融合GIS和BIM的流域环境保护三维数字化管理平台

(雅砻江流域水电开发有限公司，成都 610051)

流域环保管理是流域多项目水电开发过程中的一项非常重要的工作。为避免水电工程建设、运行及移民安置对生态环境带来的不利影响，需要制定科学有效的对策措施并开展环境保护全过程管理，从而充分发挥工程的综合效益，实现流域水电开发与生态环境的协调发展。

随着3S(遥感技术(RS)、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS))、物联网、无人机、大数据等数字化采集技术和信息管理系统(MIS)、数据中心等数据管理技术的发展，上述技术逐步应用到环境管理领域并发挥重要作用。

在环境保护信息的管理和应用方面，王培培[1]探讨了大气监测中数字化技术的应用；
王峻[2]分析了环境信息数据库、网络平台等信息技术在城市环境保护中的应用；
庞换芳等[3]构建了环保设施全过程信息化管理体系，从创建良好的信息化环境论述了实现环保设施全过程信息化管理的路径；
曾旭等[4]分析了环境管理信息化建设中大数据技术的作用和应用场景；
朱琦等[5]构建了跨部门互联互通、共享数据的环境监测网络；
卢嫄[6]将大数据技术与环保信息系统相结合，提高了系统在污染监测、环境质量预测、污染预警等领域的管理效率。

在环境保护信息的空间展示方面，李月华[7]开发了基于GIS的环保监管云系统平台；
赵国仲等[8]基于GIS构建了环保水保全过程的监管大数据，实现对青海电网基建环保水保全过程精细化管控；
Kolekar等[9]提出了利用遥感和GIS技术提高水资源利用率的总体思路，利用GPS和地形图可以找到现场的实际位置；
王思梦等[10]基于遥感和GIS提出了一种环境监测和评估方法，该研究方法可以快速、及时地监测大尺度区域的生态环境质量变化，为生态环境保护和改善提供支持；
李炯等[11]利用地理信息技术增强展示方式，建立了基于GIS的环境保护监察信息系统；
Benchettouh等[12]采用GIS技术实现土壤侵蚀风险的空间范围估算，用于减少瓦迪米纳流域的土壤侵蚀；
Rupesh等[13]利用遥感、GIS和C++技术对印度沙喀尔河流域进行土壤侵蚀评价。

综上分析，国内外学者目前利用信息化技术一定程度上解决了环境保护业务管理信息化和业务数据共享的问题，但是依旧停留在以报告、图表和二维信息管理系统、二维GIS技术为主的数据管理和展示方式上，存在直观形象、时空拓展、动态更新展示上的局限性，即无法直观表达环保水保监测、措施、设施等与其所在流域、电站主体建筑物的相对空间位置关系以及动态面貌。探索和实践环境保护三维数字化管理是攻克上述局限、提升环境管理水平的有效途径。

为解决以上问题，笔者团队在雅砻江流域“一条江”开发涉及的多个水电项目环保水保管理[14-15]工作中，通过系统分析流域管理数据类型以及流域环保信息化管理面临的问题，开发了流域环保管理平台，构建了面向全流域多电站的环保水保实体管理对象的多层级、多主题、多源、异构数据的流域级数据中心，并基于3D-GIS和建筑信息模型(BIM)融合技术设计实现面向环境保护管理对象的流域环境保护三维数字化展示，并且在雅砻江流域进行了示范与推广应用，取得了良好的应用效果，可为全国流域环保信息化的发展提供指导范例。

2.1 流域环保数据缺乏融合管理

流域环保数据存在数据量大、数据种类和来源多样、数据处理频率高、数据价值密度低等大数据特性。传统流域管理平台难以同时存储结构化数据和非结构化数据，各类流域数据相互孤立、利用效率低，亟需构建流域环保信息化平台，对河流环保数据进行统一存储、清洗、挖掘的融合管理。

2.2 流域环保数据缺乏动态关联

流域环保数据时空关系复杂，当面对具体问题时，往往需要综合应用多维度(空间变化、时间变化、实时性)、多尺度(流域层面、河流层面、河段层面的)数据进行动态关联分析。

例如，当流域突发环境污染事件时，应急管理部门需要的数据包括遥感[16-17]及无人机[18]影像数据，污染突发位置水文站的实时监测数据[19-20]，污染发生断面、河流、流域的地形与水流条件，污染发生位置的土地利用类型与人类活动情况，污染物类型及污染严重程度，污染处理预案及可能的后果等一系列多维、多尺度的流域环保数据。因此，亟需建立一套多维度、多尺度复杂数据的动态关联分析技术，将复杂难懂的数据通过关联分析简单化，再依托流域管理平台将结果数据以手机短信、平台通知等多种形式通报管理人员，以帮助管理人员及时处置决策。

2.3 流域环保管理缺乏可视化应用

流域环保管理和展示目前多基于BIM或GIS独立开展，缺乏可以用于统一开展流域环保信息三维管理和展示的平台。例如，依托GIS对流域空间信息以及与地理位置相关的数据和信息进行管理，依托BIM对某一特定的构筑对象进行设计、施工、运营等不同时期的信息管理，而GIS与BIM的结合应用才是完善全生命周期信息的一体化管理、共享各方面数据的技术途径。

以解决流域环保信息化管理面临的数据融合管理欠缺、数据缺乏动态管理、缺乏可视化应用等问题为目标导向，笔者团队开展了流域环保管理平台的设计。

3.1 平台架构

流域环保管理平台总体架构在流域水电云基础设施和数据源的基础上，自下而上分别由数据管理层、业务应用层以及三维展示层构成(见图1)，由企业级的流域环境保护大数据中心、流域环境保护管理信息系统和三维数字化仿真展示平台组成。

图1 流域环保管理平台架构Fig.1 Framework of watershed environmental management platform

3.2 数据融合管理和动态关联设计

针对上述第2节中介绍的目前流域生态环保数据缺乏融合管理和动态关联的问题，本文在详细梳理流域环保管理所涉及的各类数据的基础上，重新定义了各类数据的存储类型及方式，通过数据清洗确保多源异构数据的准确性和匹配度，最后通过流域级信息管理模型实现了数据的融合管理和动态关联，并在此基础上建立了企业级的流域环境保护大数据中心。

3.2.1 数据存储

流域环保管理数据主要包含空间地理信息、工程模型数据、环境监测与调查数据等结构化、非结构化数据与实时数据。

空间地理信息数据指流域地形地貌、道路交通、水系组成等信息数据，多为图片影像资料，包括通过遥感、无人机、现场拍摄等技术获取的流域影像数据。

工程模型数据主要是指水电工程项目设计人员基于三维辅助设计软件所建立的水电工程三维模型输出文件。工程三维模型文件中包含三维模型空间对象的分解结构和编码，空间对象在进行三维设计建模时就应遵循流域水电全生命周期管理数据中心设计的统一分解结构及编码体系。以流域空间地理信息系统和工程三维模型建立的空间对象为载体，可以不断集成与之相关的各阶段、各种类型业务数据以服务于项目的设计、建设、运营等整个生命周期。

环境监测与调查数据包括科研、管理人员实地勘测调研获取的流域水文、水质、气象等环境数据，同时也包含地表水、空气质量、噪声、水质、水温、地下水、局地气候等通过相应感知网络自动获取的长序列环境监测数据。

由此可见，流域的环保信息化管理涉及的数据量巨大，为提升数据的存储和提取效率，便于数据融合管理，笔者团队在研发的流域环保管理平台中对不同类型的数据采用了不同的存储方式。结构化数据存储于传统数据仓库平台，非结构化数据存储于分布式数据平台，实时数据存储于流数据平台。

其中，传统数据仓库按数据层次划分为缓冲层、整合层、汇总层、数据集市层，实现从数据源到各个层次数据的加载、清洗、检验、转换和存储，并根据模型设计及业务需要，实现数据的整合和汇总。分布式数据平台根据应用场景和Hadoop体系中不同软件产品的特点分别基于HBase和Hive实现数据存储，对不同类型的大量数据进行高效、可靠的处理。基于HBase的数据存储区包括非结构化数据层、海量结构化数据层以及流数据转储层。基于Hive的数据存储区包括关系数据库归档层、M/R缓冲数据层以及M/R结果数据层。实时数据流数据平台按照数据层次划分为实时数据整合层、实时数据汇总层和业务数据缓存层，实时获取与存储数据的同时提供实时数据共享给其他相关系统。

3.2.2 数据清洗

根据流域水电建设管理的需要，在海量数据的管理过程中需考虑不同来源多种类型数据信息集成的需要，这种多源异构数据库中存储和管理的数据主要包括数字高程模型(DEM)数据、纹理影像数据、GIS原始矢量数据、空间实体对象数据、属性数据、实时位置数据、元数据。

为确保数据的准确性和多源数据的匹配度，数据中心需对数据的范围、完整性、准确性等方面进行检查，根据各比例尺以及各矢量、影像、地形数据类型的分类标准对数据进行分幅合并、接边处理以及数据融合、数据的属性检查等操作以保障合并拼接处理后的数据符合数据分层和分类标准，最后对分层后的数据存储到关系型数据库中。对于三维空间实体对象，加载到SuperMap GIS平台后，进行分级、结构和纹理的匹配处理之后，生成缓存，通过缓存的方式进行访问。结构化数据主要通过MapReduce对数据进行预处理，进行剔除、填补、删除等操作，预处理后的数据保存回数据库转为存储模型。

3.2.3 数据编码

为解决流域环保数据时空关系复杂、多源数据缺乏动态关联的问题，流域环保管理平台数据中心通过流域级信息管理模型对流域环保信息进行统一编码，该模型由流域环境管理相关实体对象、关联关系、编码规则等构成。经过编码后，数据中心层数据可按照编码自动建立动态关联关系，便于上层业务应用层调用分析。

3.2.3.1 流域环境管理相关实体对象

根据流域级多项目水电工程环境保护施工期乃至运行期管理的要求，流域环境保护相关管理对象包含流域各项目工程分解结构(WBS)编码体系对应的实体类管理对象、电站运行期电厂标识系统(KKS)编码体系对应的位置类管理对象以及环境保护与水土保持等专题管理对象(包含环保水保设施实体类管理对象、流域监测与调查点位置类管理对象)。

3.2.3.2 管理对象关联关系

流域级信息管理模型中与环境保护相关的管理对象，其关联关系可以分为地理位置(GBS)、物理实体构成关系(PBS)、行政管理区划(ABS)3大类，如图2所示。其中，地理位置(GBS)涵盖了流域监测与调查点位、水工建构筑物位置；
物理实体构成关系(PBS)涵盖了流域工程建筑类实体、环保水保设施类实体等；
行政管理区划(ABS)涵盖了流域范围内的县、乡(镇)、村等行政区划。

图2 流域级信息管理模型中与环境保护相关的管理对象关联关系Fig.2 Relationship of basin entity management objectsrelated with environmental conservation

3.2.3.3 编码规则

编码规则需满足流域级、不同项目管理的需求。①对于尚未有规范的系统编码规则的对象，流域实体管理对象的编码规则为“前缀(流域和工程项目编码)-种类码-序列号”；
②对于属于WBS或KKS等已有编码规则的对象，流域实体管理对象的编码规则为前缀(流域和工程项目编码)-种类码-WBS或KKS。如某环境空气监测站，其种类码为RRBM-AR，则雅砻江流域两河口水电站编号为1的环境空气测站的编码为YLR-D-RRB-LHHP-RRBM-AR-001。

3.3 业务应用设计

业务应用层主要通过调用数据中心数据，实现对各类生态环保事件及相关设备设施运行状态的查询，同时依托各类模拟计算及统计分析模型，可实现对事件原因及处理方案效果的分析，辅助管理人员决策。根据功能需求，流域环保平台共设计了环境监测与调查管理、环保水保措施信息管理、运行监控数据管理、综合统计分析四大业务应用板块。

3.3.1 环境监测与调查管理

环境监测包括施工期废水监测、地表水监测、大气及声环境监测、陆生生态环境监测、水生生态环境监测、水土保持监测等，流域环保平台集成各类环境监测设备的实时与历史监测内容，使管理人员可以实时对流域环保各类信息进行查询，及时获取流域各位置详细数据及变化趋势，有效减小流域环境污染等事故的影响。

3.3.2 环保水保措施信息管理

流域环保平台通过构建流域环保水保专家库，整合流域生态环境历史监测数据及相关研究资料，得出流域存在的各类环境安全隐患及处理措施，对流域环保措施统一管理。管理人员可根据流域生态环境存在的问题查找该问题主要病因、可能导致的结果以及最适宜解决方案。

3.3.3 运行监控数据管理

流域环保平台对流域环保水保设施的运行情况进行监视，当出现故障与异常时，平台会实时发现问题，并通知相应管理人员。

3.3.4 综合统计分析

综合统计分析系统是流域环保管理平台综合上述3大管理功能的集成。可依托专业数值模拟模型和统计分析算法对指定河段、河流、系统自行对监测数据进行筛选分析，基于流域环保水保知识库对流域生态环境现状进行评价，将评价结果及对应解决方案实时发送给管理人员，辅助管理人员决策。

3.4 融合3D-GIS和BIM三维数字化技术的流域环保管理可视化应用设计

三维数字化仿真展示层是用于统一开展流域环保水保信息三维管理和展示的平台，包括流域及电站信息、环境背景信息、环境监测信息、环保水保措施、环保设施运行监控、库区环境演变趋势等三维可视化仿真展示，具备PC端、大屏、移动端等多种三维数字化展示媒介，以此来解决上述第2节中所述流域环保管理缺乏可视化应用的难题。

3.4.1 流域环保三维数字化管理平台可视化方案设计

流域环保三维数字化管理平台的建设大体有3种实施方案可供选择：第1种是单纯采用BIM平台开发，由于BIM是针对某一特定的构筑对象进行设计、施工、运营等不同时期的信息管理，仅适用于小场景模型管理，难以胜任流域水电如此大范围的环保管理需求；
第2种是单纯采用GIS平台开发，由于GIS是对空间信息以及与地理位置相关的数据和信息进行管理，重点应用在具有广泛的视域及大视野场景中，无法满足水电工程构筑物和环保设施等环境保护实体管理对象精细化展示的需求。为搭建起能够可视化表达流域水电工程和环境保护实体管理对象的统一的仿真场景环境，进而以这些流域实体管理对象为核心进行信息的集成管理和三维查询和展现，流域环保管理平台选择了第3种实施方案，即对3D-GIS和BIM实施了融合应用。GIS用以整合及管理流域地理环境信息，BIM用以整合和管理建筑物本身所有阶段物理特征和功能特性。流域环保管理平台基于一个高性能的三维GIS平台(SuperMap GIS)，将通过卫星遥感和航测获取的数字正射影像图(DOM)和DEM数据以及通过三维辅助设计软件构建的BIM数据导入至三维GIS平台中，并利用BIM中构建的开挖边坡、开挖建基面的覆盖范围对DOM和DEM进行切割、替换，对开挖边坡/建基面和切割后剩余外围DOM、DEM之间的缝隙进行三角网插值缝补，实现空间地理信息和三维BIM的无缝融合。通过无缝集成BIM的信息数据，实现了从宏观到微观、室外到室内、地上到地下的一体化管理。

3.4.2 3D-GIS与BIM的高效融合技术

BIM和GIS模型是由不同领域的人完成的，其设计者的专业背景差异造成了这两个领域融合的技术壁垒，因而要实现BIM和3D-GIS的融合需要突破两大技术难题，一是需要开发语言模型去表示空间物体和建筑元素，实现3D-GIS模型和BIM在几何空间上的集成；
二是需要实现BIM到3D-GIS的数据自动转换对接。

由于BIM缺乏对物体的定义，BIM与3D-GIS模型参考系不匹配、对空间物体的描述精度不匹配等问题造成了3D-GIS和BIM在集成上的第一个技术难点，需要开发语言模型去融合二者的空间元素。为此笔者团队开展了基于IFC和CityGML映射转换的BIM与3D-GIS集成研究。在BIM领域，IFC(Industry Foundation Classes)数据模型已经作为一种标准的BIM数据模型被广泛认可和使用。IFC数据模型不仅能呈现丰富的建筑构建几何和语义信息，还可通过组件的空间关联来描述施工过程信息。在GIS领域，CityGML(City Geography Markup Language)数据模型被作为三维数据的标准数据模型，更加强调空间对象的多尺度表达，以及对象的几何、拓扑和语义表达的一致性，其多层次细节的描述方法更有利于大范围的模型管理和可视化。并且，其定义的多个细节层次(LODs)的建筑物模型，为大场景可视化和空间分析提供了有利的条件。通过提取IFC中存储的几何信息、语义信息进而转换成CityGML中存储几何、语义信息的表达格式，进而实现BIM数据向GIS数据格式的转化。通过对需要动态更新的区域中的GIS数据设置时间字段，通过时间控制各区域数据的显示和隐藏，以实现三维GIS场景的动态更新。

针对BIM与3D-GIS数据的转换难题，笔者团队利用新一代SuperMap GIS技术探索实现了BIM数据在3D-GIS平台的自动快捷导入，且支持各类主流的BIM数据格式，如FBX、IFC、DAE.X、OBJ、3DS、OSGB/OSG等。同时以关键字段“图元ID”为媒介确保了模型与属性的一一对应关联，实现了从BIM软件到3D-GIS平台模型的自动无缝对接、属性无损集成。

对于BIM到3D-GIS平台的转换，关键点在于保证转换后的3D-GIS模型中的各个图元实体与源BIM中的各个图元实体保持一致的模型编号，进而实现图元实体几何形态及其附属信息的对应成功转换。因此，首先要能够读取源BIM的数据，获取其中的图元实体几何形态及其附属信息，故对于Revit或Catia系列软件BIM数据，首先将其导出为wrl中间交换格式(wrl文件是一种纯ASCII文件，方便读取和解析)，然后导入至3D MAX软件中进行贴图和渲染，进而通过在3D MAX中开发的插件实现3D-GIS模型的导出。

4.1 应用概况及成效分析

雅砻江是金沙江最大的支流，是中国水能资源最富集的河流之一。笔者团队采用先进、成熟的企业级技术架构J2EE和SuperMap GIS平台，基于组件和面向服务的架构体系，以及流域环保三维数字化管理需求，开发了流域环保三维数字化管理平台，并在雅砻江流域环境保护中进行了示范应用。

平台成功集成了雅砻江流域三维地理数据，重点融合了雅砻江中游在建两河口水电站和下游已投产运行的锦屏一级水电站的电站构筑物以及环境监测、环保措施/设施等的三维BIM数据和结构化、非结构化、实时数据。基于此，环保管理人员可在平台上查看监测点所采集的监测信息以及监测点所在空间位置，与传统环保管理信息系统不同，平台优势在于不仅能提供监测点与流域中电站的相对位置关系(如图3(a)所示)，还能提供监测点与电站构筑物的相对位置关系(如图3(b)所示)，当某些监测点监测数据发生异常时，能够帮助环保管理人员快速定位污染点、污染范围以及污染传播趋势，辅助分析并排查出污染源及其所在位置并采取相应应急处置措施。环保管理人员可在平台上查看主要环保设施的运行情况，如在三维虚拟场景中通过调取与现场实际位置对应的摄像头获取的实时视频监控数据，可在平台上查看鱼类增殖站各个部位的监控影响信息(如图3(c)所示)；

又如可在平台上查看与叠梁门分层取水设施相关的上游水库水位、闸门运行工况、下游下泄水温等运行信息，辅助电站管理人员根据库水位及下泄水温情况及时调整叠梁门运行层数(如图3(d)所示)。此外，从更加宏观的场景展示需求分析，三维3DGIS+BIM可视化平台还可动态模拟展示流域各个水电站工程和环保水保措施的建设进度面貌，动态模拟水电站下泄水流的传播规律，动态模拟库区植被覆盖度的变化(如图4所示)等。

4.2 应用案例

锦屏一级水电站为雅砻江干流下游河段的“龙头”水库梯级电站，由于锦屏一级水电站库水位运行变幅达80 m左右，库区春夏季下泄水温较天然情况低，冬季下泄水温较天然水温高，在鱼类产卵季节，水库低温水的下泄会极大程度改变鱼类的产卵环境，对鱼类的繁殖生长带来负面影响。针对上述问题以及电站岸塔式取水设计特点，锦屏一级水电站采用叠梁门多层取水的方案达到分层取水，提升下泄水温的目的。

然而，叠梁门在运行过程中如果缺少有效的指导工具，将难以高效获得较优运行方案。为此，在叠梁门设计阶段，对已有水文数据进行分析，并选取具有代表性的水平年及多年平均的入库水温和气象条件对叠梁门建成后不同时期不同工况条件下泄水温进行模拟分析预测，用于指导叠梁门的设计和运行期操作；
在叠梁门运行期间，通过流域环境保护平台对分层取水设施运行相关数据进行实时监控，为管理者制定分层取水设施运行方案提供决策支撑。此外，借助流域环境保护平台的三维场景查询功能，对分层取水设施相关运行信息和运行面貌进行三维场景查询，改变了以往叠梁门分层取水设施调度管理效率低、不直观等问题。流域环境保护管理平台应用之前，锦屏一级水电站开展叠梁门分层取水试验，受调度运行条件限制，仅成功实施了3组试验工况，且仅有4台机组参与试验(见表1)。当流域环境保护管理平台应用后，以流域环境保护平台作为支撑，实时查询管控叠梁门的操作，最终在较短时间内顺利完成了6组叠梁门分层取水工况的试验，且全部机组参与试验(见表2)。由此可见，流域环境保护平台显著提升了叠梁门分层取水设施的运行效果，有效降低了生态环境保护管理风险。

图3 平台三维场景查询Fig.3 Query of three-dimensional scenes

图4 库区植被覆盖度变化仿真展示Fig.4 Display of simulating vegetation coverage change in the reservoir area

表1 本平台应用前叠梁门分层取水试验工况Table 1 Test conditions of stratified water intake facilities before application of the proposed management platform

表2 应用本平台管控后叠梁门分层取水试验工况Table 2 Test conditions of stratified water intake facilities aided by the proposed management platform

本文分析了流域环保数据的主要类型以及目前流域环保信息化管理面临的问题，通过流域环境保护大数据中心及基于3D-GIS和BIM融合的流域环境保护三维可视化方法构建了流域环保管理平台，并开展了雅砻江流域环境保护三维数字化仿真与管理的示范应用，得到以下主要结论：

(1)基于流域环保大数据中心，本文对流域环保多源、异构的海量数据进行了融合管理，实现了对流域环保数据的统一存储、清洗，并提出了流域水电项目全生命周期、全空间尺度、多业务信息数据模型的构建和统一编码方法，实现了流域环境管理数据的动态关联关系。

(2)基于三维GIS和BIM融合技术，设计并应用了三维GIS和BIM融合的流域环境保护三维可视化方法，使流域环保管理平台能够直观表达流域环保监测、措施、设施等与其所在流域、电站主体建筑物的相对空间位置关系及动态面貌，攻克了传统管理平台在三维直观形象、时空拓展、动态更新展示上的局限性，有效提升了流域环境管理的水平。

(3)该平台在雅砻江流域进行了实际应用，通过整合实时监测数据和模拟结果数据，共同指导锦屏一级水电站的叠梁门分层取水调度方案设计，结合平台的实时监控及三维场景查询功能，显著提升了叠梁门分层取水设施的运行效果，降低了生态环境保护管理风险。

未来可进一步加强遥感、无人机、移动互联、图像识别分析等技术在流域环保领域的深化应用，逐步提升环境保护管理的数字化和智能化水平。

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