CN115186335A - 一种基于bim和gis平台的河网水力计算建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，针对现有河网水力计算软件建模工作量大，数据处理难度高、建模效率低的问题，利用现有BIM+GIS平台数据处理和数据互通能力，可以高效实现在不同的航道整治方案下不同细节、维度的河网航道计算模型的建立，包括一维、二维、三维水力模型。

Description

一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法
技术领域
本发明属于工程设计、模拟仿真及软件研发领域，具体涉及一种结合BIM (建筑信息模型，Building Information Modeling)和GIS(地理信息系统， GeographicInformation System)平台对不同维度河网航道水力模型进行高效一致建模的过程和方法。
背景技术
平原河网地区河网密集,水流贯通；河道密布,水文条件复杂，通航条件较差且汛期防洪压力较大。对河网地区通航条件及雨洪灾害的治理离不开对流域内水流运行规律的研究。
目前对于河道水流条件的研究，最为普遍的方法是通过建立河网水力模型进行水力模拟的途径得以实现。在现有的水力学模拟软件如DHI Mike中，模型方面包含的要素较多，宏观一维模拟包含干支流河道走向、原地形断面、整治方案断面、挡水建筑、研究边界等信息，而二维、三维模型包含的分散的地形信息更加繁多。众多的模型信息给建模工作带来了很大工作量，各类航道整治工程及水利防汛工程的逐年建设也对河网建模信息的及时修改和更新提出了更高的要求。
目前常用的水力软件通过不同的文件格式进行模型搭建，通过文本文件编辑的方式对模型进行建立，工作量大，且手工编辑过程中易造成错误，由于处理的手段较为简单，建立的模型精度较低，由于河道区域水流条件的复杂性，造成了航道整治方案的多样性和复杂性，更加大了河网航道水力建模的工作量和难度。各种拦河水工结构物与河道条件进行整合时，也容易造成不同细节的一维、二维和三维等不同维度模型间的不一致问题，从而影响模型计算的正确性。
发明内容
发明目的在于提供一种BIM和GIS信息模型和信息处理技术的河网航道水力计算建模方法，实现不同航道整治方案与河道信息的高效整合和不同细节维度下的河网模型的高效创建，同时实现拦河建筑物的精准定位，保持不同维度间模型条件的一致。
为解决上述问题，本发明提供以下的技术方案：
一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，包括以下步骤：
步骤1：河网BIM模型搭建：根据地形测绘资料，使用BIM工程设计平台 Civil3d建立相应河网所在区域的地形曲面模型、干支流走向模型、堤防模型、河网断面及拦河建筑物位址模型；
步骤2：航道整治方案BIM模型搭建：根据航道整治设计资料，使用BIM 工程设计平台Civil3d建立相关整治河段的整治模型；
步骤3：拦河建筑物结构BIM模型搭建：根据工程设计资料，使用BIM工程设计平台Revit建立相应拦河建筑物结构模型，包含桥梁模型、涵洞模型、水闸闸门模型；
步骤4：河网BIM模型转换为GIS模型：利用GIS平台Arcgis的数据互通功能，导入BIM模型，转换为Arcgis平台上的河网初始GIS模型；
步骤5：GIS模型处理：利用Arcgis的数据处理功能，对Arcgis平台上的河网初始GIS模型进行编辑、转换，处理成为高精度的河网精细GIS模型；
步骤6：GIS模型导出：利用Arcgis的数据导出功能，对Arcgis平台上的河网各维度GIS模型进行导出，处理成为空间信息文件格式及文本格式的河网各维度GIS模型；
步骤7：水动力一维模型构建：利用水动力学建模平台DHI Mike的对河网一维精细GIS模型空间信息文件进行导入，并设定模型运行附加信息，完成河网一维模型构建，并完成水力模拟过程；
步骤8：对需要进行局部精细模型的河段处，利用研究边界对模型进行截取和导出，利用一维模型水力模拟的结果设定模型运行附加信息，完成河网航道完整二维或三维模型创建。
本发明进一步技术：
优选的，所述步骤1中，使用BIM工程设计平台Civil3d，使用地形测绘资料制作地形曲面模型，模型中包含曲面边界；对曲面做高程分析，在地形高程底色的辅助下，作河网干支流的中心线以及堤线建立河网走向模型和堤防模型；创建采样线，沿河网走向进行地形采样，得到河道断面模型；根据拦河建筑物结构所在河道桩号，创建对应桩号所在断面，得到结构物位址模型。
优选的，所述步骤2中，BIM工程设计平台Civil3d生成的整治方案模型主要包括整治河段的纵断面及横断面，由上述数据可组合成为一系列三维多段线条组合形成的航道底轮廓线，即航道整治模型。
优选的，所述步骤3中，拦河建筑物结构模型包含结构物主要尺度，结构各控制点坐标使用结构所处位址坐标。
优选的，所述步骤5中，利用GIS平台的GIS要素编辑功能，对河网初始GIS模型进行除错、细化，包括：
步骤5-1：利用Arcgis的几何要素编辑工具，消除各河段间的间断现象，建立相互连接的河网拓扑，同时利用多段线加密功能，对河网线条进行平滑，使其更符合河流的自然特征；
步骤5-2：利用Arcgis的空间要素数据编辑工具，对河道断面要素上的异常点进行删除处理，对超过堤防的断面部分做删除处理；
步骤5-3：利用Arcgis的空间要素数据编辑工具，对结构物在河道上的碍航部分进行提取，新要素存储为GIS精细模型中，属性设定为内边界模型；
步骤5-4：利用Arcgis的TIN及栅格数据编辑工具，使用高程散点建立高程TIN模型和栅格模型；使用栅格数据裁切功能对模型边界外的数据进行裁切；根据结构物模型建立结构物所在的局部高程栅格模型，利用栅格的融合功能将局部地形与整体地形相结合；
在原河道存在整治方案的条件下，在导入GIS平台成为GIS航道整治模型后，需按照下列步骤与河道栅格数据进行融合；
步骤5-5：利用Arcgis的TIN创建工具，由航道整治方案航道底三维多段线序列创建航道整治方案TIN模型；
步骤5-6：利用Arcgis的栅格创建工具，把航道整治方案TIN模型转换为航道整治方案栅格模型；
步骤5-7：利用Arcgis的栅格Mosaic工具，把航道整治方案栅格模型与步骤5-4创建的地形进行融合，其中考虑到航道整治对河床只挖不填的特性， Mosaic须取MINIMUM选项。
优选的，所述步骤7中，水动力平台导入一维模型时，一维模型包含对GIS精细模型中河网拓扑模型、河道断面模型、GIS结构物模型中的位址模型、横断面模型所生成相应文件或信息的导入。
优选的，所述步骤8中，二维、三维模型包含对GIS边界模型、GIS高程栅格模型和GIS结构物模型中的位址模型，纵断面模型所生成相应文件或信息的导入。
目前水动力模拟建模过程中处理信息量大，种类繁多、以文本文件接口编辑模型的方式容易出错，已造成不同维度间的模型数据产生不一致问题，最终影响计算的正确性。与上述现有建模技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明将水利计算建模所需不同来源的数据统一到GIS平台上，形成统一的数据来源，保证了各维度水利模型间数据的一致性；
本发明利用BIM设计平台强大的工程方案设计能力和GIS平台强大的数据处理能力，本发明方法高效的实现建模所需数据的建立、除错、整合等需要，显著提高了复杂模型数据的处理效率；
本发明利用GIS二次开发接口导出水力计算软件各维度模型所需数据文件格式，使得一次使用BIM+GIS建模可以在水力软件计算平台建立不同维度模型，扩展了水力软件在宏观到微观领域的水力模拟应用范围；
本发明显著解决了河网航道水力计算建模中的低效和数据一致问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的主要执行流程与模型数据流转示意图；
图2是本发明的具体实施例中部分河段的河网BIM地形模型图；
图3是本发明的具体实施例中的航道整治设计纵断面图；
图4是本发明的具体实施例中的航道整治设计横断面装配图；
图5是本发明的具体实施例中的拦河结构物桥梁模型图；
图6是本发明的具体实施例中的融合了整治方案的GIS栅格模型图；
图7是本发明的具体实施例中的包含跨河建筑物的河网航道完整一维模型图；
图8是本发明的具体实施例中的局部精细模拟的航道二维模型图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的实施方式。
图1为本发明根据本发明的主要执行流程与模型数据流转过程(图1)，以某河网为例进行水动力建模的执行流程，河网包括一条干流和三条支流，干流全长两百多公里，河道形态复杂、典型断面多达近200个，建模工作量较大。本实施例方法，主要包括：
步骤1：根据地形测绘资料，使用BIM工程设计平台Civil3d，使用地形测绘资料制作地形曲面模型(图2)，模型中包含曲面边界；对曲面做高程分析，在地形高程底色的辅助下，作河网干支流的中心线以及堤线建立河网走向模型和堤防模型；创建采样线，沿河网走向进行地形采样，得到河道断面模型；根据拦河建筑物结构所在河道桩号，创建对应桩号所在断面，得到结构物位址模型。
步骤2：根据航道整治设计资料，使用BIM工程设计平台Civil3d生成的整治方案模型主要包括整治河段的纵断面及横断面，由上述数据可组合成为一系列三维多段线条组合形成的航道底轮廓线，即航道整治模型。
步骤3：根据工程设计资料，使用BIM工程设计平台Revit建立相应拦河建筑物结构模型所包含的桥梁模型(图5)、涵洞模型、水闸闸门模型等。
拦河建筑物结构模型包含结构物主要尺度，结构各控制点坐标使用结构所处位址坐标。
步骤4：河网BIM模型转换为GIS初始模型：利用GIS平台Arcgis的数据互通功能，导入BIM模型，转换为Arcgis平台上的点、线等空间元素，即河网初始GIS模型；
初始GIS模型由Arcgis里的数据框(Data Frame)进行组织，并赋予数据框BIM模型代表的地理空间坐标系；初始GIS模型中所包含模型的特征如下：
Figure RE-GDA0003795004490000061
Figure RE-GDA0003795004490000071
初始GIS模型所包含模型中坐标点均为BIM模型所建立真实地理空间坐标点。其中结构物模型-横断面模型、结构物模型-纵断面模型由BIM工程设计平台Revit的二次开发功能导出到Arcgis平台；河道断面模型和结构物模型-位址模型由BIM工程设计平台Civil3d的二次开发功能导出到Arcgis平台；其余初始GIS模型可利用Arcgis与BIM平台间的数据互通性，将BIM数据转换为初始GIS模型中带属性数据的空间点、线GIS要素。
步骤5：利用Arcgis的数据处理功能，对Arcgis平台上的河网初始GIS 模型进行编辑、转换，并将整治方案模型与原始地形模型进行融合，形成整治后的河道栅格模型(图6)，通过控制栅格的瓦片大小，生成高精度的河网精细GIS模型；
精细GIS模型由Arcgis里的数据框(DataFrame)进行组织，并赋予数据框BIM模型代表的地理空间坐标系；精细GIS模型中所包含模型的特征如下：
Figure RE-GDA0003795004490000081
所述步骤5中，利用GIS平台的GIS要素编辑功能，对河网初始GIS模型进行除错、细化。包括：
步骤5-1：利用Arcgis的几何要素编辑工具，消除各河段间的间断现象，建立相互连接的河网拓扑，同时利用多段线加密功能，对河网线条进行平滑，使其更符合河流的自然特征。
步骤5-2：利用Arcgis的空间要素数据编辑工具，对河道断面要素上的异常点进行删除处理，对超过堤防的断面部分做删除处理。
步骤5-3：利用Arcgis的空间要素数据编辑工具，对结构物在河道上的碍航部分进行提取，新要素存储为GIS精细模型中，属性设定为内边界模型。
步骤5-4：利用Arcgis的TIN及栅格数据编辑工具，使用高程散点建立高程TIN模型和栅格模型。使用栅格数据裁切功能对模型边界外的数据进行裁切。根据结构物模型建立结构物所在的局部高程栅格模型，利用栅格的融合功能将局部地形与整体地形相结合。
在原河道存在整治方案的条件下，在导入GIS平台成为GIS航道整治模型后，需按照下列步骤与河道栅格数据进行融合：
步骤5-5：利用Arcgis的TIN创建工具，由航道整治方案航道底三维多段线序列创建航道整治方案TIN模型；
步骤5-6：利用Arcgis的栅格创建工具，把航道整治方案TIN模型转换为航道整治方案栅格模型；
步骤5-7：利用Arcgis的栅格Mosaic工具，把航道整治方案栅格模型与步骤5-4创建的地形进行融合，其中考虑到航道整治对河床只挖不填的特性，Mosaic须取MINIMUM选项。
步骤6：利用Arcgis的二次开发功能，从Arcgis平台将河网模型数据导出为符合Mike软件导入要求的文本格式及空间信息文件格式。
步骤7：利用水动力学建模平台DHI Mike的对河网一维精细GIS模型空间信息文件进行导入，并设定模型运行附加信息，完成河网航道完整一维模型创建(图7)，并完成水力模拟过程。
水动力平台导入一维模型时，一维模型包含对GIS精细模型中河网拓扑模型、河道断面模型、GIS结构物模型中的位址模型、横断面模型所生成相应文件或信息的导入。
步骤8：对需要进行局部精细模型的河段处，利用研究边界对模型进行截取和导出，使用水动力学建模平台DHI Mike的对信息进行导入，利用一维模型水力模拟的结果设定模型运行附加信息，完成各维度河网航道完整二维或三维模型创建(图8)。
二维、三维模型包含对GIS边界模型、GIS高程栅格模型和GIS结构物模型中的位址模型，纵断面模型所生成相应文件或信息的导入。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：河网BIM模型搭建：根据地形测绘资料，使用BIM工程设计平台Civil3d建立相应河网所在区域的地形曲面模型、干支流走向模型、堤防模型、河网断面及拦河建筑物位址模型；
步骤2：航道整治方案BIM模型搭建：根据航道整治设计资料，使用BIM工程设计平台Civil3d建立相关整治河段的整治模型；
步骤3：拦河建筑物结构BIM模型搭建：根据工程设计资料，使用BIM工程设计平台Revit建立相应拦河建筑物结构模型，包含桥梁模型、涵洞模型、水闸闸门模型；
步骤4：河网BIM模型转换为GIS模型：利用GIS平台Arcgis的数据互通功能，导入BIM模型，转换为Arcgis平台上的河网初始GIS模型；
步骤5：GIS模型处理：利用Arcgis的数据处理功能，对Arcgis平台上的河网初始GIS模型进行编辑、转换，处理成为高精度的河网精细GIS模型；
步骤6：GIS模型导出：利用Arcgis的数据导出功能，对Arcgis平台上的河网各维度GIS模型进行导出，处理成为空间信息文件格式及文本格式的河网各维度GIS模型；
步骤7：水动力一维模型构建：利用水动力学建模平台DHI Mike的对河网一维精细GIS模型空间信息文件进行导入，并设定模型运行附加信息，完成河网一维模型构建，并完成水力模拟过程；
步骤8：对需要进行局部精细模型的河段处，利用研究边界对模型进行截取和导出，利用一维模型水力模拟的结果设定模型运行附加信息，完成河网航道完整二维或三维模型创建。
2.根据权利要求1中所述的一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，所述步骤1中，使用BIM工程设计平台Civil3d，使用地形测绘资料制作地形曲面模型，模型中包含曲面边界；对曲面做高程分析，在地形高程底色的辅助下，作河网干支流的中心线以及堤线建立河网走向模型和堤防模型；创建采样线，沿河网走向进行地形采样，得到河道断面模型；根据拦河建筑物结构所在河道桩号，创建对应桩号所在断面，得到结构物位址模型。
3.根据权利要求1中所述的一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，所述步骤2中，BIM工程设计平台Civil3d生成的整治方案模型主要包括整治河段的纵断面及横断面，由上述数据可组合成为一系列三维多段线条组合形成的航道底轮廓线，即航道整治模型。
4.根据权利要求1中所述的一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，所述步骤3中，拦河建筑物结构模型包含结构物主要尺度，结构各控制点坐标使用结构所处位址坐标。
5.根据权利要求1中所述的一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，所述步骤5中，利用GIS平台的GIS要素编辑功能，对河网初始GIS模型进行除错、细化，包括：
步骤5-1：利用Arcgis的几何要素编辑工具，消除各河段间的间断现象，建立相互连接的河网拓扑，同时利用多段线加密功能，对河网线条进行平滑，使其更符合河流的自然特征；
步骤5-2：利用Arcgis的空间要素数据编辑工具，对河道断面要素上的异常点进行删除处理，对超过堤防的断面部分做删除处理；
步骤5-3：利用Arcgis的空间要素数据编辑工具，对结构物在河道上的碍航部分进行提取，新要素存储为GIS精细模型中，属性设定为内边界模型；
步骤5-4：利用Arcgis的TIN及栅格数据编辑工具，使用高程散点建立高程TIN模型和栅格模型；使用栅格数据裁切功能对模型边界外的数据进行裁切；根据结构物模型建立结构物所在的局部高程栅格模型，利用栅格的融合功能将局部地形与整体地形相结合；
在原河道存在整治方案的条件下，在导入GIS平台成为GIS航道整治模型后，需按照下列步骤与河道栅格数据进行融合；
步骤5-5：利用Arcgis的TIN创建工具，由航道整治方案航道底三维多段线序列创建航道整治方案TIN模型；
步骤5-6：利用Arcgis的栅格创建工具，把航道整治方案TIN模型转换为航道整治方案栅格模型；
步骤5-7：利用Arcgis的栅格Mosaic工具，把航道整治方案栅格模型与步骤5-4创建的地形进行融合，其中考虑到航道整治对河床只挖不填的特性，Mosaic须取MINIMUM选项。
6.根据权利要求1中所述的一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，所述步骤7中，水动力平台导入一维模型时，一维模型包含对GIS精细模型中河网拓扑模型、河道断面模型、GIS结构物模型中的位址模型、横断面模型所生成相应文件或信息的导入。
7.根据权利要求1中所述的一种基于BIM和GIS平台的河网水力计算建模方法，其特征在于，所述步骤8中，二维、三维模型包含对GIS边界模型、GIS高程栅格模型和GIS结构物模型中的位址模型，纵断面模型所生成相应文件或信息的导入。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116542186A (zh) * 2023-07-07 2023-08-04 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 一种基于Autodesk Civil 3D的Mike21河道水面线计算及快速出图的方法

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