基于BIM+3D GIS的大壩安全監測管理系統設計與實現

賈玉豪，萬 艷

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335）

0 引言

根據2018年全國水利發展統計公報數據，全國已建成各類水庫98822座，其中大型水庫736座，中型水庫3954座[1]。隨著水利水電行業信息化、數字化、智慧化的發展，在已建和在建的水庫大壩中，高壩大庫的大壩安全監測管理系統較為完善。但大壩安全監測中仍然存在可視化程度低、缺乏先進的監測技術和監測系統、監測數據綜合處理程度低、自動化改造后人工監測和自動化監測結合程度差等問題[2～3]。而建筑信息模型（Building Information Modeling，簡稱BIM）是以三維模型為載體，匯集工程設計、施工、運營的全生命周期過程中的工程數據信息，提供三維可視化展示和信息協同共享[4]；三維地理信息系統（Three-dimensional Geographic Information System，簡稱3D GIS）通過疊加融合傾斜攝影數據、矢量數據、BIM數據等多源數據，提供更多的地形、建筑、設施等信息[5]。因此可以運用BIM、3D GIS等信息化、數字化技術開發能夠直觀、綜合、有效管理水庫大壩全生命周期安全監測信息的大壩安全監測管理系統。

1 大壩安全監測管理系統總體架構與功能設計

1.1 系統總體架構

大壩安全監測管理系統的總體架構見圖1。

圖1 系統整體架構

感知層:利用水電站現場的安全監測儀器設備、環境監測設備等，運用物聯網技術，通過數據采集系統采集大壩的應力應變、溫度、變形、滲流、環境量等數據，并傳至數據層的監測數據庫中。

數據層:進行BIM數據、3D GIS數據、監測數據、業務數據的數據管理。其中BIM模型和3D GIS地圖采用文件型數據庫存儲，庫中的傾斜攝影數據、BIM模型數據、地形數據進行切片存儲；監測數據和業務數據采用關系型數據庫存儲，主要涵蓋大壩基本信息、測點基本信息、儀器基本信息、安全監測數據、業務邏輯數據等。

服務層:通過GIS服務器、BIM服務器和數據庫服務器將數據層中的BIM模型和GIS地圖的切片數據、安全監測數等發布為三維服務、地理數據服務、地圖服務、數據服務等，提供接口供業務層調用。

業務層:實現大壩安全監測管理系統的業務功能，利用前端開發技術并基于WebGL，實現水電站大壩的測點管理、儀器管理、圖層管理、三維視圖、場景聯動、監測數據查詢、評判指標設置、監測數據統計分析等功能。

應用層:將業務功能通過網頁端進行展現。

1.2 系統功能設計

大壩安全監測管理系統建設的目的是進行監測數據分析和三維場景數據管理，從而了解大壩的運行性態和安全狀況。主要需求是對大壩各部位、各類型的監測數據查詢、分析和管理；對大壩、溢洪道等建筑物、儀器設備、測點位置進行三維展示和管理；并根據監測數據分析結果，進行三維場景的聯動。依據功能需求，本系統功能主要包括監測數據查詢、評判指標設置、監測數據統計、測點管理、儀器管理、圖層管理和三維視圖和場景聯動等。

2 三維場景構建和安全監測數據接入

利用BIM技術構建大壩、溢洪道、高邊坡、監測儀器等的三維模型并賦予模型對應的屬性，形成三維信息模型；利用3D GIS技術構建傾斜攝影、三維地形、專題圖等GIS應用場景。通過GIS平臺，融合BIM模型和3D GIS場景，制作三維場景，發布三維服務、數據服務、地圖服務等。同時接入安全監測數據，對監測數據整合、分析、評判，并提供監測數據調用接口。

2.1 三維場景構建

本系統中需要建立的BIM模型主要包括大壩、溢洪道、高邊坡、放空洞、監測儀器等。根據設計圖、施工圖、鉆孔圖等設計資料建立BIM模型，通過.dgnlib文件構建安全監測儀器庫，在構建測點時，復用儀器模型模板，設置唯一ID值，完成對測點監測儀器的綁定。最后通過模型參考、合并，完成整個BIM應用模型的構建，見圖2。

圖2 引張線監測儀器

本系統中主要通過三維地形和傾斜攝影模型構建3D GIS場景，通過標簽和單值專題圖實現對大壩安全監測數據的空間分析。在構建3D GIS場景時，通過對地形圖和傾斜攝影模型開挖、壓平處理，使得3D GIS場景符合當下的水電站BIM模型提供周邊宏觀的地理環境要素，并提供空間查詢和空間分析功能。

三維場景建立主要進行BIM與3D GIS融合。通過利用數據導出插件，將BIM模型頂點信息和屬性數據按照圖層分類導入GIS平臺，用其管理BIM模型的三維屬性信息。通過構建的三維場景，將分散在不同位置的大壩、溢洪道、高邊坡等BIM模型圖層與三維地形、傾斜攝影、專題圖等GIS圖層關聯在一起，將BIM模型填充到預留位置，實現BIM與3D GIS的融合，完成三維場景的建立，見圖3。

圖3 BIM模型融合傾斜攝影

2.2 監測數據的接入

大壩、高邊坡等部位的監測數據采集和存儲主要是通過安全監測數據采集系統實現的。通過數據接入程序將現場的安全監測數據庫與本系統的關系型監測數據庫相連，并進行測點關系匹配，包括測點對應、測點監測分量對應、數據傳輸頻率設置等，以預定的頻率進行監測數據的傳輸，實現監測數據的接入。在數據接入程序進行數據傳輸的同時，本系統后臺服務器將依據測點的計算公式、數據評判準則對數據進行整合、分析、評判，完成數據入庫時的計算、校驗、審核和存儲。

3 大壩安全監測管理系統實現

本系統采用B/S架構，應用和數據服務器啟用微軟公司的IIS8.0，數據庫服務器采用MySQL，界面設計采用HTML5配合CSS3樣式表，前臺控制采用JQuery框架，前后臺交互使用Ajax方式，后臺業務邏輯采用Java語言實現。

3.1 系統服務層實施

本系統服務層建設實施是通過編寫API接口向業務層提供數據服務。主要分為提供三維場景的數據服務和提供安全監測數據的數據服務。

三維場景的數據服務主要包括三維服務、模型數據服務和地圖服務。通過GIS平臺的iServer服務器將構建好的三維場景發布為REST格式的地圖服務、數據服務、三維服務。實現地圖的訪問、查詢，圖層控制、瀏覽，地圖空間、屬性查詢以及模型數據、地理環境要素的獲取和編輯功能。

安全監測數據的數據服務主要是提供監測數據的增、刪、改、查服務。在完成廠站數據庫的接入后，構建本系統的監測數據庫，并完成大壩基本信息、測點基本信息、儀器基本信息的錄入。通過監測數據庫，使用Java語言基于SSM框架，開發Restful風格的后端接口服務器。實現根據pointID、codeName、writeTime、dataTime等關鍵字段的單個查詢、分頁查詢和模糊查詢等數據查詢接口。

3.2 系統主要實現功能

本系統主要通過測點管理、儀器管理、圖層管理、監測數據查詢、評判指標設置、監測數據統計分析等功能，實現對大壩安全監測情況的空間位置展示和管理、監測數據查詢和分析，為評價大壩運行性態提供輔助決策和技術支持。

（1）測點管理

圖4 測點管理

測點管理主要對測點的基本信息、埋設信息、計算參數進行查詢、維護和三維展示。通過調用服務層的API接口，獲取數據服務和三維服務，在web界面上展示了按照測量目的分類的導航列表，包括變形、滲流、應力應變及溫度、環境量、控制網、自定義六個分類。通過點擊對應子類條目，展示測點名稱、狀態、頻次、埋設部位、日期、高程、樁號、計算基準值等測點信息，并能直接修改測點信息和添加此類型的測點；同時在三維場景中對點選的分類或者單個測點進行高亮顯示，見圖4。

（2）儀器管理

儀器管理主要對監測儀器基本信息、計算公式進行查詢、維護和三維展示。通過調用服務層的API接口，獲取數據服務和三維服務，在web界面上展示了按照儀器類型分類的導航列表，包括差阻式、振弦式、光纖式、標準量式、水情式、電容式等九個分類。通過點擊對應子類條目，展示監測儀器的名稱、監測分量、單位、值域、計算參數、計算公式等監測儀器信息，并能直接修改監測儀器信息和添加監測儀器；同時在三維場景中對點選的監測儀器進行大樣展示。

（3）圖層管理

圖層管理主要對三維場景中的圖層進行控制。通過調用iServer發布的三維服務和數據服務等，獲取對應的服務圖層，實現對圖層的顯示、透明度、選中等功能。在web界面上展示了圖層列表，包括地圖切換、地形圖、傾斜攝影、大壩壩體、面板、溢洪道、高邊坡、監測儀器、放空洞九個圖層分類。通過點擊對應的圖層顯示、透明度控制按鈕，實現了對各個圖層的控制功能。能夠快速瀏覽整個水利樞紐的整體布置、詳細查看各種水工建筑物的內部、局部信息，以及安全監測測點設置、儀器埋設位置信息。

（4）監測數據查詢

監測數據查詢主要對安全監測數據和異常數據進行查詢和輸出。通過調用服務層的API接口，獲取數據服務和三維服務，在web界面上沿用測點管理的導航列表，通過點擊對應子類條目，默認展示按時間排序、正常狀態的自動化數據，包括測點名稱、時間、原始量、中間量和結果量，也可修改查詢條件后查詢，并在查詢數據的同時顯示測值過程線和參考環境量曲線。同時通過切換查詢標簽，實現了異常數據查詢功能，通過設置查詢日期，可以快速查詢出異常數據的測點名稱、異常分量、儀器類型和時間等信息，也可對異常數據進行備注和隱藏。并能在三維場景中對點選的測點進行高亮顯示。另外提供了查詢結果的數據導出功能，將數據導出為表格。

（5）評判指標設置

評判指標設置主要對監測數據異常狀態值指標進行設置。在web界面上沿用測點管理的導航列表，點擊對應子類條目，通過調用服務層的API接口，獲取并展示已設置的評判指標，包括測點名稱、評判分量、異常值上限、異常值下線、嚴重異常值上線、嚴重異常值下線等信息，同時可以修改表中異常值指標。完成指標設置后，評判監測數據是否異常，并根據評判結果對監測數據進行標記，異常數據可以通過監測數據查詢界面進行查看和處理。

4 結論

BIM+3D GIS的融合滿足了水利樞紐工程對地理環境要素和三維信息模型在宏觀和微觀領域空間展示和空間分析的需求，針對大壩安全監測中對監測結果的空間展示和數據分析需求，本文設計與實現了基于BIM+3D GIS的大壩安全監測管理系統。

1）系統能夠對大壩、溢洪道、高邊坡、監測儀器等的信息模型三維空間展示，將模型信息與儀器設備屬性關聯，實現整個水電站數字化集成。

2）系統能夠通過數字化模型，展示變形、滲流、滲壓、溫度、應力應變等監測項目的空間位置和成果，提高了監測結果可視化程度。

然而，由于缺少地質勘探數據，數字水電站缺少地質模型，監測儀器的增加、更換也不便利，系統需要進一步完善。