水利工程視角下的 BIM與GIS 數據融合研究

謝明坤 ，賀東旭 ，孔莉莉 ，董增川

（1.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210024；2.河海大學水文水資源學院，江蘇 南京 210024；3.江蘇省河道管理局，江蘇 南京 210029）

0 引言

水利工程承擔著防洪、發電、航運、灌溉等基本水利功能，在國家生態文明、社會經濟建設中發揮著不可或缺的作用。一般來說，水利工程項目的全生命周期過程較長，各建設要素間聯系緊密。在當前數字中國建設背景下，如何更有效地實現不同尺度間工程要素的融合是水利信息化建設面臨的重要問題。BIM與 GIS 數據融合則為水利工程項目中不同尺度、功能空間要素的高效協同提供了數據基礎。

BIM 通過三維數字技術模擬建筑物真實物理信息，將建筑物生命周期中各階段的工程信息、過程信息和圖紙資源集成在數字模型中，主要應用于建筑單體工程，注重建筑單體的形式、結構與建造管理[1]。GIS 是以地理空間為基礎，可實時提供多尺度、多動態地理信息的計算機技術系統，主要服務于地理研究和決策[2]，為使用者提供強大的綜合分析和空間計算能力，在自然資源保護、路線規劃、城鄉規劃等領域應用廣泛。

近年來，BIM與GIS 技術在各自領域得到了廣泛應用，大大提高了工程項目的數字化水平。由于水利工程建設大多具有水文和地形條件復雜、工程規模大的特點，在實踐中 2 種數據單獨應用均存在局限性，例如：BIM 缺乏外部環境信息，在空間地理信息顯示與分析上存在不足，模型與周邊環境割裂，工程協同性差[3][4]30；GIS 技術更關注空間地理信息的管理與分析[4]30，難以精細化表達單體工程信息。將 BIM與GIS 集成，不僅能實現水利工程設施與地理信息的統籌，提高設計效率和精準性，還能通過一體化平臺實現項目全生命周期管理。對于水文和地形條件復雜，規劃選址困難的水利工程，2 種數據模型的集成能夠幫助設計者根據現狀地形優化調整水利設施布局，進一步服務水利工程的高水平建設與管理。

目前，已有眾多學者對 BIM與GIS 協同技術的集成應用開展了大量研究，相關學者基于水利工程建設數字化管理需求，利用 BIM與GIS 協同技術研發了建設工程項目數字化管理平臺，實現對水利工程設施設計流程的全局把控[5-7]；部分學者基于水利業務全生命周期需求，通過 BIM與GIS 的協同應用，實現了水利全生命周期的數字化表達，為 BIM與GIS 協同在水利全生命周期的應用提供方案[8-10]。雖然現階段在 BIM與GIS 協同的集成應用方面有了一定成果，但對數據融合方法的研究卻相對較少，缺乏對水利工程數據融合途徑及各自應用范圍的研究。為此，探討 BIM與GIS 數據融合的基本方法與技術框架，并從水利工程項目全生命周期視角對各種方法的優缺點及應用場景進行研究。

1 水利工程項目 BIM與GIS 的協同基礎

水利工程項目的生命周期主要劃分為規劃設計、建設施工、運行維護 3 個階段。BIM與GIS 技術協同優勢在于能涵蓋水利工程項目全生命周期，可實現各階段目標。水利工程項目全生命周期關鍵環節示意如圖 1 所示。

圖1 水利工程全生命周期關鍵環節示意圖

BIM與GIS 技術在水利工程項目生命周期協同中各階段應用內容分析如下：

1）規劃設計階段。BIM 技術負責工程單體設計，對工程構件實現精細化建模。通過 BIM 的分析功能對結構進行模型檢查與優化，自動生成圖紙方案，便于各參與方在線瀏覽設計信息和圖紙，進行可視化的設計成果交付。將 BIM 模型整合到 GIS 環境中，利用 GIS 強大的分析功能，規劃水利工程選址，利用算法對選址方案進行迭代優化，還可對設計方案進行視域、日照等分析，發揮兩者綜合優勢。

2）建設施工階段。BIM 模型結合 GIS 地形模型，可對施工場地進行工程量計算及可視化模擬，綜合環境、成本等因素合理布置施工場地。此外，根據具體施工情況可對項目 BIM 模型進行實時更新，實現施工進度及質量的管控。

3）運行維護階段。依據 GIS與BIM 結合的信息模型，可進行工程監測及預警，對項目設施進行全方位管控與維護。設計、施工數據信息化存儲，可減少后期檔案查找的工作量。

2 水利工程中 BIM與GIS 的數據融合

2.1 數據模型標準對比

IFC（工業基礎類）和 CityGML（城市地理標記語言）分別是 BIM和GIS 領域的通用數據模型標準，目前大部分 BIM與GIS 協同研究都圍繞這 2 個標準展開，兩者在幾何表達、語義信息、表達特點及應用范圍等方面的區別如表 1 所示。

表1 IFC和CityGML 數據標準的對比

相關分析如下：

1）建模語言方面。IFC 基于 EXPRESS 建模語言實現建筑信息的表達和應用，優點在于可豐富呈現模型細節和構件間的空間關系[11]9-12。CityGML 基于核心模塊 CityFML Core 和多個擴展模塊定義地理信息之間的關系，包含模型的幾何、拓撲、語義外觀等屬性信息[12]。

2）幾何表達方面。IFC 定義的模型有邊界幾何（B-Rep）、掃描體和構造立體幾何（CSG）3 種表達形式，可精細、完整地表達模型。CityGML 主要采用B-Rep 的表達形式[11]14。

3）語義信息方面。IFC和CityGML 的差異主要體現在屬性信息和類型定義方面[13]。IFC 標準定義的模型包含大量詳細的語義信息，組織層級不僅包含構件要素，還記錄構件要素之間的語義連接關系。CityGML 根據模型的精細程度定義了 LOD（細節層次）0～4的5 個細節層次，隨著 LOD 的增加，模型的精度也會越高。同時，CityGML 模型是幾何信息與語義信息的協同表達[11]15，幾何與語義之間一一對應。

2.2 數據融合方式

結合文獻調研，BIM與GIS 的數據融合方式主要包括基于數據格式轉換、標準擴展和本體技術集成3 種方式。

2.2.1 基于數據格式轉換的數據融合

通過對 IFC和CityGML 的差異分析可知，要通過數據格式轉換方式實現數據融合，需要進行 IFC和 CityGML 2 種數據格式之間幾何信息的轉換和語義信息的映射。語義信息的映射是指在 IFC 和CityGML 的類之間建立聯系，包括工程構件元素、屬性和關系的映射；幾何信息的轉換是指建筑模型的幾何轉換，主要包括代表性、坐標系、地理參考和LOD 等轉換[14]。

由于 CityGML 中的語義信息相對較少，幾何表達形式單一，從 IFC到CityGML 的轉換相比反方向的轉換要容易得多[15]，目前對數據格式轉換方式的研究主要集中在 IFC向CityGML 的轉換，多側重于優化數據轉換的算法和映射規則，如虞銘堯等[16]利用特征操作引擎（FME）將三維空間模型從 IFC 格式轉換為 LOD2和LOD3的CityGML 格式。

此外，CityGML 提供了基于 ADE（Application Domain Extension）的擴展機制，可以通過 ADE 從底層對 CityGML 進行擴展[17]，在現有標準中增加新的要素類、屬性或關系，以滿足數據格式轉換的需要。目前基于 ADE 的擴展已有大量研究，De laat 等[18]提出 GeoBIM的CityGML 擴展的開發，將語義化的IFC 要素類和定義轉化為 CityGML，Kang 等[19]基于ADE 擴展開發了室內空間數據模型（ISDM），實現了復雜室內空間及其管理的空間信息構建。

通過對 IFC向CityGML 轉換的梳理，整理的2 種信息轉換的技術路線如圖 2 所示。

圖2 數據格式轉換的技術路線

雖然已有大量學者對數據格式轉換的算法及映射規則進行了大量優化，但由于 IFC和CityGML 兩者之間語義和幾何信息的差異，無法避免因語義、幾何信息不匹配導致的信息丟失問題。此外，由于 CityGML 的語義信息相對較少，將 IFC 數據向CityGML 數據轉化的過程中會導致數據文件體積增大，影響文件載入速度。

ADE 具有靈活的轉換方式和較高的轉換效率，是解決 IFC與CityGML 數據融合問題的重要途徑。但 CityGML 不能直接獲取 IFC 中的所有信息，因而僅有 ADE 還無法實現無損轉換。此外，針對不同領域的需求，需要對 CityGML 進行針對性的 ADE 機制擴展,不利于推廣。

2.2.2 基于標準擴展的數據融合

IFC和CityGML 有各自優勢領域，IFC 擅長工程單體的精細表達，CityGML 注重大尺度空間信息的表達?；趦烧叩臄U展機制，提取各自的優勢信息，集成形成新的數據模型標準?；跀U展形成新的數據模型的技術路線如圖 3 所示。

圖3 基于擴展形成新的數據模型的技術路線

Xu 等[20]基于數字城市模型和 BIM 技術，通過整合幾何和建筑等信息，形成城市信息模型（City Information Model，CIM）。類似的還有校園信息模型（Campus Information Model，CIM）[21]、城市信息模型（Urban Information Modeling，UIM）[22]1283-1285等。

通過形成新的數據模型實現數據融合這一途徑不涉及數據格式的轉換，在融合的過程中能夠有效規避轉換過程中數據丟失的問題，也能排除目標數據模型中不需要的屬性信息，減小數據文件的大小，優化運行速度。然而，通過這一途徑形成的數據模型往往針對某一特定領域或問題，通用性不高。

2.2.3 基于本體技術集成的數據融合

本體技術主要目的在于實現 IFC和CityGML 2 種數據標準之間的雙向互通。IFC和CityGML 都是復雜的本體系統，基于本體的數據融合需要先匹配 2 個本體系統的本體信息，再通過識別兩者間的共同概念合并本體。形成的新的本體系統作為中間媒介，能夠達成與 IFC和CityGML 之間的互通?；诒倔w技術的數據集成技術路線如圖 4 所示。

圖4 基于本體技術的數據集成技術路線

IFC 的本體主要集中于 3D 形狀，CityGML 的本體主要集中于 2D 形狀，2 個本體之間無法形成一對一的對應關系。Delgado[23]等利用本體匹配的方法，通過自動搜索 2 個本體之間的對應關系（如詞匯、語法或語義等），實現 BIM與GIS 的融合。此外，采用本體集成方法，對不同領域的多個本體進行集成處理，可以形成一個集成化的本體[24]，Mignard 等[22]1285便是根據本體理論提出 UIM 的。

要完成 IFC和CityGML 2 個領域本體的創建，需要對這 2 個領域有較深的理解，操作門檻高，同時對 2 個本體的整合也需要更長的研究時間。本體技術作為 BIM和GIS 數據融合的新方法，研究還處于初期階段，相關概念或方法還有待驗證，現階段應用較為有限。

3 水利工程 BIM與GIS 的數據融合應用

3.1 應用場景

BIM與GIS 的數據融合對提高水利工程項目信息化水平、建設數字孿生水利項目具有重要現實意義，當前 3 種數據融合方法的優缺點及在水利工程中的主要應用優勢和不足如表 2 所示。

表2 BIM與GIS 3 種數據融合方法的對比

3 種融合方法的應用場景分析如下：

1）數據格式轉換方法的應用場景。從設計角度考慮，數據格式轉換方式中 BIM與GIS 在設計過程中互不干擾，適合多方協同設計方式，可由多方共同提出設計方案后進行整合，因而適合水利設施與水文和地形聯系弱，水利設施結構復雜，精細化程度要求高，場地水文和地形條件相對復雜，需要對水文和地形數據進行處理的水利工程項目。

2）標準擴展方法的應用場景。標準擴展的數據融合方法將水利模型信息與地理空間信息集成到統一的應用平臺，適合單一設計方進行統籌設計。從工程實際應用角度看，該方式能夠實時根據水文和地形情況調整水利設施的形狀、布局、位置等工程要素，適合水利設施與水文和地形聯系緊密的工程。該方式集成 BIM與GIS 2 種數據信息，易造成數據文件較大、實時渲染壓力大等問題，更適合工程范圍小或設施、地形情況簡單的項目。

3）本體技術方法的應用場景。本體技術主要實現 IFC和CityGML 2 種數據標準的雙向互通，能隨時實現兩者整合，因而具有數據格式轉換和標準擴展2 種方式的優點。本體系統作為 BIM與GIS 的中間媒介，不僅可以在本體系統中進行統籌設計，還可以根據工程開展情況在 BIM和GIS 中進行針對性調整。從工程實際角度看，由于操作門檻高，用在工程規模大、水文和地形情況復雜的項目中有較好的經濟效益。

3 種數據融合方法的應用場景對比如表 3 所示。從表 3 可知，3 種數據融合方法都有各自應用場景與價值，因而對各種方法的研究都不可或缺。

表3 3 種數據融合方式的應用場景

3.2 應用階段

BIM與GIS 的數據融合應用貫穿水利工程項目全生命周期的 3 個階段，具體分析如下：

1）規劃設計階段。規劃設計階段主要包括工程規劃及結構設計 2 個方面。無論是規劃設計還是結構設計，最終目標都為實現最好的工程效益。通過 BIM與 GIS 數據融合，在規劃中基于 GIS 數據利用算法優化方案，提高規劃合理性；在結構設計中可根據 BIM模型中工程材料、設備質量的調整，控制項目成本。

2）建設管理階段。在建設管理階段，BIM 主要用于控制工程質量，GIS 用于整體資源統籌?；贐IM與GIS 數據融合，通過構建工程項目管理平臺，整合項目施工所需的水利設施、工程材料、施工圖紙等信息，進行分類存儲和查看。在施工過程中可在管理平臺實時填報項目完工情況，進行施工進度分析，同時在三維模型中通過顏色、透明度等區分設施完工狀態，實現可視化的質量管理和進度控制。

3）運行維護階段。運行維護階段主要面向工程項目的業主方，由于 BIM與GIS 軟件操作門檻及硬件配置要求不適合業主方直接使用該技術進行后期的運行維護，因而大多需要開發多端一體化的 BIM與 GIS 運維平臺，如在 Web，PC，App 端進行數字化交付，給業主方提供三維建筑模型查看、視頻監控、故障檢查、日常檢查信息上傳分析等功能。

3.3 應用案例

本研究以江蘇省高港樞紐 GIS與BIM 數據融合為案例，介紹相關技術的實踐應用。泰州引江河位于泰州市與揚州市交界處，南起長江，北接新通揚運河，全長為 24 km。高港樞紐工程為泰州引江河的控制建筑物，是一座以引水為主，集灌溉、排澇、航運、生態、旅游綜合利用于一體的大型水利樞紐工程，主要由泵站、節制閘、調度閘、送水閘、船閘及110 kV 專用變電所等組成。本研究利用 BIM，GIS，VR（虛擬現實技術）和無人機傾斜攝影等技術建立引江河三維數字映射，通過大場景地理空間數據與小場景信息模型數據融合對高港水利樞紐現狀進行全景展示，并與未來引江河典型河道濱水空間管理與設計進行數字化整合。從基礎信息采集、數據庫構建、濱水空間規劃設計、工程可視化等方面，探索數字視角下高港樞紐規劃設計與全生命周期管理，進一步提高工程精細化管理水平、效率及信息化水平，解決項目規劃建設和管理過程中面臨的數據融合不便、統一信息管理平臺欠缺、數據共享不便等問題。使用數據格式轉化方式實現數據融合，將 BIM 模型數據轉換到 GIS 地形模型中，創建高港水利樞紐全景模型，實現工程數據的統一管理。相關模型和結果展示如圖 5 所示。

圖5 BIM與GIS 高港水利樞紐模型展示

4 結語

將 BIM與GIS 數據融合方法應用于水利工程領域是一種有效、可行的應用方案，對促進水利工程多源空間數據協同具有重要意義。未來，可進一步探索BIM與GIS 協同應用于水利工程項目全生命周期管理的場景與途徑，也可針對水利工程特定領域創建高度集成、可視化的數字信息模型?？傮w說來，基于水利工程視角的 BIM 與GIS數據融合研究對促進水利信息化水平，助力數字水利孿生建設具有重要價值。