GIS+BIM在数字孪生机场建设中的应用

张 雷

新疆机场（集团）有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830016

当前国民经济快速发展，智慧城市建设兴起，作为重要交通枢纽的机场，其建设也随之成为行业建设关注的焦点。中国民用航空局提出“四型机场”建设，以平安、绿色、智慧、人文为核心，而多种技术融合创新应用是当前四型机场建设的必然选择，GIS与BIM技术的融合创新应用，为四型机场的建设提供了创新应用手段。

乌鲁木齐机场对标中国民用航空局《中国民航四型机场建设行动纲要》要求，结合先进技术在乌鲁木齐机场改扩建过程中积极探索及实践，建立了全国机场改扩建指挥部首个BIM管理中心，其利用BIM+GIS融合技术为机场的规划设计、建设、投运提供了技术保障。

BIM管理中心在推广BIM+GIS融合应用的过程中进行了积极探索，如对管理机构的建立、技术培训、人员培训、应用场景等方面进行了大量的前期准备工作。文章通过乌鲁木齐机场建设对GIS+BIM融合技术的应用进行具体论述。

1 数字孪生机场建设的必要技术手段

数字孪生机场是智慧机场的起点，是智慧机场的基础设施，其以构建机场的数字模型为基础，实现物理机场与数字机场之间的虚实映射和实时交互，进而实现数据共享、智能运行、协同高效、生产要素全面物理的智慧机场。

数字孪生机场主要包括以下三个层面：（1）物理表达。用GIS、BIM、三维仿真等技术实现机场空域、地面、地下三位一体的空间建模，以及航空器、车辆、设施设备的空间表达，完成机场的物理仿真。（2）智能感知。利用物联网和5G技术，采集并传输机场重要设备设施的实时状态及运行趋势，实现机场的智能感知。（3）业务融合。对人员、设备、组织的表达与管理包括业务流程的各类应用，通过对业务流程的表达和优化促进智慧决策。

GIS+BIM技术是数字孪生机场建设的重要技术手段之一，为数字孪生机场中的物理表达提供了重要的数据源，在机场建设中GIS及BIM的集成应用贯穿于机场规划、设计、实施、运营的全生命周期之中，如工程建设管理、工程规划设计、机场设施管理和应急救援等方面。

2 GIS+BIM的应用方向

过去GIS与BIM立足于各自领域发挥各自的作用，随着时代与技术的发展二者逐渐走向跨界融合：BIM需要GIS将BIM带入更宏观的场景，实现对宏观情况的全盘掌握、统一调度；GIS需要BIM使GIS突破室内外的隔阂，做到室内外的无缝连接一体化应用。

GIS与BIM融合技术在交通、水利、建筑、能源等行业应用广泛，包括道路、轨道的工程规划设计、城市的规划设计、综合管廊管理、消防救援、培训教育、旅游和休闲活动、交通流量分析等诸多领域。二者融合后在分析精度、工程质量、成本控制、决策效率等方面的应用有明显效果。

BIM需要GIS。单体BIM精细化模型通过GIS宏观大场景进行完美展示，离开GIS宏观地理环境将无法突显其价值。同时GIS通过宏观地理环境研究，为BIM提供决策支持，如综合管网的空间碰撞分析、应急救援路径规划。

GIS需要BIM。BIM数据包括的空间数据及属性数据是GIS数据的重要来源之一，实现了GIS宏观到微观的一体化应用，促进了精细化、智能化的业务管理，融合室内BIM数据后为室内外管理一体化应用提供了新的技术手段。

GIS+BIM在数据及应用方面有重叠点，如空间分析、数据表现形式、信息管理等方面，因此二者的融合产生了无限的可能。

3 BIM转换GIS的过程

3.1 BIM数据转换

（1）BIM模型数据格式转换。当前GIS与BIM融合以Gity GML和IFC两个标准为主，包括数据格式转换和标准扩展两个方式。BIM生命周期伴随建筑的规划、设计、施工、运维，产生了大量的BIM数据，其包括空间数据和属性数据。将BIM模型数据通过格式转换以Web接口方式共享出来，并导入GIS平台中展示，供机场其他部门及服务商进行调用，处理流程如下：①BIM数据通过转换工具转换成slpk格式的三维数据和xml格式的属性数据；②slpk格式中保留ID字段和xml中对应；③slpk数据发布到GIS平台进行数据展示；④xml格式的属性数据导入数据库，编写Web接口，供Web端使用；⑤使用GIS平台SDK for JavaScript展示BIM数据，在需要时根据ID请求Web接口获取BIM数据的属性数据进行展示。

（2）数据轻量化。BIM模型数据是单体建筑，GIS需要管理机场区域的BIM数据，这就要求不仅要进行数据格式转换，同时要进行数据轻量化和优化。实现BIM轻量化，首先，要利用原生LOD技术将BIM中的三维对象参数三角化成三角网，进而生成不同细节层次的GIS模型，即将BIM模型生成不同精度和显示层级；其次，利用实例化技术将BIM模型中大量共用对象进行优化处理，结合GIS坐标位置实现复用模型化，提高实例化的渲染效率。

综上所述，BIM数据作为GIS的数据源，可通过数据格式转换手段将BIM数据的几何信息和属性信息进行无损分离，将几何信息和属性信息剥离分开存储。同时对BIM数据进行标准化处理，进而完成BIM模型数据的轻量化处理，根据业务应用需求对数据和图层进行集中管理使用完成优化处理，使得GIS平台实现从宏观走向微观，从室外走向室内的一体化。

3.2 GIS利用BIM数据

（1）BIM模型在GIS平台中的表达。GIS三维体对象模型需集成三角化的BIM模型数据，在GIS中进行三维空间关系、运算、分析的展示，为机场的规划设计提供技术支持。

（2）BIM单体之间的互联表示。单体BIM模型之间的网络联系通过GIS空间网络模型中的三维网络空间模型进行拓扑关联表达，从而为机场中综合管网及专业的水电气管网提供爆管网络分析、碰撞分析等提供技术支持，避免盲目施工给机场带来安全问题。

（3）三维数据坐标转换。BIM平面坐标与GIS的地理坐标隶属不同坐标系统，通过成熟的坐标转换工具将二者之间的坐标转换，实现二者数据的精确匹配，避免在GIS渲染时的漏洞和格列茨曼等问题，从而满足机场在规划、设计、建设、运营管理过程中对数据的精度要求。

（4）BIM与GIS多源数据融合匹配。通过对BIM数据进行统一坐标化以及标准化，根据实际业务需求将海量的BIM数据进行轻量化及优化处理，实现数据的平滑衔接以及纹理的自然衔拼接。

（5）BIM三维空间数据标准化。GIS+BIM应用越来越广泛，但缺乏统一的三维空间数据标准和规范体系，限制三维数据的共享和互操作。通过将BIM三维空间数据标准化，可实现数据的传输、交换和高性能可视化，从而实现数据的web端以及移动端的相关应用。

4 GIS+BIM的具体应用

乌鲁木齐机场秉承“智慧机场建设运营一体化”理念，利用GIS与BIM融合技术贯穿于机场规划、设计、施工、运营的全生命周期建设过程，满足建设方、运营方等多主体、多单位的需求，从以下应用方面进行了积极探索。

4.1 机场规划设计阶段

在机场前期规划设计中，GIS+BIM任务明确，作用明显。GIS的应用侧重地理环境的宏观规划，对宏观场景信息进行分析与管理，从宏观角度对机场工程分布进行规划定义。BIM对机场局部建筑、设施、飞行区等重点区域进行精细化表达，并通过GIS的宏观大场景进行室内外一体化展示。

基于GIS的宏观地理环境结合单体BIM的微观精细化，机场设计团队可以在虚拟的物理环境中查看3D模型，并与之互动，探索之前无法看见的建筑性能。让工作人员足不出户就能进入建筑设计、工程施工的各种虚拟模型场景，获得实境体验，参与讨论设计方案、施工现场的变更等，帮助用户在混合现实（MR）中进行三维模型的协同设计与讨论，从而解决更多复杂的空间问题。

重点场景仿真主要有交通仿真，滑行路线仿真，旅客排队仿真，旅客进港、离港仿真，如图1所示。

图1 规划设计仿真评估

4.2 机场运营阶段

（1）飞行区运行管理。基于GIS+BIM等技术构建的数字孪生服务平台，接入机场场面上航空器的实时位置、车辆的实时位置、机位实时状态、场面实时视频、气象信息、廊桥位等，使场区实际运行状态一目了然，进行全景虚实结合的综合监控管理。同时基于数字孪生服务平台可直观查看当前航班保障进程状态，以及详细的保障进程信息，包括所有保障进程节点、已完成节点的计划时间或实际时间、正在保障的节点、未进行的节点、预计保障完成的时间等。

（2）机场智能安防监控。立足于平安机场建设，利用GIS+BIM等技术构建三维机场并接入机场安防监控、门禁、周界、机场集成等系统数据，对航空器、车辆、人员、设施设备等进行实时监控，针对人群异常聚集、危险人员识别、人员跟踪、报警联动等事件，可通过三维机场迅速定位事件发生地点，防治并处理突发事件，突破传统安防监控的模式，实现室内外无缝对接一体化展示的安防监控管理，为管理人员提供了技术手段，提升了其工作效率。

（3）智慧管网。秉承机场设计建设运营一体化理念，利用机场建设中移交的数字资产，充分利用BIM和GIS融合技术对机场航站楼内和飞行区、公共区地下水电气管线进行三维建模，模拟其供水、电、气传导路线，利用传感器检测与感知水电气运行状态数据，基于GIS宏观空间分析能力对其进行故障排除以及周边影响分析。

（4）机场资产管理。针对机场航站楼基础资源、运行资源、旅服资源、管网及弱电等专业资产资源存在的资产管理不明或位置错乱问题，可以单体BIM的精细建筑模型为载体，结合GIS宏观地理信息环境和物联网、GNSS等技术，通过二维电子地图、360°实景、三维模型、BIM模型多元化方式直观展示资源的分布与位置，实现资源的可视化呈现。将机场建筑中的设施设备与BIM模型进行关联，并通过相关物联网手段感知相关设备的能耗数据及状态监控，并置于GIS宏观大环境中，在相关设备设施出现隐患时对周边的影响进行分析。

（5）应急救援演练。当前的机场应急救援演练局限于室外GIS路径规划，对建筑室内结构、资源分布、救援路径涉及较少，而GIS+BIM的融合应用拓展了应急救援演练的空间及深度，基于BIM精细模型，可对救援响应时间、应急事件处理、人员应急疏散等提供技术支持。BIM数据轻量化转为GIS数据时，置于GIS宏观环境中，对应急救援路径的规划提供技术支持，基于BIM三维模型结构，对消防灾害发生一定时间内的烟雾、火势、人员等情况进行模拟，动态化生成逃生方案。GIS+BIM的融合应用为当前应急救援工作提供了强有力的技术支撑，突破了传统的室内外救援隔离的视觉障碍。

（6）机场商业管理。利用BIM+GIS技术展示机场航站楼宏观微观信息、整理和收集航站楼内的各种商业资源，为机场和商户提供精确全面实时的商业资源信息，对航站楼内的商业资源、租户信息、商铺租用率、人流量、经济收益等进行可视化的维护、查询、统计与分析等管理，并可对每个资源的商业指标进行专题统计分析，以及时直观地掌握航站楼内商业资源的基本信息，提高对商业资源的管理水平，合理地分配商业资源，实现收益最大化。

（7）机场能源管理。通过物联网技术集成机场能源生产及消耗的各类资源及设备信息，包括但不限于各能源生产系统（电力、水、气、冷暖等系统）及能源消耗系统（IBMS、电力SCADA等消耗系统）等。结合GIS+BIM技术构建的三维模型，接入能源生产管理及能源消耗管理采集的数据，对机场范围内能源生产消耗系统的运行状态进行统一的状态监视及视图展示，使工作人员总览机场能源运行情况。

5 结束语

BIM及GIS融合在智慧机场建设中具有广泛的应用价值，是机场精细化、智慧化管理的必要技术手段。二者的数据融合应用已在机场规划、设计、建设、运营方面取得了一定的成果并积累了一定的经验。数字孪生机场是传统数字机场的终点，也是智慧机场的起点，要建设好智慧机场首先要建设数字孪生机场，而BIM与GIS融合在其建设中是必不可少的技术手段，其采集感知的数据将成为数字孪生机场、数字孪生体建设的重要数据源。如何拓展GIS+BIM的融合应用价值及其在数字孪生机场中的应用空间，是下一步关注的焦点。