BIM+GIS 及融合北斗定位数据在勘察管控中的应用

牛作鹏，刘 明，邹艳春，曹旭梅，王汉臣

(1.中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.长江武汉航道工程局，湖北 武汉 430010)

目前，人工智能、5G、云计算、大数据等新一代信息技术推动了我国企业生产管理信息化发展进程，但在国内勘察设计行业中，面向勘察管理的信息化应用却屈指可数。现场勘察技术人员主要通过现场巡检、旁站等传统管理方式实现外业安全防控和质量把控，在整个交接流转的过程中存在信息交换错误、有时间差、无法预警等问题。鉴于以上情况，本文综合利用BIM、GIS、北斗∕GNSS(全球导航卫星系统，Global Navigation Satellite System)定位数据，依托某航道工程勘察项目进行预警、管控业务数据等探索和验证。

BIM 侧重于微观数据管理，GIS 侧重于宏观整体数据管理，针对BIM 和GIS 的融合技术及应用，国内众多学者已开展多领域的相关研究。钱意[1]研究BIM 和GIS 在轨道交通建设全生命周期管理中的应用；薛梅[2]以构成建筑骨架的主要空间构件为研究对象，在参考IFC 标准基础上提出建筑信息模型和三维数字城市集成方案；朱亮等[3]结合BIM 与3D GIS 技术实现城市精准三维建模；周汇光等[4]分析了传统工程勘察信息管理手段的不足，给出了基于GIS 的大型桥梁工程勘察信息管理系统设计思路及设计方案。BIM 弥补了GIS 对精准建筑物模型缺失的空白，推动了GIS 技术的升级，BIM＋GIS 技术可为大场景、大尺度的航道工程勘察项目精细化管理提供技术支撑。

1 关键技术

1.1 北斗∕GNSS 系统

北斗∕GNSS 系统(北斗∕全球卫星导航系统)，主要指北斗、GPS、GLONASS 系统[5]。北斗卫星导航系统是我国自主建设并与GPS、GLONASS 导航系统兼容共用、独立运行的全球卫星导航系统，由27 颗中圆地球轨道(MEO)卫星、5 颗地球静止轨道(GEO)卫星和3 颗倾斜地球同步轨道(IGSO)卫星共35 颗卫星组成空间星座，具备定位、短报文通信及授时服务，可基于GPRS 实现定位数据实时传输，服务于预警调度、分析决策等应用。

目前，主流的导航定位数据输出格式采用美国国家海洋电子协会定义的NMEA-0183 标准协议，该协议采用ASCII 码，其串行通信默认参数为:数据位＝8 bit，波特率＝9 600 bps，开始位＝1 bit，停止位＝1 bit，无奇偶校验。中国卫星导航系统管理办公室基于《北斗∕全球卫星导航系统(GNSS)接收机导航定位数据输出格式》 定义了北斗导航定位数据格式，与NMEA-0183 相比，增加部分字段对北斗导航系统进行兼容。在实际导航定位产品中，常用的语句为GGA、GLL、GSV、RMC、VTG、GSA、ZDA 和TXT 等[6]。

1.2 BIM+GIS 融合技术

BIM 技术将不同阶段的各类工程信息集中存储在信息模型中，可真实模拟工程建构筑物的微观细节信息；GIS 技术适用于大场景、大广度的地理空间信息，着重于大场景中重点对象的数据分析和呈现。BIM 与GIS 的应用各有优势和不足，如将两种技术进行集成融合，可实现两种技术的优势互补。

目前，BIM 与GIS 融合的方法大体上主要分为基于软件平台和基于数据标准两种方式。基于软件平台的方法是行业主要应用方式，通过BIM建模在3D GIS 平台上进行可视化展示，并在此基础上实现集中管理、统一分析等应用功能，使对象的空间信息得以直观展示和深入应用。

1.3 技术路线

本文基于SuperMap 和基础数据(BIM 数据、地理数据)构建3D GIS 基础平台，并融合北斗∕GNSS定位数据和业务数据，在具体航道勘察项目管控中实现位置预警、勘探船舶轨迹追溯、模型和业务数据联动。技术路线见图1。

图1 技术路线

2 勘察管控应用

2.1 限定位置区域预警

在实际的航道工程勘察野外工作中，实施水域钻探作业易受周边环境和恶劣气象影响，勘探作业船会出现偏离限定位置区域的情况，导致水域钻孔位置不正确，以致影响工程质量。可通过设置限定位置区域的电子围栏，再基于BIM ＋GIS 技术对北斗∕GNSS 定位数据进行融合，进而直观形象地判断出勘探船舶是否处于电子围栏中，并通过GPRS 传输定位数据通知后台，使相关人员及时获取勘探船舶偏离信息，提升预警能力。

2.2 船舶轨迹追溯

勘探船舶是航道工程勘察野外工作中水上交通的行为主体，研究勘探船舶异常行为是水上安全监控和管理的重要内容。基于BIM＋GIS 技术定制研发，实现基于北斗∕GNSS 定位数据的勘探船舶历史轨迹追溯，可分析勘探船舶历往某一时段的航行轨迹，便于总结勘探船舶漂移规律，有助于安全监控工作由被动转为主动，辅助预警决策。

2.3 基于BIM 的业务数据联动

为了加强勘察项目质量管理，保证工作的正确性、完整性，往往需要归集勘察项目整个作业周期的技术质量文档，并按质量管理要求通过表格、图纸、文档等方式存储。如基于BIM 在信息承载、传递、共享等方面的优势，实现模型与技术、质量等业务数据联动，可直观有效地追溯项目实施过程中涉及的技术质量信息，不断满足勘察技术人员对于数据综合分析、信息服务的高要求。

3 案例应用

本文以湖北省武汉市某航道工程为例。项目起点位于二七路与工农兵路交叉口，沿二七路敷设下穿汉口滨江商务区后穿越长江，在武昌岸沿铁机路敷设，终点位于友谊大道东侧。工程采用双向六车道城市次干道建设标准，设计时速50 km∕h，隧道全长5 191 m，暗埋段长度4 869 m，两岸共设3 对匝道，见图2。

图2 项目示意

因水流及过往船只影响，本项目勘探船舶存在偏离指定位置的风险且属重点项目，对作业过程质量的管控要求较严格。综合利用BIM、GIS、北斗∕GNSS 定位数据，在项目中实现限定位置区域预警、勘探船舶轨迹追溯和业务数据联动，以满足管控需求。

3.1 北斗∕GNSS 定位数据的获取

本项目勘探船舶上放置的定位设备为自主研发的北斗∕GNSS 定位器，定位器内置可同时接受北斗、GPS 和GLONASS 卫星信号的GNSS 定位模块和4G 网络模块，通过4G 网络获取差分数据后解算可得到分米级精度的定位结果，定位结果可通过4G 网络传输数据至后台。北斗∕GNSS 定位器进行GGA 输出，定位数据样例结果如下:

以“ ＄GNGGA，070541.00，3032.795386，N，11418.933034，E，1，17，1.0，58.136，M，0.0，M，，*7C”GGA输出语句为例，各部分含义见表1。

表1 GGA 语句格式说明

3.2 限定位置区域预警

为满足勘探船舶偏离限定位置区域时可及时预警的管控需求，基于SuperMap 和基础数据(BIM数据、地理数据)构建3D GIS 基础平台，通过设置电子围栏以限定位置区域，并根据项目实际需求在后台输入限定位置的地理坐标(图3)，再基于北斗∕GNSS 定位数据判断勘探船舶是否处于电子围栏中(图4)，如果勘探船舶偏离限定位置的区域(图5)，船舶则会高亮显示，以达到预警的作用。

图3 电子围栏地理坐标设定

图4 电子围栏示意

图5 勘探船舶实时位置信息

3.3 勘探船舶轨迹追溯

基于BIM＋GIS 技术实现北斗∕GNSS 定位数据融合，并将勘探船舶历史定位数据进行后台存储，定制研发勘探船舶轨迹追溯功能(图6)，分析勘探船舶特定时段的航迹异常行为，提升水上安全监控和管理能力，满足本航道工程勘察项目的实际管控需求。

图6 勘探船舶轨迹追溯

3.4 基于BIM 的业务数据联动

为精准管控各钻孔施工进度，首先对项目所有钻孔模型进行编码，并充分结合BIM 在信息承载、传递、共享等方面的优势，基于BIM＋GIS 技术实现模型与技术、质量等业务数据联动(图7)，实现模型对项目实施过程中涉及的技术、质量等信息的承载、传递和共享，可直观有效地追溯项目实施过程中的业务数据，满足了项目基于BIM实现技术、质量等业务数据查询、分析等信息服务的要求。

图7 模型与业务数据联动

4 结语

1)研究了北斗∕GNSS 定位系统和BIM＋GIS 融合技术，实现了基于BIM ＋GIS 技术融合北斗∕GNSS 定位数据。并基于某航道工程勘察项目探索其在管控中的应用，实现限定位置区域预警和船舶轨迹追溯，提升了航道工程勘察野外工作中水上安全监控和管理能力。

2)充分结合BIM 在信息化方面的优势，挖掘勘察管控工作的BIM 应用需求，实现模型与业务数据的联动及项目实施过程中技术、质量等业务信息的可视化追溯，提升了本项目信息服务能力，具有较强的应用价值。