基于BIM+3DGIS的块体监测系统应用研究

耿峻　李会中　丁琦华　朱志宏

摘要：针对水电工程地下厂房块体稳定性监测与三维可视化的表达问题，采用BIM+3DGIS 技术搭建了三维可视化块体监测系统。该系统在高精度地形场景中可准确反映块体空间信息和几何形态，展示监测仪器布设位置，集成厂房BIM模型，关联监测数据，形成三维可视化的块体实时监测预警体系。将系统应用在三峡水电站右岸电站地下厂房块体稳定性监测中，极大地提高了实时监测信息及厂房安全管理的效率，可为块体稳定性分析评价提供决策依据。相关经验对水利水电工程三维可视化监测管理具有一定参考价值。

关键词：地下厂房; 块体稳定性; 安全监测; BIM+3DGIS

中图法分类号： TV698

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.037

0引 言

水利水電工程地下厂房块体稳定性问题一直是地下工程中重要的技术难点[1-3]。水电站厂房施工过程中，块体采用了合理的工程技术手段支护且布设了大量的监测仪器。块体深埋地底，地下电站装饰后块体和监测仪器隐藏在墙壁岩体之后，块体的分布位置、监测仪器的涉及区域都不可见，导致运维管理阶段块体信息直观性不强，监测实时性较差，安全管理和监测效率较低，传统手段难以满足现阶段块体可视化监测管理的需求。

近年来BIM和3DGIS技术得到了长足发展，其强大的三维可视化技术、三维建模能力、数据加载能力、数据处理能力为水利水电工程安全监测提供了全新的解决思路。目前，将BIM和3DGIS技术应用在水利水电工程安全监测中的相关成果已有不少。马瑞[4]提出了基于3DGIS技术的水库大坝安全管理;朱亭等[5]开发了基于BIM技术的三维可视化大坝安全监控系统;卞小草等[6]提出了基于BIM+3DGIS的水电项目群建设管理系统;He等[7]将三维 GIS 技术应用在了小浪底水电站安全监测方面。然而，将BIM和3DGIS技术运用到岩石块体监测中的案例却很少。笔者基于BIM+3DGIS技术开发了块体监测系统，充分发挥二者优点，搭建3DGIS地表场景，融合采用BIM 技术构建的地下厂房实体、块体BIM模型、监测仪器模型，关联监测信息。同时，开发出集成三维可视化模型展示、数据查询展示及监测预警等模块的块体安全监控系统，以提高地下厂房安全管理效率。

1BIM+3DGIS关键技术

在行业应用中，BIM提供模型的数据基础和微观表达，3DGIS则提供环境数据和空间地理信息。3DGIS的多源空间数据为BIM应用提供了宏观可靠的地理环境基础，BIM的精细化模型数据弥补了3DGIS无法表达和描述对象内部结构的缺陷。BIM与3DGIS技术的融合，实现了微观领域的BIM信息与宏观领域的3DGIS信息的交换和互操作[8-10]。在BIM+3DGIS系统开发过程中，需要解决信息模型建模、数据集成、平台搭建、坐标系转换、渲染效果等关键技术。

1.1BIM和3DGIS信息模型

通过无人机航飞结合近景摄影技术采集地形数据，加工形成 DEM、DOM、DLG等数字产品，数据融合构建三维地形基础数据库，建立研究区3DGIS模型。采用BIM模型进行三维可视化的核心内容是BIM建模与信息关联。采用达索系统3DE平台的知识工程（Knowledge Engineering）模块搭建建筑物、地质、块体模型的模板，根据不同构件参数调用模板进行参数化建模，建立大坝、地下厂房、块体的BIM模型，以及三维地质模型和监测仪器设备模型。

BIM模型和3DGIS模型的建立，实现了对地形、建筑、地质条件、地下厂房、块体、监测模型的精细化表达。

1.2坐标转换

BIM模型一般使用高斯平面直角坐标系，如北京54、地方坐标系，3DGIS中常以大地坐标系来表示空间位置信息。因此BIM模型与3DGIS数据的集成面临坐标系不同、无法匹配的问题，必须进行坐标转换。

采用C++编写坐标系统转换插件，将BIM模型中所有顶点、中心点通过转换算法进行坐标转换，实现BIM与3DGIS坐标层面上的融合，其算法转换流程如图1所示。

1.3BIM与3DGIS数据集成

BIM和3DGIS数据集成是一项复杂的课题。BIM是在IFC标准体系下建立和管理数据，以IFC格式进行数据交互流通;3DGIS是以CityGML为编码标准，用以存储和交换虚拟三维空间信息。BIM与3DGIS的融合，核心在于IFC和CityGML两个数据标准之间的数据转换[7]。

本文中BIM模型采用IFC格式导入3dsMax，通过纹理和渲染，赋予模型真实材质。导出为IVE 数据类型，对 IVE 数据和IFC数据进行集成，构建BIM模型数据库，并根据系统精度和数据量大小对模型进行LOD分层分级、化简和存储，生成系统中所需的三维数据格式。最后将BIM模型数据与三维地形数据的坐标单位、坐标系和投影方式等进行统一，将BIM数据融入3DGIS平台中，实现BIM和3DGIS数据的融合集成[8]。

1.4基于BIM+3DGIS技术的可视化管理平台开发

基于BIM+3DGIS技术的可视化管理平台开发的最大难点是开发满足BIM和3DGIS功能需求的底层三维平台。经过综合分析，本文系统开发底层采用osgEarth 开源库，同时结合HDR渲染技术优化底层三维展示效果[10]，使其能够同时满足3DGIS空间信息应用需求和BIM模型精细化展示效果。

osgEarth三维场景可视化开源引擎是使用C++语言和三维渲染引擎OSG开发的地形生成系统，能加载GIS数据，访问地图服务器，支持地图本地缓存、金字塔影像自动创建、数据分层分块显示等操作。通过对osgEarth的封装、优化，完成基础平台搭建。基于底层开发了数据预处理、数据存储管理、数据集成浏览等一系列工具软件。利用这套完整的工具软件，对多源数据进行处理和集成可形成多尺度BIM+3DGIS场景，支撑水电工程监测系统的模拟仿真应用[11]。数据处理集成流程如图2所示。

2块体监测系统设计与实现

2.1系统架构

系统在设计上综合考虑用户需求，选用C/S架构设计。系统自下而上分为感知层、数据层、业务逻辑层、表示层4个层次，系统架构如图3所示[9]。

2.2系统功能设计与实现

系统主要包括BIM+3DGIS可视化管理、地质信息管理、运行维护管理、块体信息管理、实时预警管理5个模块，系统模块功能如图4所示。

功能模块：① BIM+3DGIS可视化管理。实现BIM模型在3DGIS场景中的三维可视化及数据交互，包括模型管理、视图管理、数据查询绑定等功能。② 地质信息模块。展示地下厂房所处地质环境、地质条件。③ 运行维护管理。④ 块体信息管理。维护记录块体分布、位置、方量、和监测仪器的对应关系、初始稳定性、初始处理措施。⑤ 实时预警管理。主要包括监测数据管理、实时预警等。开发监听程序实时接收监测数据，对不同仪器数据实时分类显示，对监测数据设置相关算法和规则，进行实时分析预警，并基于E-chart实现数据图形可视化。

3工程案例应用

以长江三峡水利枢纽工程右岸地下厂房为例，基于BIM+3DGIS技术建立块体三维可视化监测系统。三峡水电站右岸地下电站主厂房围岩中的结构面、断层和洞室开挖面组合切割形成不同类型块体，其中大于100 m3约77个[1-3]，施工过程中采用锚杆锚索进行支护设计，并埋设多点位移计、应力计等监测设备。该系统集成地形3DGIS模型、建筑物BIM模型、块体模型、监测仪器模型，关联实时监测数据，对三峡电站主厂房块体进行可视化管理和稳定性监测。

3.1三维可视化展示与管理

采用BIM技术对三峡地下电站厂房、块体、监测仪器进行三维可视化建模，如图5所示。通过自研插件完成基于HDR技术的高质量渲染。采用BIM技术完成三维地质模型，如图6所示。

采用DEM、DOM数据建立三峡工程坝址区3DGIS地形地表模型，构建真实三维地形地貌如图7所示。

将BIM模型数据集成在3DGIS平台中，完成整体三维场景搭建，近乎真实地展示三峡枢纽区三维场景、地下电站主厂房实体结构、地质条件、块体空间分布和几何特征、监测仪器埋设位置等，如图8～9所示。在平台中可以实现对 BIM 模型的基本操作与查看，如平移、旋转、缩放、测量、标注、漫游等。

将平台和VR视觉表达进行混合开发，实现地下厂房模型与真实世界场景的融合。用户通过佩戴VR眼镜在三峡水电站地下电厂BIM模型中漫游、交互式操作，真正做到足不出户即可对整个厂房进行浏览和管理。

3.2数据查询

传感器获取的数据通过网络传回数据中心，并集成在本系统中与BIM模型关联。数据查询机制是块体空间数据和属性数据的双向互动检索。一方面可以拾取三维场景中的实体對象（包括厂房建筑、块体、监测仪器），查询并显示实体的属性信息;另一方面也根据属性数据，按目标条件进行查询，实现目标块体的快速空间定位和查询。查询的结果通过动态生成曲线图、柱状图、散点图以及数理统计结果表等图表形式（见图10～11），综合展示块体及监测仪器相关监测信息。

3.3实时监测预警

系统运行后实时监测数据变化，对监测数据设置相关算法和规则，当监测数据触发监测预警规则即发送邮件消息，消息中包含监测异常值、所涉及块体信息和相关处理方式。根据标准化操作对消息及时处理和反馈，结合专业分析对块体稳定性进行甄别和判断。监测预警流程图如图12所示，监测数据邮件推送如图13所示。

4结 语

本文阐述了BIM和3DGIS各自的特点，研究了BIM和3DGIS建模、坐标转换、BIM和3DGIS数据集成、BIM+3DGIS底层开发等几大关键技术。基于BIM+3DGIS研发了三维可视化块体监测系统，并将该系统应用在三峡工程地下厂房块体监测中，全面直观地表达了地形地貌、厂房结构、块体监测信息，并实时监测预警，极大提高了厂房安全管理的效率，为水电工程三维可视化安全监测管理提供了参考。

参考文献：

[1]夏露，李茂华，陈又华，等.三峡地下厂房顶拱典型块体研究[J].岩石力学与工程学报，2011，30（増1）：3089-3095.

[2]邬爱清.基于关键块体理论的岩体稳定性分析方法及其在三峡工程中的应用[J].长江科学院院报，2019，36（2）：1-7.

[3]王家祥，叶圣生，王德阳，等.三峡地下电站尾水洞槽挖洞间岩墩稳定性分析[J].人民长江，2007，38（9）：66-69.

[4]马瑞.基于三维可视化和物联网技术的水库大坝安全管理研究[C]∥中国水利学会2016学术年会论文集（上册），北京，2016.

[5]朱亭，张贵，金刘琦，等.三维可视化大坝安全监控系统研发及应用[J].人民长江，2019，50（7）：217-222.

[6]卞小草，雷畅，丁高俊，等.基于GIS+BIM的水电项目群建设管理系统研发[J].人民长江，2018，49（7）：72-76.

[7]HE B，YANG Z，MAN H，et al.The application of 3D GIS technology inXiaolangdi hydraulic project safety monitoring[C]∥International con-ference on model transformation，New York，2011.

[8]谢明霞，张力，马瑞.3DGIS+BIM技术在城市地铁管理信息系统中的应用[J].地理空间信息，2019，17（9）：86-89.

[9]李献忠，张社荣，王超，等.基于BIM+GIS的长距离引调水工程运行管理集成平台设计与实现[J].水电能源科学，2020，38（9）：91-95.

[10]王鵬.快速构建逼真三维虚拟仿真地球场景的若干关键技术研究[D].武汉：武汉大学，2019.

[11]刘方堑，马瑞，邱鑫，等.基于3DGIS的水库群联合调度多尺度模拟仿真研究[J].人民长江，2021，52（2）：217-222.

（编辑：郑 毅）

Abstract：Aiming at safety monitoring and 3D visualization expression of rock blocks in underground powerhouse of hydropower engineering，we established a 3D visualization monitoring software of rock blocks by using BIM+ 3DGIS technologies.The monitoring software can reflect space information of blocks and geometric shape in high-resolution terrain scene，also it candisplaylocation of monitoring gauges，incorporate the BIM model of workshops and associate monitoring data，realizing pre-warning for blocks in 3D visualization environment.The monitoring software has greatly improved the effectiveness of safety monitoring in right-bank underground workshop in the Three Gorges Hydropower Station.The relevant experience could provide some referential values for the 3D visualization monitoring and management of the water resources and hydropower projects.

Key words：underground powerhouse;stability of blocks;safety monitoring;BIM+3DGIS