浅谈BIM+GIS在水利工程中的应用前景.docx

1、计算机技术111西北水电 2021年 第2期文章编号：10062610(2021)02011104浅谈BIM+GIS 在水利工程中的应用前景贺 贤(甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 734000)摘 要：文章介绍了BIM 和三维GIS 两者结合在水利工程中的应用与前景，分析了BIM 和三维 GIS 结合应用目前 存在的问题与解决方法。关键词：BIM;三维GIS;水利工程；BIM 与三维GIS的应用前景中图分类号：TV222.2;TP931 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2021.02.023Discuss on the Applicat

2、ion Prospects of BIM+GIS in Water Conservancy ProjectsHE Xian(Gansu Water Resources and Hydropower Survey Design and Research Institute Co.,Lid.,Lanzhou 734000,China)Abstract:This article introduces the application and prospects of the combination of BIM and 3D GIS in water conservaney projects, and

3、 analyzes the current problems and solutions in the combined application of BIM and 3D GIS.Key words:BIM; three-dimensional GIS; water conservancy engineering; application prospects of BIM and three-dimensional GIS0 前 言BIM 多维度扩展应用的一个重要组成部分就是 BIM 和三维GIS 的结合使用。 GIS 具有专业的宏观 地理环境基础，空间查询和分析能力。因此，可以拓 展 BI

4、M 的应用前景。 BIM 则可以解决当前 GIS 缺 乏精准建筑模型的问题，丰富GIS 的数据来源，使得 三维的GIS 突破宏观限制从而进入微观领域，从室 外到室内实现精细化管理。 GIS 独有的空间分析功 能拓展了BIM 的应用领域，BIM 与三维 GIS 的结合 使查询与分析、宏观与微观以及室内外一体化的地 理空间信息功能得以实现。 GIS 发挥了的空间分析 和位置服务的功能，与BIM 融合在水利工程中会产 生无限的应用可能(见图1)。1 BIM 简介作为建筑界最新出现的一项技术，建筑信息模收稿日期：2020-06-08作者简介：贺贤(1982-),男，甘肃省张掖人，高级工程师，主要 从事

5、测绘工程工作.型来源于三维数字技术。该技术被广泛应用到建筑 工程当中，以有效解决工程软件描述当中存在的问 题，帮助设计人员准确判断各种建筑信息，提高项目 的运行效率，降低项目出现问题的可能。 BIM 可以 收纳项目当中的多种数据模型。因此，设计人员可 以 从BIM 当中直接了解到与项目相关的信息。它 可以被使用到项目的建造设计和管理当中，提高项 目运行效率，降低风险产生的可能性，而且还可以使 整个项目处于一种集成化管理的环境当中，突破传 统的粗糙管理的限制，帮助建筑行业逐渐走向高效 化和信息化，提高工程的集成程度。该模型与水利 工程的结合，不但是水利工程的质量和效率得到了 明显的提高，而且还降

6、低了整个项目的运行成本。 BIM 当中有行为模型和数据模型2种，数据模型主 要与项目的几何图形和数据相关，而行为模型则是图 1 BIM+GIS 图112 贺贤.浅谈BIM+GIS在水利工程中的应用前景景管理当中所构建的模型，二者的结合可以在虚拟世 界中模拟真实世界。当前 BIM 已经被软件开发商 和学术界高度重视，许多先进的建筑设计软件都是 在 BIM 的基础上研发而来，而且它还可以帮助建筑 工程实现全周期的集成管理。设计人员使用 BIM 建立模型，可以突破外挂和仿真软件的限制，直接观 察到项目的结构、施工进度等，解决设计过程中常出 现的一些问题。 BIM 构建的建筑模型特征主要有以 下几点：

7、(1)每个组件的更改会统一更动，展现于各个 视图中。(2)使程序可识别对象，且参数化规则可以更 加智能化操控对象。(3)使用数字化方式呈现的建筑组件具有可计 算的图形和数据属性。(4)用户可以将自己的经验与数据结合起来， 对工作流程进行分析，提高分析效率。2 三维 GIS 简介作为一种特定的空间信息系统，地理信息系统 (Geographic Information Systen,GIS)又被叫做地学 信息系统或者资源与环境信息系统。该系统借助电 子计算机的软件和硬件来进行数据的收集、管理、运 行、储存、显示和描述操作。这些数据描述的是部分 或整个地球表层空间的地理分布情况。三维 GIS最 基本

8、的能力是空间数据处理，例如数据表现、数据分 析、数据操纵和数据获取。因此，它可以直观地展现 出空间信息的具体情况。作为三维GIS 的基础，二 维GIS 只能利用图形化的形式对空间信息进行表 达，因此它具有专业人员的局限性。三维 GIS 平台 可以展现更加的丰富多彩，普通用户也可以通过可 视化和直观化的三维图像了解抽象的空间信息，而 三维GIS 与计算机软件和硬件的结合进一步拓展了 三维 GIS 的应用范围。此外，工作人员研发的投影 设备工作站也提高了三维GIS 的展示效果。3 BIM 与三维GIS 结合前景BIM 的数据结构主要由参数和模型两部分组 成，其中参数包括运维施工和设计参数。空间数据

9、 模型和三维 GIS 数据结构大致相同，包含空间位置、形状、外观等，在信息管理和空间分析方面有重叠功 能，其涵盖了BIM 的数据对象、三维模型数据表现 形式与数据结构。因此，BIM 和三维 GIS 结合应用 的前景十分广阔，会创造无限的可能性。(1)从宏观与微观角度。 一方面，BIM 可以被 贯彻使用到建筑的施工运行维护设计等全过程，但 是它必须与周边宏观地理环境相结合，而三维 GIS 就反映的是宏观的地理环境，它可以通过空间分析 和查询功能为 BIM 提供决策支持，所以BIM 需要三 维 GIS 的辅助；另一方面， BIM 可以满足三维 GIS 的需求，弥补三维 GIS在微观领域的欠缺，辅助

10、 GIS 进行查询和分析，所以GIS 对 BIM 也有很大需求。(2)从室内室外角度，BIM 可以弥补三维 GIS 在微观领域的欠缺，三维 GIS 与 BIM 数据相结合之 后，可以对室内室外进行统一管理，实现精细化操 作。4 BIM 与三维GIS 结合的应用4.1 水利水电行业数字化管理应用“十二五科技支撑计划中提出解决数字流 域”关键技术，目标是实现水利水电行业数字化、信 息化、智慧化，对流域内的水能开发涉及的自然环 境、生产管理、工程设备等实现数据一体化集成管 理。因为流域水能资源开发涉及的管理面广、内容 繁多，是一项复杂的系统工程，必须要有先进技术手 段做保障。基于BIM 和三维 GI

11、S,再结合其他先进 信息采集技术，可以获取流域的社会经济及生产管 理、自然环境、工程设备及运行等过程的数据，集成 管理全流域、全业务、全层级数据，并在三维GIS 平 台上实现数据资源和流域环境的可视化综合展现、 决策会商等功能。首先，当前许多企业已经开展云平台技术、集群 技术、计算资源虚拟化技术等相关方面的研究，构建 了完整的数字管理平台。该平台可以将企业的各种 业务进行一体化的应用，完善各个领域当中的数据 应用和数字化管理。利用卫星、航测、卫星定位、无 线通信、智能传感器、射频识别等智能采集技术，探 索构建完整的流域水电全生命周期信息获取技术体 系，实现了流域水电工程全生命周期信息采集的实

12、时性、准确性和高效性。西北水电 2021年 第2期 1134.2 三维空间分析应用三维空间分析基于 GIS 的空间分析功能，与 BIM 进行结合后，可以实现包括通视分析、可视区域 分析、日照分析、视频投放以及Box 裁剪等应用。4.3 BIM 模型获取剖面应用通过获取 BIM 模型的剖面，包括纵断面和横断 面，将三维数据降维成二维数据。同时，与 BIM 模 型保持全部相同属性的信息以二维数据形式被记 录。4.4 BIM 模型与大场景地形的匹配应用通过使用插件提供的投影和插入点导出方式， 可以把BIM 模型放在某大地坐标系统下进行分析。 对应用范围较大的 BIM 模型和精度较高的使用场 景，可以

13、与地形影像进行空间匹配。4.5 其他水利工程中的应用面积、距离、高程量的计算；重点结构的监测，如 高温、高压、材料统计、成本预算、上报施工安全与质 量管理隐患、施工进度模拟、动态模拟施工过程等。5 BIM 与三维GIS 结合应用的问题5.1 数据匹配与对接当前国内外 BIM 的研究越来越多。因此，已出 现了众多的 BIM 软件与之相对应的 BIM 文件格式， 以下将论述几种常见的 BIM 文件格式：(1)RVT:AutodeskRevit 软件使用的 BIM 数据 格式，还包括：RFA、ADSK 等格式；(2)DGN:Bentley 公司开发的支持其 Microsta- tion 系列产品的数

14、据格式；(3)CATPart:CATIA 软件的数据格式，还包括： CATProduct、CATdrawing 等格式。GIS平台如何接入 BIM 数据也是难题。 BIM 软 件是BIM 数据的基础，像 Revit 的 rvt 文件本身不带 贴图，于Revit安装目录的材质库中存在，Revit 数据 的完整信息要想被读取，必须依赖 Revit 软件本身。 目前，基于BIM 到 GIS 数据格式转换插件或工具是 读取 BIM 数据最现实的方法，BIM 数据通过 BIM 软 件库的原生支撑转换到 GIS 数据库。因此，必须开 发与之相对应的转化或插件工具，将数据模型转变 为BIM 模型，并且将其指

15、定地点进行保存，完成数 据的导出工作。5.2 BIM 模型在GIS 平台的表现形式首先，如果解决了在GIS 平台表示 BIM 模型的 难题，BIM 模型的查询、分析及统计等功能就可以被 实现。 GIS 要从室外走向室内，室内数据可以通过 BIM 获取。其次，BIM 模型不仅是表面模型，还具备 完善的闭合性及拓扑完整性。因此，这样的建筑可 以用三维体对象模型来表述。 BIM 模型统一到三维 体对象模型，被三角化后可以进化三维空间运算和 三维空间关系判断，并且支持多种三维空间分析、面 积和体积计算、构建三维缓冲区等，为制定城市设计 规则提供强大的技术支撑。5.3 BIM 链接网络在三维GIS 中的

16、实现GIS 空间数据模型包括二维和三维网络数据模 型。三维网络模型数据能够表示诸如管线、管廊、道 路等数据之间的连接拓扑关系。而 BIM 的应用对 象往往是单体建筑，如地下铁路、隧道、管线、港口等 规模比较大的区域性对象，则需要三维GIS 来实现， BIM 单体之间的链接网络通过三维网络模型数据表 示，比如管线数据，可以提取出带拓扑连接关系的线 对象和三维点，构建三维网络数据模型。这样各种复杂的实际工程领域中就可以应用 BIM 模型。例如，引水线路网络分析，若某一干渠的 一段暗渠发生了破损，可以根据三维网络数据模型 的拓扑关系明确该关闭哪些闸门，哪些支渠受到了 影响，从而及时、快速的解决问题，

17、免得产生不必要 的水资源浪费。5.4 三维数据坐标的转换BIM 一般采用独立坐标系，但是GIS 数据来源 的采集方式众多，导致采用的坐标成果也存在诸多 差异。不同坐标系无法匹配是BIM 与 GIS 集成应 用面临的问题之一。GIS 可以进行不同坐标系之前 的转换，而且点、线、面的坐标转换已经十分成熟，但 怎么把转换能力应用到三维模型数据中，对 GIS 平 台来说也是新的挑战。5.5 BIM 与多源数据的匹配GIS集成了海量多源数据，比如地形影像、激光 点云、地下管线、精细模型、水面数据等。如何使 BIM 与多源数据融合匹配去提高数据的利用价值， 是 BIM 和 GIS 应用的一大挑战。通过数据

18、配准和坐标转换，将BIM 模型与倾斜114 贺贤.浅谈BIM+GIS在水利工程中的应用前景景摄影模型和地形等数据统一到相同的坐标系，实现 各种信息对齐。再对数据进行处理和操作，进行诸 如镶嵌、裁剪、压平等操作，实现数据纹理拼接自然 和平滑衔。可以进行BIM 与多源数据的融合匹配。5.6 三维空间数据的标准BIM 与 GIS 结合虽然得到了越来越广泛的应 用，但没有统一的规范和三维空间数据标准，三维空 间数据的开放共享和互操作是难点，使得 BIM 与 GIS结合的深入应用受到制约。国内外先后推出了 众多的数据格式和标准，如3DTiles、I3S、S3M 等。 这些格式和标准的推出，推动了三维数据

19、的开放共 享和标准化。6 BIM 与三维GIS结合应用的解决 方法以一幢楼的建筑数据为例，如果用 Revit 软件 打开，会有至少6000多个图元类别，其中每个图元 又包含了非常多的属性信息，所以要想满足大体量 数据的性能，就需要采用性能优化技术来实现。目 前软件开发商提到的技术有以下3种方法。6.1 实例化方法重复模型较多的情况适用于该技术，相同的几 何模型只绘制1次，这样就可以降低硬件和显卡等 设备的压力。6.2 模型轻量化方法精简或删除模型中的一些骨架。比如：1扇窗 户、三角面和顶点数分别近上千，但是把手、卡扣占 将近1/2的数据量，那么1幢楼或者1个小区内窗 户的数量就非常多，但对于G

20、IS 来说这些部件却没 有可用的价值，所以删除或者精简这些骨架就可以 达到模型轻量化的目的。6.3 生成 BIM 缓存方法通过设置参数，生成需要的格式的缓存数据。 按照BIM 模型的族在插件导出时进行分类并存储 在数据集中，生成缓存后就可以单独调整图层的 LOD 缩放比例系数，保证大场景的性能。7 结 语近年来，BIM 彻底改变了建筑项目的设计、建设 以及运维方式，也由以建模为主的BIM1.0 跨向“以多维度数据应用”的 BIM2.0。BIM 结合三维 GIS是 BIM 多维度应用的重要方向之一，三维 GIS 特有的宏观地理环境基础和专业的空间分析查询能 力使BIM 的价值逐渐被深度挖掘。与此

21、同时，三维 GIS技术也越来越成熟，国内有些公司研究出的专 业三维GIS基于云端一体化技术体系为 BIM 提供 云+端的应用技术，使 BIM 轻量化运维情景下的 管理及技术问题被解决。二维、三维一体化技术的 发展带动了GIS空间分析能力和炫丽三维可视化效 果的发展，为 BIM 与GIS 的结合提供了更多基础。GIS可以整合建筑物外部的环境， BIM 则贯彻 于建筑物生命的各个周期。 BIM 和三维 GIS 虽然身 处不同的行业领域，但二者实质上可以互补。实际 应用中，GIS 提供空间参考， BIM 则提供数据基础， 两者结合后应用将会非常广泛。 BIM 开拓三维 GIS 的应用领域，BIM 全

22、生命周期的管理也需要GIS 的 参与，将GIS从宏观领域带入微观领域。现有的软件平台仅提供基础功能，需要做二次开 发来实现特定的功能，二者的结合也会为建设多要 素，全周期的水利数字化应用系统贡献巨大的力量。参考文献：1 邵瀚，苟胜国，李扬杰.三维GIS在水利工程规划设计中的应 用J.水力发电，2018,44(07):59-63.2 左尧，冯振华，蔡文文.基于SuperMap BIM-GIS技术的三维地 下管线场景的构建C/第三届全国 BIM学术会议论文集，2017:150-154.3 张佳琪.BIM与GIS数据融合方法研究D.长春：长春工程学 院，2019.4 马飞.基于 BIM 的水利工程安

23、全监测管理系统研究D. 邯 郸：河北工程大学，2017.5 马福明，袁静雨，于国，刘德致，许镇.工程建设领域BIM与GIS 结合研究概述J.工业建筑，2017,47(S2):468-472.6 郭瑞阳.BIM模型和3DGIS的融合技术研究及其实现D.西 安：西安科技大学，2018.7 谢温祥.BIM+GIS在水利工程中的应用J.黑龙江水利科技， 2019,47(04):130-132.8 张笑楠.地理信息系统在水利领域的应用探讨J.科学技术 创新，2018(33):71-72.9 祁平利.BIM与3DGIS集成技术研究及交通信息系统的研建 D.石家庄：石家庄铁道大学，2018.10 杨田.倾斜摄影测量与BIM技术实现三维模型的研究D. 成都：成都理工大学，2016.