基于BIM+3DGIS的塊體監測系統應用研究

耿峻　李會中　丁琦華　朱志宏

摘要：針對水電工程地下廠房塊體穩定性監測與三維可視化的表達問題，采用BIM+3DGIS 技術搭建了三維可視化塊體監測系統。該系統在高精度地形場景中可準確反映塊體空間信息和幾何形態，展示監測儀器布設位置，集成廠房BIM模型，關聯監測數據，形成三維可視化的塊體實時監測預警體系。將系統應用在三峽水電站右岸電站地下廠房塊體穩定性監測中，極大地提高了實時監測信息及廠房安全管理的效率，可為塊體穩定性分析評價提供決策依據。相關經驗對水利水電工程三維可視化監測管理具有一定參考價值。

關鍵詞：地下廠房; 塊體穩定性; 安全監測; BIM+3DGIS

中圖法分類號： TV698

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.10.037

0引 言

水利水電工程地下廠房塊體穩定性問題一直是地下工程中重要的技術難點[1-3]。水電站廠房施工過程中，塊體采用了合理的工程技術手段支護且布設了大量的監測儀器。塊體深埋地底，地下電站裝飾后塊體和監測儀器隱藏在墻壁巖體之后，塊體的分布位置、監測儀器的涉及區域都不可見，導致運維管理階段塊體信息直觀性不強，監測實時性較差，安全管理和監測效率較低，傳統手段難以滿足現階段塊體可視化監測管理的需求。

近年來BIM和3DGIS技術得到了長足發展，其強大的三維可視化技術、三維建模能力、數據加載能力、數據處理能力為水利水電工程安全監測提供了全新的解決思路。目前，將BIM和3DGIS技術應用在水利水電工程安全監測中的相關成果已有不少。馬瑞[4]提出了基于3DGIS技術的水庫大壩安全管理;朱亭等[5]開發了基于BIM技術的三維可視化大壩安全監控系統;卞小草等[6]提出了基于BIM+3DGIS的水電項目群建設管理系統;He等[7]將三維 GIS 技術應用在了小浪底水電站安全監測方面。然而，將BIM和3DGIS技術運用到巖石塊體監測中的案例卻很少。筆者基于BIM+3DGIS技術開發了塊體監測系統，充分發揮二者優點，搭建3DGIS地表場景，融合采用BIM 技術構建的地下廠房實體、塊體BIM模型、監測儀器模型，關聯監測信息。同時，開發出集成三維可視化模型展示、數據查詢展示及監測預警等模塊的塊體安全監控系統，以提高地下廠房安全管理效率。

1BIM+3DGIS關鍵技術

在行業應用中，BIM提供模型的數據基礎和微觀表達，3DGIS則提供環境數據和空間地理信息。3DGIS的多源空間數據為BIM應用提供了宏觀可靠的地理環境基礎，BIM的精細化模型數據彌補了3DGIS無法表達和描述對象內部結構的缺陷。BIM與3DGIS技術的融合，實現了微觀領域的BIM信息與宏觀領域的3DGIS信息的交換和互操作[8-10]。在BIM+3DGIS系統開發過程中，需要解決信息模型建模、數據集成、平臺搭建、坐標系轉換、渲染效果等關鍵技術。

1.1BIM和3DGIS信息模型

通過無人機航飛結合近景攝影技術采集地形數據，加工形成 DEM、DOM、DLG等數字產品，數據融合構建三維地形基礎數據庫，建立研究區3DGIS模型。采用BIM模型進行三維可視化的核心內容是BIM建模與信息關聯。采用達索系統3DE平臺的知識工程（Knowledge Engineering）模塊搭建建筑物、地質、塊體模型的模板，根據不同構件參數調用模板進行參數化建模，建立大壩、地下廠房、塊體的BIM模型，以及三維地質模型和監測儀器設備模型。

BIM模型和3DGIS模型的建立，實現了對地形、建筑、地質條件、地下廠房、塊體、監測模型的精細化表達。

1.2坐標轉換

BIM模型一般使用高斯平面直角坐標系，如北京54、地方坐標系，3DGIS中常以大地坐標系來表示空間位置信息。因此BIM模型與3DGIS數據的集成面臨坐標系不同、無法匹配的問題，必須進行坐標轉換。

采用C++編寫坐標系統轉換插件，將BIM模型中所有頂點、中心點通過轉換算法進行坐標轉換，實現BIM與3DGIS坐標層面上的融合，其算法轉換流程如圖1所示。

1.3BIM與3DGIS數據集成

BIM和3DGIS數據集成是一項復雜的課題。BIM是在IFC標準體系下建立和管理數據，以IFC格式進行數據交互流通;3DGIS是以CityGML為編碼標準，用以存儲和交換虛擬三維空間信息。BIM與3DGIS的融合，核心在于IFC和CityGML兩個數據標準之間的數據轉換[7]。

本文中BIM模型采用IFC格式導入3dsMax，通過紋理和渲染，賦予模型真實材質。導出為IVE 數據類型，對 IVE 數據和IFC數據進行集成，構建BIM模型數據庫，并根據系統精度和數據量大小對模型進行LOD分層分級、化簡和存儲，生成系統中所需的三維數據格式。最后將BIM模型數據與三維地形數據的坐標單位、坐標系和投影方式等進行統一，將BIM數據融入3DGIS平臺中，實現BIM和3DGIS數據的融合集成[8]。

1.4基于BIM+3DGIS技術的可視化管理平臺開發

基于BIM+3DGIS技術的可視化管理平臺開發的最大難點是開發滿足BIM和3DGIS功能需求的底層三維平臺。經過綜合分析，本文系統開發底層采用osgEarth 開源庫，同時結合HDR渲染技術優化底層三維展示效果[10]，使其能夠同時滿足3DGIS空間信息應用需求和BIM模型精細化展示效果。

osgEarth三維場景可視化開源引擎是使用C++語言和三維渲染引擎OSG開發的地形生成系統，能加載GIS數據，訪問地圖服務器，支持地圖本地緩存、金字塔影像自動創建、數據分層分塊顯示等操作。通過對osgEarth的封裝、優化，完成基礎平臺搭建?；诘讓娱_發了數據預處理、數據存儲管理、數據集成瀏覽等一系列工具軟件。利用這套完整的工具軟件，對多源數據進行處理和集成可形成多尺度BIM+3DGIS場景，支撐水電工程監測系統的模擬仿真應用[11]。數據處理集成流程如圖2所示。

2塊體監測系統設計與實現

2.1系統架構

系統在設計上綜合考慮用戶需求，選用C/S架構設計。系統自下而上分為感知層、數據層、業務邏輯層、表示層4個層次，系統架構如圖3所示[9]。

2.2系統功能設計與實現

系統主要包括BIM+3DGIS可視化管理、地質信息管理、運行維護管理、塊體信息管理、實時預警管理5個模塊，系統模塊功能如圖4所示。

功能模塊：① BIM+3DGIS可視化管理。實現BIM模型在3DGIS場景中的三維可視化及數據交互，包括模型管理、視圖管理、數據查詢綁定等功能。② 地質信息模塊。展示地下廠房所處地質環境、地質條件。③ 運行維護管理。④ 塊體信息管理。維護記錄塊體分布、位置、方量、和監測儀器的對應關系、初始穩定性、初始處理措施。⑤ 實時預警管理。主要包括監測數據管理、實時預警等。開發監聽程序實時接收監測數據，對不同儀器數據實時分類顯示，對監測數據設置相關算法和規則，進行實時分析預警，并基于E-chart實現數據圖形可視化。

3工程案例應用

以長江三峽水利樞紐工程右岸地下廠房為例，基于BIM+3DGIS技術建立塊體三維可視化監測系統。三峽水電站右岸地下電站主廠房圍巖中的結構面、斷層和洞室開挖面組合切割形成不同類型塊體，其中大于100 m3約77個[1-3]，施工過程中采用錨桿錨索進行支護設計，并埋設多點位移計、應力計等監測設備。該系統集成地形3DGIS模型、建筑物BIM模型、塊體模型、監測儀器模型，關聯實時監測數據，對三峽電站主廠房塊體進行可視化管理和穩定性監測。

3.1三維可視化展示與管理

采用BIM技術對三峽地下電站廠房、塊體、監測儀器進行三維可視化建模，如圖5所示。通過自研插件完成基于HDR技術的高質量渲染。采用BIM技術完成三維地質模型，如圖6所示。

采用DEM、DOM數據建立三峽工程壩址區3DGIS地形地表模型，構建真實三維地形地貌如圖7所示。

將BIM模型數據集成在3DGIS平臺中，完成整體三維場景搭建，近乎真實地展示三峽樞紐區三維場景、地下電站主廠房實體結構、地質條件、塊體空間分布和幾何特征、監測儀器埋設位置等，如圖8～9所示。在平臺中可以實現對 BIM 模型的基本操作與查看，如平移、旋轉、縮放、測量、標注、漫游等。

將平臺和VR視覺表達進行混合開發，實現地下廠房模型與真實世界場景的融合。用戶通過佩戴VR眼鏡在三峽水電站地下電廠BIM模型中漫游、交互式操作，真正做到足不出戶即可對整個廠房進行瀏覽和管理。

3.2數據查詢

傳感器獲取的數據通過網絡傳回數據中心，并集成在本系統中與BIM模型關聯。數據查詢機制是塊體空間數據和屬性數據的雙向互動檢索。一方面可以拾取三維場景中的實體對象（包括廠房建筑、塊體、監測儀器），查詢并顯示實體的屬性信息;另一方面也根據屬性數據，按目標條件進行查詢，實現目標塊體的快速空間定位和查詢。查詢的結果通過動態生成曲線圖、柱狀圖、散點圖以及數理統計結果表等圖表形式（見圖10～11），綜合展示塊體及監測儀器相關監測信息。

3.3實時監測預警

系統運行后實時監測數據變化，對監測數據設置相關算法和規則，當監測數據觸發監測預警規則即發送郵件消息，消息中包含監測異常值、所涉及塊體信息和相關處理方式。根據標準化操作對消息及時處理和反饋，結合專業分析對塊體穩定性進行甄別和判斷。監測預警流程圖如圖12所示，監測數據郵件推送如圖13所示。

4結 語

本文闡述了BIM和3DGIS各自的特點，研究了BIM和3DGIS建模、坐標轉換、BIM和3DGIS數據集成、BIM+3DGIS底層開發等幾大關鍵技術?；贐IM+3DGIS研發了三維可視化塊體監測系統，并將該系統應用在三峽工程地下廠房塊體監測中，全面直觀地表達了地形地貌、廠房結構、塊體監測信息，并實時監測預警，極大提高了廠房安全管理的效率，為水電工程三維可視化安全監測管理提供了參考。

參考文獻：

[1]夏露，李茂華，陳又華，等.三峽地下廠房頂拱典型塊體研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30（増1）：3089-3095.

[2]鄔愛清.基于關鍵塊體理論的巖體穩定性分析方法及其在三峽工程中的應用[J].長江科學院院報，2019，36（2）：1-7.

[3]王家祥，葉圣生，王德陽，等.三峽地下電站尾水洞槽挖洞間巖墩穩定性分析[J].人民長江，2007，38（9）：66-69.

[4]馬瑞.基于三維可視化和物聯網技術的水庫大壩安全管理研究[C]∥中國水利學會2016學術年會論文集（上冊），北京，2016.

[5]朱亭，張貴，金劉琦，等.三維可視化大壩安全監控系統研發及應用[J].人民長江，2019，50（7）：217-222.

[6]卞小草，雷暢，丁高俊，等.基于GIS+BIM的水電項目群建設管理系統研發[J].人民長江，2018，49（7）：72-76.

[7]HE B，YANG Z，MAN H，et al.The application of 3D GIS technology inXiaolangdi hydraulic project safety monitoring[C]∥International con-ference on model transformation，New York，2011.

[8]謝明霞，張力，馬瑞.3DGIS+BIM技術在城市地鐵管理信息系統中的應用[J].地理空間信息，2019，17（9）：86-89.

[9]李獻忠，張社榮，王超，等.基于BIM+GIS的長距離引調水工程運行管理集成平臺設計與實現[J].水電能源科學，2020，38（9）：91-95.

[10]王鵬.快速構建逼真三維虛擬仿真地球場景的若干關鍵技術研究[D].武漢：武漢大學，2019.

[11]劉方塹，馬瑞，邱鑫，等.基于3DGIS的水庫群聯合調度多尺度模擬仿真研究[J].人民長江，2021，52（2）：217-222.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：Aiming at safety monitoring and 3D visualization expression of rock blocks in underground powerhouse of hydropower engineering，we established a 3D visualization monitoring software of rock blocks by using BIM+ 3DGIS technologies.The monitoring software can reflect space information of blocks and geometric shape in high-resolution terrain scene，also it candisplaylocation of monitoring gauges，incorporate the BIM model of workshops and associate monitoring data，realizing pre-warning for blocks in 3D visualization environment.The monitoring software has greatly improved the effectiveness of safety monitoring in right-bank underground workshop in the Three Gorges Hydropower Station.The relevant experience could provide some referential values for the 3D visualization monitoring and management of the water resources and hydropower projects.

Key words：underground powerhouse;stability of blocks;safety monitoring;BIM+3DGIS