基于BIM+GIS的大坝安全监测信息可视化展示技术研究

文富勇

(1.水能资源利用关键技术湖南省重点实验室，湖南 长沙 410014；2.中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

大坝安全监测是服务于大坝安全的，通过安全监测可及时获取第一手资料，分析大坝及基岩的运行状态，为掌握大坝的工作形态、评价大坝安全状况、发现大坝异常迹象提供依据[1]。大坝安全监测包括变形、渗流、应力应变以及环境量等效应量的监测，根据工程规模不同可能会有成百上千甚至上万支传感器，且分布在不同的位置。

目前，水电工程监测系统多是基于二维的监测信息呈现，监测仪器设施三维可视化程度低，用户无法清晰、快速的定位监测仪器设施，无法及时获取相关测点的监测基础信息。随着近年来BIM+GIS技术的快速发展，基于BIM+GIS技术的工程应用服务越来越成熟和广泛，通过构建电站BIM监测模型并结合GIS应用，将监测仪器设施的所有基本信息与BIM模型进行关联，使得使用者能够快速从三维模型定位监测测点的位置、查询测点基本信息及相关图纸报表，能够实现快速定位、以及辅助分析，从而将工程安全监测从传统的二维空间拓展到三维空间，具有重要的意义。

1 BIM+GIS应用现状

BIM以工程的各种相关信息数据作为基础，通过构建虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术、信息化技术为模型提供与实际结构一致的信息库[2]。近年来，随着BIM技术的发展，我国水电工程建设逐步引入BIM 技术，并在两河口水电站、猴子岩水电站、锦屏一级水电站等多个大型水电工程中得到了应用[3]，已成功应用于工程设计、施工、以及运维等全寿命周期。

三维地理信息系统GIS通过叠加融合倾斜摄影数据、矢量数据、BIM数据等多源数据，提供更多的地形、建筑、设施等信息[4]。随着GIS技术的不断发展和进步，GIS技术具有虚拟现实技术和空间分析功能，可将现实世界中对象的空间位置与相关属性有机结合起来，从而为空间决策提供技术支持，实现可视化表达，目前，GIS技术被广泛应用于水利水电工程[5]。

2 BIM+GIS监测应用的意义

目前，大多数工程及建筑物结构、巡视检查部位及记录、监测仪器信息以及工程文档无法和实际的空间位置进行关联查询，仅有极为熟悉电站安全监测布置及运行情况的专业人员才能快速准确的获得相关信息[6]，不利于开展工程安全分析和评价工作，影响电站安全管理。

已建成的电站安全监测自动化管理系统的信息查询与展示以文字、表格及二维图形为主，难以做到简单直观的展示大坝整体运行情况，不利于开展对外展示交流活动。

随着信息化技术在工程领域的不断推广和应用，安全监测信息集中管控、三维可视化展示成为可能，也为电站管理带来了极大便利[7]。为了优化管理流程、提升管理质量、形象、生动的展示数据[8]，开展基于BIM+GIS的安全监测三维可视化应用是未来发展的必然趋势，将安全监测信息展示从二维空间拓展到三维空间的应用是非常重要而有意义的。

3 可视化展示技术研究

3.1 BIM建模

收集工程基本信息资料、结构设计图纸、监测施工图纸、以及相关技改和设计变更资料，并进行系统整理和归类，为构建大坝及监测三维模型做准备[9]。由于BIM+GIS的大坝监测信息三维可视化展示应用对大坝结构建模的要求不高，其重点是在大坝结构模型的基础上构建监测仪器的精细化模型，因此，大坝结构模型按三维建模精度考虑，监测仪器模型按BIM模型精度构建[10]。

基于CATIA、REVIT、BENTLEY等主流BIM建模软件平台，对大坝结构三维建模，模型精细度等级为LOD3.0。在已构建的大坝结构三维模型的基础上，按1∶1建立所有变形、渗流、应力应变及温度等监测仪器设备设施的BIM模型，模型精细度为LOD4.0，对监测仪器BIM模型进行编码、关键技术参数属性添加、轻量化技术处理，形成监测仪器全信息三维模型。

3.2 模型轻量化

将已有的结构三维模型和监测仪器BIM模型进行轻量化处理，针对不同的应用场景选择不同的三维渲染引擎进行针对性的轻量化处理。BIM和GIS数据深入融合应用，在统一的GIS平台上搭建三维场景，为数字化工程应用提供数据基础。目前，桌面GIS平台主要有ArcGIS、超图、伟景行、Skyline等平台，浏览器主要有Cesium、Babylon、ThreeJS等WebGL框架，由于安全监测三维可视化应用相对来说对模型的要求不高，模型体量也相对不大，以及基于当前基于云服务应用的需要，建议安全监测三维可视化展示应用采用基于Cesium引擎的应用，这样既可在不用安装任何插件的情况下在浏览器上三维可视化展示监测信息，又不用在服务器搭建专门应用场景来支撑三维可视化应用，同时又能实现基于GIS和BIM数据融合应用。

3.3 三维可视化展示

通过全景、大坝三维结构模型、监测BIM模型等多样化的三维表达技术，在WebGL三维引擎上建立大坝全景模型，具备对大坝360°全景浏览以及播放功能。

开发基于监测信息的三维可视化系统，支持用户能够快速从三维模型定位监测测点的位置、查询测点基本信息，并与监测数据进行关联，动态生成各种类型的图表以供使用者快速分析和了解各部位建筑物的结构安全性状，主要功能包括基本信息查询、监测定位查询、监测曲线查询、漫游等。

可视化系统能够对大坝结构从任意角度和方向进行距离测量，同时具备对大坝结构进行立体剖切和透视的功能；能够将实际巡检路线模拟到三维模型上，通过漫游虚拟巡检路线，实时展示巡检过程各种监测仪器设施、以及相关主要信息。

4 系统功能设计

4.1 常规基础功能

(1)通用数据库设计。安全监测有引张线、静力水准、视准线、基岩变位计、多点位移计、渗压计、量水堰、应变计、锚杆应力计、几何水准、正倒垂线、控制网等不同类型监测仪器设施[1]，数据存储格式各不相同。构建符合大坝安全监测信息数据存储格式的通用数据库，能够实现多项目快速入库以及基于云服务的大坝安全监测信息化管理与维护[11]。

(2)数据同步功能设计。基于BIM+GIS的大坝安全监测信息展示系统暂时可不考虑基于前端数据采集和控制的功能设计，主要目的在于对监测数据的管理、维护、可视化展示以及辅助预警分析功能[12]。因此，应针对不同项目、以及不同数据格式导入形式设计一个可靠的数据同步功能模块，在数据采集完成后及时、实时的将数据同步至BIM+GIS应用平台。

(3)数据管理与图形制作功能。数据管理与图形制作功能是大部分监测管理系统都具备的基础功能模板，主要功能为对监测数据进行删除、修改、导入和导出等基本数据管理工作[13]，以及绘制过程线、分布图、相关图等基本图形。

4.2 三维可视化展示

根据应用需求，开发监测信息的三维可视化展示功能，实现监测仪器在三维场景中基本信息查询、监测定位查询、监测曲线查询，使得使用者能够快速从BIM模型定位监测测点的位置、了解测点基本信息，并与监测数据进行关联，动态生成各种类型的图表以供使用者快速分析和了解各部位建筑物的结构安全性状，特别是针对异常测点，能够实现快速定位、以及辅助分析。

利用已构建的BIM模型，将所有变形、渗流、应力应变及温度、环境量等监测信息融入BIM模型，利用数字模拟、以及相关先进数字化技术将所有信息直接反映到BIM模型，即动态呈现结构变形、渗流等过程变化，通过过程监控、以及基于大数据智能分析初步判断结构建筑物的安全性状。

4.3 预警辅助分析

目前，多数电站的规模均相对较大，每个电站均有几千支仪器，且每天每支仪器都会采集新的数据[14]，针对多电站的集中管控，每天面对海量的监测数据信息，管理与维护人员要从海量数据中找出异常信息，并及时进行预警是一项非常艰难的工作，以及现有基于最大值、仪器量程为依据的预警理论效果差，应用率低。

针对上述情况，可针对性的开发一套基于自适应算法的大数据智能预警系统，每天定时对各个电站所有监测数据进行智能计算[15]，将异常测点分5级(1～4级、提示区)提取出来，通过邮件、短信等方式发送给相关人员，然后利用其他相关系统和辅以人工进一步深入分析与评价。

5 工程实例

桃源水电站位于湖南省常德市桃源县城附近的沅水干流上，是沅水干流最末一个水电开发梯级。电站以发电为主，兼顾航运、旅游等综合利用。电站枢纽主要由泄洪闸、发电厂房、船闸等水工建筑物组成。泄洪闸共25孔，孔口净宽20 m，堰顶高程26.00 m，左侧河道布置14孔，长度326.60 m，右侧河道布置11孔，长度257.00 m，闸坝顶部高程50.70 m，最大坝高30.20 m；厂房轴线长271.2 m，顺水流向长91.45 m，最大高度45.20 m。桃源水电站主要设置了表面水平位移、表面垂直位移、扬压力、绕坝渗流、坝基变形、混凝土及钢筋应力应变、坝基渗流等监测项目。

桃源水电站已建成安全监测自动化管理系统，本次基于BIM+GIS的大坝安全监测三维可视化展示应用，在不改变原有监测自动化管理系统数据采集与控制情况下，采用数据同步软件实现原监测自动化系统与BIM+GIS应用平台间数据实时同步，然后在BIM+GIS应用平台上实现监测信息三维可视化展示，如图1所示。

图1 基于GIS的大坝安全监测信息界面

采用B/S结构，数据库选用Microsoft SQL Server 2012，后台语言采用PHP，三维可视化渲染引擎采用Cesium。

平台主要功能包括系统管理、巡检日志、数据同步、数据管理、图表管理、统计建模等常规模块，平台设计以“所见即所得”为宗旨，包含批量导入、导出、以及批量粗差剔除等批处理功能，减少软件繁琐的操作。平台还具有辅助预警分析、监测报告自动生成、三维可视化展示等专用功能模块，其中三维可视化展示模块主要包括监测仪器设施定位查询、监测数据及曲线查询、基本信息查询、距离测量、立体剖切、虚拟巡检漫游、透明显示等功能。图形绘制模块见图2，三维可视化展示模块见图3。

图2 图形绘制模块示意

图3 三维可视化展示模块示意

6 结 论

工程实例表明，基于BIM+GIS的大坝安全监测信息可视化展示，能够实现监测信息从二维空间拓展到三维空间的应用，能够快速定位查询监测仪器基本信息及监测数据，更能形象、生动的展示监测信息，提高监测管理工作效率。未来随着信息化技术发展，BIM+GIS技术在大坝安全监测领域应用将会越来越成熟，具有广阔的应用前景，本文研究还不够深入，旨在抛砖引玉，以便更多学者运用BIM+GIS技术服务于大坝安全监测。