基于BIM+GIS技术数字化综合管理平台的研究与探讨——以珊溪-赵山渡水库为例

基于BIM+GIS技术数字化综合管理平台的研究与探讨——以珊溪-赵山渡水库为例

陈鹏1，曾善锋2，洪侃3，李钊宝3*

（1.文成县水利局，浙江温州325300；2.浙江广川工程项目管理有限公司，浙江杭州310020；3．浙江量世科技有限公司，浙江杭州310000）

摘要：本文主要是探索利用BIM和GIS技术对珊溪-赵山渡水库的管理水域进行三维立体建模，升级珊溪-赵山渡水库数字化的综合管理平台。实现对大坝基础信息数据、水情数据、水源保护数据进行可视化的定位和分析，为水库的安全管理、调度运行、洪水预测预报等提供决策信息。实现珊溪-赵山渡水库的数字化、标准化、智慧化管理。

关键词：建筑信息模型、地理信息技术、水库、综合管理平台、智慧化管理

中图分类号： 文献标识码： 文章编号：

Research and discussion on digital integrated management platform based on BIM+GIS technology

-- A case study of Shanxi-Zhaoshandu Reservoir

CHEN Peng1, ZENG Shan-Feng2, HONG Kan3, LI Zhao-Bao3*

(1.Wencheng Water Conservancy Bureau, Wenzhou Zhejiang, 325300; 2.Zhejiang Guangchuan Engineering Project Management Co. LTD, Hangzhou Zhejiang 310020; 3.Zhejiang Liangshi Technology Co., LTD, Hangzhou Zhejiang, 310000)

Abstract:This paper mainly explores the use of BIM and GIS technology to carry out 3D modeling of the management water area of Shanxi-Zaoshandu Reservoir, and upgrade the integrated management platform for the digitalization of Shanxi-Zaoshandu Reservoir. Realize the visual positioning and analysis of dam basic information data, water regime data and water source protection data, and provide decision-making information for reservoir safety management, dispatching operation, flood forecast, etc. Realize the digitalization, standardization and intelligent management of Shanxi-Zaoshandu Reservoir.

Key words: BIM, GIS, Reservoir, Integrated Management Platform, Intelligent Management

收稿日期：

作者简介：陈鹏（1988-），男（汉），浙江（温州文成），学士，工程师，主要从事水利工程运行管理工作，Email: 249881684@qq.com

*通讯作者：李钊宝（1986-），男，山东（潍坊），硕士，工程师，主要从事水利信息化和自动化研究工作，Email：2895404172@qq.com

1项目背景

珊溪-赵山渡水库是温州地区最重要的饮用水源地，是温州经济发展和社会稳定的重要保障。2019年以来，市珊管中心启动了库区综合管理平台的建设工作，经过一段时间的试运行和调试更新，库区综合管理平台的运行已逐步走向正轨，库区管理各项工作的规范化、线上化、透明化、信息化得到了很大的提高。数字化转型工作受到水利部、省水利厅以及市领导的高度肯定。随着水源保护工作深入推进，水库水质稳中向好，但成绩喜人的背后，也存在不少隐忧，需要提升的空间仍然很大，特别是在数据可视化、智慧化方面存在一定程度上的短板。一方面，库区管理工作点多面广、管理资源分散，大量的运管数据没有得到充分的利用；另一方面，库区管理对象众多，特别是对关键部位、关键对象的监管上不够直观、全面；再者，库区的安全管理工作是各项工作的重中之重，在水源保护、大坝安全管理、防洪调度等方面缺乏智慧化的、可视化的预判预警模型。因此，本文以珊溪-赵山渡水库综合管理的实际业务需求为导向，以促进物联网、大数据、人工智能等新技术与实际应用深度融合为基本手段，探索运用BIM+GIS技术对珊溪-赵山渡库区综合管理工作进行再升级、再思考，为后续库区综合管理平台升级搭建思路和框架，从而进一步提升库区管理工作的数字化、智慧化水平，补短板、强弱项，推动珊溪水源保护及管理工作高质量发展。

本文拟通过分析BIM+GIS技术特点，探索运用BIM+GIS融合技术实现珊溪-赵山渡水库综合管理平台数据可视化、智慧化的升级。

2国内BIM+GIS技术集成应用现状

2.1建筑信息模型BIM及其特点

建筑信息模型（BIM, Building Information Modeling）思想起源于20世纪70年代，由Jerry Risering[1]等建筑信息公司定义了其概念；BIM技术由Autodesk公司于2002年提出，核心是通过虚拟技术、数字化技术为实际建筑模型虚构三维可视化、信息完整的建模工程信息库，从而提高建筑工程的信息集成和表达水平。BIM技术具有以下特点：

（1）BIM贯穿整个项目的生命周期[2]。一种参数化的实体建模技术，通过参数输入可以建立实体的三维模型，突破二维约束，实现三维立体展示。

（2）在规划设计阶段，可以建立可视化的沟通平台[3]模型的参数化修改，通过检验过程中的参数变化，可以立体直接展示局部微观变化，提高论证的严密性和科学性[4]；

（3）高精度BIM单体细化模型，信息全面准确，局部微观变化可直接反应局部变化对周边变化的影响，提高设计模型的表达能力[5]。

（4）施工实施阶段，实现成本精细化管理和动态化管理，规避风险，提高施工效率，降低施工成本[6]。

（5）降低运行管理成本，保证应急管理和节能减排措施[7]。

目前，根据数字化、信息化水利的成果，在国内一些大型项目和新区水利建设中已经运用相关技术，探索智慧化水利BIM应用的可行性。高英[8]等探索运用“BIM+”技术在智慧水利上的应用陶丽佳[9]等人也分析了BIM技术在水利工程建设中的应用效果，提出了基于物联网技术构建智能水利系统的基本思路边馥苓[10]对数字工程的原理和方法进行了深入的研究王志坚[11]对智慧化的发展提出了水利、数字、业务三个和谐的系统架构。

2.2地理信息技术GIS

地理信息系统（GIS，Geographic Information System）是地理科学、计算机技术、遥感技术和信息科学的融合。地理信息技术具有良好的空间分析能力和动态预测能力，有较强的综合信息处理能力，能够进行快速的地图定位，实现仓储状态的实时测量和动态显示。GIS数据一般采用卫星影像、无人机倾斜摄影等方式获得，是一种基于GIS系统金字塔的数据结构形式，构建多级（传统GIS数据一般有22级）金字塔数据，在客户端执行逐次置换、渲染显示的策略。

2.3BIM+GIS三维可视化技术

BIM技术可以实现工程的精细化立体展示及管理，但缺乏宏观信息和周边环境信息的整体展示及处理能力。GIS技术可以融合大范围的空间数据，通过对地理信息数据的分析，实现宏观地理环境的模拟与反演。BIM数据是丰富GIS数据的重要组成部分，可实现GIS从宏观到微观的精细化管理。因此，BIM+GIS三维可视化技术可以在海量信息可视化、项目信息协作以及项目精细化管理等方面提供更完善的解决方案。随着CIM城市精细化的发展要求，如消防救援，不仅要准确定位事故发生位置，还要分析事故现场周边环境，同时了解建筑物内部的空间结构，运用GIS+该建筑物的BIM模式，可以实现事半功倍的救援效果。国内多个领域对BIM+GIS的技术研究已有一些成果，彭雷[12]实现了地形、影像和BIM模式的融合与一体化管理，为城市规划管理部门提供了三维管理平台。潘飞[13]实现了GIS环境下BIM数据的快速有效集成。薛梅[14]等人实现了CAD/BIM要素服务接入、三维场景建设工作，未来BIM+GIS技术集成应用将成为大型工程建设、管理场景可视化的必然趋势。

3基于BIM与GIS融合的关键技术路线

BIM模型数据相对于GIS数据最大的特点就是有限空间范围内的数据量特别大。例如，一栋楼的BIM模型数据可能突破500M或1G以上计算，珊溪-赵山渡水库的BIM模型数据约为500M-1G。GIS+BIM融合引擎的关键是如何实现根据GIS引擎的多级金字塔结构来构建大致数量的BIM模式数据（图1）。根据GIS平台的多级金字塔系统，将原本只有一级的BIM模型数据组织成适合GIS平台的多级（三级）金字塔系统，在视野推进时进行逐次动态置换：三级-2级-原始BIM模型（图2）。

图1 BIM+GIS结合流程图

利用现有的大坝技术参数，对大坝等关键部位进行整体建模，对检漏点、裂缝监测点、位移监测、变形等进行局部和周边精细化建模，参照图2中基于格伦代尔的WebGL技术的轻量化GIS+BIM融合发动机的解决方案可实现合理的空间分割和高效的顺序置换，选择BIM模型中的部件识别、切割、着色、部件移动、测量等BIM功能，并选择其他功能。当输入大坝的局部位置信息、尺寸信息等时，可以在相应的位置动态显示该缺陷的历史曲线，预测对将来的进路及周边及整体的影响。

图2 BIM+GIS建模效果图

4基于BIM+GIS

技术的珊溪-赵山渡水库数字化综合管理平台

4.1平台总体架构

图3 平台总体构架图

4.2综合管理平台基本组成

4.2.1水库三维动态管理一张图

以时间和空间为框架，实现水域信息资源整合，将水库水文参数、管理数据、人文社会信息、应用信息、地理信息等相关数据与BIM+GIS技术相结合，形成水库三维动态管理的一张图同时根据需要进行分层叠加显示，可实现水库整体的掌握和综合管理。

（1）水库水文参数

水库水文参数主要包括：水库范围内水位、雨量、水质、流速、库容等信息，设备实时监测结果定期上传，通过可视化及时反馈水库基本情况。

（2）管理数据

管理数据包括水库范围内日常巡检、设备维护、维护等相关管理工作信息，并分为规划内容、执行情况和备案管理，保障水库管理有规划、有监督、有记录。

（3）人文社会信息

人文社会信息包括水库文化传统、历史遗迹、思想观念、科技、人文分布、社会现状等信息，将水库发展与区域人文社会发展有机结合，充分展示水库发展动态。

（4）应用信息

应用信息包括水库范围农饮水、灌溉、发电、养殖、畜牧等信息，实现区域内规划用水、规范用水、有效用水，在保障区域内水资源安全的同时，获得最大化经济效益。

（5）地理信息

水库范围及周边河流水系，包括水池、水库、山塘、堤防水门、湖泊、堰河枢纽、交叉建筑物、视频监控等，形成采用.shp或.gdb形式，坐标系统采用CGCS国家2000坐标系，高程系统采用1985国家高程标准，数据精度要求1:2000地图比例尺以上精度。

（6）BIM+GIS技术

采用BIM实现了大坝信息的三维可视化建模，结合GIS技术，以地理信息、空间信息和动态地理信息为基础，实现了大坝动态管理的可视化，构建了大坝三维动态管理的一张图。

4.2.2大坝安全监测可视化及调度运行的智慧化

（1）大坝监测可视化

通过将传感器、摄像机等监控设备设置在大坝周边及主要建筑物的监控位置，利用测控单元定时启动传感器进行数据采集，并将采集到的数据通过GPRS传送至监控计算机，进行计算、通过仿真实现监控可视化。

（2）调度运行智慧化

通过集成网络控制传感器，由传感器向测控单元和计算机发送指令，构成数据采集系统，实现大坝原型数据的自动采集、设备监控等，保证大坝安全状况的实时控制，保证大坝属于监测数据的准确性和时效性减轻传统人力巡检压力，降低维护成本，提高监管效率。

4.2.3流域水雨情模型立体化展示

一体化水雨情监测站的设计原理如图4所示，是集自卸车式雨量计、RTU为一体的设计模式。其工作方式：RTU负责降雨量传感器采集的数据，根据设定的工作体制通过传输通道自动发送到数据中心平台。其核心是遥测终端RTU，结合自卸式雨量传感器、通信终端、电源系统及避雷系统，实现雨情信息的自动采集和自动传输。一体化雨量站采用太阳能漂浮蓄电池方式供电。

图4 一体化水雨情监测站设计原理图

此次大坝状态预警系统建设，将在管理中心安装LED电子显示屏，在值班室等重要场所安装声光信号装置。LED电子面板实时显示水库内水状态（图5），在特殊情况下自动转换信号，实现紧急报警。让管理者首先感知水源危险，为抗灾争取宝贵时间。

图5 水库水情动态图

4.2.4数字化在线精准运维

以“精准运维”的理念，对水利工程各管理要素进行分类整理。建立设备运营管理台账，完善数据仓库建设，设置设备文件编制、事件文件、设备维护、维护知识库、设备故障维护知识库等，实现设备运营管理的24小时在线监测、指导。通过设备的预防性维护和实时监管，使设备缺陷和故障在萌芽期消失，保证大坝设备的完整性和效能性。

4.2.5水库数据共享服务

水库数据共享服务主要包括数据交换、运行管理台账（文件）和绩效评价等功能。

数据交换：主要对大坝基础信息、大坝管理信息、大坝业务信息提供共享和交换，满足跨部门分层使用要求，提高大坝协同管理效率。

运行管理台账（文件）：将文件相关水库信息空间化，形成水审批空间数据库，并完成系统平台的查询、查询和展示功能。对于新项目，可通过系统直接输入审批信息，上传相关附件，形成电子审批文件。

绩效评价：绩效评价主要是对水库管理各方面进行考核评价，主要包括水库变化、水库事件、管理过程、作业绩效等内容，以水库单元为评价对象，通过对单元内部材进行历史数据的运算统计，生成单元水库管理效果的数据列表并根据不同颜色直观显示单元区域管理效果和不同构件发生的主要事件，既能监督水库管理中发生的具体问题，又能监督管理和执法质量。

5总结与展望

水利数字化转型是落实国家战略的必然需要，是实现水管理系统和管理能力现代化的必经之路。本文结合珊溪-赵山渡水库数字化项目，介绍了BIM+GIS技术特点及可行性，为水库平台综合管理提供了技术支持，为实现珊溪-赵山渡水库管理的完全可视化和智能化奠定了基础。

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