BIM+GIS 及融合北斗定位數(shù)據(jù)在勘察管控中的應(yīng)用

牛作鵬，劉 明，鄒艷春，曹旭梅，王漢臣

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.長江武漢航道工程局，湖北 武漢 430010)

目前，人工智能、5G、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)推動了我國企業(yè)生產(chǎn)管理信息化發(fā)展進(jìn)程，但在國內(nèi)勘察設(shè)計行業(yè)中，面向勘察管理的信息化應(yīng)用卻屈指可數(shù)。現(xiàn)場勘察技術(shù)人員主要通過現(xiàn)場巡檢、旁站等傳統(tǒng)管理方式實(shí)現(xiàn)外業(yè)安全防控和質(zhì)量把控，在整個交接流轉(zhuǎn)的過程中存在信息交換錯誤、有時間差、無法預(yù)警等問題。鑒于以上情況，本文綜合利用BIM、GIS、北斗∕GNSS(全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，Global Navigation Satellite System)定位數(shù)據(jù)，依托某航道工程勘察項目進(jìn)行預(yù)警、管控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等探索和驗證。

BIM 側(cè)重于微觀數(shù)據(jù)管理，GIS 側(cè)重于宏觀整體數(shù)據(jù)管理，針對BIM 和GIS 的融合技術(shù)及應(yīng)用，國內(nèi)眾多學(xué)者已開展多領(lǐng)域的相關(guān)研究。錢意[1]研究BIM 和GIS 在軌道交通建設(shè)全生命周期管理中的應(yīng)用；薛梅[2]以構(gòu)成建筑骨架的主要空間構(gòu)件為研究對象，在參考IFC 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上提出建筑信息模型和三維數(shù)字城市集成方案；朱亮等[3]結(jié)合BIM 與3D GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)城市精準(zhǔn)三維建模；周匯光等[4]分析了傳統(tǒng)工程勘察信息管理手段的不足，給出了基于GIS 的大型橋梁工程勘察信息管理系統(tǒng)設(shè)計思路及設(shè)計方案。BIM 彌補(bǔ)了GIS 對精準(zhǔn)建筑物模型缺失的空白，推動了GIS 技術(shù)的升級，BIM＋GIS 技術(shù)可為大場景、大尺度的航道工程勘察項目精細(xì)化管理提供技術(shù)支撐。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 北斗∕GNSS 系統(tǒng)

北斗∕GNSS 系統(tǒng)(北斗∕全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))，主要指北斗、GPS、GLONASS 系統(tǒng)[5]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)并與GPS、GLONASS 導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，由27 顆中圓地球軌道(MEO)衛(wèi)星、5 顆地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星和3 顆傾斜地球同步軌道(IGSO)衛(wèi)星共35 顆衛(wèi)星組成空間星座，具備定位、短報文通信及授時服務(wù)，可基于GPRS 實(shí)現(xiàn)定位數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，服務(wù)于預(yù)警調(diào)度、分析決策等應(yīng)用。

目前，主流的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式采用美國國家海洋電子協(xié)會定義的NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，該協(xié)議采用ASCII 碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為:數(shù)據(jù)位＝8 bit，波特率＝9 600 bps，開始位＝1 bit，停止位＝1 bit，無奇偶校驗。中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室基于《北斗∕全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)輸出格式》 定義了北斗導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)格式，與NMEA-0183 相比，增加部分字段對北斗導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行兼容。在實(shí)際導(dǎo)航定位產(chǎn)品中，常用的語句為GGA、GLL、GSV、RMC、VTG、GSA、ZDA 和TXT 等[6]。

1.2 BIM+GIS 融合技術(shù)

BIM 技術(shù)將不同階段的各類工程信息集中存儲在信息模型中，可真實(shí)模擬工程建構(gòu)筑物的微觀細(xì)節(jié)信息；GIS 技術(shù)適用于大場景、大廣度的地理空間信息，著重于大場景中重點(diǎn)對象的數(shù)據(jù)分析和呈現(xiàn)。BIM 與GIS 的應(yīng)用各有優(yōu)勢和不足，如將兩種技術(shù)進(jìn)行集成融合，可實(shí)現(xiàn)兩種技術(shù)的優(yōu)勢互補(bǔ)。

目前，BIM 與GIS 融合的方法大體上主要分為基于軟件平臺和基于數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兩種方式。基于軟件平臺的方法是行業(yè)主要應(yīng)用方式，通過BIM建模在3D GIS 平臺上進(jìn)行可視化展示，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)集中管理、統(tǒng)一分析等應(yīng)用功能，使對象的空間信息得以直觀展示和深入應(yīng)用。

1.3 技術(shù)路線

本文基于SuperMap 和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(BIM 數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù))構(gòu)建3D GIS 基礎(chǔ)平臺，并融合北斗∕GNSS定位數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，在具體航道勘察項目管控中實(shí)現(xiàn)位置預(yù)警、勘探船舶軌跡追溯、模型和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動。技術(shù)路線見圖1。

圖1 技術(shù)路線

2 勘察管控應(yīng)用

2.1 限定位置區(qū)域預(yù)警

在實(shí)際的航道工程勘察野外工作中，實(shí)施水域鉆探作業(yè)易受周邊環(huán)境和惡劣氣象影響，勘探作業(yè)船會出現(xiàn)偏離限定位置區(qū)域的情況，導(dǎo)致水域鉆孔位置不正確，以致影響工程質(zhì)量?？赏ㄟ^設(shè)置限定位置區(qū)域的電子圍欄，再基于BIM ＋GIS 技術(shù)對北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，進(jìn)而直觀形象地判斷出勘探船舶是否處于電子圍欄中，并通過GPRS 傳輸定位數(shù)據(jù)通知后臺，使相關(guān)人員及時獲取勘探船舶偏離信息，提升預(yù)警能力。

2.2 船舶軌跡追溯

勘探船舶是航道工程勘察野外工作中水上交通的行為主體，研究勘探船舶異常行為是水上安全監(jiān)控和管理的重要內(nèi)容。基于BIM＋GIS 技術(shù)定制研發(fā)，實(shí)現(xiàn)基于北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)的勘探船舶歷史軌跡追溯，可分析勘探船舶歷往某一時段的航行軌跡，便于總結(jié)勘探船舶漂移規(guī)律，有助于安全監(jiān)控工作由被動轉(zhuǎn)為主動，輔助預(yù)警決策。

2.3 基于BIM 的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動

為了加強(qiáng)勘察項目質(zhì)量管理，保證工作的正確性、完整性，往往需要?dú)w集勘察項目整個作業(yè)周期的技術(shù)質(zhì)量文檔，并按質(zhì)量管理要求通過表格、圖紙、文檔等方式存儲。如基于BIM 在信息承載、傳遞、共享等方面的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)模型與技術(shù)、質(zhì)量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動，可直觀有效地追溯項目實(shí)施過程中涉及的技術(shù)質(zhì)量信息，不斷滿足勘察技術(shù)人員對于數(shù)據(jù)綜合分析、信息服務(wù)的高要求。

3 案例應(yīng)用

本文以湖北省武漢市某航道工程為例。項目起點(diǎn)位于二七路與工農(nóng)兵路交叉口，沿二七路敷設(shè)下穿漢口濱江商務(wù)區(qū)后穿越長江，在武昌岸沿鐵機(jī)路敷設(shè)，終點(diǎn)位于友誼大道東側(cè)。工程采用雙向六車道城市次干道建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速50 km∕h，隧道全長5 191 m，暗埋段長度4 869 m，兩岸共設(shè)3 對匝道，見圖2。

圖2 項目示意

因水流及過往船只影響，本項目勘探船舶存在偏離指定位置的風(fēng)險且屬重點(diǎn)項目，對作業(yè)過程質(zhì)量的管控要求較嚴(yán)格。綜合利用BIM、GIS、北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)，在項目中實(shí)現(xiàn)限定位置區(qū)域預(yù)警、勘探船舶軌跡追溯和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動，以滿足管控需求。

3.1 北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)的獲取

本項目勘探船舶上放置的定位設(shè)備為自主研發(fā)的北斗∕GNSS 定位器，定位器內(nèi)置可同時接受北斗、GPS 和GLONASS 衛(wèi)星信號的GNSS 定位模塊和4G 網(wǎng)絡(luò)模塊，通過4G 網(wǎng)絡(luò)獲取差分?jǐn)?shù)據(jù)后解算可得到分米級精度的定位結(jié)果，定位結(jié)果可通過4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)至后臺。北斗∕GNSS 定位器進(jìn)行GGA 輸出，定位數(shù)據(jù)樣例結(jié)果如下:

以“ ＄GNGGA，070541.00，3032.795386，N，11418.933034，E，1，17，1.0，58.136，M，0.0，M，，*7C”GGA輸出語句為例，各部分含義見表1。

表1 GGA 語句格式說明

3.2 限定位置區(qū)域預(yù)警

為滿足勘探船舶偏離限定位置區(qū)域時可及時預(yù)警的管控需求，基于SuperMap 和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(BIM數(shù)據(jù)、地理數(shù)據(jù))構(gòu)建3D GIS 基礎(chǔ)平臺，通過設(shè)置電子圍欄以限定位置區(qū)域，并根據(jù)項目實(shí)際需求在后臺輸入限定位置的地理坐標(biāo)(圖3)，再基于北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)判斷勘探船舶是否處于電子圍欄中(圖4)，如果勘探船舶偏離限定位置的區(qū)域(圖5)，船舶則會高亮顯示，以達(dá)到預(yù)警的作用。

圖3 電子圍欄地理坐標(biāo)設(shè)定

圖4 電子圍欄示意

圖5 勘探船舶實(shí)時位置信息

3.3 勘探船舶軌跡追溯

基于BIM＋GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)融合，并將勘探船舶歷史定位數(shù)據(jù)進(jìn)行后臺存儲，定制研發(fā)勘探船舶軌跡追溯功能(圖6)，分析勘探船舶特定時段的航跡異常行為，提升水上安全監(jiān)控和管理能力，滿足本航道工程勘察項目的實(shí)際管控需求。

圖6 勘探船舶軌跡追溯

3.4 基于BIM 的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動

為精準(zhǔn)管控各鉆孔施工進(jìn)度，首先對項目所有鉆孔模型進(jìn)行編碼，并充分結(jié)合BIM 在信息承載、傳遞、共享等方面的優(yōu)勢，基于BIM＋GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)模型與技術(shù)、質(zhì)量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動(圖7)，實(shí)現(xiàn)模型對項目實(shí)施過程中涉及的技術(shù)、質(zhì)量等信息的承載、傳遞和共享，可直觀有效地追溯項目實(shí)施過程中的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，滿足了項目基于BIM實(shí)現(xiàn)技術(shù)、質(zhì)量等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)查詢、分析等信息服務(wù)的要求。

圖7 模型與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)聯(lián)動

4 結(jié)語

1)研究了北斗∕GNSS 定位系統(tǒng)和BIM＋GIS 融合技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了基于BIM ＋GIS 技術(shù)融合北斗∕GNSS 定位數(shù)據(jù)。并基于某航道工程勘察項目探索其在管控中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)限定位置區(qū)域預(yù)警和船舶軌跡追溯，提升了航道工程勘察野外工作中水上安全監(jiān)控和管理能力。

2)充分結(jié)合BIM 在信息化方面的優(yōu)勢，挖掘勘察管控工作的BIM 應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)模型與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的聯(lián)動及項目實(shí)施過程中技術(shù)、質(zhì)量等業(yè)務(wù)信息的可視化追溯，提升了本項目信息服務(wù)能力，具有較強(qiáng)的應(yīng)用價值。