BIM+GIS技术支撑园区全生命周期智慧化建设

超图集团 2023-03-16

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数字化转型的浪潮推动了智慧园区的不断演进。依托GIS、BIM等数字化技术，我们可对物理空间及设备进行数字映射，构造数字孪生的空间体验，再结合大数据、人工智能、VR/AR/MR等技术，实现园区的智慧化建设和数字化转型，进而打造成功标杆和成熟方案，例如，雄安新区规划建设BIM管理平台等。

“碳达峰”和“碳中和”等新需求的出现以及新技术的应用，对智慧园区提出了新的要求和挑战。基于此，BIM+GIS技术如何在智慧园区的规划、建设及运营过程中发挥作用？

多项关键技术提升智慧园区的地理智慧

多源BIM数据接入，直观展示室内外精细场景

在智慧园区规划、建设、运营过程中，我们常需要基于BIM技术，将园区设备设施全量接入，从而实现园区设备设施的全周期运维管理和园区室内外空间精细场景的直观展示。

综合上述需求，SuperMap GIS提供了BIM-GIS数据无缝对接技术，利用三维体数据模型实现了BIM-GIS数据的语义映射，采用BIM三角化时原生构建的多细节层次(LOD)模型和实例化等方法，更好地保留了BIM数据的精度、拓扑和语义完整性，能满足各类指标运算、空间分析、数据实时浏览的要求。

目前，SuperMap GIS支持直接读取符合IFC、CityGML、Geo3DML、GIM等标准和stl/obj/dae/osgb/x/fbx/3ds通用中间格式的BIM数据，以及SketchUp、CATIA、AVEVA PDMS、RVM等软件生产的BIM数据，并且通过转换工具还支持接入Autodesk Revit、CAD/Civil3D、3ds Max、Navisworks、Bentley MicroStation、Tekla等软件生产的BIM数据。

为提高BIM数据的渲染效果，在数据接入过程中，SuperMap GIS支持将Revit、Navisworks、MicroStation、PDMS等生成的数据的材质转换为PBR（Physically Based Rendering，基于物理的渲染）材质。如图2所示，PDMS数据导入GIS平台支持PBR材质，可表达金属管线的光泽度，提升渲染真实感。

▲图1 SuperMap GIS支持无损接入多类BIM数据

▲图2 PDMS数据导入GIS平台支持PBR材质

为进一步提升BIM数据的可视化效果，SuperMap GIS支持在游戏引擎中批量美化BIM数据。高精度的BIM数据具有详尽的语义信息，能表达构件级别的对象，如管线、门窗、阀门等，并且可以通过材质清晰表达构件的物理种类，如金属、玻璃、石材等。基于SuperMap GIS，可以在游戏引擎中对每一类构件按照其物理种类进行材质批量替换，实现BIM数据的快速美化。具体步骤见图3，美化效果对比图见图4。

▲图3 BIM数据美化流程

▲图4 BIM数据美化效果对比图

此外，SuperMap GIS采用三维网络数据模型来表达BIM单体之间的拓扑连接关系，比如道路、管线、管廊等，从而实现对大规模区域性对象的管理和分析，还可实现园区地上地下场景的同步展示（图5）。

▲图5 三维管网的表达和展示

多源数据融合匹配，实现园区数据整合管理

在智慧园区规划、建设、运营过程中，通常涉及多部门/多业务/多类型的数据，需要借助多类技术手段汇聚海量多源数据，并通过数据融合的方式，挖掘数据价值，赋能智慧园区共生共融发展。

为实现海量多源空间数据的整合管理，SuperMap GIS通过坐标转换、数据镶嵌、数据压平等方法，可建立将各类园区信息对齐的统一坐标系统，实现BIM数据、地形/影像、倾斜摄影三维模型、点云、场模型等海量多源空间数据的精确融合匹配，为智慧园区建设提供二三维一体化的基础底图（图6）。并且通过BIM+ GIS+IoT技术，可将物联网数据与地理信息数据整合，感知设备设施的运行态势，实现对园区设备设施的实时监测和管理，提高故障处理和园区运营等的效率（图7）。

▲图6 BIM数据与倾斜摄影三维模型、地形等数据融合匹配

▲图7 基于BIM+GIS+IoT技术，实现园区设备设施巡检和故障监测

数据处理和空间分析运算，辅助园区规划建设

智慧园区规划、建设、运营等各阶段都需要开展数据处理和分析，从而评估园区规划、建设和运营效果，识别日常业务运作的难点，深入分析根因，并据此进行改进和完善。

为实现园区规划、建设、运营的快速评估和改进，SuperMap GIS提供了BIM数据处理和空间分析运算能力，采用三维体数据模型表达的BIM数据可以进行三维空间关系判断（包含、相交、相离等）以及三维空间运算（交、并、差），支持计算表面积、体积、高度等，支持多种三维空间分析如控高分析、三维缓冲区构建等，支持灵活定制数字化规则库，赋能园区的智能管控（图8）。

▲图8 基于三维空间分析实现园区智能管控

面向大规模BIM数据高效处理和管理需求，SuperMap GIS基于分布式技术，提供了大规模BIM数据从数据接入、数据处理、服务发布到多端应用的高效全流程化管理能力，并提供了BIM数据处理自动化（GPA）工具集和处理自动化服务。目前，SuperMap GIS支持IFC/GIM/RVM/RVT/DWG/DGN/3DXML/NWD/SKP等BIM数据的自动化处理业务流，并支持服务端自动化业务流，可实现BIM数据处理的批量化、流程化，见图9。此外，用户可以根据自己的需求将相应的GPA工具集成到定制的BIM自动化处理业务流中，从而提升BIM数据处理的效率。

▲图9 基于GPA工具，实现RVT数据的自动化处理业务流

数据服务发布与共享，打破信息孤岛

空间数据是智慧园区建设不可缺少的数据资源，也是信息交换与协同的载体，如何实现各类异构空间数据的共享交换与开发利用，打破信息孤岛，实现数据互通互联，从而进行多维度的综合分析决策，是智慧园区建设中的技术难点之一。

为实现不同格式的三维空间数据的共享和互操作，国内外各标准化机构、团体和 GIS 厂商先后推出了多个数据格式与服务发布的标准和规范。T/CAGIS 1—2019《空间三维模型数据格式》（S3M）和T/CAGIS 2—2020《空间三维模型数据服务接口》是中国地理信息产业协会发布的三维数据格式和服务发布标准。并且，S3M 起草单位还提供了大量免费开放的数据读写工具包和丰富的数据格式转换工具，从数据层面解决了倾斜摄影三维模型、激光点云、BIM等海量多源异构空间数据共享困难的问题（开源社区地址：https://github.com/s3m-spec/s3m-spec）。

基于S3M标准及配套工具，支持海量BIM与GIS数据的Web发布与访问，支撑海量BIM与GIS数据在桌面端、浏览器端、移动端等多端的开发应用，可实现应用系统之间的互联互访互操作（图10）。

▲图10 多端加载S3M格式的BIM数据

多端交互与输出技术，带来沉浸式可视化体验

在智慧园区规划、建设、运营过程中，常应用VR/AR/MR、WebGL、高保真渲染等IT技术来重构体验，以提供极致、高质量、沉浸式的可视化环境。

在多终端交互和输出技术方面，SuperMap GIS实现了面向PC、Web和移动设备等不同终端的交互功能，不仅提高了对园区地理环境的三维表现能力，同时为用户提供了更具沉浸式、真实感的交互体验。

基于WebGL技术，提供了无插件、跨平台、跨浏览器、跨终端的三维Web客户端：SuperMap iClient3D for WebGL，支持海量BIM与GIS数据的实时浏览、三维空间查询和分析等（图11-12），并且通过Vue等技术提升了用户的 Web 开发及终端访问体验，最终用户通过任意网页可以访问智慧园区在线管理系统，可提高智慧园区建设中民众的参与度等。

▲图11 在三维Web客户端通过模型爆炸展现BIM数据内外部细节

▲图12 在三维Web客户端实现抽屉推拉效果，展示BIM数据内部细节

将BIM、GIS与VR/AR/MR技术结合，提供让用户身临其境的实时交互体验，基于三维空间分析能力可实现园区建筑、管线等的可视化、剖切分析和属性查询等，为智慧园区建设提供地理智慧的设计、决策能力（图13）。

▲图13 三维AR支持PBR材质的BIM场站数据，赋能智慧园区建设

将GIS与高保真渲染技术结合，提供高保真三维GIS开发平台（SuperMap Hi-Fi 3D SDKs），支持海量BIM和GIS数据的本地/在线浏览，支持量算、裁剪、三维空间分析、三维空间查询等功能，提供高保真的三维效果和全新的应用体验（图14-15），可支撑智慧园区多场景应用系统的快速定制开发。

▲图14 基于高保真三维GIS开发平台，进行三维空间分析

▲图15 基于高保真三维GIS开发平台，模拟水利设施及水流效果

应用案例

图16所示是某一机场VR沉浸式项目的应用案例，通过将BIM、GIS、VR、WebGL、高保真渲染等技术相结合，实现了天气设置、光照模拟、时间调节、属性查询、飞行管理、三维分析等功能，可将BIM数据无缝导入到VR场景中，提供沉浸式、高逼真的可视化体验，为机场规划建设提供辅助决策能力，实现规划设计效果的精准化核验。