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基于BIM+GIS技术的水利工程数字孪生系统应用研究

摘要：“2+N”水利智能业务体系的不断完善和改进，将有助于提升水利工程的数字化、网络化和智能化水平，从而为水利行业的发展和改善提供强有力的支撑。采用BIM+GIS技术，提出了一条全新的水利工程数字孪生系统的应用方案，将构建一个基于场景和数据驱动的模型，实现数据的有效整合，并且开发出一系列的应用接口，以满足业务的需求。并且详细阐述了构建这些技术的流程和方法。经过实际案例的验证，数字孪生技术对于智能化水利建设的重大意义，可以为其发展提供坚实的技术基础。

关键词：水利工程；数字孪生；BIM；GIS

引言：随着物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的飞速发展，数字孪生的实施已经变得可能，为社会带来了更多的便利。随着水利部加快推进数字孪生流域和水利工程的建设，数字孪生技术的应用已经超越了单纯的数据处理，将其与水利业务紧密联系起来，从规划、施工、管理到运营和维护，实现了水利工程的全过程的数字化反映。

一、水利工程数字孪生系统场景构建与集成

（一）BIM+GIS场景构建

采用AutodeskRevit平台搭建的BIM场景，经过统一的标准制定，支持多个专业的协作，实现模型的精细化，并且持续地优化和改进信息数据；采用数模分离技术，将BIM数据转换成两种不同的格式：FBX和JSON。FBX可以保留模型的网格结构，而JSON可以保留模型的属性信息。相比于数模一体，数模分离可以大大提高模型的可靠性，同时也可以节省大量的时间，从而节省BIM模型的重建成本。

基于CityEngine平台构建的GIS场景，旨在探索主体工程以外的复杂地形和环境，以期获得更加完整的信息。首先，需要收集各种形式的原始数据，包括栅格图像（DEM、DOM）、矢量图像，例如建筑物、河流、道路、森林等，接着，使用Qgis软件来处理和分析这些数据；为了满足gis数据标准化的需求，建立一套数据标准，包括名称、代码、分类编码等，以便将多源数据进行拟合匹配。

（二）轻量化处理

通过将BIM+GIS模型数据转换为FBX格式并转换至3Dmax，减小BIM模型的体积。这种轻量化的方法主要包括两个方面：

1.几何维度

使用LOD技术（LevelsofDetail），将几何描述转换为三角网格化，这样可以减小几何维度的复杂性，并且可以有效地降低非重要构件的尺寸，进一步提升模型的渲染效果。

2.渲染维度

通常，在处理三维物体时，会使用API来实现图形处理。然而，这种方式需要频繁地调用图形处理，因此CPU的负担也会相应地增加。为了解决这个问题，提出批量绘制技术，能够有效地减少CPU的使用率。

（三）数据驱动模型的交互接口集成

通过blender平台，水利工程数字孪生系统可以实现多种交互功能，包括移动旋转、网格动画、骨骼动画和材质纹理等。通过将3Dmax处理后的模型以fbx格式整合到blender中，利用其开源特性，编写出一系列可用于模拟和交互的接口，实现模型与交互接口的有效结合，形成一个gltf文件，以便于用户可以更加方便的访问和使用这些功能。基本过程如下：

1.移动旋转类

通过定义交互对象的模型ID，并利用曲线编辑器来确定线性动作，调整动作的持续时间，添加相应的动作字段，以及相应的动作编码，以满足特定的交互要求。

2.网格动画类

通过创建网格变形，描述模型的顶点，根据交互需求定义变形函数，确定变形持续时间，并添加编码，以实现更加精确的变形控制。

3.骨骼动画类

为了确保物体表面能够被细分到足够大的尺寸，创建骨骼。通过使用armature骨骼修饰器，可以将先前构建的骨架绑定到PoseMode姿势模式中，以便调节骨架的位置，从而实现物体的形变。

4.材质纹理类

通过使用blendershader编辑器，可以在模型对象的shader中添加无符号的整数，从而实现对材质纹理的编码和交互，这种方式可以有效地提高模型的性能和可靠性。采用多种材料组合，利用0和1编码的方式，将当前的材料状态分别设定为0、1，从而实现对物体的实时高亮显示；利用uv格式，创建一个具有动态交互效果的线性动画，以此来改善模型的gltf表面，提升其纹理的表达能力，完整地保留上述交互接口，并且可以优化数据结构，减少冗余数据，从而提高渲染速度。

二、水利工程数字孪生系统应用接口开发

为了实现水利工程的数字孪生，开发基于远程调用协议（RPC）和蓝图脚本的框架，可以有效地连接多台相互连接的数据存储服务器，而无需任何基础的网络技术，从而实现高效的通信系统。RPC协议是一种跨越传输层和应用层的协议，支持分布式网络的部署，与传统的tcp或udp协议相比较，具有更高的效率和可靠性。使用UnrealEngine4的蓝图脚本，构建出一系列接口，其中包括：声明接口、执行接口以及调用接口。

（一）创建接口声明函