基础设施数字化技术与应用:基于BIM、GIS与IoT

基础设施数字化技术与应用:基于BIM、GIS与IoT
基础设施数字化技术与应用:基于BIM、GIS与IoT

前言
2015年，十八届五中全会首次提出“国家大数据战略”，《促进大数据发展行动纲要》发布；2016年，《政务信息资源共享管理暂行办法》出台；2016年，《大数据产业发展规划（2016-2020年）》实施。“十三五”规划建议提出实施国家大数据战略。2021年，《“十四五”大数据产业发展规划》提出，大数据发展的主要任务是加快培育数据要素市场、夯实产业发展基础、构建稳定高效的产业链、打造繁荣有序的产业生态。同时，在大数据高速发展的过程中，要加强隐私计算、数据脱敏、密码等数据安全技术与产品的研发应用。随着数字经济的发展，大数据产业发展的理念也从注重效率转变到愈加关注人的需求。

2018年12月19日，中央经济工作会议将5G、人工智能、工业互联网、物联网定义为“新型基础设施建设”，即“新基建”。数字化作为新基建的抓手，需要传统勘察设计及建设管理单位去快速融入并积极进行转型，抓住新的发展机遇在数字化浪潮中争得一席之地。

2023年9月，交通运输部印发《关于推进公路数字化转型加快智慧公路建设发展的意见》(交公路发〔2023〕131号），为贯彻习近平总书记关于大力发展智慧交通等重要指示精神，落实《交通强国建设纲要》《国家综合立体交通网规划纲要》《数字中国建设整体布局规划》，按照《加快建设交通强国五年行动计划（2023—2027年）》《交通运输部关于推动交通运输领域新型基础设施建设的指导意见》等有关部署，促进公路数字化转型，加快智慧公路建设发展，提升公路建设与运行管理服务水平。

党的二十大报告指出，要加快建设网络强国、数字中国。习近平总书记深刻指出，加快数字中国建设，就是要适应我国发展新的历史方位，全面贯彻新发展理念，以信息化培育新动能，用新动能推动新发展，以新发展创造新辉煌。至此，大数据战略上升为国家战略。

一方面基础行业的大建设已经进入瓶颈期，后期新建项目各种控制因素也越来越多，传统的规划、设计手段已经远远不能满足当前发展的需求。而且，随着目前激光雷达、无人机、三维实景建模、5G技术等的快速发展，各种新的数据采集手段成本越来越低，效率大幅度提高，传统的作业模式不但效率低、成本高，而且数据准确度低，造成后期在规划、设计以及应用过程中出现很多不合理的情况。在互联网时代，新的技术手段融合互联网技术可以实现多方基于BIM+GIS+互联网的协同，通过网络进行方案规划、设计和评审。基础建设后期维护也迫切需要数字化去实现对现有数字资产的管理、对各种事件的管理、基于IoT（物联网）的安全运营预警。通过大数据的收集和分析提高管理的效率、降低管理成本。

数字化技术作为一种新的技术，不但涉及专业的工程技术，还需要对数字化的软硬件设备进行研究并对两种技术进行融合应用，这对很多单位来说是一种挑战。根据编者多年的从业经验，总结出以下几个难点和问题。

1．传统的从业人员有固定的工作模式，且工作任务繁忙，没有时间也找不到合适的学材去进行转变。

2．数字化技术涉及的软件众多，受制于数字化发展阶段限制，完成一个工作需要几种甚至几十种软件配合使用。要完成日常工作需要接触多达百余种软件，软件的学习成本高。

3．数据传递障碍多。由于新技术的数字化数据量巨大，传统的软件无法处理，需要进行转换处理后才能融合到传统的作业模式。

4．数字化进程需要多年的探索才能摸索出适应于本单位的综合的数字化方案。

5．数字化技术需要综合的专业人才，目前的发展阶段普遍缺乏相关人才。

基于以上难点和问题，我们编制本书来为大中专院校以及相关从业人员的学习教材，用于培养综合性应用人才，也可以为基础建设行业规划、设计、施工及运维单位提供一种数字化实现思路。

由于时间紧迫和作者水平有限，书中难免存在错漏，恳请广大同行和读者批评指正！如果发现了错误或问题以及有改进或阐明问题的建议，请写信给我，我预先感谢你们所花费的时间和有兴趣所做的一切！联系邮箱：7244130@qq.com，抖音号：1998995836。

第1篇 新基建与数字化转型
1.新基建和数字化概述
信息爆炸的年代，唯一不变的就是一直在变。想了解甚至深扎一个领域，首先需要理解其概念。数字化，即是将许多复杂多变的信息转变为可以度量的数字、数据，再以这些数字、数据建立起适当的数字化模型，把它们转变为一系列二进制代码，输入计算机内部，进行统一处理，这就是数字化的基本过程。
随着经济的发展，数字经济成为驱动我国经济高质量发展的关键力量，而在数字经济中新基建扮演了日益重要的角色。新基建即新型基础设施建设，主要包括5G、大数据中心、人工智能、工业互联网、特高压、新能源汽车充电桩、城市轨道交通七大领域；涉及诸多产业链，是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字化转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。
2020年5月22日，《2020年国务院政府工作报告》提出点支持“两新一重”（新型基础设施建设，新型城镇化建设，交通、水利等重大工程建设）建设。
基础设施，有“传统”与“新型”之分。传统基础设施主要包括铁路、公路、机场、桥梁等。中国在这一领域的发展相对完善，但仍存短板。而在新型基础设施，中国有巨大的发展空间。区别于传统基建，“新基建”更加注重数字化、智能化等硬核科技。
作为重要的基础产业和新兴产业，“新基建”一头连着巨大的投资与需求，一头牵着不断升级的强大消费市场，是中国经济增长的新引擎。仅就5G网络建设来说，通过培育繁荣的互联网经济、人工智能、数字经济等新技术产业，就将间接带动数十万亿元的经济总产出，能为抢占全球新一代信息技术制高点奠定坚实的基础。
新型基础设施主要包括三方面内容：
一是信息基础设施，主要指基于新一代信息技术演化生成的基础设施。
二是融合基础设施，主要指深度应用互联网、大数据、人工智能等技术，支撑传统基础设施转型升级，进而形成的融合基础设施，比如，智能交通基础设施、智慧能源基础设施等。
三是创新基础设施，主要指支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施，比如，重大科技基础设施、科教基础设施、产业技术创新基础设施等。伴随技术革命和产业变革，新型基础设施的内涵、外延也不是一成不变的，将持续跟踪研究。
新基建的特点：
（1）与传统基建相比，新型基础设施建设内涵更加丰富，涵盖范围更广，更能体现数字经济特征，能够更好推动中国经济转型升级；
（2）与传统基础设施建设相比，新型基础设施建设更加侧重于突出产业转型升级的新方向，无论是人工智能还是物联网，都体现出加快推进产业高端化发展的大趋势；
（3）与传统基建最大的不同还体现在时空上的变化，不只是设施所在当地一家受益。
新基建实现的难点和面临的问题：
（1）数字化程度偏低
中国的基建发展很快，但是整体数字化程度偏低。新基建要想利用好，需要整个社会，特别是企业领域，对数字经济有明确的认知。随着中国提出加快建设现代化产业体系，除了“硬”和“快”，基础设施建设“下半场”亦要注重“新”和“软”。产业发展离不开基础设施提供的公共服务。在加快建设现代化产业体系进程中，现代化的基础设施更是重要支撑“后盾”，其中突出一个“新”字。何为“软件”基础设施？如果说“硬基建”以看得见、摸得着的“钢筋水泥”为代表，“新基建”指向新一轮科技革命核心关键领域，正成为中国经济发展的硬核支撑，那么“软件”基础设施建设，则更注重让基础设施效能“如虎添翼”。
（2）起点
新经济的起点在企业家手里，新基建应该为这些数字经济起点的企业提供服务。现在还有不少企业欠缺数字化思维和数字化的运营、管理、服务、市场、推广、销售、财务、税务的完整体系。当中国企业开始广泛使用数字系统提高效率的时候，新基建的数字经济应用场景就出来了。“有人谈及数字经济，必提人工智能、大数据、区块链。你问问企业，它用得上吗？有的企业连自身的数字化都没实现，标准的信息化系统都没有，就去搞大数据和人工智能。这就像一辆残破的车，动力还在用马拉，就要去参加F1。”（普华商业集团董事长、中国与全球化智库（CCG）常务理事翟山鹰）
（3）新基建技术难度大
新基建的内在核心是以信息化为基础，以高新技术为条件的新型基础设施，具有技术密集的特点，在新基建的芯片、传感器、服务器、操作系统等领域，还存在较大的短板和不足。新基建具有技术更新快的特点，在建设初期需要考虑技术扩容升级空间。新基建具有“硬件+软件”的特点，在大量传统行业企业网络化、智能化转型升级的过程中，建设初期需要大量专业技术人才建设，同时由于普通用户对新技术及其成果不懂，需要专业技术人才指导用户使用的问题。
（4）数据中心供需布局存在结构性失衡
当前，我国数据中心规模供需大致保持平衡，但存在供需结构性失衡，主要表现为“经济发达地区需大于供，经济欠发达地区则供大于需”。北上广等一线城市人口及互联网用户密度高、大型互联网、云计算、科技创新类企业和政企用户数量大，对数据中心的业务需求旺盛，数据中心大量集聚。但能源消耗过大、散热要求高对数据中心能效等指标要求更趋严格，准入门槛越来越高。而二三线城市和中西部地区因为数据中心大幅扩张出现供过于求，可能步入结构性过剩，实际市场需求不足以支撑其健康运转，设备机房“晒太阳”的情况时有发生。数据显示，我国数据中心计算与存储产能的总体利用率仅为50%，一些西部省份数据中心的产能利用率仅为不到30%。新基建浪潮下，数据中心新建和扩容步伐会加快，可能会继续拉大东西部地区数据中心供需剪刀差，造成更多数据中心闲置。
（5）新基建资金不足
一是资金投入不足。新基建项目面临较大的资本投入压力，政府财政实力有限，在地方政府融资收紧后，单纯依靠企业自有资金或者财政资金，无法满足新基建项目资本金要求，同时，政府投资的引导和杠杆作用不明显，社会资本进入渠道有限。二是金融机构传统授信限制。新基建大多属于高技术创新和轻资产项目，部分企业受自身实力限制，抵押或担保不足，传统贷款无法满足融资需求。三是创新融资模式不足。目前，新基建项目融资思路比较单一，直接融资主体较少，民间投资热情不高，创新业务模式如REITs（房地产投资信托基金）、资产证券化、TOD（以公共交通为导向的开发模式）、EOD（生态环境导向的开发模式）应用不足，新基建的整体融资能力受限。
（6）新基建应用场景不足
新基建领域的投资将成为拉动中国经济增长的重要驱动力，对于整个行业来说意味着巨大的机遇。新基建的应用场景与高技术紧密相关。但是，新基建项目应用场景仍然不多，项目盈利模式和投资回报周期不确定、5G网络的应用场景较少、与5G适配的物联网、AR、VR、全息投影、人工智能、无人驾驶等相关应用仍然较少，导致5G网络的需求尚未被充分释放。为防止建设后缺少应用市场，新基建应根据市场需求来进行建设。如果发挥新基建的效用、持续平稳运行应用场景的落地，需要应用场景的拓宽、技术的突破和商业模式的验证。
（7）网络安全和数据安全
新基建涉及5G、大数据、人工智能等大量新技术，推动远程医疗、工业互联网等领域大量新业务，将带来新的安全挑战。新基建的各类数据中心承载着国家、社会和个人的海量大数据，将面临严峻的数据安全问题。新基建作为重要的数字化基础设施，扩大了网络安全威胁的暴露面，可能会导致高危险度的网络安全威胁，新基建的安全防御难度增加。
传统基础建设企业如何实现新基建数字化转型？
传统基础建设企业向新基建转型既存在优势也存在劣势，新基建企业由于自身行业的属性，专业技术门槛相对较高，参与数字化企业很多不了解行业需求和技术难点，然而传统基础建设企业普遍缺乏数字化能力。这就需要对数字化技术和传统基建技术都了解的技术人员去总领协调制定数字化方案。
然而很多中小企业受制于资金和人才的限制无法深度参与“新基建”，在传统基建的市场萎缩的情况下，迫切需要找到新的增长点。本书将通过介绍新的技术手段和数字化工具，改变传统基建的作业模式，在提质增效降低成本的同时，也逐步实现企业的数字化转型，更好地为大建设提供服务更优质的服务。通过传统的基建的数字化转型为智慧城市（CIM）提供基础的完备的基础建设数字化信息，助力城市发展和城市的精细化管理水平，提高人民群众的满意度。
2.BIM、GIS、IoT技术的发展现状
2.1 BIM在国内外研究发展现状
虽然BIM的世代可以追溯到1974年Eastman发表的论文，但真正形成世界级的风潮还是要以1995年IAI协会决定推出IFC标准为里程碑，迄今已有26年。他的发展经历了主要的三个阶段。
第一阶段，前BIM术语期/3DCAD时期。
20世纪90年代中期，中国政府提出甩图板愿景，催生了一大批本土CAD厂商。这一时期既是中国CAD事业的开端，也是全球BIM的开端。
第二阶段：BIM术语期。
2001年，ISO开始编制关于建筑信息的12006标准，其主要内容影响到日后的Omniclass标准。
第三阶段：BIM新时代。
在公路、市政、建筑、水利、电力等行业逐步都开始制定BIM实施的计划及标准。
2017年，《建筑信息模型施工应用标准》开始实施。
2017年交通运输部办公厅关于印发推进智慧交通发展行动计划（2017-2020）的通知，多次提到BIM技术应用。
2021年2月交通运输部发布《公路工程信息模型应用统一标准》《公路工程设计信息模型应用标准》。
......
随着国内技术标准的颁布和国产软件的广泛应用，国内的BIM发展正进入快速发展的时期。国内在众多的项目中也开展了应用和尝试，也在设计、施工、管理、运维等方面取得了一定的成果。
2.2 GIS在国内外研究发展现状
GIS技术在国际上研究发展史分为一下几个阶段：
（1）开拓阶段（20世纪60年代）
这一阶段主要特点是：
①提出了地理信息系统（GIS）这一专业术语；
②与GIS相关的组织和研究机构相继成立；
③GIS软件开发初见端倪。
（2）巩固阶段（20世纪70年代）
进入20世纪70年代，可以说GIS进入了真正的发展阶段，主要表现在以下几个方面：
①一些发达国家先后建立了许多不同专题、不同规模、不同类型的各具特色的地理信息系统；
②探讨以遥感数据为基础的地理信息系统逐渐受到重视；
③许多团体、机构和一些商业公司开展了广泛的GIS的研制工作，推动了GIS软件的发展，GIS逐渐步人商业轨道；
④专业化人才不断增加，许多大学开始提供地理信息系统专业人才培训。
（3）突破性阶段（20世纪80年代）
20世纪80年代是GIS普及和推广应用的阶段，是GIS发展的重要时期。主要表现在以下几个方面：
①在70年代技术开发的基础上，GIS技术全面推向应用；
②国际合作日益加强，开始探讨建立国际性的GIS，并与卫星遥感技术相结合，研究全球性的问题。
③GIS研究开始从发达国家逐渐推向发展中国家；
④GIS技术开始进人多学科领域；
⑤随着计算机价格的大幅度下降，功能较强的微型计算机系统的普及和图形输入、输出和存储设备的快速发展，大大推动了GIS的微机化进程，为GIS的推广和普及起到了决定性的作用。
（4）社会化阶段（20世纪90年代）
进入20世纪90年代，随着信息高速公路的开通，地理信息产业的建立，数字化信息产品在全世界迅速普及，GIS逐步深入到各行各业乃至千家万户，成为人们生产、生活、学习和工作中不可缺少的工具和助手。
GIS技术在国内发展史包含以下几个阶段：
我国的GIS研究工作开始于20世纪80年代初，以1980年中国科学研究院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室为标志。纵观其发展历程，也可以归纳为四个阶段：
①筹备阶段（1978—1980）
1978年，中国实行改革开放，加快了与西方先进国家的学术与技术交流，此时，地理信息产业被引进中国，但是由于人才、技术、设备、资金等方面的原因，发展GIS条件还不成熟，因此这一阶段主要是进行舆论宣传，提出倡议，组建队伍、组织个别实验研究等等。
②起步阶段（1980～1985）
从1980年中国科学院遥感应用研究所成立全国第一个地理信息系统研究室，我国GIS开始步入正式发展阶段，并进行了一系列的理论探索和区域性研究，制定了国家地理信息系统规范。
③发展阶段（1985～1995）
这一时期，GIS的研究作为政府行为，正式被列入国家科技攻关计划，开始了有计划、有组织、有目标的科学研究、应用实验和工程建设工作。
④产业化阶段（1996年以后）
“九五”期间（1996~2000），原国家科委将GIS作为独立课题列入“重中之重”科技攻关计划，给予了充分的重视和支持，技术发展速度明显加快，GIS基础软件技术支持得到了全面的加强，出现了一大批拥有自主版权的国产GIS软件，我国的GIS产业化模型已初步形成。
（5）基于三维的GIS平台快速发展
随着三维采集技术和计算机软硬件性能的提升，三维数字模型技术快速发展，精细化程度越来越高，这就对GIS的三维承载技术提出来了越来越高的要求，国内外的GIS产业规模进一步扩大，成为新基建不可缺少的工具。
2.3 BIM+GIS+IoT融合技术发展现状
BIM和三维GIS作为最近几年新的技术，目前基础软件的应用主要是依托国外的大型软件公司，国内软件公司和大型设计院以及施工单位基于国外软件的二次开发较多，国内软件也是快速发展，国产的基础软件平台也在快速发展，GIS平台也逐步打破国外软件的垄断。在国内大型基础建设项目中从前期规划、施工管理控制、后期管理养护等方面也进行了许多尝试，形成了很多的应用案例和经验。比如虎门二桥、深中通道项目、港珠澳大桥等项目都进行了有益的探索和应用。目前这些技术的应用主要集中在发达地区、大型国企及软件开发咨询公司等少数公司手中，中部欠发达地区和地方中小企业技术发展相对缓慢。
近年来随着基于BIM+GIS+IoT国家智慧城市（CIM）建设的快速推进，BIM+GIS在全国很多城市开展试点应用，根据《2021年城市信息模型(CIM)发展白皮书（指数报告）》，截至2021年12月31日前，在政府及相关部门公开发布的CIM相关政策及标准文件，包括直接相关（标题中带有城市信息模型或CIM字样）的政策文件16项及间接相关（文中有提及城市信息模型或CIM）的政策文件218项，合计234项，在过去三年内政策数量大幅度增长，且增长速度越来越快。大型基础建设项目也都越来越多地采用BIM+GIS+IoT技术，从项目的规划、设计、施工以及后期运维全过程应用，取得了比较好的经济效益和社会效益。
受制于技术、资金、人才等因素，中小型项目应用比例比较低，造成发展的不平衡。整体来说发达地区技术、资金和人才优势明显，推广应用较多。不发达区域有部分应用，受制于资金因素影响较大。整体来说大型企业参与度高，很多中小企业参与度较低。

目  录
内 容 提 要 1
前言 0
第1篇 新基建与数字化转型 1
1.新基建和数字化概述 1
2.BIM、GIS、IoT技术的发展现状 4
2.1 BIM在国内外研究发展现状 4
2.2 GIS在国内外研究发展现状 4
2.3 BIM+GIS+IoT融合技术发展现状 6
第2篇 数字化之硬件篇 7
1.电脑硬件 7
1.1 显卡选择 7
1.2 CPU选择 7
1.3 内存选择 8
1.4.硬盘选择 8
1.5 其他硬件选择 8
1.6 显示设备 8
1.7 网络设备 9
2.硬件管理方案——软硬兼施 9
2.1 多台主机硬件连接共享一个显示设备（硬件解决方案） 9
2.2 多台主机硬件连接共享一个显示设备（软件解决方案） 10  
3.数字化采集设备 13
3.1 影像采集 13  
3.2 激光点云类 18
3.3 无人机三维实景模型和激光点云的优劣对比 19
3.4 车载和人工三维实景建模设备 20
第3篇 数字化之软件篇 22
1.地形数据采集、处理及应用 22
1.1 航线规划 22
1.2 航测数据处理 26
1.3 航测数据应用 45
1.4 点云数据处理 59
2.BIM建模软件介绍 70
2.1 Autodesk平台 71
2.2 Bentley平台 72
2.3 Dassault平台 73
2.4 国产平台发展现状 74
2.5 二次开发插件 85
3.虚拟仿真渲染、VR（Virtual Reality）和视频编辑 124
3.1 渲染软件 124
3.2 视频处理软件与处理方法 130
第4篇 数据采集篇（智能化IoT设备） 137
1.物联网产品的开发 137
1.1 物联网概念 137
1.2 物联网关键技术 137
1.3 物联网产品研发的内容 139
2.物联网产品在基础建设领域的应用 152
2.1 市政、交通建设基础行业 152
2.2 建筑行业 168
2.3物联网技术发展中出现的问题和挑战 169
第5篇 数字化之融合分析平台 171
1.常见GIS平台介绍 171
1.1 QGIS 171
1.2 Cesium 173
1.3 蓝色星球 175
1.4 葛兰岱尔 177
1.5 黑洞引擎 178
1.6 超图Super MapGIS 179
1.7 鸿城InfraFuser 182
1.8 图新云GIS 186
1.9 Unity 187
1.10 Mapgis 189
1.11 BIMWindows 191
1.12 广联达CIMCube 191
1.13 3DVaaS三维可视化分析应用服务平台 193
1.14 鲁班CIM平台-城市之眼（CityEye） 193
1.15 Three.js 194
2. GIS平台的选择 196
第6篇 全寿命周期BIM+GIS+IoT应用 197
1.规划阶段 197
2.设计阶段 197
3.施工阶段 198
4.运营维护阶段 199
5.大数据形成和应用 202
第7篇 案例分享 204
1.某包含互通立交道路BIM应用 204
1.1 交通行业的特点 204
1.2 案例应用-某包含互通立交道路BIM应用 205
2.案例应用-智慧水利 214
2.1 建设目标 215
2.2 业务功能分析 216
3.案例应用-智慧建筑 222
3.1 具体解决方案 223
3.2 智慧建筑BIM模型功能 224
3.3 智慧建筑的优势 224
3.4 智慧建筑核心价值 224
3.5 智慧运维案例 225
4.案例应用-智慧校园 225
5.案例应用-智慧乡村 229
6.案例应用-智慧管网 231
6.1 目标任务 231
6.2 智能管网的价值 234
6.3智能管网应用 235
7.案例应用-智慧工地 236
8.案例应用-精细化分析设计 241
8.1空间距离量算问题 241
8.2视域分析 242
8.3道路走廊带分析 243
8.4实景建模和景观融合设计 244
8.5行车视距分析 244
8.6某高速枢纽改造保通方案分析 245
9.案例应用-某国道智慧交通案例 246
9.1 总体设计 246
9.2 管理部门级职能 249
9.3 总体方案 250  
10.案例应用-某二级路新建隧道健康监测案例 330
10.1隧道概况 330
10.2隧道内已配备设备情况 331
10.3监测位置布置 331
10.4隧道结构特点分析 331
10.5结构健康系统的设计 333
10.6监测设备的技术要求 336
10.7数据采集传输子系统 355
10.8设备安装注意事项 358
10.9 可视化监测管理子系统 361
11. 案例应用-智慧景区 365
11.1项目概况 365
11.2效益分析 368
11.3需求分析 369
11.4总体建设方案 377
11.5应用系统方案 383
11.6应用系统建设方案 386
11.7大数据综合管理平台 391
11.8移动旅游监管 396
11.9游客投诉反馈咨询系统 397
第8篇 发展和展望 398
参 考 文 献 400