基于BIM+GIS技术的体育场时空立体数据平台构建*

郭 忻，赵一青

(河南工业大学土木工程学院，河南 郑州 450001)

0 引言

近年来我国具有独特风格和艺术水平的多元化体育建筑快速发展，这些大型体育场馆是城市的重要建筑，是城市经济文化的窗口之一。为加速体育建筑的发展，借助现代化科学手段对具有高水平设备、配套设施完善和使用功能齐全的大型综合性体育场馆进行数字信息化管理已成为新趋势。

白秦涛[1]依托GIS、动态仿真等技术设计了延安黄河引水工程管理调度系统的总体架构；葛彬等[2]将BIM和Web GIS技术结合，设计并实现了能实时定位体育馆人员的可视化框架；韩光瞬等[3]以大型活动全生命周期过程为原则，以空间位置为支撑，搭建了大型活动安保信息系统基本框架。从应用现状来看，BIM+GIS技术在大型体育场馆管理过程中未能充分发挥在信息集成管理及开发数据平台方面的应用价值。

本文将大型体育场馆运行管理过程中的多维管理要素与BIM模型耦合关联，并与GIS三维地理场景空间充分集成，形成了宏观与微观信息并举的地理空间和建筑信息融合模型。通过构建符合大型体育场馆运行管理需求的时空立体数据平台，提供了一个可视化的信息共享与协同管理系统，使管理者能够高效、精准识别体育场馆大型赛事及活动运行管理过程中出现的各类问题，提高了管理人员的工作效率，并为科学决策提供依据。

1 大型体育场馆管理模式

1.1 传统管理模式

大型体育场馆总体管理目标是保障大型赛事活动参赛人员及群众的秩序，使所有体育场馆及场馆内设备均保持正常工作，保证体育场馆运营效益，同时提高管理效率。传统体育场馆管理模式主要存在以下弊端：①运行维护工作量大 传统模式下，由于大型体育场馆分馆众多，占地面积较大，管理对象复杂，导致日常维护人员工作任务繁重。②信息分散，相互独立 在大型比赛及活动过程中，通常需要多个并立的信息管理系统配合，传统的空间信息管理方式仍然沿用相对落后的手动操作方法。即使将地理信息概念用于配合一些较为基础显示功能的简单二维管理模式，这些模式所具有的分散和不规范的缺陷，也使全面的区域三维研究和空间分析很难进行。③时空特性复杂 大型体育场馆具有显著的时空关系，传统模式下信息与异形空间缺乏结合，为决策带来不便。④决策方式落后 在决策方面，当前主要通过管理人员对局部数据进行统计分析，结合经验进行决策，缺乏对信息的总体性分析。

1.2 基于BIM+GIS的可视化管理模式

基于BIM+GIS的时空立体数据平台是一种信息管理系统，具有对大规模海量数据集成管理，无缝对接、三维实时漫游及常规应用程序扩展等数字化功能。平台管理流程如图1所示。系统将大型体育场馆众多管理对象与地理信息结合，采用智能化数据分析方法，协助体育场馆感知紧急情况，及时通知管理人员进行分析决策，使各类信息实现地图实时定位及实时刷新，并解决物联网的多源异构信息集成问题。平台从数据采集、信息录入、决策发布等方面，形成了一套共享能力强、覆盖点位多的管理流程，弥补了传统体育场馆管理模式的不足。

图1 时空立体数据平台管理流程

2 时空立体数据平台设计

2.1 平台体系架构

构建时空立体数据平台的核心思路是将BIM建模技术与浏览器结合搭建三维空间场景，并开发多样的功能模块。平台集成多种数据来源，通过统一运算、调度、管理，使信息在系统内高效流转，及时、准确传递到各子系统或功能模块，实现数字化、信息化管理。平台建设应坚持高弹性、高灵活性、高个性化的原则，采用合理、先进的系统架构，对模型结构进行科学的设计，实现业务内容增减变动的控制与定制，适应未来技术发展趋向和需求变化。因此，时空立体数据平台的架构划分为3个层次，如图2所示。

图2 时空立体数据平台体系架构

应用展现层(SaaS，software as a service)，内容包括行业服务、公共服务、基础服务，于自有服务器上部署应用程序，对不同类型、不同服务目标的用户，根据实际需求，提供不同级别的时空信息云服务应用。服务平台层(PaaS，platform as a service)，包括公共组件服务、开发环境、运行支撑，将服务器平台视为一种服务以提供运算平台与解决方案的模式[4]。基础设施层(IaaS，infrastructure as a service)，包含自动化、虚拟化、资源池，根据用户的实际使用或资源占用情况计费，并通过网络对外提供基础设施。

2.2 平台开发环境

系统基于CesiumGIS平台，在JAVAScript, Python等语言环境下，使用Microsoft Visual Studio为代码编辑工具，采用PostgreSQL为数据库进行系统开发。PostgreSQL作为一种特性齐全的数据库管理系统，具有稳定性强、速度快、支持地理信息处理扩展等特点。平台部分开发工具信息如表1所示。

表1 开发工具信息

2.3 平台开发框架

系统中的网络结构可以根据不同形式分为C/S(客户端/服务器)或B/S(浏览器/服务器)模式。在基于C/S的系统中，用户通常与在PC上专用的BIM软件进行交互，且允许对BIM信息进行深度访问，并在客户端上缓存数据。但使用客户端BIM平台的用户需安装相应的BIM应用程序，系统装载软件和数据展示不能及时完成，使用和维护十分繁琐。而基于浏览器的BIM模型，任何项目成员或管理人员无需专业培训即可熟悉操作流程并进行交互，界面常规，各参与方不用额外下载安装客户端[5]。除Web浏览器外，不用再额外添加任何软件或插件即可显示3D模型。综合以上对2种模式的对比，同时考虑平台更新维护及用户需求，选用B/S模式进行系统设计。

系统采用ASP.NET MVC为Web开发框架。MVC(model view controller)即模型、界面和控制器，是一个软件分级框架。该框架将前端控制视图显示和后端处理业务逻辑分离，并将应用逻辑与后台数据分离。ASP.NET MVC架构如图3所示。控制器向每个业务模型传递用户所需要输入的指令和信息，模型实现对业务逻辑判断和对数据库访问，根据不同的逻辑判断选择不同的计算图像，并将计算结果进行页面显示反馈给用户，以便进行下一步的处理操作。该框架具有易于维护、扩展性良好、保障功能实现等优势，在改进个性化定制界面时，无需重写业务逻辑。

图3 ASP.NET MVC架构示意

3 时空立体数据平台关键技术

3.1 模型信息集成与可视化

3.1.1BIM+GIS信息集成

BIM在近阶段发展中衍生出多种数据模型及对应的数据格式，为探索合适的模型融合方法，应首先确定模型源格式。BIM专业软件种类繁多，不同的建模软件相应的格式文件也形式多样。目前，IFC(industry foundation class，工业基础类)已成为由IAI(international alliancefor interoperability，国际协同联盟)所制定并管理的BIM数据标准，被建筑工程领域中公认且广泛使用，具有稳定性、开放性、完整性等特点[6]，因此选择IFC作为建筑信息模型的源数据格式。但IFC格式需进行格式转换后才可以被Cesium直接读取。

Cesium是一个开源JAVAScript库，用于在Web浏览器中组合3D虚拟模型与2D平面地图，它以符合地理信息平台(GIS)行业规范的方式访问空间数据，并支持公共和私有数据源，通过远程服务加载服务器端地图数据，并在浏览器中可视化地图数据[7]。3D Tiles是一种用于流化和呈现海量多源异构3D地理空间数据集的开放规范，是一种可以高效加载的数据格式，Cesium为3D Tiles提供了一个平台。

实现模型格式转换，需从建模软件Revit中导出模型文件为IFC格式作为源格式。IFC和OBJ都是常见的模型文件格式，是转换3D模型的良好介质。但IFC包含建筑信息模型和相关组件的大量语义信息，而OBJ文件仅包含几何信息和材料属性。为确保格式转换后模型属性的完整性，应根据已建立的规律将模型拆分为IFC文件和JSON文件。对于结构部件，模型分为结构柱、梁、楼板、剪力墙等。建筑组件分为建筑柱、构造柱、墙等装饰组件。在BIM server服务器管理平台中上传IFC文件，并通过IFC engine对其进行拆分。在此运行流程中，IFC文件中的所有对象会被一一遍历，而包含几何信息的对象将根据模型拆分的原理被导出为单独的IFC格式文件中，相关对象语义属性的信息由JSON文件保留。

格式转换流程如图4所示。①第1步 将模型从建模软件中导出IFC格式文件，进行IFC文件解析和拆分；②第2步 使用IFCOpenShell提供的开源数据转换框架将IFC文件转换为OBJ文件；③第3步 应用obj2gltf工具使OBJ文件转变为glTF文件，与含有属性信息的JSON文件组成瓦片数据b3dm文件。④最终，在b3dm文件中添加用来组织三维瓦片空间结构的瓦片集文件(Tileset.json)，得到可在Cesium框架中展示的3D Tiles文件。

图4 IFC格式转换流程

3.1.2模型的WebGIS可视化

Cesium是基于WebGL的3DGIS开源框架，具有良好的封装和较快的模型渲染速度[8]。Cesium体系结构分为4个级别：核心层、渲染层、场景层、动态场景层。核心层是架构的最底层，封装了矩阵向量计算、坐标转换等算法。调用核心层可以实现模型坐标的转换。渲染层是对WebGL底层的抽象和封装，渲染过程主要包括片元着色、顶点缓冲、纹理图形绘制等。场景层以核心层、渲染层为基础，实现地形数据异步加载、地图切换、模型加载及视图窗口控制等。动态场景层主要实现矢量数据的处理和分析以及动态对象的创建，动态对象由可视化类对每一帧渲染实现场景下实时可视化展示。

Cesium支持除3D Tiles外多种格式建筑信息模型的加载，其内部运用LOD(levels of detail，多细节层次)算法。该算法根据模型节点于显示界面中的位置和重要程度，减少了非重要对象面数、降低了细节程度，以获得高效的渲染操作。应用LOD算法使场景在实时渲染的条件下，最大程度提升显示效果。

3.1.3LOD层级划分

加载的模型主要以b3dm的形式存储在数据库的文件中，空间加载索引和空间LOD级别的空间划分，也在较大程度上影响了3D Tiles的具体加载速度以及文件渲染后的效果。正确使用空间集合索引数据结构和应用LOD算法中的层级划分不仅能有效提高数据加载的效率，且有效避免了遍历所有类型数据的整个空间集合，从而显著提高数据渲染的执行速度。3D Tiles的空间索引结构包括四叉树、八叉树[9]等结构。IFC文件使用工具转换格式过程中，完成数据过滤、数据组织和数据映射以获得glTF文件，通过添加具有属性信息的JSON文件来形成b3dm文件。LOD层级划分过程如图5所示。组织数据并构造索引结构后，随着视点与模型之间的距离减小，将加载模型的更高层级的LOD4数据。随着视点与模型间距增加，将防止相对较小的窗口、楼板等组件被加载到较低的LOD2和LOD3级别，且组件中的某些信息会直接从高级别LOD中删除。当视角偏离模型较远时，将仅加载LOD1层级的场地轮廓，以确保加载速度和视点精度之间的平衡。

图5 LOD层级划分过程示意

3.2 模型交互

模型交互处理通过实时监听获取用户前端发送的鼠标键盘操作事件实现。首先点击选中模型实体构件获取唯一标识符guid，并通过ajax异步实时反馈给后台执行SQL语句，以便数据库根据触发信息获得触发类型，完成相关业务数据检索与关联。通过获取到的模型构件唯一标识符guid与初始化场景加载到内存中的JSON文件进行匹配，获取与构件相关的IFC属性信息。基于JAVAScript脚本在前台页面显示相关业务流程数据，将生成交互渲染结果的图片数据流及时反馈给对应的页面，使对应的页面获取所需的图形数据进行交互展示[10]。

4 时空立体数据平台应用案例

随着相关软件产品的快速发展，集成可视化平台已成为BIM应用领域的一种趋势。IFC和WebGL的使用不限于特定的数据管理域，已实现用于支持信息交互和BIM可视化的管理平台。结合以上理论研究的基础，将BIM+GIS技术应用于郑州市某大型体育场馆，构建基于Web浏览器的时空立体数据平台。

4.1 项目概况

郑州奥体中心项目位于郑州市郑西新区常西湖新区，体育中心包括4个部分：体育场、体育馆、游泳馆及配套商业。总建筑面积为58.4万m2，属于大型一流体育场。体育场中央为标准田径运动场，举办足球比赛和田径比赛，正面看台西侧设有羽毛球场和乒乓球场，北侧看台的北地下部分设有羽毛球和篮球训练室，东侧看台的东面设有8层酒店，为复杂的综合性多功能体育场。管理方决定采用信息化的科技手段将场馆内分散的多种设备和各类系统集成，以保证大型赛事及活动的安保系统完备并提高管理效率。

4.2 平台应用流程

时空立体数据平台的显示前端采用响应页面，Web服务器连接在奥体中心内部网络的私有云中，只需连接内部的局域网，打开浏览器并输入相应的网址，即可在PC或移动端进入平台，查看奥体中心管理信息。管理员可对视角信息、监控数据、漫游视频、消防预案、联动车辆等信息进行查询、删除操作。用户分为两类，超级管理员和管理员，超级管理员具有添加新管理员的权限，包括更改用户名、密码、姓名、权限分配和角色等操作。具体应用流程如图6所示。

图6 郑州奥体中心时空立体数据平台应用流程

4.3 平台功能展示

在Web浏览器上，模型具有稳定的渲染质量，可应用于构建大型体育场馆BIM数据管理平台。奥体中心时空立体数据平台是为某大型运动会顺利举办而开发的可视化信息管理系统，基于安防等各方面综合考虑设置了多种定制子系统和功能模块，如图7所示。

图7 郑州奥体中心时空立体数据平台功能展示

1)公共模块

该模块主要功能包括看板展示、智能搜索、地理数据分析及工具下载。看板展示和智能搜索主要是对场馆里的重要关注点，例如消防设备、停车场、出入口等进行简单介绍。实现BIM模型在GIS场景中与其他业务模块及数据信息进行交互的可视化显示，包括模型管理、视图管理、数据查询，在三维空间环境内展现体育场馆内部构造及设备，以便管理人员结构化、条理化地进行决策。地理数据分析主要包括三维空间内测距、测面、三角形测高、定点测高及可视域分析，以解决地形上监测点集合的可视性问题。场馆二维、三维模型系统的正常运行需要配合插件，在工具下载页面下载。例如，在系统中浏览海康监控视频使用到海康监控插件和三维监控播放器，在系统中浏览车载监控视频需安装零壹车载视频插件，插件均需用户提前安装和配置，系统将提供安装程序下载。

2)场馆操作

本模块包括监控数据管理、消防预案管理、漫游视频管理。每个场馆的操作大同小异，内容主要包含维护管理、视频监控、应急管理方面的功能。前后台交互通过Ajax回传方式实现，并将业务信息与BIM模型绑定。监控设备与三维系统配合，在叠加实景视频的同时实现监控的实时观看和操作。监控数据包括所属建筑监控名称、设备类别、设备标识、设备视角。管理员具有对监控数据信息、消防预案信息及漫游视频信息的查找、删除权限，便于直观查看处理，提高工作效率。

3)三维联动

管理人员在该模块可将安保车辆与车载摄像头进行联动。首先需配置车辆对应的GPSID和摄像头ID，根据车牌号查找，选择对应的车辆，然后通过三维联动的控制端，进行解除锁定、视角转换、路线显示等操作。结合三维联动，运行管理人员可根据维护任务制定消防疏散预案、添加巡检记录、处理隐患。系统可针对突发事故预警进行应急响应，包括应急预案启动、物资人员调派、应急上报等，以实现全面的安保管理。同时各功能业务信息与BIM模型关联并在系统页面显示，通过可视化的信息浮现机制使问题快速定位，实现了信息的及时传达与共享，提升时空立体数据的管理水平。

5 结语

基于BIM模型和Web浏览器，从平台体系架构、开发环境、开发框架及关键技术等方面阐述了大型体育场馆时空立体数据平台的设计与开发。同时结合郑州奥体中心实体项目，实现大型体育场馆管理信息的集成与可视化，为奥体中心大型赛事及活动的运行管理决策提供参考。

时空立体数据平台具有对网络前端软件和硬件要求低、维护升级方便、与移动终端兼容度高等诸多优势。该平台在整合体育场馆特殊用途的基础上，依靠计算机网络系统提供的信息传输通道，以标准规范、全面覆盖、智能感知的数据中心进行信息存储、集成和提取。平台包含的各种功能模块实现了各类信息资源的高度共享和统一管理，是大型体育赛事及活动运营管理和科学决策的有效工具。