基于GIS 的施工過程三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)及作用

宋紅亮 吳 越

建設(shè)項目施工是一個動態(tài)的過程,它不僅涉及地形地質(zhì)等靜態(tài)信息,而且還要反映施工過程中動態(tài)的施工邏輯關(guān)系。GIS特有的空間數(shù)據(jù)組織形式,為反映施工過程這種具有時空特征的空間信息提供了條件,因此,建立一個能充分反映工程施工過程的時空信息的施工進(jìn)度三位數(shù)字模型是實現(xiàn)施工進(jìn)度可視化的基礎(chǔ)。所謂數(shù)字建模是指把客觀世界中實體對象在計算機(jī)中用真實[1]的空間位置來表示,并使空間關(guān)系及其屬性按一定的方式結(jié)合起來,從而實現(xiàn)空間信息與屬性信息的一一對應(yīng)。GIS中空間實體對象用圖形數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)[8-10]來共同描述,并分別使用不同的存儲模塊。前者描述實體的幾何空間數(shù)據(jù)和拓?fù)潢P(guān)系[11],后者描述實體的屬性及兩者的關(guān)聯(lián)標(biāo)識?？臻g數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)通過內(nèi)部代碼和用戶標(biāo)識代碼作為公共數(shù)據(jù)項連接起來,使得構(gòu)成空間對象的每一個圖元與描述該圖元的屬性建立一一對應(yīng)關(guān)系。這種空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)[12,17]為數(shù)字模型[13-16]的可視化空間操作與分析提供了條件。

1 基于GIS的施工過程三維可視化系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 三維動態(tài)數(shù)字模型的構(gòu)造

三維動態(tài)模型也稱時空模型,可以用時間—空間參考坐標(biāo)系統(tǒng)描述,將時空數(shù)據(jù)表示為 v=f(x,y,z,t),其中,(x,y,z)為空間信息,記錄地理現(xiàn)象的空間變化;(t)為時間維,記錄地象的時間變化。本文中地理現(xiàn)象指工程施工過程,稱工程現(xiàn)象。工程現(xiàn)象空間上則由若干的空間實體(建筑物等對象)所組成,在時間上則是由一系列狀態(tài)所組成,狀態(tài)的轉(zhuǎn)換稱作“事件”,一個工程現(xiàn)象中只要所包含的對象有一個發(fā)生變化,就構(gòu)成一次事件,意味著一次狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。在一個狀態(tài)內(nèi)過程現(xiàn)象的時間特征是相對穩(wěn)定的,所表現(xiàn)出的是其空間變化特征,即對象間差異。每一個“狀態(tài)”都對應(yīng)一個“工程面貌”。這樣狀態(tài)、工程面貌、對象就構(gòu)成了一個時空數(shù)據(jù)的基本概念框架。

1.2 基于GIS的三維動態(tài)演示方法

如上文所述,時空模型不僅表現(xiàn)地理現(xiàn)象的空間變化,而且可以表達(dá)空間信息隨時間變化的過程。針對系統(tǒng)而言,就是表現(xiàn)隨施工進(jìn)行各種建筑物的空間面貌的變化過程?；谌S動態(tài)演示是對任意時刻系統(tǒng)仿真面貌的再現(xiàn),它反映了仿真過程數(shù)動態(tài)變化規(guī)律。利用仿真模塊得到工程系統(tǒng)的動態(tài)信息,結(jié)合已有的三維數(shù)據(jù)模型,時空數(shù)字模型。工程系統(tǒng)作為離散系統(tǒng)進(jìn)行仿真,獲得的仿真信息也可以按天、周、旬、月或季為單位顯示。根據(jù)仿真進(jìn)度,對應(yīng)建筑物幾何及其屬性等,生成工程施工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)某一動態(tài)變化單元i對應(yīng)的圖元任意t的面貌vi(t),則t時刻的工程整體面貌可表示為其中,n為總的圖元數(shù);Vi(t)=fi(Xi,Yi,Zi,t)表示在動態(tài)施工過程中,包含時間信息元的幾何形狀,它隨時間的變化而變化。把工程施工任意時刻的整體面貌存放在圖形庫中,并與其一一對應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)建立聯(lián)系,從而在動畫演示時,按順序讀取圖形庫中的形體數(shù)據(jù)及相對應(yīng)的屬性信息,不斷更新繪圖變量性變量賦值,同時不斷刷新屏幕顯示。這樣就實現(xiàn)了整體工程施工過程的面貌及相應(yīng)信息的動態(tài)顯示。具體實現(xiàn)步驟如下:1)將仿真計算得到的建設(shè)項目的施工信息(例如各工序的時間參數(shù)續(xù)時間、開始時間、結(jié)束時間),各時刻各施工單元的形體參數(shù)等,按工序大小以電子表格的形式輸出。2)通過GIS讀取這些數(shù)據(jù),并將其存放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。3)根據(jù)各時刻各施工單元的形體參數(shù),運用GIS技術(shù)生成任一工序任一時刻的三維面貌vi(t)(i為工序,t為時刻)。4)將同一時刻各工序的三維面貌進(jìn)行組合,得到各時刻的建設(shè)項整體三維面貌,即(n為總的工序數(shù))。5)將各時刻建設(shè)項目的整體三維面貌 V(t)按時間進(jìn)行排序(將按排序的各時刻的建設(shè)項目的整體三維面貌庫稱為施工動態(tài)面貌庫)。6)逐條讀取施工動態(tài)面貌庫中每條記錄的形體數(shù)據(jù)及其他相關(guān)信息體數(shù)據(jù)以數(shù)字化三維圖形的形式顯示在屏幕上,其他信息以文本的形式顯示在信息框中,從而實現(xiàn)了建設(shè)項目施工過程的三維可視化和當(dāng)前時刻相關(guān)信息顯示。

2 基于GIS的施工過程三維可視化系統(tǒng)的作用

從基于GIS的建設(shè)項目施工過程三維可視化可以獲得以下工程信息:

1)虛擬的工程環(huán)境。應(yīng)用GIS技術(shù)制作了工程的三維可視化數(shù)字,在計算機(jī)內(nèi)虛構(gòu)一個完整的工程布置,從各種各樣的視角和路徑都能看見由于GIS所特有的數(shù)字地形顯示功能,使得建設(shè)項目所處位置的地形地貌一目了然。

2)建設(shè)項目在各個時刻的形象進(jìn)度?；贕IS的建設(shè)項目施工過程三維可視化系統(tǒng)有時間坐標(biāo)軸,想看任意時刻的形象進(jìn)度,觀察對應(yīng)于該時刻的建設(shè)項目施工面貌即可。

3)施工期間任一時刻同時施工的工序。

4)各單位工程、分部工程施工的邏輯關(guān)系。建設(shè)項目施工是非常復(fù)雜的,施工工序繁多,各工序之間邏輯關(guān)系快速地把握整個建設(shè)項目施工的全貌比較困難,而基于GIS的施工過程三維可視化技術(shù)提供了協(xié)調(diào)、組織、展示信息的有效途徑。將基于GIS的施工過程三維可視化技術(shù)引入系統(tǒng)仿真研究中,使得仿真結(jié)果更加清晰、直觀,便于把握建設(shè)項目施工系統(tǒng)的整體演進(jìn),發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在規(guī)律。其主要作用體現(xiàn)在以下幾個方面:

a.便于施工方案的分析。傳統(tǒng)的施工進(jìn)度計劃方案以時間參數(shù)和靜形給出。當(dāng)施工工序繁多、邏輯關(guān)系復(fù)雜時,很難直觀地揭示施工的全貌于GIS的施工過程,三維可視化能夠清晰地顯示各單位工程、分部工程在空間、邏輯上的關(guān)系,輔助對施工方案分析。b.便于施工方案的確認(rèn)。通?！按_認(rèn)”工作是由熟知施工系統(tǒng)的專導(dǎo)的,其任務(wù)是審查和評價,因此系統(tǒng)專家與施工組織設(shè)計人員之間的交確認(rèn)過程十分重要。基于GIS的施工過程三維可視化技術(shù)提供了有效的交段。使系統(tǒng)專家對工程有一個形象直觀的了解,充分暴露設(shè)計中的漏洞且有助于專家提出卓有成效的意見和建議,并進(jìn)一步指導(dǎo)施工組織設(shè)計的步調(diào)。c.便于信息的溝通與表達(dá)。信息的溝通程度會影響到一項有價值的方案是否被決策者采納,決策者的認(rèn)可程度通常與設(shè)計人員的描述和表達(dá)方式相關(guān)?；贕IS的施工過程三維可視化技術(shù)表達(dá)的信息量大,能夠生動形象的演繹推薦方案,有助于信息溝通,為決策者提供信息服務(wù)。

3 結(jié)語

1)基于GIS的建設(shè)項目施工系統(tǒng)動態(tài)可視化仿真通過數(shù)字化三維圖象形象地描繪了建設(shè)項目施工系統(tǒng)的動態(tài)行為特征,生動地刻畫了建設(shè)項目施工過程以及施工過程中各工序的時間、空間和邏輯關(guān)系,使得仿真結(jié)果更加清晰直觀,便于人們把握建設(shè)項目施工系統(tǒng)的整體演進(jìn),發(fā)現(xiàn)其內(nèi)在的規(guī)律。2)基于GIS的建設(shè)項目施工動態(tài)可視化仿真充分利用GIS強(qiáng)大的空間數(shù)據(jù)處理功能和圖形處理技術(shù),在繪制圖形上更加精確靈活。

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