融合GIS和BIM的流域環(huán)境保護三維數(shù)字化管理平臺

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都 610051)

1 研究背景

流域環(huán)保管理是流域多項目水電開發(fā)過程中的一項非常重要的工作。為避免水電工程建設(shè)、運行及移民安置對生態(tài)環(huán)境帶來的不利影響，需要制定科學有效的對策措施并開展環(huán)境保護全過程管理，從而充分發(fā)揮工程的綜合效益，實現(xiàn)流域水電開發(fā)與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

隨著3S(遙感技術(shù)(RS)、地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球定位系統(tǒng)(GPS))、物聯(lián)網(wǎng)、無人機、大數(shù)據(jù)等數(shù)字化采集技術(shù)和信息管理系統(tǒng)(MIS)、數(shù)據(jù)中心等數(shù)據(jù)管理技術(shù)的發(fā)展，上述技術(shù)逐步應(yīng)用到環(huán)境管理領(lǐng)域并發(fā)揮重要作用。

在環(huán)境保護信息的管理和應(yīng)用方面，王培培[1]探討了大氣監(jiān)測中數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用；王峻[2]分析了環(huán)境信息數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)平臺等信息技術(shù)在城市環(huán)境保護中的應(yīng)用；龐換芳等[3]構(gòu)建了環(huán)保設(shè)施全過程信息化管理體系，從創(chuàng)建良好的信息化環(huán)境論述了實現(xiàn)環(huán)保設(shè)施全過程信息化管理的路徑；曾旭等[4]分析了環(huán)境管理信息化建設(shè)中大數(shù)據(jù)技術(shù)的作用和應(yīng)用場景；朱琦等[5]構(gòu)建了跨部門互聯(lián)互通、共享數(shù)據(jù)的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；盧嫄[6]將大數(shù)據(jù)技術(shù)與環(huán)保信息系統(tǒng)相結(jié)合，提高了系統(tǒng)在污染監(jiān)測、環(huán)境質(zhì)量預(yù)測、污染預(yù)警等領(lǐng)域的管理效率。

在環(huán)境保護信息的空間展示方面，李月華[7]開發(fā)了基于GIS的環(huán)保監(jiān)管云系統(tǒng)平臺；趙國仲等[8]基于GIS構(gòu)建了環(huán)保水保全過程的監(jiān)管大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對青海電網(wǎng)基建環(huán)保水保全過程精細化管控；Kolekar等[9]提出了利用遙感和GIS技術(shù)提高水資源利用率的總體思路，利用GPS和地形圖可以找到現(xiàn)場的實際位置；王思夢等[10]基于遙感和GIS提出了一種環(huán)境監(jiān)測和評估方法，該研究方法可以快速、及時地監(jiān)測大尺度區(qū)域的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量變化，為生態(tài)環(huán)境保護和改善提供支持；李炯等[11]利用地理信息技術(shù)增強展示方式，建立了基于GIS的環(huán)境保護監(jiān)察信息系統(tǒng)；Benchettouh等[12]采用GIS技術(shù)實現(xiàn)土壤侵蝕風險的空間范圍估算，用于減少瓦迪米納流域的土壤侵蝕；Rupesh等[13]利用遙感、GIS和C++技術(shù)對印度沙喀爾河流域進行土壤侵蝕評價。

綜上分析，國內(nèi)外學者目前利用信息化技術(shù)一定程度上解決了環(huán)境保護業(yè)務(wù)管理信息化和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)共享的問題，但是依舊停留在以報告、圖表和二維信息管理系統(tǒng)、二維GIS技術(shù)為主的數(shù)據(jù)管理和展示方式上，存在直觀形象、時空拓展、動態(tài)更新展示上的局限性，即無法直觀表達環(huán)保水保監(jiān)測、措施、設(shè)施等與其所在流域、電站主體建筑物的相對空間位置關(guān)系以及動態(tài)面貌。探索和實踐環(huán)境保護三維數(shù)字化管理是攻克上述局限、提升環(huán)境管理水平的有效途徑。

為解決以上問題，筆者團隊在雅礱江流域“一條江”開發(fā)涉及的多個水電項目環(huán)保水保管理[14-15]工作中，通過系統(tǒng)分析流域管理數(shù)據(jù)類型以及流域環(huán)保信息化管理面臨的問題，開發(fā)了流域環(huán)保管理平臺，構(gòu)建了面向全流域多電站的環(huán)保水保實體管理對象的多層級、多主題、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的流域級數(shù)據(jù)中心，并基于3D-GIS和建筑信息模型(BIM)融合技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)面向環(huán)境保護管理對象的流域環(huán)境保護三維數(shù)字化展示，并且在雅礱江流域進行了示范與推廣應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，可為全國流域環(huán)保信息化的發(fā)展提供指導(dǎo)范例。

2 流域環(huán)保信息化管理面臨的問題

2.1 流域環(huán)保數(shù)據(jù)缺乏融合管理

流域環(huán)保數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類和來源多樣、數(shù)據(jù)處理頻率高、數(shù)據(jù)價值密度低等大數(shù)據(jù)特性。傳統(tǒng)流域管理平臺難以同時存儲結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，各類流域數(shù)據(jù)相互孤立、利用效率低，亟需構(gòu)建流域環(huán)保信息化平臺，對河流環(huán)保數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲、清洗、挖掘的融合管理。

2.2 流域環(huán)保數(shù)據(jù)缺乏動態(tài)關(guān)聯(lián)

流域環(huán)保數(shù)據(jù)時空關(guān)系復(fù)雜，當面對具體問題時，往往需要綜合應(yīng)用多維度(空間變化、時間變化、實時性)、多尺度(流域?qū)用?、河流層面、河段層面?數(shù)據(jù)進行動態(tài)關(guān)聯(lián)分析。

例如，當流域突發(fā)環(huán)境污染事件時，應(yīng)急管理部門需要的數(shù)據(jù)包括遙感[16-17]及無人機[18]影像數(shù)據(jù)，污染突發(fā)位置水文站的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)[19-20]，污染發(fā)生斷面、河流、流域的地形與水流條件，污染發(fā)生位置的土地利用類型與人類活動情況，污染物類型及污染嚴重程度，污染處理預(yù)案及可能的后果等一系列多維、多尺度的流域環(huán)保數(shù)據(jù)。因此，亟需建立一套多維度、多尺度復(fù)雜數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)聯(lián)分析技術(shù)，將復(fù)雜難懂的數(shù)據(jù)通過關(guān)聯(lián)分析簡單化，再依托流域管理平臺將結(jié)果數(shù)據(jù)以手機短信、平臺通知等多種形式通報管理人員，以幫助管理人員及時處置決策。

2.3 流域環(huán)保管理缺乏可視化應(yīng)用

流域環(huán)保管理和展示目前多基于BIM或GIS獨立開展，缺乏可以用于統(tǒng)一開展流域環(huán)保信息三維管理和展示的平臺。例如，依托GIS對流域空間信息以及與地理位置相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息進行管理，依托BIM對某一特定的構(gòu)筑對象進行設(shè)計、施工、運營等不同時期的信息管理，而GIS與BIM的結(jié)合應(yīng)用才是完善全生命周期信息的一體化管理、共享各方面數(shù)據(jù)的技術(shù)途徑。

3 流域環(huán)保管理平臺設(shè)計

以解決流域環(huán)保信息化管理面臨的數(shù)據(jù)融合管理欠缺、數(shù)據(jù)缺乏動態(tài)管理、缺乏可視化應(yīng)用等問題為目標導(dǎo)向，筆者團隊開展了流域環(huán)保管理平臺的設(shè)計。

3.1 平臺架構(gòu)

流域環(huán)保管理平臺總體架構(gòu)在流域水電云基礎(chǔ)設(shè)施和數(shù)據(jù)源的基礎(chǔ)上，自下而上分別由數(shù)據(jù)管理層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層以及三維展示層構(gòu)成(見圖1)，由企業(yè)級的流域環(huán)境保護大數(shù)據(jù)中心、流域環(huán)境保護管理信息系統(tǒng)和三維數(shù)字化仿真展示平臺組成。

圖1 流域環(huán)保管理平臺架構(gòu)Fig.1 Framework of watershed environmental management platform

3.2 數(shù)據(jù)融合管理和動態(tài)關(guān)聯(lián)設(shè)計

針對上述第2節(jié)中介紹的目前流域生態(tài)環(huán)保數(shù)據(jù)缺乏融合管理和動態(tài)關(guān)聯(lián)的問題，本文在詳細梳理流域環(huán)保管理所涉及的各類數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，重新定義了各類數(shù)據(jù)的存儲類型及方式，通過數(shù)據(jù)清洗確保多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的準確性和匹配度，最后通過流域級信息管理模型實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的融合管理和動態(tài)關(guān)聯(lián)，并在此基礎(chǔ)上建立了企業(yè)級的流域環(huán)境保護大數(shù)據(jù)中心。

3.2.1 數(shù)據(jù)存儲

流域環(huán)保管理數(shù)據(jù)主要包含空間地理信息、工程模型數(shù)據(jù)、環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查數(shù)據(jù)等結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)。

空間地理信息數(shù)據(jù)指流域地形地貌、道路交通、水系組成等信息數(shù)據(jù)，多為圖片影像資料，包括通過遙感、無人機、現(xiàn)場拍攝等技術(shù)獲取的流域影像數(shù)據(jù)。

工程模型數(shù)據(jù)主要是指水電工程項目設(shè)計人員基于三維輔助設(shè)計軟件所建立的水電工程三維模型輸出文件。工程三維模型文件中包含三維模型空間對象的分解結(jié)構(gòu)和編碼，空間對象在進行三維設(shè)計建模時就應(yīng)遵循流域水電全生命周期管理數(shù)據(jù)中心設(shè)計的統(tǒng)一分解結(jié)構(gòu)及編碼體系。以流域空間地理信息系統(tǒng)和工程三維模型建立的空間對象為載體，可以不斷集成與之相關(guān)的各階段、各種類型業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以服務(wù)于項目的設(shè)計、建設(shè)、運營等整個生命周期。

環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查數(shù)據(jù)包括科研、管理人員實地勘測調(diào)研獲取的流域水文、水質(zhì)、氣象等環(huán)境數(shù)據(jù)，同時也包含地表水、空氣質(zhì)量、噪聲、水質(zhì)、水溫、地下水、局地氣候等通過相應(yīng)感知網(wǎng)絡(luò)自動獲取的長序列環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。

由此可見，流域的環(huán)保信息化管理涉及的數(shù)據(jù)量巨大，為提升數(shù)據(jù)的存儲和提取效率，便于數(shù)據(jù)融合管理，筆者團隊在研發(fā)的流域環(huán)保管理平臺中對不同類型的數(shù)據(jù)采用了不同的存儲方式。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫平臺，非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲于分布式數(shù)據(jù)平臺，實時數(shù)據(jù)存儲于流數(shù)據(jù)平臺。

其中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)倉庫按數(shù)據(jù)層次劃分為緩沖層、整合層、匯總層、數(shù)據(jù)集市層，實現(xiàn)從數(shù)據(jù)源到各個層次數(shù)據(jù)的加載、清洗、檢驗、轉(zhuǎn)換和存儲，并根據(jù)模型設(shè)計及業(yè)務(wù)需要，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的整合和匯總。分布式數(shù)據(jù)平臺根據(jù)應(yīng)用場景和Hadoop體系中不同軟件產(chǎn)品的特點分別基于HBase和Hive實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲，對不同類型的大量數(shù)據(jù)進行高效、可靠的處理?；贖Base的數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)層、海量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)層以及流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)儲層?；贖ive的數(shù)據(jù)存儲區(qū)包括關(guān)系數(shù)據(jù)庫歸檔層、M/R緩沖數(shù)據(jù)層以及M/R結(jié)果數(shù)據(jù)層。實時數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)平臺按照數(shù)據(jù)層次劃分為實時數(shù)據(jù)整合層、實時數(shù)據(jù)匯總層和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)緩存層，實時獲取與存儲數(shù)據(jù)的同時提供實時數(shù)據(jù)共享給其他相關(guān)系統(tǒng)。

3.2.2 數(shù)據(jù)清洗

根據(jù)流域水電建設(shè)管理的需要，在海量數(shù)據(jù)的管理過程中需考慮不同來源多種類型數(shù)據(jù)信息集成的需要，這種多源異構(gòu)數(shù)據(jù)庫中存儲和管理的數(shù)據(jù)主要包括數(shù)字高程模型(DEM)數(shù)據(jù)、紋理影像數(shù)據(jù)、GIS原始矢量數(shù)據(jù)、空間實體對象數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、實時位置數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)。

為確保數(shù)據(jù)的準確性和多源數(shù)據(jù)的匹配度，數(shù)據(jù)中心需對數(shù)據(jù)的范圍、完整性、準確性等方面進行檢查，根據(jù)各比例尺以及各矢量、影像、地形數(shù)據(jù)類型的分類標準對數(shù)據(jù)進行分幅合并、接邊處理以及數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)的屬性檢查等操作以保障合并拼接處理后的數(shù)據(jù)符合數(shù)據(jù)分層和分類標準，最后對分層后的數(shù)據(jù)存儲到關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。對于三維空間實體對象，加載到SuperMap GIS平臺后，進行分級、結(jié)構(gòu)和紋理的匹配處理之后，生成緩存，通過緩存的方式進行訪問。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要通過MapReduce對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，進行剔除、填補、刪除等操作，預(yù)處理后的數(shù)據(jù)保存回數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)為存儲模型。

3.2.3 數(shù)據(jù)編碼

為解決流域環(huán)保數(shù)據(jù)時空關(guān)系復(fù)雜、多源數(shù)據(jù)缺乏動態(tài)關(guān)聯(lián)的問題，流域環(huán)保管理平臺數(shù)據(jù)中心通過流域級信息管理模型對流域環(huán)保信息進行統(tǒng)一編碼，該模型由流域環(huán)境管理相關(guān)實體對象、關(guān)聯(lián)關(guān)系、編碼規(guī)則等構(gòu)成。經(jīng)過編碼后，數(shù)據(jù)中心層數(shù)據(jù)可按照編碼自動建立動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于上層業(yè)務(wù)應(yīng)用層調(diào)用分析。

3.2.3.1 流域環(huán)境管理相關(guān)實體對象

根據(jù)流域級多項目水電工程環(huán)境保護施工期乃至運行期管理的要求，流域環(huán)境保護相關(guān)管理對象包含流域各項目工程分解結(jié)構(gòu)(WBS)編碼體系對應(yīng)的實體類管理對象、電站運行期電廠標識系統(tǒng)(KKS)編碼體系對應(yīng)的位置類管理對象以及環(huán)境保護與水土保持等專題管理對象(包含環(huán)保水保設(shè)施實體類管理對象、流域監(jiān)測與調(diào)查點位置類管理對象)。

3.2.3.2 管理對象關(guān)聯(lián)關(guān)系

流域級信息管理模型中與環(huán)境保護相關(guān)的管理對象，其關(guān)聯(lián)關(guān)系可以分為地理位置(GBS)、物理實體構(gòu)成關(guān)系(PBS)、行政管理區(qū)劃(ABS)3大類，如圖2所示。其中，地理位置(GBS)涵蓋了流域監(jiān)測與調(diào)查點位、水工建構(gòu)筑物位置；物理實體構(gòu)成關(guān)系(PBS)涵蓋了流域工程建筑類實體、環(huán)保水保設(shè)施類實體等；行政管理區(qū)劃(ABS)涵蓋了流域范圍內(nèi)的縣、鄉(xiāng)(鎮(zhèn))、村等行政區(qū)劃。

圖2 流域級信息管理模型中與環(huán)境保護相關(guān)的管理對象關(guān)聯(lián)關(guān)系Fig.2 Relationship of basin entity management objectsrelated with environmental conservation

3.2.3.3 編碼規(guī)則

編碼規(guī)則需滿足流域級、不同項目管理的需求。①對于尚未有規(guī)范的系統(tǒng)編碼規(guī)則的對象，流域?qū)嶓w管理對象的編碼規(guī)則為“前綴(流域和工程項目編碼)-種類碼-序列號”；②對于屬于WBS或KKS等已有編碼規(guī)則的對象，流域?qū)嶓w管理對象的編碼規(guī)則為前綴(流域和工程項目編碼)-種類碼-WBS或KKS。如某環(huán)境空氣監(jiān)測站，其種類碼為RRBM-AR，則雅礱江流域兩河口水電站編號為1的環(huán)境空氣測站的編碼為YLR-D-RRB-LHHP-RRBM-AR-001。

3.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)計

業(yè)務(wù)應(yīng)用層主要通過調(diào)用數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對各類生態(tài)環(huán)保事件及相關(guān)設(shè)備設(shè)施運行狀態(tài)的查詢，同時依托各類模擬計算及統(tǒng)計分析模型，可實現(xiàn)對事件原因及處理方案效果的分析，輔助管理人員決策。根據(jù)功能需求，流域環(huán)保平臺共設(shè)計了環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查管理、環(huán)保水保措施信息管理、運行監(jiān)控數(shù)據(jù)管理、綜合統(tǒng)計分析四大業(yè)務(wù)應(yīng)用板塊。

3.3.1 環(huán)境監(jiān)測與調(diào)查管理

環(huán)境監(jiān)測包括施工期廢水監(jiān)測、地表水監(jiān)測、大氣及聲環(huán)境監(jiān)測、陸生生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、水生生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、水土保持監(jiān)測等，流域環(huán)保平臺集成各類環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的實時與歷史監(jiān)測內(nèi)容，使管理人員可以實時對流域環(huán)保各類信息進行查詢，及時獲取流域各位置詳細數(shù)據(jù)及變化趨勢，有效減小流域環(huán)境污染等事故的影響。

3.3.2 環(huán)保水保措施信息管理

流域環(huán)保平臺通過構(gòu)建流域環(huán)保水保專家?guī)?，整合流域生態(tài)環(huán)境歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)及相關(guān)研究資料，得出流域存在的各類環(huán)境安全隱患及處理措施，對流域環(huán)保措施統(tǒng)一管理。管理人員可根據(jù)流域生態(tài)環(huán)境存在的問題查找該問題主要病因、可能導(dǎo)致的結(jié)果以及最適宜解決方案。

3.3.3 運行監(jiān)控數(shù)據(jù)管理

流域環(huán)保平臺對流域環(huán)保水保設(shè)施的運行情況進行監(jiān)視，當出現(xiàn)故障與異常時，平臺會實時發(fā)現(xiàn)問題，并通知相應(yīng)管理人員。

3.3.4 綜合統(tǒng)計分析

綜合統(tǒng)計分析系統(tǒng)是流域環(huán)保管理平臺綜合上述3大管理功能的集成。可依托專業(yè)數(shù)值模擬模型和統(tǒng)計分析算法對指定河段、河流、系統(tǒng)自行對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行篩選分析，基于流域環(huán)保水保知識庫對流域生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀進行評價，將評價結(jié)果及對應(yīng)解決方案實時發(fā)送給管理人員，輔助管理人員決策。

3.4 融合3D-GIS和BIM三維數(shù)字化技術(shù)的流域環(huán)保管理可視化應(yīng)用設(shè)計

三維數(shù)字化仿真展示層是用于統(tǒng)一開展流域環(huán)保水保信息三維管理和展示的平臺，包括流域及電站信息、環(huán)境背景信息、環(huán)境監(jiān)測信息、環(huán)保水保措施、環(huán)保設(shè)施運行監(jiān)控、庫區(qū)環(huán)境演變趨勢等三維可視化仿真展示，具備PC端、大屏、移動端等多種三維數(shù)字化展示媒介，以此來解決上述第2節(jié)中所述流域環(huán)保管理缺乏可視化應(yīng)用的難題。

3.4.1 流域環(huán)保三維數(shù)字化管理平臺可視化方案設(shè)計

流域環(huán)保三維數(shù)字化管理平臺的建設(shè)大體有3種實施方案可供選擇：第1種是單純采用BIM平臺開發(fā)，由于BIM是針對某一特定的構(gòu)筑對象進行設(shè)計、施工、運營等不同時期的信息管理，僅適用于小場景模型管理，難以勝任流域水電如此大范圍的環(huán)保管理需求；第2種是單純采用GIS平臺開發(fā)，由于GIS是對空間信息以及與地理位置相關(guān)的數(shù)據(jù)和信息進行管理，重點應(yīng)用在具有廣泛的視域及大視野場景中，無法滿足水電工程構(gòu)筑物和環(huán)保設(shè)施等環(huán)境保護實體管理對象精細化展示的需求。為搭建起能夠可視化表達流域水電工程和環(huán)境保護實體管理對象的統(tǒng)一的仿真場景環(huán)境，進而以這些流域?qū)嶓w管理對象為核心進行信息的集成管理和三維查詢和展現(xiàn)，流域環(huán)保管理平臺選擇了第3種實施方案，即對3D-GIS和BIM實施了融合應(yīng)用。GIS用以整合及管理流域地理環(huán)境信息，BIM用以整合和管理建筑物本身所有階段物理特征和功能特性。流域環(huán)保管理平臺基于一個高性能的三維GIS平臺(SuperMap GIS)，將通過衛(wèi)星遙感和航測獲取的數(shù)字正射影像圖(DOM)和DEM數(shù)據(jù)以及通過三維輔助設(shè)計軟件構(gòu)建的BIM數(shù)據(jù)導(dǎo)入至三維GIS平臺中，并利用BIM中構(gòu)建的開挖邊坡、開挖建基面的覆蓋范圍對DOM和DEM進行切割、替換，對開挖邊坡/建基面和切割后剩余外圍DOM、DEM之間的縫隙進行三角網(wǎng)插值縫補，實現(xiàn)空間地理信息和三維BIM的無縫融合。通過無縫集成BIM的信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了從宏觀到微觀、室外到室內(nèi)、地上到地下的一體化管理。

3.4.2 3D-GIS與BIM的高效融合技術(shù)

BIM和GIS模型是由不同領(lǐng)域的人完成的，其設(shè)計者的專業(yè)背景差異造成了這兩個領(lǐng)域融合的技術(shù)壁壘，因而要實現(xiàn)BIM和3D-GIS的融合需要突破兩大技術(shù)難題，一是需要開發(fā)語言模型去表示空間物體和建筑元素，實現(xiàn)3D-GIS模型和BIM在幾何空間上的集成；二是需要實現(xiàn)BIM到3D-GIS的數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)換對接。

由于BIM缺乏對物體的定義，BIM與3D-GIS模型參考系不匹配、對空間物體的描述精度不匹配等問題造成了3D-GIS和BIM在集成上的第一個技術(shù)難點，需要開發(fā)語言模型去融合二者的空間元素。為此筆者團隊開展了基于IFC和CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與3D-GIS集成研究。在BIM領(lǐng)域，IFC(Industry Foundation Classes)數(shù)據(jù)模型已經(jīng)作為一種標準的BIM數(shù)據(jù)模型被廣泛認可和使用。IFC數(shù)據(jù)模型不僅能呈現(xiàn)豐富的建筑構(gòu)建幾何和語義信息，還可通過組件的空間關(guān)聯(lián)來描述施工過程信息。在GIS領(lǐng)域，CityGML(City Geography Markup Language)數(shù)據(jù)模型被作為三維數(shù)據(jù)的標準數(shù)據(jù)模型，更加強調(diào)空間對象的多尺度表達，以及對象的幾何、拓撲和語義表達的一致性，其多層次細節(jié)的描述方法更有利于大范圍的模型管理和可視化。并且，其定義的多個細節(jié)層次(LODs)的建筑物模型，為大場景可視化和空間分析提供了有利的條件。通過提取IFC中存儲的幾何信息、語義信息進而轉(zhuǎn)換成CityGML中存儲幾何、語義信息的表達格式，進而實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)向GIS數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化。通過對需要動態(tài)更新的區(qū)域中的GIS數(shù)據(jù)設(shè)置時間字段，通過時間控制各區(qū)域數(shù)據(jù)的顯示和隱藏，以實現(xiàn)三維GIS場景的動態(tài)更新。

針對BIM與3D-GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換難題，筆者團隊利用新一代SuperMap GIS技術(shù)探索實現(xiàn)了BIM數(shù)據(jù)在3D-GIS平臺的自動快捷導(dǎo)入，且支持各類主流的BIM數(shù)據(jù)格式，如FBX、IFC、DAE.X、OBJ、3DS、OSGB/OSG等。同時以關(guān)鍵字段“圖元ID”為媒介確保了模型與屬性的一一對應(yīng)關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)了從BIM軟件到3D-GIS平臺模型的自動無縫對接、屬性無損集成。

對于BIM到3D-GIS平臺的轉(zhuǎn)換，關(guān)鍵點在于保證轉(zhuǎn)換后的3D-GIS模型中的各個圖元實體與源BIM中的各個圖元實體保持一致的模型編號，進而實現(xiàn)圖元實體幾何形態(tài)及其附屬信息的對應(yīng)成功轉(zhuǎn)換。因此，首先要能夠讀取源BIM的數(shù)據(jù)，獲取其中的圖元實體幾何形態(tài)及其附屬信息，故對于Revit或Catia系列軟件BIM數(shù)據(jù)，首先將其導(dǎo)出為wrl中間交換格式(wrl文件是一種純ASCII文件，方便讀取和解析)，然后導(dǎo)入至3D MAX軟件中進行貼圖和渲染，進而通過在3D MAX中開發(fā)的插件實現(xiàn)3D-GIS模型的導(dǎo)出。

4 雅礱江流域環(huán)保管理平臺應(yīng)用

4.1 應(yīng)用概況及成效分析

雅礱江是金沙江最大的支流，是中國水能資源最富集的河流之一。筆者團隊采用先進、成熟的企業(yè)級技術(shù)架構(gòu)J2EE和SuperMap GIS平臺，基于組件和面向服務(wù)的架構(gòu)體系，以及流域環(huán)保三維數(shù)字化管理需求，開發(fā)了流域環(huán)保三維數(shù)字化管理平臺，并在雅礱江流域環(huán)境保護中進行了示范應(yīng)用。

平臺成功集成了雅礱江流域三維地理數(shù)據(jù)，重點融合了雅礱江中游在建兩河口水電站和下游已投產(chǎn)運行的錦屏一級水電站的電站構(gòu)筑物以及環(huán)境監(jiān)測、環(huán)保措施/設(shè)施等的三維BIM數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化、實時數(shù)據(jù)?；诖?，環(huán)保管理人員可在平臺上查看監(jiān)測點所采集的監(jiān)測信息以及監(jiān)測點所在空間位置，與傳統(tǒng)環(huán)保管理信息系統(tǒng)不同，平臺優(yōu)勢在于不僅能提供監(jiān)測點與流域中電站的相對位置關(guān)系(如圖3(a)所示)，還能提供監(jiān)測點與電站構(gòu)筑物的相對位置關(guān)系(如圖3(b)所示)，當某些監(jiān)測點監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)生異常時，能夠幫助環(huán)保管理人員快速定位污染點、污染范圍以及污染傳播趨勢，輔助分析并排查出污染源及其所在位置并采取相應(yīng)應(yīng)急處置措施。環(huán)保管理人員可在平臺上查看主要環(huán)保設(shè)施的運行情況，如在三維虛擬場景中通過調(diào)取與現(xiàn)場實際位置對應(yīng)的攝像頭獲取的實時視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，可在平臺上查看魚類增殖站各個部位的監(jiān)控影響信息(如圖3(c)所示)； 又如可在平臺上查看與疊梁門分層取水設(shè)施相關(guān)的上游水庫水位、閘門運行工況、下游下泄水溫等運行信息，輔助電站管理人員根據(jù)庫水位及下泄水溫情況及時調(diào)整疊梁門運行層數(shù)(如圖3(d)所示)。此外，從更加宏觀的場景展示需求分析，三維3DGIS+BIM可視化平臺還可動態(tài)模擬展示流域各個水電站工程和環(huán)保水保措施的建設(shè)進度面貌，動態(tài)模擬水電站下泄水流的傳播規(guī)律，動態(tài)模擬庫區(qū)植被覆蓋度的變化(如圖4所示)等。

4.2 應(yīng)用案例

錦屏一級水電站為雅礱江干流下游河段的“龍頭”水庫梯級電站，由于錦屏一級水電站庫水位運行變幅達80 m左右，庫區(qū)春夏季下泄水溫較天然情況低，冬季下泄水溫較天然水溫高，在魚類產(chǎn)卵季節(jié)，水庫低溫水的下泄會極大程度改變魚類的產(chǎn)卵環(huán)境，對魚類的繁殖生長帶來負面影響。針對上述問題以及電站岸塔式取水設(shè)計特點，錦屏一級水電站采用疊梁門多層取水的方案達到分層取水，提升下泄水溫的目的。

然而，疊梁門在運行過程中如果缺少有效的指導(dǎo)工具，將難以高效獲得較優(yōu)運行方案。為此，在疊梁門設(shè)計階段，對已有水文數(shù)據(jù)進行分析，并選取具有代表性的水平年及多年平均的入庫水溫和氣象條件對疊梁門建成后不同時期不同工況條件下泄水溫進行模擬分析預(yù)測，用于指導(dǎo)疊梁門的設(shè)計和運行期操作；在疊梁門運行期間，通過流域環(huán)境保護平臺對分層取水設(shè)施運行相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，為管理者制定分層取水設(shè)施運行方案提供決策支撐。此外，借助流域環(huán)境保護平臺的三維場景查詢功能，對分層取水設(shè)施相關(guān)運行信息和運行面貌進行三維場景查詢，改變了以往疊梁門分層取水設(shè)施調(diào)度管理效率低、不直觀等問題。流域環(huán)境保護管理平臺應(yīng)用之前，錦屏一級水電站開展疊梁門分層取水試驗，受調(diào)度運行條件限制，僅成功實施了3組試驗工況，且僅有4臺機組參與試驗(見表1)。當流域環(huán)境保護管理平臺應(yīng)用后，以流域環(huán)境保護平臺作為支撐，實時查詢管控疊梁門的操作，最終在較短時間內(nèi)順利完成了6組疊梁門分層取水工況的試驗，且全部機組參與試驗(見表2)。由此可見，流域環(huán)境保護平臺顯著提升了疊梁門分層取水設(shè)施的運行效果，有效降低了生態(tài)環(huán)境保護管理風險。

圖3 平臺三維場景查詢Fig.3 Query of three-dimensional scenes

圖4 庫區(qū)植被覆蓋度變化仿真展示Fig.4 Display of simulating vegetation coverage change in the reservoir area

表1 本平臺應(yīng)用前疊梁門分層取水試驗工況Table 1 Test conditions of stratified water intake facilities before application of the proposed management platform

表2 應(yīng)用本平臺管控后疊梁門分層取水試驗工況Table 2 Test conditions of stratified water intake facilities aided by the proposed management platform

5 結(jié) 論

本文分析了流域環(huán)保數(shù)據(jù)的主要類型以及目前流域環(huán)保信息化管理面臨的問題，通過流域環(huán)境保護大數(shù)據(jù)中心及基于3D-GIS和BIM融合的流域環(huán)境保護三維可視化方法構(gòu)建了流域環(huán)保管理平臺，并開展了雅礱江流域環(huán)境保護三維數(shù)字化仿真與管理的示范應(yīng)用，得到以下主要結(jié)論：

(1)基于流域環(huán)保大數(shù)據(jù)中心，本文對流域環(huán)保多源、異構(gòu)的海量數(shù)據(jù)進行了融合管理，實現(xiàn)了對流域環(huán)保數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、清洗，并提出了流域水電項目全生命周期、全空間尺度、多業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)模型的構(gòu)建和統(tǒng)一編碼方法，實現(xiàn)了流域環(huán)境管理數(shù)據(jù)的動態(tài)關(guān)聯(lián)關(guān)系。

(2)基于三維GIS和BIM融合技術(shù)，設(shè)計并應(yīng)用了三維GIS和BIM融合的流域環(huán)境保護三維可視化方法，使流域環(huán)保管理平臺能夠直觀表達流域環(huán)保監(jiān)測、措施、設(shè)施等與其所在流域、電站主體建筑物的相對空間位置關(guān)系及動態(tài)面貌，攻克了傳統(tǒng)管理平臺在三維直觀形象、時空拓展、動態(tài)更新展示上的局限性，有效提升了流域環(huán)境管理的水平。

(3)該平臺在雅礱江流域進行了實際應(yīng)用，通過整合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果數(shù)據(jù)，共同指導(dǎo)錦屏一級水電站的疊梁門分層取水調(diào)度方案設(shè)計，結(jié)合平臺的實時監(jiān)控及三維場景查詢功能，顯著提升了疊梁門分層取水設(shè)施的運行效果，降低了生態(tài)環(huán)境保護管理風險。

未來可進一步加強遙感、無人機、移動互聯(lián)、圖像識別分析等技術(shù)在流域環(huán)保領(lǐng)域的深化應(yīng)用，逐步提升環(huán)境保護管理的數(shù)字化和智能化水平。