基于BIM+GIS的灌区工程可视化研究
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作者:刘晓彬 夏涛 于敬舟 郭云涛
摘要：传统灌区工程管理可视化程度低，难以形象、直观地掌握工程管理动态信息。应用工程领域新兴的BIM+GIS技术，依托于甘肃省古浪县黄花滩调蓄供水工程信息化建设项目，构建了灌区建筑物及各种设备的BIM模型，融合灌区实景模型及正摄影像等GIS数据，实现了灌区工程的可视化展示。运行实践表明：该项目的可视化应用提升了工程建设、运行、维护管理的精细化程度，加强了统一可视化平台下的信息交流和沟通以及业务数据的共享和分析，为灌区管理提供了高效、直观的信息服务。
关键词：灌区工程; BIM+GIS; 实景模型; 可视化
中图法分类号：S274 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.018
文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0097 - 05
0 引 言
随着工程建设数字化、信息化、智慧化程度的发展[1-3]，灌区工程现代化管理水平也逐步提高，各种工程综合管理系统基本成为了灌区信息化管理的标配建设部分[4-6]。但在灌区管理中，目前的智慧化建设大多局限于工程信息的汇集、统计、分析等基本功能，可视化应用程度还不高，甚至缺少必要的工程BIM（建筑信息模型）和GIS（三维地理信息系统）数据等基础支撑，未能充分发挥出可视化技术在工程信息化管理建设中直观展示形象、支撑数据信息、支持决策分析等多重作用[7]。
近年来，BIM+GIS技术已成为工程建设行业的前沿新兴技术[8-11]。基于BIM+GIS技术，可将传统的二维管理信息拓展至精细化BIM模型及大场景GIS数据等多元数据集成[12]，充分研究灌区工程中的可视化应用场景和业务应用，为灌区管理决策提供可视化环境，以期为灌区工程创造更大的效益。
1 工程概况
本文依托于甘肃省古浪县黄花滩调蓄供水工程信息化建设项目。该项目涉及4座调蓄水池和1条分干渠，建设了信息化运行管理系统，形成了与灌区管理相配套的集信息感知采集、自动化监控、通信网络、数据资源、应用支撑、业务应用为一体的信息化平台体系，逐步增强黄花滩灌区水量的定量管理和科学调配，实现灌区管理能力的提升。
在此项目信息化运行管理系统建设中，本文研究了可视化技术应用，基于BIM+GIS技术开发了“灌区一张图”模块，强化了灌区运维期的业务管理综合应用。
2 BIM+GIS技术应用背景
当前，BIM+GIS技术正在掀起一场工程行业的数字化革命。BIM作为信息交流核心，以信息数据为基础，构建工程三维模型，集成工程全过程各阶段和各方信息，支持多方协作，强化及时沟通和有效管理。在工程运维管理过程中，以BIM平台为基础，与现代互联网技术建立各式集成应用，能够达到对工程的有效管理和精准控制。GIS技术可叠加实景模型、DEM（数字高程模型）数据、正摄影像等空间数据信息[13]，具有采集、存储、分析、处理地理信息等功能，能够实现信息的可视化表达，为空间决策分析提供技术支持和服务。
BIM与GIS技术的融合，使微观领域的BIM信息与宏观领域的GIS数据实现交互操作。将BIM从微观引入宏观领域，拓展了三维BIM的应用范围，为BIM技术发展带来了新的契机，可全面提升管理水平和管理效率。
本项目基于BIM+GIS技术，把工程建筑信息模型微观数据与灌区宏观地理信息环境融合共享，形成灌区水源工程、输配水工程的“数据枢纽”，应用到三维GIS分析中，实现宏观灌区全景GIS模型和微观精细化BIM模型的完美融合以及可视化无缝衔接浏览。
3 可视化数据创建
黄花滩调蓄供水工程包含4座调蓄水池和1条分干渠，涉及输水构筑物、引水构筑物、场区构件、景观、渠道以及监测设备等。收集和整理工程信息资料、设计施工图纸、设备照片等已有资料，采集和制作空间数据，如DEM数据、卫星遥感影像数据、三维实景模型、BIM模型等。本文选取工程中BIM模型类型丰富、监测设备种类齐全、可视化应用代表性较强的“3号首调调蓄水池”为例，介绍可视化数据创建方法和应用过程。
3.1 BIM模型建设
本项目采用Bentley系列软件中的OpenBuildings Designer（以下简称OBD）和Microstation（以下简称MS）[14]进行BIM模型创建。OBD是一款功能完善、全面详细的多专业信息建模BIM软件。
3号首调调蓄水池包含输水构筑物、引水构筑物、景观绿化、场区构件、监测设备等部分，以模型精度LOD300进行精细化建模，模型采用真实材质渲染，具体如下。
（1） 输水构筑物。包含出水口、DN800输水管、控制阀井、泵井、流量计阀井、镇墩、渡管等结构，可视化效果如D1所示。
（2） 引水构筑物。包含消力池、消能台阶渐变段、引水暗渠、取水口（分水闸、节制闸、启闭机、楼梯）等结构，可视化效果如图2所示。
（3） 景观绿化部分。由于蓄水池周围绿化树木还未建成，现场实地不能展示出整体建设效果，因此，采用BIM绿化模型展示灌区可视化效果，树木种类与实际规划相符，可视化效果如图3所示。
（4） 场区构件。包括路灯、中式栏杆、围栏、大门等构件，构件模型可视化效果如图4所示。
（5） 监测设备。包括报警主机（1～30号）、电子围栏、观测墩（表面位移标点TP1-16、工作基点TB1-4、校核基点TX1-4）、气温计、雨量计、摄像头（进水口摄像头、全局摄像头、水尺摄像头、周界1-11号摄像头）、渗压计（P1-P50）、水尺、水温计（1～3号）、变压器等，设备模型可视化效果如图5所示。
3.2 GIS数据制作
GIS数据制作的主要工作包括：大场景数据制作、黄花滩灌区数据制作、重点施工区DOM（数字正射影像）与实景三维模型制作3个方面，总体技术路线如图6所示。其中，重点区域3号首调调蓄水池实景模型如图7所示。
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