水利工程视角下的 BIM与GIS 数据融合研究

谢明坤 ，贺东旭 ，孔莉莉 ，董增川

（1.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210024；2.河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210024；3.江苏省河道管理局，江苏 南京 210029）

0 引言

水利工程承担着防洪、发电、航运、灌溉等基本水利功能，在国家生态文明、社会经济建设中发挥着不可或缺的作用。一般来说，水利工程项目的全生命周期过程较长，各建设要素间联系紧密。在当前数字中国建设背景下，如何更有效地实现不同尺度间工程要素的融合是水利信息化建设面临的重要问题。BIM与 GIS 数据融合则为水利工程项目中不同尺度、功能空间要素的高效协同提供了数据基础。

BIM 通过三维数字技术模拟建筑物真实物理信息，将建筑物生命周期中各阶段的工程信息、过程信息和图纸资源集成在数字模型中，主要应用于建筑单体工程，注重建筑单体的形式、结构与建造管理[1]。GIS 是以地理空间为基础，可实时提供多尺度、多动态地理信息的计算机技术系统，主要服务于地理研究和决策[2]，为使用者提供强大的综合分析和空间计算能力，在自然资源保护、路线规划、城乡规划等领域应用广泛。

近年来，BIM与GIS 技术在各自领域得到了广泛应用，大大提高了工程项目的数字化水平。由于水利工程建设大多具有水文和地形条件复杂、工程规模大的特点，在实践中 2 种数据单独应用均存在局限性，例如：BIM 缺乏外部环境信息，在空间地理信息显示与分析上存在不足，模型与周边环境割裂，工程协同性差[3][4]30；GIS 技术更关注空间地理信息的管理与分析[4]30，难以精细化表达单体工程信息。将 BIM与GIS 集成，不仅能实现水利工程设施与地理信息的统筹，提高设计效率和精准性，还能通过一体化平台实现项目全生命周期管理。对于水文和地形条件复杂，规划选址困难的水利工程，2 种数据模型的集成能够帮助设计者根据现状地形优化调整水利设施布局，进一步服务水利工程的高水平建设与管理。

目前，已有众多学者对 BIM与GIS 协同技术的集成应用开展了大量研究，相关学者基于水利工程建设数字化管理需求，利用 BIM与GIS 协同技术研发了建设工程项目数字化管理平台，实现对水利工程设施设计流程的全局把控[5-7]；部分学者基于水利业务全生命周期需求，通过 BIM与GIS 的协同应用，实现了水利全生命周期的数字化表达，为 BIM与GIS 协同在水利全生命周期的应用提供方案[8-10]。虽然现阶段在 BIM与GIS 协同的集成应用方面有了一定成果，但对数据融合方法的研究却相对较少，缺乏对水利工程数据融合途径及各自应用范围的研究。为此，探讨 BIM与GIS 数据融合的基本方法与技术框架，并从水利工程项目全生命周期视角对各种方法的优缺点及应用场景进行研究。

1 水利工程项目 BIM与GIS 的协同基础

水利工程项目的生命周期主要划分为规划设计、建设施工、运行维护 3 个阶段。BIM与GIS 技术协同优势在于能涵盖水利工程项目全生命周期，可实现各阶段目标。水利工程项目全生命周期关键环节示意如图 1 所示。

图1 水利工程全生命周期关键环节示意图

BIM与GIS 技术在水利工程项目生命周期协同中各阶段应用内容分析如下：

1）规划设计阶段。BIM 技术负责工程单体设计，对工程构件实现精细化建模。通过 BIM 的分析功能对结构进行模型检查与优化，自动生成图纸方案，便于各参与方在线浏览设计信息和图纸，进行可视化的设计成果交付。将 BIM 模型整合到 GIS 环境中，利用 GIS 强大的分析功能，规划水利工程选址，利用算法对选址方案进行迭代优化，还可对设计方案进行视域、日照等分析，发挥两者综合优势。

2）建设施工阶段。BIM 模型结合 GIS 地形模型，可对施工场地进行工程量计算及可视化模拟，综合环境、成本等因素合理布置施工场地。此外，根据具体施工情况可对项目 BIM 模型进行实时更新，实现施工进度及质量的管控。

3）运行维护阶段。依据 GIS与BIM 结合的信息模型，可进行工程监测及预警，对项目设施进行全方位管控与维护。设计、施工数据信息化存储，可减少后期档案查找的工作量。

2 水利工程中 BIM与GIS 的数据融合

2.1 数据模型标准对比

IFC（工业基础类）和 CityGML（城市地理标记语言）分别是 BIM和GIS 领域的通用数据模型标准，目前大部分 BIM与GIS 协同研究都围绕这 2 个标准展开，两者在几何表达、语义信息、表达特点及应用范围等方面的区别如表 1 所示。

表1 IFC和CityGML 数据标准的对比

相关分析如下：

1）建模语言方面。IFC 基于 EXPRESS 建模语言实现建筑信息的表达和应用，优点在于可丰富呈现模型细节和构件间的空间关系[11]9-12。CityGML 基于核心模块 CityFML Core 和多个扩展模块定义地理信息之间的关系，包含模型的几何、拓扑、语义外观等属性信息[12]。

2）几何表达方面。IFC 定义的模型有边界几何（B-Rep）、扫描体和构造立体几何（CSG）3 种表达形式，可精细、完整地表达模型。CityGML 主要采用B-Rep 的表达形式[11]14。

3）语义信息方面。IFC和CityGML 的差异主要体现在属性信息和类型定义方面[13]。IFC 标准定义的模型包含大量详细的语义信息，组织层级不仅包含构件要素，还记录构件要素之间的语义连接关系。CityGML 根据模型的精细程度定义了 LOD（细节层次）0～4的5 个细节层次，随着 LOD 的增加，模型的精度也会越高。同时，CityGML 模型是几何信息与语义信息的协同表达[11]15，几何与语义之间一一对应。

2.2 数据融合方式

结合文献调研，BIM与GIS 的数据融合方式主要包括基于数据格式转换、标准扩展和本体技术集成3 种方式。

2.2.1 基于数据格式转换的数据融合

通过对 IFC和CityGML 的差异分析可知，要通过数据格式转换方式实现数据融合，需要进行 IFC和 CityGML 2 种数据格式之间几何信息的转换和语义信息的映射。语义信息的映射是指在 IFC 和CityGML 的类之间建立联系，包括工程构件元素、属性和关系的映射；几何信息的转换是指建筑模型的几何转换，主要包括代表性、坐标系、地理参考和LOD 等转换[14]。

由于 CityGML 中的语义信息相对较少，几何表达形式单一，从 IFC到CityGML 的转换相比反方向的转换要容易得多[15]，目前对数据格式转换方式的研究主要集中在 IFC向CityGML 的转换，多侧重于优化数据转换的算法和映射规则，如虞铭尧等[16]利用特征操作引擎（FME）将三维空间模型从 IFC 格式转换为 LOD2和LOD3的CityGML 格式。

此外，CityGML 提供了基于 ADE（Application Domain Extension）的扩展机制，可以通过 ADE 从底层对 CityGML 进行扩展[17]，在现有标准中增加新的要素类、属性或关系，以满足数据格式转换的需要。目前基于 ADE 的扩展已有大量研究，De laat 等[18]提出 GeoBIM的CityGML 扩展的开发，将语义化的IFC 要素类和定义转化为 CityGML，Kang 等[19]基于ADE 扩展开发了室内空间数据模型（ISDM），实现了复杂室内空间及其管理的空间信息构建。

通过对 IFC向CityGML 转换的梳理，整理的2 种信息转换的技术路线如图 2 所示。

图2 数据格式转换的技术路线

虽然已有大量学者对数据格式转换的算法及映射规则进行了大量优化，但由于 IFC和CityGML 两者之间语义和几何信息的差异，无法避免因语义、几何信息不匹配导致的信息丢失问题。此外，由于 CityGML 的语义信息相对较少，将 IFC 数据向CityGML 数据转化的过程中会导致数据文件体积增大，影响文件载入速度。

ADE 具有灵活的转换方式和较高的转换效率，是解决 IFC与CityGML 数据融合问题的重要途径。但 CityGML 不能直接获取 IFC 中的所有信息，因而仅有 ADE 还无法实现无损转换。此外，针对不同领域的需求，需要对 CityGML 进行针对性的 ADE 机制扩展,不利于推广。

2.2.2 基于标准扩展的数据融合

IFC和CityGML 有各自优势领域，IFC 擅长工程单体的精细表达，CityGML 注重大尺度空间信息的表达。基于两者的扩展机制，提取各自的优势信息，集成形成新的数据模型标准。基于扩展形成新的数据模型的技术路线如图 3 所示。

图3 基于扩展形成新的数据模型的技术路线

Xu 等[20]基于数字城市模型和 BIM 技术，通过整合几何和建筑等信息，形成城市信息模型（City Information Model，CIM）。类似的还有校园信息模型（Campus Information Model，CIM）[21]、城市信息模型（Urban Information Modeling，UIM）[22]1283-1285等。

通过形成新的数据模型实现数据融合这一途径不涉及数据格式的转换，在融合的过程中能够有效规避转换过程中数据丢失的问题，也能排除目标数据模型中不需要的属性信息，减小数据文件的大小，优化运行速度。然而，通过这一途径形成的数据模型往往针对某一特定领域或问题，通用性不高。

2.2.3 基于本体技术集成的数据融合

本体技术主要目的在于实现 IFC和CityGML 2 种数据标准之间的双向互通。IFC和CityGML 都是复杂的本体系统，基于本体的数据融合需要先匹配 2 个本体系统的本体信息，再通过识别两者间的共同概念合并本体。形成的新的本体系统作为中间媒介，能够达成与 IFC和CityGML 之间的互通。基于本体技术的数据集成技术路线如图 4 所示。

图4 基于本体技术的数据集成技术路线

IFC 的本体主要集中于 3D 形状，CityGML 的本体主要集中于 2D 形状，2 个本体之间无法形成一对一的对应关系。Delgado[23]等利用本体匹配的方法，通过自动搜索 2 个本体之间的对应关系（如词汇、语法或语义等），实现 BIM与GIS 的融合。此外，采用本体集成方法，对不同领域的多个本体进行集成处理，可以形成一个集成化的本体[24]，Mignard 等[22]1285便是根据本体理论提出 UIM 的。

要完成 IFC和CityGML 2 个领域本体的创建，需要对这 2 个领域有较深的理解，操作门槛高，同时对 2 个本体的整合也需要更长的研究时间。本体技术作为 BIM和GIS 数据融合的新方法，研究还处于初期阶段，相关概念或方法还有待验证，现阶段应用较为有限。

3 水利工程 BIM与GIS 的数据融合应用

3.1 应用场景

BIM与GIS 的数据融合对提高水利工程项目信息化水平、建设数字孪生水利项目具有重要现实意义，当前 3 种数据融合方法的优缺点及在水利工程中的主要应用优势和不足如表 2 所示。

表2 BIM与GIS 3 种数据融合方法的对比

3 种融合方法的应用场景分析如下：

1）数据格式转换方法的应用场景。从设计角度考虑，数据格式转换方式中 BIM与GIS 在设计过程中互不干扰，适合多方协同设计方式，可由多方共同提出设计方案后进行整合，因而适合水利设施与水文和地形联系弱，水利设施结构复杂，精细化程度要求高，场地水文和地形条件相对复杂，需要对水文和地形数据进行处理的水利工程项目。

2）标准扩展方法的应用场景。标准扩展的数据融合方法将水利模型信息与地理空间信息集成到统一的应用平台，适合单一设计方进行统筹设计。从工程实际应用角度看，该方式能够实时根据水文和地形情况调整水利设施的形状、布局、位置等工程要素，适合水利设施与水文和地形联系紧密的工程。该方式集成 BIM与GIS 2 种数据信息，易造成数据文件较大、实时渲染压力大等问题，更适合工程范围小或设施、地形情况简单的项目。

3）本体技术方法的应用场景。本体技术主要实现 IFC和CityGML 2 种数据标准的双向互通，能随时实现两者整合，因而具有数据格式转换和标准扩展2 种方式的优点。本体系统作为 BIM与GIS 的中间媒介，不仅可以在本体系统中进行统筹设计，还可以根据工程开展情况在 BIM和GIS 中进行针对性调整。从工程实际角度看，由于操作门槛高，用在工程规模大、水文和地形情况复杂的项目中有较好的经济效益。

3 种数据融合方法的应用场景对比如表 3 所示。从表 3 可知，3 种数据融合方法都有各自应用场景与价值，因而对各种方法的研究都不可或缺。

表3 3 种数据融合方式的应用场景

3.2 应用阶段

BIM与GIS 的数据融合应用贯穿水利工程项目全生命周期的 3 个阶段，具体分析如下：

1）规划设计阶段。规划设计阶段主要包括工程规划及结构设计 2 个方面。无论是规划设计还是结构设计，最终目标都为实现最好的工程效益。通过 BIM与 GIS 数据融合，在规划中基于 GIS 数据利用算法优化方案，提高规划合理性；在结构设计中可根据 BIM模型中工程材料、设备质量的调整，控制项目成本。

2）建设管理阶段。在建设管理阶段，BIM 主要用于控制工程质量，GIS 用于整体资源统筹。基于BIM与GIS 数据融合，通过构建工程项目管理平台，整合项目施工所需的水利设施、工程材料、施工图纸等信息，进行分类存储和查看。在施工过程中可在管理平台实时填报项目完工情况，进行施工进度分析，同时在三维模型中通过颜色、透明度等区分设施完工状态，实现可视化的质量管理和进度控制。

3）运行维护阶段。运行维护阶段主要面向工程项目的业主方，由于 BIM与GIS 软件操作门槛及硬件配置要求不适合业主方直接使用该技术进行后期的运行维护，因而大多需要开发多端一体化的 BIM与 GIS 运维平台，如在 Web，PC，App 端进行数字化交付，给业主方提供三维建筑模型查看、视频监控、故障检查、日常检查信息上传分析等功能。

3.3 应用案例

本研究以江苏省高港枢纽 GIS与BIM 数据融合为案例，介绍相关技术的实践应用。泰州引江河位于泰州市与扬州市交界处，南起长江，北接新通扬运河，全长为 24 km。高港枢纽工程为泰州引江河的控制建筑物，是一座以引水为主，集灌溉、排涝、航运、生态、旅游综合利用于一体的大型水利枢纽工程，主要由泵站、节制闸、调度闸、送水闸、船闸及110 kV 专用变电所等组成。本研究利用 BIM，GIS，VR（虚拟现实技术）和无人机倾斜摄影等技术建立引江河三维数字映射，通过大场景地理空间数据与小场景信息模型数据融合对高港水利枢纽现状进行全景展示，并与未来引江河典型河道滨水空间管理与设计进行数字化整合。从基础信息采集、数据库构建、滨水空间规划设计、工程可视化等方面，探索数字视角下高港枢纽规划设计与全生命周期管理，进一步提高工程精细化管理水平、效率及信息化水平，解决项目规划建设和管理过程中面临的数据融合不便、统一信息管理平台欠缺、数据共享不便等问题。使用数据格式转化方式实现数据融合，将 BIM 模型数据转换到 GIS 地形模型中，创建高港水利枢纽全景模型，实现工程数据的统一管理。相关模型和结果展示如图 5 所示。

图5 BIM与GIS 高港水利枢纽模型展示

4 结语

将 BIM与GIS 数据融合方法应用于水利工程领域是一种有效、可行的应用方案，对促进水利工程多源空间数据协同具有重要意义。未来，可进一步探索BIM与GIS 协同应用于水利工程项目全生命周期管理的场景与途径，也可针对水利工程特定领域创建高度集成、可视化的数字信息模型。总体说来，基于水利工程视角的 BIM 与GIS数据融合研究对促进水利信息化水平，助力数字水利孪生建设具有重要价值。