CN114399405A - 基于gis和bim的大型水利工程管理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种确基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法及系统，包括三维数字地球系统和BIM系统，其特征在于：所述三维数字地球系统支持多种操作系统跨平台运行,具有地形数据导出模块和BIM模型导入模块；所述BIM系统支持多种BIM软件，具有地形数据转换插件，具有地形数据导入模块、BIM模型导出模块。本发明优点在于能够实现GIS地形和BIM地形的深度融合。将高精度地形数据导入到三维GIS系统中，从GIS系统中直接获取BIM地形数据，经处理后再返回GIS系统，可有效保障地形数据的一致性；并且，BIM地形数据可转换为三维GIS的标准地形，有利于三维GIS系统的统一管理。本发明提供的坐标转换方法可满足长距离输水工程的坐标精确转换，有利于深化GIS与BIM融合技术的应用。

Description

基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法及系统

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，尤其是涉及基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法及系统。

背景技术

水利工程一般是体系运行，涉及工程多、工程范围大、建设难度高、环境影响深远，需要综合运用GIS（Geographic Information System，地理信息系统）、BIM（BuildingInformation Modeling，建筑信息模型）等信息技术实现精细化和智慧化管理。

GIS是在计算机软硬件系统支持下，对整个或部分地球表层空间中的有关地理空间数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

BIM是在建设工程及设施全生命周期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，建立三维数字模型，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称，可实现工程项目的精细化管理。

由于，BIM是针对单体建筑模型设计的，缺少对宏观地理环境的描述；GIS侧重于宏观地理环境的展现和管理，提供各种空间查询及空间分析功能，缺乏对工程的精细化管理能力。因此，通过BIM和GIS的融合技术，可进行多源数据融合，实现从宏观到微观，从室内到室外，从地上到地下，多尺度、多维度地展示工程状态，满足水利工程从规划、设计、施工、运维，到后期调度运行全过程应用管理需求。然而，目前在水利工程GIS+BIM的实际应用中，还存在诸多问题，主要包括以下几个方面：

第一，水利工程需要根据实际地形进行设计和建设，与地形地势密切相关，在水利工程BIM建模时通常需要构建周边地形，并对地形进行各种开挖、回填等处理。在将BIM地形导入到三维GIS场景时，目前一般按普通模型处理，BIM地形与GIS地形相互独立，容易产生地形衔接缝隙、加载性能差、渲染效果不一致、场景后期修改困难等问题；

第二，BIM模型在导入到三维GIS场景时存在坐标转换的问题。BIM模型采用局部平面坐标，而三维GIS通常采用全球球面坐标，两者间的坐标转换误差对于小型建筑模型并不明显，但对于大型水利工程，尤其是长距离输水工程，因涉及距离长，就会导致模型部分区域偏移较大、模型与地球曲率不一致等问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法及系统。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，包括：包括三维数字地球系统和BIM系统，其特征在于：所述三维数字地球系统支持多种操作系统跨平台运行,具有地形数据导出模块和BIM模型导入模块；所述BIM系统支持多种BIM软件，具有地形数据转换插件，具有地形数据导入模块、BIM模型导出模块。

进一步地，所述三维数字地球系统中所述地形数据采用四叉树与八叉树混合结构进行组织，在三维数字地球系统运行时根据视点位置和方向进行动态调度。

进一步地，所述地形数据导出模块，用于将所述三维数字地球系统中任意一个区域的所述地形数据，按照所选择的投影坐标系和地形数据格式，导出为地形数据文件。

进一步地，所述投影坐标系均采用2000国家大地坐标系作为地理坐标系，所述投影方法包括高斯-克吕格投影、通用横轴墨卡托投影、兰勃特等角圆锥投影、墨卡托投影；所述地形数据格式包括不规则三角网、规则格网、等高线地形。

进一步地，所述BIM模型导入模块，用于将所述BIM系统中导出的BIM数据文件转换并导入到所述三维数字地球系统中，形成基于GIS和BIM的三维模型。

进一步地，所述BIM系统中所述地形数据导入模块，用于将所述三维数字地球系统导出的所述地形数据文件转换为BIM系统中的地形模型，并在所述地形模型上根据工程设计信息，构建BIM三维模型。

进一步地，所述BIM系统中所述BIM模型导出模块，用于将所述BIM三维模型导出为采用统一描述语言描述的BIM数据文件，消除不同BIM软件的差异。

进一步地，所述BIM数据文件以参数化模型或高精度三角网模型完整保存了BIM三维模型中的地形模型和工程模型的基础地形、工程结构、渲染材质、投影坐标。

进一步地，所述BIM数据文件转换并导入到所述三维数字地球系统中，形成基于GIS和BIM的三维模型，具体包括以下内容：

针对所述地形模型，根据地形复杂程度直接转换为所述三维数字地球系统中的四叉树结构、八叉树结构的基础地形数据组织方式，根据所述BIM数据文件中记录的投影坐标系和位置信息，直接计算得到地形模型中地形在三维数字地球系统中的空间位置；

针对所述工程模型，先对BIM数据文件中以参数化模型或高精度三角网模型保存的模型部件按局部坐标系直接转换，生成LOD模型；然后根据工程模型的实际组成结构，采用GPU实例化技术对模型部件进行实例化，装配成完整的工程三维模型；同时，根据BIM数据文件中记录的投影坐标系，分别计算实例化工程模型在三维数字地球系统中的空间位置，形成基于GIS的工程三维模型。

本发明所述的一种基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法，采用上述基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，具体包括以下步骤：

S1，在三维数字地球系统中选取水利工程所在区域，选择投影坐标系和地形数据格式，将区域地形导出为地形数据文件；

S2，将地形数据文件导入BIM系统，生成地形模型；

S3，根据水利工程的设计信息，在地形模型上构建水利工程BIM模型；

S4，将BIM模型导出为采用统一描述语言描述的BIM数据文件；

S5，将BIM数据文件转换并导入到三维数字地球系统中，形成基于GIS的工程三维模型。

本发明优点在于能够实现GIS地形和BIM地形的深度融合。将高精度地形数据导入到三维GIS系统中，从GIS系统中直接获取BIM地形数据，经处理后再返回GIS系统，可有效保障地形数据的一致性；并且，BIM地形数据可转换为三维GIS的标准地形，有利于三维GIS系统的统一管理。

本发明提供的坐标转换方法可满足长距离输水工程的坐标精确转换，有利于深化GIS与BIM融合技术的应用；并且，在坐标转换时没有破坏模型模板的映射关系，仍然可以使用实例化技术优化渲染性能，即在精确转换BIM模型坐标的同时兼顾渲染性能。

附图说明

图1是本发明所述系统的框架图。

图2是本发明所述方法的流程图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，包括：三维数字地球系统和BIM系统，

所述三维数字地球系统具有地形数据导出模块和BIM模型导入模块，支持多种操作系统跨平台运行，如Windows、Linux、Mac、Web、Android、IOS等。

所述BIM系统具有地形数据转换插件，是基于BIM软件提供的应用开发接口构建的BIM插件，用于实现地形数据导入、BIM模型导出，从而实现BIM软件与三维数字地球系统的数据对接。BIM系统支持多种BIM软件，包括CATIA、Revit、MicroStation等；

三维数字地球系统中的地形数据采用四叉树与八叉树混合结构进行组织，在三维数字地球系统运行时根据视点位置和方向进行动态调度。

对于由DEM（英文全称：Digital Elevation Model，中文解释为：数字高程模型）描述的简单地形采用四叉树结构；对于由倾斜摄影、BIM等技术构建的复杂地形采用八叉树结构。

简单地形就是对于给定的位置P(x,y)，具有唯一确定的高程值z，即z=f(x,y)，可视为2.5维地形。

复杂地形就是对于给定的位置P(x,y)，可能具有一个或多个高程值z，例如隧洞、地道等地形，属于真三维地形，其难以通过DEM进行精确表达。

四叉树与八叉树混合结构是以四叉树结构作为基础结构，允许八叉树作为四叉树的分支，但不允许四叉树作为八叉树的分支，从而在保持整体地形结构简单高效的同时，在局部区域提高地形复杂度。

三维数字地球系统中的地形数据导出模块，用于将所述三维数字地球系统中任意一个区域的所述地形数据，按照所选择的投影坐标系、投影方法和地形数据格式，导出为地形数据文件。

其中，投影坐标系均采用2000国家大地坐标系作为地理坐标系，具体投影方法包括高斯-克吕格投影、通用横轴墨卡托投影、兰勃特等角圆锥投影、墨卡托投影等；地形数据格式包括不规则三角网、规则格网、等高线地形等。其中，不规则三角网格式可用于描述任意复杂地形，而规则格网、等高线地形仅适用于简单地形。

BIM系统中地形数据导入功能，通过读取从三维数字地球系统中导出的地形数据文件，并在BIM系统中生成地形模型；所生成的地形模型可以是体模型，也可以是面模型。然后根据水利工程的设计信息，在生成的地形模型上构建水利工程三维模型。

BIM系统中BIM模型导出功能，用于将所述BIM系统构建的三维模型，包含基础地形模型和水利工程模型导出为采用统一描述语言描述的BIM数据文件，消除不同BIM软件的差异，并尽可能完整地保留三维模型的基础地形、工程结构、渲染材质、投影坐标，等数据信息。如果BIM系统中地形数据转换插件可以获取三维模型的原始参数，就以参数化模型保存，否则以高精度三角网模型保存。

BIM数据文件可基于IFC、3DXML等现有数据格式进行拓展，也可以结合各BIM软件的数据结构重新设计。

三维数字地球系统中的BIM模型导入模块，用于将所述BIM系统中导出的BIM数据文件转换并导入到所述三维数字地球系统中，形成基于GIS的工程三维模型。在导入BIM模型时，针对BIM模型中的地形模型和工程模型进行分别处理：

针对地形模型，根据地形复杂程度直接转换为三维数字地球系统中的四叉树结构、八叉树结构的基础地形数据组织方式，根据BIM数据文件中记录的投影坐标系和位置信息，直接计算得到地形模型中地形在三维数字地球系统中的空间位置；

针对工程模型，先对BIM系统中各BIM部件的参数化模型或高精度三角网模型，按局部坐标系直接转换，生成LOD（英文全称：Level of Detail，中文释义为：多细节层次）模型；然后根据工程模型的实际组成结构，采用GPU实例化技术对模板模型进行实例化，装配成完整的工程模型；

在装配完整的工程模型时，根据BIM数据文件中记录的投影坐标系，对各实例化模型分别计算其在三维数字地球系统中的空间位置，形成基于GIS的工程三维模型。即投影坐标转换的对象是实例化模型，而不是完整的BIM模型或模型内的每一个顶点。

如图2所示，本发明所述的一种基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法，采用上述基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，包括以下步骤：

S1，在三维数字地球系统中选取水利工程所在区域，选择投影坐标系和地形数据格式，将区域地形导出为地形数据文件；

S2，将地形数据文件导入BIM系统，生成地形模型；

S3，根据水利工程的设计信息，在地形模型上构建水利工程BIM模型；

S4，将BIM模型导出为采用统一描述语言描述的BIM数据文件；

S5，将BIM数据文件转换并导入到三维数字地球系统中，形成基于GIS的工程三维模型。

Claims (10)

1.一种基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，包括三维数字地球系统和BIM系统，其特征在于：所述三维数字地球系统支持多种操作系统跨平台运行,具有地形数据导出模块和BIM模型导入模块；所述BIM系统支持多种BIM软件，具有地形数据转换插件，具有地形数据导入模块、BIM模型导出模块。

2.根据权利要求1所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述三维数字地球系统中所述地形数据采用四叉树与八叉树混合结构进行组织，在三维数字地球系统运行时根据视点位置和方向进行动态调度。

3.根据权利要求1所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述地形数据导出模块，用于将所述三维数字地球系统中任意一个区域的所述地形数据，按照所选择的投影坐标系和地形数据格式，导出为地形数据文件。

4.根据权利要求3所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述投影坐标系包括地理坐标系和投影方法，地理坐标系采用2000国家大地坐标系，投影方法包括高斯-克吕格投影、通用横轴墨卡托投影、兰勃特等角圆锥投影、墨卡托投影；所述地形数据格式包括不规则三角网、规则格网、等高线地形。

5.根据权利要求1所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述BIM模型导入模块，用于将所述BIM系统中导出的BIM数据文件转换并导入到所述三维数字地球系统中，形成基于GIS和BIM的三维模型。

6.根据权利要求1所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述BIM系统中所述地形数据导入模块，用于将所述三维数字地球系统导出的所述地形数据文件转换为BIM系统中的地形模型，并在所述地形模型上根据工程设计信息，构建BIM三维模型。

7.根据权利要求1所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述BIM系统中所述BIM模型导出模块，用于将所述BIM三维模型导出为采用统一描述语言描述的BIM数据文件，消除不同BIM软件的差异。

8.根据权利要求7所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述BIM数据文件以参数化模型或高精度三角网模型完整保存了BIM三维模型中的地形模型和工程模型的基础地形、工程结构、渲染材质、投影坐标。

9.根据权利要求5和权利要求8所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，其特征在于：所述BIM数据文件转换并导入到所述三维数字地球系统中，形成基于GIS和BIM的三维模型，具体包括以下内容：

针对所述地形模型，根据地形复杂程度直接转换为所述三维数字地球系统中的四叉树结构、八叉树结构的基础地形数据组织方式，根据所述BIM数据文件中记录的投影坐标系和位置信息，直接计算得到地形模型中地形在三维数字地球系统中的空间位置；

针对所述工程模型，先对BIM数据文件中以参数化模型或高精度三角网模型保存的模型部件按局部坐标系直接转换，生成LOD模型；然后根据工程模型的实际组成结构，采用GPU实例化技术对模型部件进行实例化，装配成完整的工程三维模型；同时，根据BIM数据文件中记录的投影坐标系，分别计算实例化工程模型在三维数字地球系统中的空间位置，形成基于GIS的工程三维模型。

10.一种基于GIS和BIM的大型水利工程管理方法，其特征在于：采用权利要求1至9中任一项所述的基于GIS和BIM的大型水利工程管理系统，包括以下步骤：

S1，在三维数字地球系统中选取水利工程所在区域，选择投影坐标系和地形数据格式，将区域地形导出为地形数据文件；

S2，将地形数据文件导入BIM系统，生成地形模型；

S3，根据水利工程的设计信息，在地形模型上构建水利工程BIM模型；

S4，将BIM模型导出为采用统一描述语言描述的BIM数据文件；

S5，将BIM数据文件转换并导入到三维数字地球系统中，形成基于GIS的工程三维模型。

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