地下管线 BIM 及二维码信息识别查询工程关键技术研究

黄海涛，杨玲玲

（1.兴化市住建局，江苏 兴化 225700；2.江苏诚泰测绘科技有限公司，江苏 泰州 225300）

0 引言

新形势下，城市建设进入快速发展时期，实施城市地下管线最有效的管理与建设是摆在当前的一项重要课题［1-3］。为加快推进信息化、数字化、智能化的新型城市基础设施建设，尽量减少管网工程施工对地面“开膛破肚”行为，保障隐蔽性工程安全，进一步提升城市地下管线运行的安全性、可靠性，本文积极研究地下管线 BIM 及二维码信息识别查询关键技术，努力探索地下管线管建工作的新路径、新模式、新方法。在此基础上开发了地下管线二维码智能识别与智能管理系统，将 BIM 技术与地下管线矢量数据库相结合，建立城市地下管线三维现状信息模拟模型，实现地下管线“可视化”。

1 技术路线与关键技术

1.1 现状分析

地下管线涉及给水、雨水、污水、燃气、电力等十多种地下管线，形成了一张错综复杂的地下管线网络，传统的二维管理方式难以准确、直观地显示地下管线交叉排列的空间位置关系。目前，国内的地下管线三维模型重建一般采用手动（如利用 3dsMax 等建模工具）、半自动（如程序+建模工具的方式）和自动建模 3 种方式，以满足地下管线的三维浏览、查询、分析与应用需求，但或多或少存在三维管线模型精度不够、建模效率不高、与地上三维模型不能衔接一致、更新维护烦琐和三维展示效果单一等问题［4，5］。随着虚拟现实技术的快速发展和地下管线三维应用的不断深化，地下管线三维建模正朝着高精度自动化、局部更新快速化和地上地下一体化等方向发展。

针对以上问题，在已建的地下管线二维数据库基础上，本文以二三维一体化 GIS 技术平台为基础框架，基于 BIM+GIS 技术进一步拓展二三维一体化数据模型［6］，快速构建管线 BIM 模型，建立了一个完整透明的地下管网模型数据库，并融合倾斜摄影、二维码、电子底图等多源异构数据，集成 WebGL、物联网、二维码、云 GIS 动态管理等 IT 新技术，实现了城市管线管理的宏观微观一体化与地上地下一体化动态协同管理，有力地提升了管线的智慧化运维管理水平。

1.2 关键技术研究

主要关键技术点如下。

1）采用 2 000 国家大地坐标系，运用新一代三维GIS 新技术，将无人机实景三维模型与三维管线 BIM 模型相结合，以三维地上地下一体化方式形象展现地下管线的埋深、材质、形状、走向以及附件结构和周边环境，全面整合了各类数据，实现管线全生命周期的三维化管理，在管线管理中轻点鼠标，二维图纸上错综复杂的管线便一下子变得清晰明了。

2）在三维 GIS 技术支持下利用 BIM 和二维码技术［7，8］实现全生命周期的地下管线管理，环环相扣，全面提高地下管线工程设计、施工和运营相关的成果质量。通过二维码扫描和地表开挖技术，实时动态快速获取工作区域管线现状，分析沿路开挖等工程施工对地下管线的影响，预防事故的发生。在智慧管线管理工作中，创新了一种快速、便捷、直观的日常管线运维管理方式。

3）在高速网络及 5G 技术支持下，物联网技术的应用，能够把传感器收集到的管线实时数据传输到 APP 系统，传感器信息在三维场景中以可视化的方式进行动态呈现，实现管线设施管理的实时监测预警，再通过动态更新形成可视化动态图表，一旦发现问题，管理人员可以迅速定位，快速排查排除隐患，极大缩短了响应时间。

4）面向大场景研究了一种三维模型倾斜优化技术，项目从根节点合并和转为 S3M 格式对数据进行了优化，节点个数缩减为原来 1/4，存储量缩减为原来的 1/2，大大减少了网络传输的数据量，且模型的质量并没有减小。在网络环境正常的情况下，试验区三维模型浏览模型加载响应快，浏览流畅无卡顿，用户具有三维实景的体验感。

5）基于新一代三维 GIS 技术，利用 GIS-BIM、物联网感知、移动互联网、二维码等技术自主研发了 APP 软件，支持平板等移动端直接通过网络加载地下管线地上地下一体化三维实景，通过二维码快速定位、查询、分析管线设施 BIM 模型部件信息，并依据需要进行动态渲染，进行真实三维表达，并可进行自由漫游浏览。APP 能有进一步有效提高城市地下管线管理工作的质量，成本低廉且易于推广，社会价值和经济效益较好。

1.3 系统设计技术路线

地下管线二维码智能识别与智能管理系统具体实现采用 B/S 架构，按基础设施层、数据层、中间层、应用服务层、终端用户层、安全保障体系五层架构设计。系统主要功能包括基本三维 GIS 功能、信息的浏览查询和统计、管线业务运维管理等。系统将核心的业务逻辑和公共的组件以及安全和集成相关的组件进行封装到服务器中，通过中间件的形式向外提供服务和应用扩展。系统将相关的功能封装，形成服务，统一向外提供管网信息的浏览、管网信息查询、统计服务、业务运行数据、空间分析服务等。

系统采用组件式开发，客户端通过认证层获取相应的图层数据权限，对授权图层数据进行查看、编辑、导出等操作，实现各用户单位对综合管线运维应用的需要，同时保证数据的安全性。采用模块化、零插件 WebGL 框架技术实现数据的动态交互式浏览。采用大型数据库管理系统，对多源数据进行统一挂接管理。同时，对于地下管线数据与二维码数据建立适当的空间索引，以加速对数据的访问，提高数据存储和系统运行效率。

2 建设实施

2.1 数据建设

按照实施方案，在统一的时空基准下开展数据建设，主要建设内容如下。

1）构建地上地下三维场景，完成倾斜摄影数据生产任务飞行及三维快速建模。

2）试点区域内地下管线的二维码数据成果，接入泰州市地下管线二维码管理平台，实地布设到位更新地下管线数据库，将二维码数据挂接到相应的管线。

3）对 BIM 软件运行过程中所需要的管线数据进行获取与处理，本项目的基础数据是 2018 年 3 月完成的兴化市地下管线的探测及路段 1∶500 比例尺带状地形图修测和数据，在此基础上，根据近两年来的市政建设情况和图纸进行修测，形成试点区域约 3 km2内的地下管线数据库成果，构建真实管线三维和 BIM 模型数据［9］。

4）部署传感器监测数据，传感器监测及预警数据接入数据库。

2.2 软件建设

在项目数据建设的基础上，严格遵循质量管理体系进行项目管理，建立了完整的标准规范和管理机制体系，保障了平台的开发建设规范有序。依托三维 GIS 技术，基于移动开发技术研发了兴化管线通 APP V1.0。主要软件功能如下。

1）用户管理。后台为 APP 提供用户信息交互功能的支撑，对用户、角色、功能等进行管理，包括用户注册、删除、修改等操作，实现管理平台用户的账号、密码及对应角色权限的目的。

2）二维码扫描。APP 基于 QR 条码扫描技术开发相应功能，点击主界面后，跳出二维码扫描窗口，使用平板等移动终端对准二维码扫一扫，解析二维码，与二维码数据库查询对接，若为管线库的二维码，则弹出二维码信息表格，点击详情，定位到二维码解析的管段，进入三维场景查看该管段的地理位置、走向等空间信息。

3）地下管线浏览。系统接入电信、供电、给水等15种管线图层，结合 APP 系统，可随时随地，只需打开移动 APP，能精确查询详实的三维管线数据和位置信息及走向信息。系统提供基础的三维量算功能，包括面积、测高、测距等。有效辅助管线、管段之间净距量测分析。

系统支持在三维场景中实时浏览、查询；支持指定路线管线场景的三维飞行漫游。同时，支持在实景三维场景下，通过鼠标点击管线模型具体部件，直观展示管径、材质、长度等管线基本信息及内部结构细节，基于 WebGL 渲染技术可进行管段 BIM 模型内部结构快速漫游浏览。

4）传感器监测。进入主页面后，主要实现监测设备列表展示和空间定位，可直观在三维场景中看到各类监测点空间分布情况，通过监测设备列表的点击可直接定位监测设备精确位置；点击具体监测点，可查看压力、流量等指标的 24 h 动态监测曲线。该模块进一步拓展了平台的应用能力，为后期智慧运维升级奠定技术试点经验，方便综合考察城市管线的日常正常运行情况。

5）传感器预警。通过监测设备列表的点击可直接定位监测设备精确位置；点击具体监测点，可查看 24 h 压力、流量等指标的动态监测曲线，若超过阈值，一般情况曲线呈黄色显示，严重情况曲线呈红色显示。该模块进一步拓展了平台的应用能力，为后期智慧运维升级奠定技术试点经验，方便综合考察城市管线的日常正常运行情况。

6）管线专业分析。系统可快速实时加载试验区的三维倾斜模型，结合三维地下管线，实现地上地下一体化漫游；能够完成场景放大、场景缩小、快速定位，旋转相机任意角度、等漫游操作；实现从不同方位、不同角度自由浏览场景。

系统加入了地表模拟开挖功能，分析沿路开挖等工程施工对地下管线的影响，并将受影响的管网通过列表图表的方式动态可视化表示，支持三维场景下图文交互查询：管线部件点击查询、开挖统计查询、结果列表定位三维场景、开挖类型统计与分析等功能，实现图表之间的交互查询。预防事故的发生；而且统计分析后，还可将开挖模型进行清理，还原真实的三维实景模型（见图 1）。

图1 部分功能界面截图

3 结论与展望

本文针对兴化市地下管线建设工作，基于地下管线 BIM 及二维码识别查询工作的关键技术提出了一些思路和方法，并基于试点区域进行了针对性的研究与实现，三维 GIS 技术支持下利用 BIM 和二维码技术，将倾斜摄影实景三维与地下管线三维模型、物联网监测设备、静态二维码等多源数据结合，开发一套三维管线可视化管理系统 APP，可直观描述地下管线的空间层次和位置，以三维可视化方式形象展现地下管线的埋深、材质、形状、走向以及工井结构和周边环境，使得本来在平面显示下错综复杂的管线变得更加清晰明了，并提供各类查询、统计管线、辅助分析等功能。为地下管线资源的日常运维及工程建设等工作提供了动态、准确、直观、高效的参考，实现管线智慧运维，更好服务城市管网后期的运营以及改造工程，技术选型先进，具有很好的推广价值。

但由于是探索性工作，仍面临着诸多不足与挑战。后续的地下管线智慧化运维是一项持续性的工作，需要继续坚持“服务大局，服务社会，服务民生”的宗旨，以数据集中和共享为途径，推动技术融合、业务融合、数据融合，逐步建立以大数据驱动管线运维业务创新的政务服务新模式，在平台的稳定性和效率的同时，进一步提升平台深层次的数据挖掘、分析能力，增加完善断面分析、连通性分析、覆土深度分析、爆管关阀分析等功能［10］。Q