基于GIS 的施工過程三維可視化系統實現及作用

宋紅亮 吳 越

建設項目施工是一個動態的過程,它不僅涉及地形地質等靜態信息,而且還要反映施工過程中動態的施工邏輯關系。GIS特有的空間數據組織形式,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度三位數字模型是實現施工進度可視化的基礎。所謂數字建模是指把客觀世界中實體對象在計算機中用真實[1]的空間位置來表示,并使空間關系及其屬性按一定的方式結合起來,從而實現空間信息與屬性信息的一一對應。GIS中空間實體對象用圖形數據和屬性數據[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據和拓撲關系[11],后者描述實體的屬性及兩者的關聯標識。空間數據和屬性數據通過內部代碼和用戶標識代碼作為公共數據項連接起來,使得構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關系。這種空間數據組織結構[12,17]為數字模型[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實現

1.1 三維動態數字模型的構造

三維動態模型也稱時空模型,可以用時間—空間參考坐標系統描述,將時空數據表示為 v=f(x,y,z,t),其中,(x,y,z)為空間信息,記錄地理現象的空間變化;(t)為時間維,記錄地象的時間變化。本文中地理現象指工程施工過程,稱工程現象。工程現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所組成,狀態的轉換稱作“事件”,一個工程現象中只要所包含的對象有一個發生變化,就構成一次事件,意味著一次狀態的轉換。在一個狀態內過程現象的時間特征是相對穩定的,所表現出的是其空間變化特征,即對象間差異。每一個“狀態”都對應一個“工程面貌”。這樣狀態、工程面貌、對象就構成了一個時空數據的基本概念框架。

1.2 基于GIS的三維動態演示方法

如上文所述,時空模型不僅表現地理現象的空間變化,而且可以表達空間信息隨時間變化的過程。針對系統而言,就是表現隨施工進行各種建筑物的空間面貌的變化過程。基于三維動態演示是對任意時刻系統仿真面貌的再現,它反映了仿真過程數動態變化規律。利用仿真模塊得到工程系統的動態信息,結合已有的三維數據模型,時空數字模型。工程系統作為離散系統進行仿真,獲得的仿真信息也可以按天、周、旬、月或季為單位顯示。根據仿真進度,對應建筑物幾何及其屬性等,生成工程施工系統各環節某一動態變化單元i對應的圖元任意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;Vi(t)=fi(Xi,Yi,Zi,t)表示在動態施工過程中,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,并與其一一對應的屬性數據建立聯系,從而在動畫演示時,按順序讀取圖形庫中的形體數據及相對應的屬性信息,不斷更新繪圖變量性變量賦值,同時不斷刷新屏幕顯示。這樣就實現了整體工程施工過程的面貌及相應信息的動態顯示。具體實現步驟如下:1)將仿真計算得到的建設項目的施工信息(例如各工序的時間參數續時間、開始時間、結束時間),各時刻各施工單元的形體參數等,按工序大小以電子表格的形式輸出。2)通過GIS讀取這些數據,并將其存放入相應的數據庫。3)根據各時刻各施工單元的形體參數,運用GIS技術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行組合,得到各時刻的建設項整體三維面貌,即(n為總的工序數)。5)將各時刻建設項目的整體三維面貌 V(t)按時間進行排序(將按排序的各時刻的建設項目的整體三維面貌庫稱為施工動態面貌庫)。6)逐條讀取施工動態面貌庫中每條記錄的形體數據及其他相關信息體數據以數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,從而實現了建設項目施工過程的三維可視化和當前時刻相關信息顯示。

2 基于GIS的施工過程三維可視化系統的作用

從基于GIS的建設項目施工過程三維可視化可以獲得以下工程信息:

1)虛擬的工程環境。應用GIS技術制作了工程的三維可視化數字,在計算機內虛構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所特有的數字地形顯示功能,使得建設項目所處位置的地形地貌一目了然。

2)建設項目在各個時刻的形象進度。基于GIS的建設項目施工過程三維可視化系統有時間坐標軸,想看任意時刻的形象進度,觀察對應于該時刻的建設項目施工面貌即可。

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系。建設項目施工是非常復雜的,施工工序繁多,各工序之間邏輯關系快速地把握整個建設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提供了協調、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引入系統仿真研究中,使得仿真結果更加清晰、直觀,便于把握建設項目施工系統的整體演進,發現其內在規律。其主要作用體現在以下幾個方面:

a.便于施工方案的分析。傳統的施工進度計劃方案以時間參數和靜形給出。當施工工序繁多、邏輯關系復雜時,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、邏輯上的關系,輔助對施工方案分析。b.便于施工方案的確認。通常“確認”工作是由熟知施工系統的專導的,其任務是審查和評價,因此系統專家與施工組織設計人員之間的交確認過程十分重要。基于GIS的施工過程三維可視化技術提供了有效的交段。使系統專家對工程有一個形象直觀的了解,充分暴露設計中的漏洞且有助于專家提出卓有成效的意見和建議,并進一步指導施工組織設計的步調。c.便于信息的溝通與表達。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,決策者的認可程度通常與設計人員的描述和表達方式相關。基于GIS的施工過程三維可視化技術表達的信息量大,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。

3 結語

1)基于GIS的建設項目施工系統動態可視化仿真通過數字化三維圖象形象地描繪了建設項目施工系統的動態行為特征,生動地刻畫了建設項目施工過程以及施工過程中各工序的時間、空間和邏輯關系,使得仿真結果更加清晰直觀,便于人們把握建設項目施工系統的整體演進,發現其內在的規律。2)基于GIS的建設項目施工動態可視化仿真充分利用GIS強大的空間數據處理功能和圖形處理技術,在繪制圖形上更加精確靈活。

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