周 毅，李 嘯，華 懿

(1.浙江省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院移民工程院，浙江 杭州 310002；2.浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310030)

1 研究背景

在大中型水庫移民過程中，移民人數(shù)眾多、實(shí)物量調(diào)查與統(tǒng)計(jì)繁雜、水庫淹沒分析邊界條件多元、移民對(duì)安置區(qū)規(guī)劃建設(shè)關(guān)注度高且訴求多樣。傳統(tǒng)的通過現(xiàn)場紙筆調(diào)查實(shí)物、采集移民相關(guān)數(shù)據(jù)，在Excel中進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)分析和計(jì)算，不僅效率低下、錯(cuò)誤率高、數(shù)據(jù)更新困難；而且缺乏大場景視野，移民安置選址等過程中的地理空間分析也嚴(yán)重不足，數(shù)據(jù)利用很不充分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足移民安置規(guī)劃和移民管理工作的需要。因此，實(shí)現(xiàn)高效采集移民數(shù)據(jù)并進(jìn)行充分挖掘和展示對(duì)于移民安置規(guī)劃非常重要。

近年來，基于BIM技術(shù)、GIS技術(shù)等三維協(xié)同設(shè)計(jì)的模式已被初步應(yīng)用于水庫移民安置項(xiàng)目中?！叭S協(xié)同設(shè)計(jì)”是全新的設(shè)計(jì)模式和協(xié)同狀態(tài)，以團(tuán)隊(duì)高效協(xié)作和知識(shí)高度集成共享的工作方式使工程設(shè)計(jì)更加有效[1]。鐘登華等(2004)提出了基于GIS的水利水電工程三維可視化輔助設(shè)計(jì)基本方法和結(jié)構(gòu)體系[2]；桑國慶等(2009)將地理數(shù)據(jù)信息化及三維信息模型應(yīng)用于大型渠道的設(shè)計(jì)[3]；繆正建等(2015)將Civil 3D應(yīng)用于水利水電工程施工總布置的三維設(shè)計(jì)中[4]；陳雪冬等(2004)針對(duì)征地移民所涉及的移民安置區(qū)選擇，移民安置區(qū)環(huán)境容量分析，水庫淹沒損失賠償以及移民安置區(qū)土地資源評(píng)價(jià)等問題，通過地理信息系統(tǒng)、遙感等新技術(shù)構(gòu)建數(shù)字化三維空間，對(duì)基于GIS的移民安置規(guī)劃系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)[5]。王秋儒等(2017)將BIM應(yīng)用于移民安置點(diǎn)基礎(chǔ)設(shè)施工程設(shè)計(jì)中，建立了場地、道路及管網(wǎng)等設(shè)施的三維模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)更新，自動(dòng)生成各種圖形并計(jì)算相應(yīng)工程量[6]。

在此背景下，本研究以葛岙水庫移民安置項(xiàng)目為例，結(jié)合移民安置的業(yè)務(wù)流程和實(shí)際情況，在引進(jìn)BIM技術(shù)的基礎(chǔ)上，嘗試引入傾斜攝影技術(shù)和地理信息技術(shù)，探索三大技術(shù)在移民信息采集、安置區(qū)建設(shè)、庫區(qū)原貌留存等水庫移民領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 “三維協(xié)同設(shè)計(jì)”在水庫移民安置規(guī)劃中的技術(shù)應(yīng)用及優(yōu)勢

本研究中涉及的主要三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)分別為建筑信息模型技術(shù)(BIM，Building information modeling)、傾斜攝影技術(shù)(Tilt photography)、三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)(3D GIS platform)。

(1)BIM技術(shù)以建筑信息為基礎(chǔ)，對(duì)建筑物進(jìn)行數(shù)字化仿真模擬管理，側(cè)重于微觀領(lǐng)域的單體模型建立，能為工程項(xiàng)目提供可視化的全生命周期管理[7]。應(yīng)用于水庫移民安置區(qū)設(shè)計(jì)，不僅能極大地提高設(shè)計(jì)效率和施工管理水平；而且便于向移民直觀地展示安置區(qū)建成效果，讓移民充分參與安置區(qū)設(shè)計(jì)、建設(shè)。目前，各大工程軟件公司均推出了BIM工具。其中，Autodesk公司的Civil 3D專門為土木工程開發(fā)，依托于傳統(tǒng)的工程制圖軟件Autodesk CAD，在土木工程設(shè)計(jì)及場地設(shè)計(jì)等方面更便捷、更智能，在縮短項(xiàng)目的設(shè)計(jì)周期上具有明顯優(yōu)勢[8]，也是本研究采用的主要軟件。

(2)傾斜攝影是近年來興起的多角度航空攝影技術(shù)，可通過在同一飛行平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，從1個(gè)垂直、4個(gè)傾斜等5個(gè)角度同步曝光采集影像，獲取真實(shí)的地物信息[9]，對(duì)于獲取地物的側(cè)面紋理信息具有先天優(yōu)勢，能夠真實(shí)、完整地反映地物的實(shí)際情況，有利于全方位模型構(gòu)建和真實(shí)場景感知，從宏觀大場景的視角展現(xiàn)地物信息，能為水庫建設(shè)前的庫區(qū)風(fēng)貌三維全景保存及移民安置區(qū)的實(shí)景效果展示提供技術(shù)支撐。此外，傾斜攝影測量技術(shù)能快速獲取紋理信息豐富的影像并生產(chǎn)多樣化的數(shù)字產(chǎn)品，極大地節(jié)約了時(shí)間和人力成本。

(3)整合展示上述2種技術(shù)建立的三維模型需要一個(gè)三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)——3D GIS platform。傾斜攝影模型及其相應(yīng)的矢量信息可直接進(jìn)入三維GIS平臺(tái)；而BIM模型的導(dǎo)入，需要經(jīng)過BIM平臺(tái)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，格式轉(zhuǎn)換，GIS平臺(tái)數(shù)據(jù)導(dǎo)入3個(gè)步驟得以完成。本研究通過在BIM平臺(tái)編寫導(dǎo)出插件，再借助第三方數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換軟件(如FME)生成可被GIS平臺(tái)接受的數(shù)據(jù)格式，同時(shí)確保BIM模型的紋理、零部件、構(gòu)件及屬性信息等數(shù)據(jù)不丟失，實(shí)現(xiàn)BIM模型到GIS的無縫整合。此外，存儲(chǔ)移民數(shù)據(jù)的二維表、圖片、空間信息文件、文檔等都能夠直接進(jìn)入GIS平臺(tái)，參與后續(xù)的統(tǒng)計(jì)分析及地理空間分析等。GIS平臺(tái)對(duì)于水庫移民信息的直觀表達(dá)和充分利用具有重要意義，是水庫移民規(guī)劃設(shè)計(jì)的重要輔助平臺(tái)。

3 “三維協(xié)同設(shè)計(jì)”在葛岙水庫移民安置項(xiàng)目中的應(yīng)用

3.1 工程概況

葛岙水庫工程位于浙江省寧波市奉化區(qū)尚田鎮(zhèn)東江上游，隸屬于奉化江流域，水庫總庫容4 095萬m3。工程壩址距離奉化主城區(qū)直線距離約11 km，距寧波市區(qū)直線距離約37 km。葛岙水庫是一座以防洪為主，兼顧供水、灌溉、生態(tài)等綜合利用的中型水庫。工程建設(shè)征地規(guī)劃涉及奉化區(qū)1個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)6個(gè)行政村。

3.2 應(yīng)用技術(shù)路線

應(yīng)用路線主要為“數(shù)據(jù)采集—BIM模型參數(shù)化建立—三維GIS平臺(tái)整合—地理空間分析及數(shù)據(jù)可視化”4個(gè)步驟。具體應(yīng)用路線如圖1所示。

圖1 應(yīng)用技術(shù)路線示意

3.3 主要成果及其應(yīng)用

3.3.1 移民信息采集

采集到的數(shù)據(jù)成果包括：①傾斜攝影的影像數(shù)據(jù)及控制點(diǎn)數(shù)據(jù)；②BIM單體模型數(shù)據(jù)；③移民相關(guān)數(shù)據(jù)包括實(shí)物調(diào)查的各項(xiàng)指標(biāo)等結(jié)構(gòu)化的二維表數(shù)據(jù)，照片、掃描件、視頻、訪問日志等非結(jié)構(gòu)化

數(shù)據(jù)，以及CAD地形圖、GIS底圖和在線地圖等圖形、地圖數(shù)據(jù)等。傾斜影像數(shù)據(jù)來源于無人機(jī)航拍(見圖2)，BIM單體模型數(shù)據(jù)直接來源于BIM參數(shù)化建模，移民相關(guān)數(shù)據(jù)則通過收集、整理項(xiàng)目相關(guān)資料、現(xiàn)場調(diào)查獲得。

圖2 葛岙水庫傾斜攝影模型

其中傾斜影像數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，生成DOM、DEM和DLG等數(shù)字產(chǎn)品，然后建立了傾斜攝影模型[10-11]。傾斜攝影模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)單體化處理，提取單體房屋、土地、道路等地物的矢量屬性信息并附著于傾斜攝影模型，形成矢量化的房屋數(shù)據(jù)庫[12](見圖3)。

圖3 傾斜攝影模型單體化

3.3.2 水庫淹沒動(dòng)態(tài)分析

數(shù)據(jù)信息進(jìn)入GIS平臺(tái)后，基于庫區(qū)三維模型動(dòng)態(tài)單體化處理數(shù)據(jù)構(gòu)建了葛岙水庫移民信息數(shù)據(jù)庫，利用有源漲水模型，針對(duì)不同水位方案，自動(dòng)判定淹沒對(duì)象[13]，生成水庫淹沒實(shí)物匯總成果，實(shí)現(xiàn)水淹動(dòng)態(tài)仿真模擬和水庫淹沒分析功能(見圖4)，為水庫建設(shè)規(guī)模比選、蓄水方案確定、庫底清理實(shí)施方案等工程建設(shè)重要節(jié)點(diǎn)提供技術(shù)支撐。

圖4 淹沒動(dòng)態(tài)仿真模擬

本研究為葛岙水庫設(shè)定了50～64 m多個(gè)不同水位進(jìn)行分析計(jì)算，利用時(shí)間控件動(dòng)態(tài)模擬出葛岙水庫的蓄水過程，并用圖表聯(lián)動(dòng)的方式展示受淹房屋、土地、人口等實(shí)物數(shù)據(jù)的變化。本項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了水庫淹沒過程的仿真模擬，極大地降低了設(shè)計(jì)人員的計(jì)算難度和工作強(qiáng)度，提高了淹沒可視化程度(見圖5)。

圖5 50～64 m的水位淹沒分析

3.3.3 安置區(qū)BIM設(shè)計(jì)

利用已采集的移民相關(guān)資料，根據(jù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件和地形、耕地資源等進(jìn)行安置區(qū)擇址；在城市控制性規(guī)劃和城鎮(zhèn)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，運(yùn)用Civil 3D生成三維地形曲面；通過放坡、曲面生成等功能進(jìn)行場地平整設(shè)計(jì)，用“體積面板”快速計(jì)算安置區(qū)挖、填方量(見圖6)；然后，進(jìn)行安置區(qū)場地范圍、邊坡設(shè)計(jì)和工程量統(tǒng)計(jì)等場地及豎向設(shè)計(jì)[14]；再對(duì)市政管網(wǎng)及通信管路等進(jìn)行碰撞檢測設(shè)計(jì)，避免不同基礎(chǔ)設(shè)施管線重疊、碰撞等情況出現(xiàn)。

圖6 C3D軟件處理實(shí)測地圖生成地圖曲面

安置區(qū)的總平面布置及3D戶型圖設(shè)計(jì)運(yùn)用Revit軟件，規(guī)劃了26.7萬m2安置用地，進(jìn)行道路、住宅及景觀等設(shè)計(jì)，共布設(shè)了30幢高層住宅，大中小戶型結(jié)合，配備村民活動(dòng)中心、幼兒園和底層商鋪，優(yōu)化設(shè)計(jì)花園、水池等景觀設(shè)施，立體呈現(xiàn)規(guī)劃效果，方便了移民參與新家園的建設(shè)，事先感知安置區(qū)建成效果(見圖7)。借助三維虛擬現(xiàn)實(shí)功能，可更好地滿足移民在戶型、采光、通風(fēng)等方面的差異化需求，讓移民能身臨其境地體驗(yàn)入住效果，大大地提高了移民的安置滿意度，促進(jìn)移民安置工作的順利實(shí)施；同時(shí)，通過參數(shù)化建模，對(duì)樓、板、柱等構(gòu)件定義材質(zhì)、體積等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)工程量的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)，提高投資概算的準(zhǔn)確性和便捷性[15]。

圖7 葛岙水庫移民安置區(qū)的總體規(guī)劃和住宅設(shè)計(jì)

3.3.4 庫區(qū)道路規(guī)劃

利用C3D路線設(shè)計(jì)工具進(jìn)行葛岙水庫環(huán)庫道路A線和B線的“平、縱、橫”可視化設(shè)計(jì)，并導(dǎo)入Infraworks軟件中進(jìn)行前期方案設(shè)計(jì)和庫區(qū)道路規(guī)劃，模擬人流、車流，優(yōu)化道路坡度和轉(zhuǎn)彎半徑設(shè)計(jì)，合理布置橋梁管涵等道路配套設(shè)施[16-17]。從而直觀反映庫區(qū)的規(guī)劃道路的走向及方案，形成4D施工模擬，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地計(jì)算規(guī)劃道路的工程量、工期及投資，為項(xiàng)目決策提供依據(jù)(見圖8)。

圖8 C3D和Infraworks進(jìn)行道路規(guī)劃設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語

三維協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)在葛岙水庫移民工程中的應(yīng)用使得移民安置規(guī)劃及實(shí)施更為高效、便捷、智能。本應(yīng)用研究是原有BIM技術(shù)體系、GIS技術(shù)體系的融合和創(chuàng)新，結(jié)合傾斜攝影技術(shù)，提高了移民安置規(guī)劃的工作效率，無紙化的交付便于移民信息的快速傳遞和應(yīng)用；水庫淹沒動(dòng)態(tài)模擬，提高了水庫規(guī)模比選及蓄水方案確定的智能化程度；安置區(qū)BIM可視化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了移民事先感知新家園建成效果；庫區(qū)道路規(guī)劃，為庫周交通改復(fù)建提供更直觀的解決方案；傾斜攝影技術(shù)帶來的三維大場景效果，有利于業(yè)主結(jié)合實(shí)際環(huán)境開展移民安置工作，降低移民工作難度。本應(yīng)用研究是以BIM技術(shù)為核心、多元融合GIS技術(shù)、傾斜攝影技術(shù)在移民領(lǐng)域應(yīng)用的一次成功探索。通過本次探索，更加證明了三維移民管理平臺(tái)符合行業(yè)發(fā)展趨勢，可廣泛應(yīng)用于各類

水庫移民項(xiàng)目；同時(shí)，多源數(shù)據(jù)的融合應(yīng)用及發(fā)布，能促進(jìn)水庫移民領(lǐng)域的信息集成和公開，滿足不同用戶的使用需求，具有良好的社會(huì)效益。