【摘要】近年来，随着数字孪生流域和工程在水利行业的提出，对于基础平台的多源数据兼容、渲染、模拟仿真等能力的要求逐渐提升。然而，BIM+GIS技术存在数据量大加载慢、数据源多样化、融合标准化程度低等问题。本文详述了常用BIM平台模型的普适性模型轻量化方法，以及针对基础平台的工程多源数据融合方法，尤其是采用无插件方法将达索3D Experience高质量模型轻量化导入GIS平台，并与其他数据源融合，以及通过编码和深度处理，展示其在点状枢纽工程和线状渠道工程管理平台中的应用效果，为水利工程管理集成化、协同管理高效化和过程管理信息化提供基础。
【关键词】BIM；GIS；多源数据融合；模型轻量化；3D Experience
1 引言
1.1 研究背景
近期，水利部相继发布《智慧水利建设顶层设计》《“十四五”智慧水利建设规划》《关于大力推进智慧水利建设的指导意见》等文件，指出以推动水利高质量发展为主题，按照“需求牵引、应用至上、数字赋能、提升能力”要求，以构建数字孪生流域为核心，全面推进算据、算法、算力建设，加快构建具有预报、预警、预演、预案（以下简称 “四预”）功能的智慧水利体系，赋能水旱灾害防御、水资源集约节约利用、水资源优化配置、大江大河大湖生态保护治理。并发布《数字孪生流域建设技术大纲（试行）》《数字孪生水利工程建设技术导则（试行）》等文件指导各流域、工程建设数字孪生平台。
数据底板作为数字孪生平台的基础，根据相关要求，需要利用多源多尺度数据融合技术对工程全生命周期的全阶段、全要素、各业务信息进行集成和统一管理，是实现数字孪生应用的基础。其内容包括BIM模型、倾斜摄影数据、地形数据、正射影像数据、GIS坐标数据、监测数据、业务数据、外部共享数据等多源数据在同一场景中，对水利工程、江河湖泊和管理对象等要素进行数字化映射，且对于数据底板的保真度要求越来越高。基于上述要求，需选用高保真度的仿真引擎，利用BIM模型、GIS数据[正射影像（DOM）、数字地形（DEM）等]的可集成性，通过统一编码、接口将数据挂接到可视化模型，建立空间与数据的拓扑关系与数据索引等。
近年来，信息化技术飞速发展，政府对智慧工程建设的鼓励和引导力度持续加大。智慧工程需要利用信息化计划对工程全生命周期的全阶段、全要素、各业务信息进行集成和统一管理。BIM+GIS技术作为工程智慧化的基础，越来越多地应用于点状和长线型水利水电工程项目中，其需求呈井式喷增长。而BIM+GIS技术需融合BIM模型、倾斜摄影数据、地形数据、正射影像数据、GIS坐标数据等多源数据在同一场景中，为工程打造趋近于真实的数字孪生场景。
然而，目前多源数据的来源多样、格式不统一，数据之间的转化和融合没有明确的方法，也没有固定标准的数据融合技术路线。在实际工程项目中，多源数据如BIM模型建立往往是由各参建单位分别完成的，使用的建模软件各不相同，加上倾斜摄影等其他数据，使得GIS平台很难在不损失精度和信息的情况下融合所有多源数据。
目前市面上基于Bentley平台通过自主开发等手段将模型较高质量地融入超图GIS平台中，并保留了模型几何结构、位置、纹理等属性 [1-6]，已应用于水利水电工程和其他行业，然而Bentley对长距离工程支持较差.基于Autodesk系列软件和GIS平台构建了BIM+GIS场景，其技术路线为本研究提供了一定借鉴[7-13]；同时，一些研究[14-24]基于IFC中间格式，采用实例参数和类型参数的方式添加模型属性，通过IFC中间格式融合到WebGIS或直接基于Cesium二次开发的GIS场景中，此方法具有一定的通用性，但几大BIM平台导出的IFC模型构建机制和兼容机理有所区别，因此在多源数据融合时会有一定麻烦。以ifcXML和CityGML格式为主要形式的研究[25-29]从底层对BIM模型和GIS场景进行了融合，具有推广价值。冯振华等[30]研究了CATIA CATPart、CATProduc等格式融入超图GIS，也需要通过其他软件中转处理，对本研究有一定借鉴意义。熊欣、杨克华等[31]在高速公路智慧建造中通过定制化插件探索了达索3DExperience平台（以下简称“3DE平台”）和超图GIS平台的初步融合过程，但融合后模型未带纹理效果，且模型轻量化方法较为复杂，且项目数据来源较为单一，难以适用于体型复杂的水利水电工程。鲍榴等[32]提出了BIM、GIS、倾斜摄影模型等铁路工程多源数据的轻量化和融合方法，其GIS数据融合有一定借鉴意义，但仅支持.rvt、.dgn和IFC格式模型。
1.2 现状分析及研究意义
综上所述，目前水利行业现有的研究和实践多是通过IFC中间格式或针对Autodesk系列和Bentley系列模型格式，存在以下问题：
（1）模型数据量大。数据融合的BIM模型往往是由设计单位建立的设计模型和施工单位建立的施工深化模型，而这两种模型数据过于复杂、体量过大，导致其往往无法运用于融合的场景中。目前也没有模型普适性轻量化方法。
（2）模型数据源多样化。在项目实施的过程中，工程各参建方通常会采用不同的数据创建平台，导致最终搭建的工程管理平台的BIM+GIS“一张图”场景中模型数据格式不统一、编码方式不同；此外，需要融合BIM数据、倾斜摄影、激光扫描等模型数据，还需添加坐标系、地形DEM、正射影像DOM等GIS数据，以及工程设计、施工及运维全生命周期的业务管理数据。如何高效融合上述所有数据，并在一张图场景中，保证系统操作流畅，是亟待解决的难题之一。
（3）未基于超图GIS平台研究一套3DE模型数据融合流程。3DE平台由于其支持超大范围BIM设计方面优于其他平台，被广泛应用于长线型引调水水利工程和复杂点状枢纽工程设计中，因此，如何在3DE模型保留几何、属性及纹理信息的情况下融合到GIS场景的研究势在必行。
本研究将详述工程多源数据[包括BIM模型数据（主要是3DE平台模型）、倾斜摄影、GIS数据等]在同一管理平台中基于超图GIS平台进行轻量化融合的方法，尤其是在无插件的情况下，将3DE高质量模型轻量化导入超图GIS平台，以及在点状枢纽工程和线状渠道工程管理平台中的应用效果。
2 BIM模型数据融合
2.1 多源BIM模型分类
对于不同BIM平台的设计模型，由于要考虑设计因素，在建立时精度、细度会较深，导致模型体量过大，直接将其融入系统场景中会造成系统卡顿、影响平台使用体验等负面效果。因此，在多源数据融合时首先要将设计模型进行轻量化处理，简化为展示模型，才能更好的进行融合和展示。设计模型和展示模型的分类与对比如表1所示。
表1 设计模型与展示模型的分类与对比
2.2 BIM模型轻量化
对于研究及实践过程中的经验进行总结，设计模型转化为展示模型的方法大致有删减法、重构法、采样法、自适应子分法和多边形合并法。
2.2.1 删减法
删减法目前简化模型中最常用的一种方法。该方法通过重复依次删除对模型特征影响较小的几何元素来达到简化模型的目的。根据删除的几何元素的不同，通常又可以分成顶点删除法、边折叠法和三角面片折叠法等。3DE模型导出CATIAV5格式模型，在第三方软件中通过镶嵌网格的方式转化为MESH，转化过程中需对镶嵌网格参数值进行调整，保证满足外形需求的同时镶嵌网格数量最小化。
2.2.2 重构法
由于后期处理软件中对于正圆、正多边形等形状识别较好，而对于孔洞、不规则弧线、不规则曲面等形状识别较差，这种不规则的形状称为异形体，容易导致模型失真，在设计模型轻量化的过程中，应当避免这种形状的产生，减少异形体或将异形体转化为规则形状的过程称为模型重构。
在对设计模型轻量化之前，对设计模型进行识别，识别其中的异形体，根据展示内容的具体要求，模型重构的过程主要有以下两种：
（1）对于要求不高的部分模型，对异形体直接进行删除，用外观相似的规则形状替代原有的异形体。
（2）对于要求较高的局部模型，将原有的异形体用形状类似的规则曲面进行重新建立。
2.2.3采样法
将顶点或体素添加到模型表面或模型的三维网格上，然后根据物理或几何误差测度进行顶点或体素的分布调整，最后在一定的约束条件下生成尽可能与这些顶点或体素相匹配的简化模型。采样法适合于无折边、尖角和非连续区域的光滑曲面的简化，对于非光滑表面模型简化效果较差。
2.2.4自适应子分法
在优化和简化地形模型时，通过构造简化程度最高的基网格模型，然后根据一定的规则，反复对基网格模型的三角面片进行子分操作，依次得到细节程度更高的网格模型，直到网格模型与原始模型误差达到给定的阈值。自适应子分法具有算法简单、实现方便等特点，但只适合于容易求出基网格模型的一些应用（如地形网格模型简化等），另外简化模型对于具有尖角和折边等特征的保持效果较差。
图1 自适应子分法模型示意图
2.2.5多边形合并法
通过将近似共面的三角网格面片合并成一个平面，然后对形成的平面重新三角化，来实现减少顶点和面片数量的目的，也被称为面片聚类。此方法多用于对地形和异形模型的处理，来减少模型顶点和面片数量，提升模型在GIS场景中的加载速度和效率。
2.3 BIM模型融合
2.3.1 3DE平台数据
由于3DE平台模型多以构造精细化零件为主，其模型精度很高，尤其是机电专业、金属结构专业的模型，如单个闸门的导出模型往往会达到1.0GB以上。因此为保证BIM+GIS场景运行流畅不影响用户体验，必须要进行上述的轻量化处理和一定的模型转换才能融合到超图GIS平台中。目前行业尚无成熟技术路线，因此本技术探索和总结了以下3个3DE模型导入的技术路线：
路线一：从3DE平台中导出CATIA V5格式模型，在CATIA V5中导入到同标度场景对模型进行处理、轻量化和贴图。由于管理平台中对单体模型的属性查询需求，将需查询的最小单位模型处理成零件级别并保留其应有属性，随后经过滤等轻量化处理，统一坐标系和定位点位置，通过CATIA插件将模型转换为数据集导入。
线路二：从3DE平台处理好模型后，直接导出3dxml格式模型导入，这种方法简单便捷，但由于3DE平台独特的贴图机制，模型材质需要重新计算和处理纹理。
线路三：从3DE平台处理好模型后，通过中间文件转换格式后带贴图导入。
综上所述，为保证模型轻量化且兼顾贴图等展示效果，选择线路一或线路二较为合适。
2.3.2 Bentley平台数据
对于Bentley平台，超图GIS平台有对应的插件可直接将模型数据转换为数据集导入，并能将模型的属性、颜色等带入平台中（图2），这就给数据融合带来了极大的便利，然而部分无法继承贴图纹理及透明幕墙等效果。因此需探索通过其他方式处理模型并导入。
路线一：直接在MicroStation中对模型进行轻量化、架构、属性、贴图、定位等处理，最后通过插件转换为数据集导入。
路线二：将MicroStation模型导出到中间模型软件中，而后进行坐标定位、轻量化、架构和贴图处理。此种方法可适用于对MicroStation平台不熟悉的情况下对其模型进行数据融合。
相比于以上两平台，Revit平台模型较为轻量化，平台更为开源，因此在数据融合时所带入的属性、颜色和材质更优，可经简单处理直接通过插件导入，导入效果如图3所示。
3.2.3 其他平台数据
其他常用BIM平台数据如3d Max、Maya、Tekla等都可通过插件或转出通用格式导入超图GIS平台。此外，如IFC等通用常用格式也有专门的插件导入，为最终将所有常用模型数据格式融入提供了可能。
3 GIS数据融合
3.1 DEM和DOM数据融合
DEM和DOM数据是GIS场景中使用最广泛的数据，在实际项目中，往往需要用其表示工程所在地的地理位置和地形起伏，而超图GIS平台对GIS数据有着天然的高兼容性和导入处理的便捷性优势，通过简单的栅格数据导入等方式就能将DEM和DOM数据导入对应位置。随后利用中镶嵌、开挖、挖洞等操作对其进行处理，使其能更好地与导入的高精度地形模型进行贴合，处理效果如图4所示。
图4 DEM/DOM数据和地形模型数据融合效果
3.2 坐标系融合
在BIM设计平台（如3DE平台）中设计时会首先根据测绘数据资料建立平面坐标系，而后在此坐标系下进行设计。在模型导入超图GIS平台时有以下三种方式对应坐标系：
（1）导入已有坐标系。导入.xml、.shp、prj、.mif等格式坐标文件获取设计BIM模型的坐标系；
（2）新建地理坐标系。根据3DE平台（采用PRJ4投影）的设计坐标系，直接新建对应地理坐标系，设置大地基准面和中央子午线信息。
（3）新建投影坐标系。根据BIM设计坐标系及其偏移情况，设置大地基准面、中央子午线、投影方式、水平和垂直偏移量等信息，与BIM坐标系相对应，保证与设计坐标一致。通过此方法，可将BIM设计软件的平面坐标系转换为GIS场景的球面坐标系，使得BIM模型更好地贴合在球面上，防止模型在球面场景中出现上翘的情况。
4 倾斜摄影数据融合
4.1 融合技术路线
倾斜摄影技术通过多视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。在本研究中，在GIS平台倾斜摄影融合的技术路线和路线图如图5所示：
（1）利用无人机或其它设备进行影像采集；
（2）对采集的影像进行内业处理，生成osgb格式和索引数据文件；
（3）根据处理后的数据和坐标系文件，生成符合类型的倾斜摄影配置文件；
（4）压缩并单体化生成三维切片缓存文件；
（5）加载三维切片缓存。
图5 倾斜摄影融合技术路线
4.2 场景融合
基于以上路线，在某项目上进行了深度应用，应用效果如图6所示。
图6 倾斜摄影场景融合效果
5 多源数据编码
为了在最终的管理平台中统一对融合的数据进行控制，需对导入融合的模型进行编码。其中SmID是超图GIS平台中对每个单体模型默认赋予的唯一编号，在数据编码和数据库设计中往往以此来对应每个模型的名称。此外，对于工程全生命周期各阶段，由于分块和变更较多，自主研发的模型分块和命名工具对模型进行分块，采用对应高程、导出Excel统一处理等编码策略进行编码。
6 技术应用案例
本技术应用于多个点状（图7）及线状（图8）水利工程管理平台中，用于开发平台“一张图”功能，BIM模型数据由3DE平台创建，GIS平台选用超图GIS平台，在模型转换和导入的过程中使用了中间处理软件进行模型转换、轻量化处理、贴图等操作。通过数据融合的“一张图”场景，可视化地展示了工程全景，并通过“一张图”发起各种业务管理流程、查看工程管理信息，在一定程度上实现了工程的“数字孪生”。
图7 点状工程下游视图场景融合效果
图8 线状工程倾斜摄影+BIM模型场景融合效果
7 结论
综上所述，本文研究了多源数据包括多平台BIM模型数据以及常用GIS数据在“一张图”场景中的融合方法和应用，主要成果如下：
（1）提出了基于3DE平台设计模型处理、导入且保持模型轻量化、高质量化、系统可用性高的技术路线，并得到应用验证。
（2）提出了一系列的模型轻量化处理方法，在一定程度上解决了BIM可视化平台模型体量大、平台加载慢的问题。
（3）探索了行业主流BIM平台及通用格式模型在超图GIS平台中的融合方法，在一定程度上形成了多源BIM数据融合流程；
（4）提出并验证了倾斜摄影数据从外业测绘、数据处理、数据融合的数据采集应用流程。
多源数据融合技术仍有很大的可提升空间，如建设期BIM模型体量大、块数多、更新快，现有的数据编码手段很难高效地解决问题，需要通过一定的标准化流程、二次开发等手段提高数据处理和融合的效率。
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