物布置、施工过程与监控、机电设备、金属结构、物资材料、水库、移民环保等信息。为了实现对这些信息高效、动态的管理，必须对其进行合理的分类，BIM模型信息分类以信息模型为基础，按照水利工程全生命周期各阶段(规划、设计、施工、运营)进行信息划分。

BIM信息模型的存储方式同时选用关系型数据库和分布式文档存储系统。其中，关系型数据库以表和字段的方式来存储模型信息，包括基本属性、模型拓扑、材料、工程量、进度、费用、机械设备、施工环境、施工质量、安全监(巡)视检查、运行管理。以模型基本属性信息为例，其数据库表中字段应包括模型编号、模型名称、模型创建时间、修改时间、创建单位、创建人、修改人、存储位置。分布式文档存储系统以文件形式进行信息存储，包括模型文件、可行性研究报告、相关科研报告、模型相关的合同信息等便于以文档方式进行存储的文件。

4.2　数字水库流域GIS模型

在构建区域水库地理信息模型GIS时，可利用收集到的数字高程模型(DEM)与正射影像相(DOM)数据叠加的方法来制作，收集区域地形影像、航空影像等图像数据，数字高程模型和河流、道路等地形数据，利用相关软件处理收集的空间数据来构建能真实反映工程现场及流域地形地貌的三维地形。

4.3　三维BIM+WebGIS架构

参考相关文献[5-8]，设计三维BIM+WebGIS架构。数字地形模型数据量大，同时涉及海量的BIM信息，如果用普通的可视化引擎来展示势必会引起操作效率等问题。为快速、直观流畅地展示，以及有效融合BIM信息，选用三维地理信息可视化系统SuperMap。

图4　WebGIS控件与JavaScript交互方式Fig.4　Interactive modeof WebGIS control andJavaScript

SuperMap iClient3D for Plugin是一套基于SuperMap UGC (Universal GIS Core)底层类库和 OpenGL 三维图形处理库的三维地理信息可视化客户端开发包。且可支持相关浏览器以及自定义三维可视化场景，并实现海量数据加载、数据浏览、图层控制等功能。通过使用 JavaScript 脚本语言建立三维可视化地理信息客户端，并以 ActiveX 控件形式集成于 Web 网页中，如图4所示。

4.4　三维可视化平台

浏览器客户端安装SuperMap iClient3D for Plugin插件后即可打开并浏览三维大坝BIM+WebGIS场景，三维大坝BIM通过热点与数据库中存储的BIM数据进行关联，可以在场景中显示、查询大坝BIM数据，如监测仪器数据及过程线展示，视频摄像头实时画面。同时可对GIS场景进行量测，显示降雨等值线等功能。通过大坝BIM+WebGIS，实现了区域数字水库一张图，使得管理人员的操作更有效率、更直观，监测数据的追溯变得轻而易举，极大地提高了水库管理水平。大坝BIM+WebGIS制作流程如图5所示。

图5　BIM+WebGIS发布流程Fig.5　Release process of BIM+WebGIS

采用BIM+WebGIS技术，在充分研究管理部门需求的基础上，研发了基于三维BIM+WebGIS系统可视化平台，如图6所示。该平台解决了水库管理单位当前存在的“信息孤岛”等问题[9]。平台提供了直观形象的展示方式，集成了离散的业务功能，实现了水库及水库群的集中监控和联合管理，有效地提高了管理部门工作的效率，为管理部门科学高效管理提供了支撑，为各职能部门提供区域级的综合规划、建设、运行管理等辅助决策手段，为社会公众提供区域水库信息服务。

图6　三维BIM+WebGIS可视化平台Fig.6　Three-dimensional visualization platformbased on BIM+WebGIS

5　结　语

基于工程BIM模型和数字水库流域GIS模型，从系统体系架构、框架设计等方面详细阐述了三维BIM+WebGIS可视化区域数字水库安全管理系统平台的设计与开发。该系统在整合并利用现有各类水利信息资源的基础上，依托计算机网络系统提供的信息传输通道，以标准规范、信息全面、高度共享的数据中心为信息存储、整合提取的基础，实现区域内水利机构间各类信息资源的高度共享与统一管理，是区域水库运行管理、科学决策的有效工具。

参考文献：

[1]李俊. 全国中小水库管理信息系统的设计与实现[D]. 北京：北京邮电大学, 2009.

[2]谢森辉, 彭剑, 郑友淼. 水库管理空间信息系统的设计与实现[J]. 地理空间信息, 2011， (5):84-86.

[3]舒依娜, 郑源, 崔强,等. 基于Visual Basic和Access的水库管理系统开发研究[J]. 水电能源科学, 2009, 27(1):96-98.

[4]李勇，管昌生.基于BIM技术的工程项目信息管理模式与策略[J].工程管理学报,2012，(4):17-21

[5]刘吉夫，陈顒，陈棋福，等.WebGIS应用现状及发展趋势[J].地震, 2003, 23(4):10-20.

[6]EASTMAN C, TEICHOLZ P, SACKS R,etal. BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors[K]. New York: John Wiley and Sons, 2008.

[7]姬江涛.基于Web GIS的水库管理信息系统研究[D].太原：太原理工大学, 2005.

[8]姬江涛,杨军耀.基于WebGIS的水库管理信息系统设计与实现[J].太原理工大学学报, 2005, 36(3):346-349.

[9]李直.水库管理空间信息系统的设计与实现探讨[J].黑龙江水利科技,2013,41(11):95-97.