BIM-GIS技术在输水隧洞工程勘察设计中的应用

2024-07-06梁运鸿冯敏巴欢欢贾宁霄

人民长江 2024年13期

梁运鸿冯敏巴欢欢贾宁霄

摘要：为促进BIM和GIS技术在输水隧洞工程勘察设计中的应用，针对BIM与GIS数据存在数据来源多样化、融合标准化程度低等问题，以3D Tiles格式为数据集成容器，提出了通过格式转换、坐标转换、属性集成、轻量化等步骤实现BIM与GIS融合的技术路线。以罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程为例，验证了该方法的实用性和可操作性，并探讨了基于3DE的BIM模型和GIS多源数据融合成果在输水隧洞工程勘察设计阶段中的应用。研究成果可为同类输水隧洞工程提供参考。

关键词：BIM； GIS； 3DEXPERIENCE；多源数据融合；输水隧洞

中图法分类号： TP391；TV22

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.S1.051

0引言

长距离输水隧洞工程具有输水线路长、沿线地质构造复杂、涉及专业众多等特点，给勘察设计工作带来了诸多挑战。随着新一代信息技术的发展，BIM、GIS、IoT、大数据等技术已逐步运用到长线型水利水电工程项目中，为工程的勘察设计提供新的解决思路。BIM技术侧重于工程模型内部信息的精细化表达，GIS技术侧重于宏观大场景数据的空间关系，两者的融合有利于提高输水隧洞工程勘察设计、建设和运行全生命周期精细化管理水平［1］。蒋乐龙等基于Skyline平台开发了引水工程建设管理系统［2］，李献忠等采用BIM和GIS技术设计实现了引调水工程运行管理平台［3］，尤林奇等依托超图平台进行BIM和GIS多源数据融合和应用［4］。但是，现有研究多通过IFC中间格式［5］或针对Autodesk系列和Bentley系列模型格式进行融合，未系统研究3DE平台模型与GIS数据的融合，且多侧重于建设和运行管理阶段的应用。因此，本文研究了3DE平台下的BIM模型和GIS数据的融合方法，并在输水隧洞工程勘察设计中进行应用。

1关键技术

1.1BIM+GIS数据融合技术路线

GIS侧重宏观地理空间，BIM 侧重内部微观表达，两者既有联系又有区别。目前，在BIM与GIS融合方面，需要解决以下问题［6］：

（1）数据标准不同。BIM数据格式多种多样，其中IFC是BIM行业通用的数据标准，可以表达工程模型的几何信息和语义信息。City GML是三维GIS中普遍使用的数据标准，侧重于三维城市建模，采用GML建模语言。

（2）坐标系不同。BIM模型通常采用地方坐标系或工程坐标系，GIS模型常采用大地坐标系，为保证BIM模型准确定位到真实地理世界中，须进行坐标转换。

（3）信息丢失。BIM模型除了几何信息外，还包含丰富的材质、颜色、语义等信息，在与GIS数据融合过程中，如何完整、准确地保留上述信息需要深入研究。

（4）轻量化。水利水电工程的BIM模型在设计阶段精度要求较高，尤其对于机电和金属结构模型，单个模型数据量通常达到GB规模，不利于在Web端进行高速传输和加载渲染。

针对BIM+GIS融合的技术难点，本文对3DEXPERIENCE平台的BIM模型和GIS数据从几何图形、属性信息、坐标系统等多维度进行融合，进而进行统一的组织管理和应用，技术路线见图1。

1.2BIM模型融合

1.2.1BIM模型创建

输水隧洞工程BIM模型包含地质地形、建筑、水工、机电、金结、施工、安全监测等专业。基于3DE在线协同平台开展三维正向设计，项目启动阶段，在统一的合作区预先搭建标准结构树，通过创建WBS分解，将多专业任务以工作包的形式进行任务分派；项目执行阶段，基于已定位的骨架开展多专业协同设计、细部设计，通过校审后交付归档。

1.2.2属性信息集成

BIM模型不仅包含了工程精确的几何形态，还包括了丰富的属性信息，以便完整地表达工程的实际情况，如工程概况、物理特性、运算规则等静态信息，以及环境、调度、运行、监测、监控、巡检等动态信息。

BIM模型和属性信息集成可使用关系型数据库实现，通过建立BIM几何模型和属性信息关系表实现数据的统一存储和检索查询［7］。为建立数据之间的关联关系，需建立模型索引表、属性信息表和二者之间关系表，其中模型索引表存储BIM数据的基本信息；属性信息表存储BIM数据的属性信息，如空间尺寸、材料、高程等；关系表存储模型每个构件和属性信息的对应关系，通过主键和外键关联，关联关系如图2所示。

1.2.3格式转换

由于输水隧洞工程线路较长，各专业模型精细度高，3DExperience平台原始的数据格式无法直接与GIS数据集成，因此需要进行格式转换才能与GIS数据融合。本文通过将3DXML文件转换为中间格式fbx，同时保留颜色和材质信息，为后续与GIS数据集成建立桥梁。3DXML是3DE平台创建的原生格式，包含模型结构树、实体信息和装配信息等。3DXML文件的基本结构［8］如图3所示。

3DXML符合XML语法，可以通过标准XML接口进行解析，提取必要信息后逐个图元写入fbx文件完成格式转换，步骤如图4所示。

1.2.4坐标系融合

在勘察设计阶段BIM模型常采用工程坐标系，而GIS数据常采用大地坐标系，因此有必要统一BIM和GIS的坐标系。如工程BIM模型采用的是地方坐标系（基于西安80坐标系），GIS数据采用的是国家2000大地坐标系，转换步骤如下［9］：

（1）将地方坐标系平面直角坐标转换为西安80坐标系平面直角坐标；进而将西安80坐标系平面直角坐标转换为西安80坐标系大地坐标。

（2）将西安80坐标系大地坐标转换为西安80坐标系空间直角坐标。

（3）将西安80坐标系空间直角坐标转换为国家2000大地坐标系空间直角坐标。

（4）将国家2000大地坐标系空间直角坐标转换为国家2000大地坐标系大地坐标。

1.2.5模型轻量化

为保证BIM模型在Web端的高速传输与流畅显示，需要对BIM模型进行轻量化转换，以提升用户的浏览体验。本文采用LOD技术将BIM模型划分为不同的深度等级，不同的LOD级别对应着不同的细节层次，可有效减少三角面片数和模型复杂度，加快系统图形处理和渲染的速度［10］。三维瓦片（3D Tiles）是一个集成大量多源异构3D地理空间数据的开放数据规范，可以支持的数据类型有：倾斜影像、BIM模型、点云、三维地形、矢量数据等［11］。本文选择3D Tiles数据标准作为BIM与GIS数据的集成容器，将3DXML转换后的fbx文件进行轻量化，方便后续与GIS数据深度融合，从而实现集中管理、无缝浏览、相互操作、统一分析。

1.3GIS数据融合

1.3.1倾斜摄影数据融合

倾斜摄影技术通过多镜头采集真实地理环境，详细技术指标如表1所列。倾斜摄影数据融合［12］的技术路线如下：

（1）外业数据采集。首先进行像片控制点的布设和测量，接着规划飞行线路，利用无人机进行影像和POS数据采集。

（2）内业数据处理。使用ContextCapture软件对采集的影像和POS数据进行空三解算、TIN构建、纹理映射、模型修复，最后生成实景三维模型。其中osgb文件存储三维实景模型数据，xml文件存储坐标系及模型原点坐标值。

（3）数据融合。由于倾斜摄影与BIM模型高度存在差异，两者叠加显示可能会存在部分遮挡。首先生成BIM模型的投影矢量面数据，然后对融合范围内的倾斜摄影数据进行压平操作，对接边区域进行镶嵌处理以实现平滑过渡，最后将处理后的倾斜摄影数据（osgb格式）转换为3D Tiles格式数据。

1.3.2DEM与DOM融合

数字高程模型（DEM）和数字正射影像（DOM）是制作GIS场景经常用到的数据。在小比例尺下，通常只需要展示工程的地理位置和地形起伏。

通过地理空间数据云网站下载工程区域的DEM数据或者利用倾斜摄影成果生成工程DEM数据；接着建立金字塔结构以提高浏览速度，利用数据转换工具将DEM数据转换为3D Tiles格式数据；最后将DOM数据发布成WMTS服务，在三维场景中实现地形与影像的融合。

1.3.3二三维数据融合

输水隧洞工程在勘测设计阶段需要依托地理空间数据，主要包括水系、交通、地质、地下管线、施工布置图、三区三线、自然保护区等，以标准地图服务形式集成到统一地图中。同时，基于天地图等基础地理底图，结合各类水利专题数据，通过制定统一的空间数据入库标准规范，对各类数据进行标准化入库；将各类空间数据按照OGC标准发布成服务，以标准接口方式供业务系统调用［13］，主要包括WMTS、WMS、WFS等。

2工程应用

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程是珠江三角洲水资源配置工程在深圳市内配套项目之一，也是深圳市四纵三横原水干线之一，从北向南穿越深圳西部片区，服务宝安区、南山区的城市生活及生产用水要求。工程设计输水规模 260 万m3/d，工程等别为 I 等、工程规模为大（1）型，输水干线全长约 21.68 km，北起罗田水库，南至铁岗水库，沿线设竖井、地下阀室及检修交通洞，主要穿越广深港客运专线、地铁六号线、机荷高速、在建深大城际、铁石水质保障工程排水隧洞等，隧洞干线未占用地表和浅层空间［14］。

2.1数据准备

工程数据包含BIM数据和GIS数据，其中BIM数据为3DE平台建立的项目BIM模型；GIS数据包括项目沿线区域倾斜摄影数据、DOM数据、DEM数据、水系数据、交通数据、详细规划数据、地质数据等，根据前文所述方法开展数据处理、融合。具体内容如表2所列。

2.2工区一张图

基于BIM+GIS融合后的成果构建工程区域一张图，通过实景三维模型立体、真实地展示工程区域周边实景环境，同时融合BIM模型搭建工程三维数据底板，并关联模型属性。通过构建工程宏观微观、室内室外、地上地下一体化可视仿真模型，可为后续供水调度、智能巡检等仿真模拟提供模型基础，效果如图5所示。

2.3选线选址分析

罗田水库—铁岗水库输水隧洞工程穿越城市建成区，对线路选择及建筑物布置要求高。因此需结合地形地质数据、详细规划数据、自然保护区数据、交叉建筑物等，尽量避开区域内基本农田、生态保护红线、自然保护区等各行业红线边界和敏感点等，利用参数计算、空间分析和模拟功能辅助进行选线分析，确定最优线路和最佳选址，结果如图6所示。

2.4方量计算

在勘察设计阶段，输水隧洞工程土方工程量的测量与计算直接关系到工程造价和项目工期，土方量优化是工程勘察设计中的重要环节［15］。本文以工程区域的DEM数据和BIM模型为基础开展土方量的计算。首先提取BIM模型的轮廓边界，将高精度的DEM面作为基准曲面，BIM轮廓曲面为对照曲面；接着叠加两个曲面，进行布尔运算；最后生成填挖方计量报告。

3结论

（1）以3D Tiles为数据集成容器，探索了BIM与GIS融合的技术路线，通过格式转换、坐标转换、属性挂接等步骤，实现BIM与GIS的深度融合。

（2）研究成果在罗-铁输水隧洞工程勘察设计阶段进行应用，结果表明技术路线具有可操作性，可以实现BIM与GIS等多源异构数据的融合，可为BIM与GIS技术在输水隧洞工程勘察设计中的应用提供参考。

参考文献：

［1］史艾嘉.BIM技术与GIS技术融合应用研究［J］.价值工程，2019，38（21）：179-181.

［2］蒋乐龙，张社荣，潘飞.基于BIM+GIS的长距离引水工程建设管理系统设计与实现［J］.工程管理学报，2018，32（2）：51-55.

［3］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.

［4］尤林奇，王楠，陶玉波，等.基于BIM+GIS的水利水电工程多源数据融合方法及应用［J］.水电能源科学，2021，39（8）：169-173.

［5］严亚敏，李伟哲，陈科，等.GIS与BIM集成研究综述［J］.水利规划与设计，2021，（10）：29-32，66.

［6］孙少楠，宋宜昌.基于BIM+GIS的水利工程全生命周期建设管理研究［J］.中国农村水利水电，2022（10）：131-137，142.

［7］王志皓.BIM+GIS在桥梁工程中应用的关键问题研究［D］.太原：太原理工大学，2021.

［8］王晓斌，宁涛，王可.3DXML文件格式解析及应用［J］.工程图学学报，2010，31（2）：33-37.