翟曉卉， 史健勇

(上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240)

在城市化快速發(fā)展的大背景下，建筑信息模型(building information modeling，BIM)和地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)的集成被越來越多地研究和應(yīng)用到建筑和城市管理相關(guān)的領(lǐng)域。BIM是建筑全生命周期的物理和功能信息的集成，含有豐富和詳細(xì)的構(gòu)造信息。但是BIM往往不包括建筑周圍環(huán)境的信息，難以被應(yīng)用于環(huán)境評估、資源安排和安全分析。GIS能夠在大空間尺度上基于室外環(huán)境的功能和物理空間關(guān)系實現(xiàn)地理空間可視化分析和決策，這恰好可以彌補BIM在建筑空間規(guī)劃中的不足，但是其缺乏全面而詳細(xì)的建筑信息數(shù)據(jù)庫。因此，BIM與GIS的集成能夠?qū)崿F(xiàn)從室內(nèi)到室外不同空間尺度信息的融合，將各自的優(yōu)勢發(fā)揮到建筑級和城市級信息的分析、決策和管理中[1]。目前，BIM與GIS的集成已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于建筑業(yè)和城市管理相關(guān)的各個領(lǐng)域，如建筑成本管理[2]、城市能源評估與管理[3]、材料供應(yīng)鏈管理[4]、室內(nèi)外導(dǎo)航[5]、場地布局和規(guī)劃[6]、安全與應(yīng)急管理[7]等。

在集成方法上，國內(nèi)外針對BIM和GIS的數(shù)據(jù)融合已開展了許多研究，主要是基于2種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的轉(zhuǎn)換和拓展[8-10]。DONKERS[11]提出了一種基于語義映射和三維幾何運算的IFC模型到CityGML LOD3的自動轉(zhuǎn)換方法。文獻(xiàn)[12]提出的 GeoBIM拓展了CityGML，并將CAD/BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GIS可識別的建設(shè)工程信息。一些主流的商業(yè)軟件(如FME，IFCExplorer等)也可以實現(xiàn)BIM和GIS的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，但僅限于較低細(xì)節(jié)層次模型轉(zhuǎn)換[9]，對于 LOD層級對應(yīng)的劃分關(guān)系模糊，且與語義信息的耦合程度不高。現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換不可避免會造成幾何、語義信息的錯誤或丟失，且由于涉及的應(yīng)用領(lǐng)域、空間尺度不同，IFC和CityGML標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)描述和組織上存在著巨大差異，任何一種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)都不能完全涵蓋另一種的所有內(nèi)容，因此數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換并不能實現(xiàn)BIM和GIS的完全融合。發(fā)展新的多維度的數(shù)據(jù)模型，兼顧幾何表達(dá)和面向具體應(yīng)用的語義表達(dá)需要，才是BIM和GIS融合的有效解決途徑[13]。

要實現(xiàn)BIM和GIS的融合，需要重視空間信息和語義信息2部分[14]。對空間數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一表達(dá)可便于空間數(shù)據(jù)的管理和分級存儲，可視化時可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行不同尺度下地物的分級加載，提升海量數(shù)據(jù)的可視化效率。另外，需要設(shè)計合理的語義框架對BIM和GIS的空間對象進(jìn)行組織，實現(xiàn)BIM和GIS在語義上的徹底集成。本文提出了兼顧建筑實體對象和地理空間對象的三維城市數(shù)據(jù)模型，結(jié)合從BIM到GIS的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計了BIM和三維GIS的集成應(yīng)用框架。該方法可在三維城市平臺上進(jìn)行可視化展示和集成應(yīng)用，實現(xiàn)建筑信息和城市地理信息的大規(guī)模集成。

1 BIM和GIS的通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 IFC標(biāo)準(zhǔn)和CityGML標(biāo)準(zhǔn)

IFC標(biāo)準(zhǔn)是Building SMART為BIM應(yīng)用提出的通用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)，定義了近800種建筑對象實體和豐富的建筑語義信息[15]。IFC基于 EXPRESS語言，采用面向?qū)ο蟮拿枋龇绞?，其核心包含建筑實體對象IfcObject、屬性對象IfcPropertyDefinition和關(guān)系對象IfcRelationship3類(圖 1)。屬性包括數(shù)量、材質(zhì)、專題屬性等，以及項目的工程屬性，如建造方、建造和修繕時間、成本信息和制造信息；屬性對象與建筑實體對象關(guān)聯(lián)，并定義對象之間的繼承關(guān)系、組合關(guān)系和空間拓?fù)潢P(guān)系。

IFC中有幾何屬性的類主要是實體對象IfcProduct類的2個子類IfcSpatialStructureElement和 IfcElement。IFC中絕大部分建筑構(gòu)件都是以體模型的方式進(jìn)行幾何表達(dá)，主要分為掃掠體(SweptSolid)、邊界包圍體(B-Rep)、構(gòu)造實體(CSG)、剪切體(Clipping)等[16]。

CityGML標(biāo)準(zhǔn)是3D GIS在城市領(lǐng)域的應(yīng)用模式，基于GML語言來實現(xiàn)城市虛擬三維模型的數(shù)據(jù)存儲與交換。CityGML定義了1個核心模塊以及13個城市相關(guān)專題模塊，與BIM概念重疊部分是建筑、交通、橋梁模塊。CityGML具有5種不同細(xì)節(jié)層次LOD0～LOD4，針對不同細(xì)節(jié)層次對構(gòu)件進(jìn)行不同精細(xì)程度的顯示和表達(dá)[17]。

CityGML利用基于 XML格式的層級嵌套和屬性標(biāo)簽的方式進(jìn)行幾何和語義的統(tǒng)一表達(dá)，內(nèi)層幾何被嵌套到對應(yīng)的外層語義標(biāo)簽中(圖2)。例如，BuildingPart是語義信息，嵌套CompositeSolids來表示幾何；Room通過BoundedBy屬性標(biāo)簽連接其包圍面來表示幾何形狀，如墻面 WallSurface，樓面FloorSurface。B-Rep是CityGML進(jìn)行幾何

描述的唯一方法，由 gml:SurfaceMember，gml:Polygon，gml:LinearRing、gml:postList逐層嵌套，最內(nèi)部依次記錄組成閉環(huán)的所有點的X，Y，Z坐標(biāo)。圖1 IFC模型的對象要素組織圖

圖2 CityGML的對象要素組織圖

1.2 IFC和CityGML的差異性比較

由于BIM和GIS涉及不同的應(yīng)用領(lǐng)域，宏觀空間規(guī)劃管理和微觀精細(xì)化管理之間的矛盾十分突出[18]。IFC側(cè)重于對建筑構(gòu)件實體對象的描述，而CityGML更側(cè)重于對城市以及建筑內(nèi)外地理空間對象的描述，這一本質(zhì)上的區(qū)別使得 2種數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)存在很多的差異(表1)，具體表現(xiàn)在不同的空間尺度，不同的坐標(biāo)系，不同的語義和幾何表達(dá)方式，不同的細(xì)節(jié)程度，以及不同的信息存儲和訪問方法等。

表1 IFC和CityGML的差異性比較[10]

對象描述 IFC CityGML

應(yīng)用場景 建筑信息模型(BIM) 三維城市建模語義表達(dá) 側(cè)重于建筑實體對象 側(cè)重于地理空間和面對象屬性表達(dá) 側(cè)重于物理功能、建造、管理屬性

側(cè)重于空間位置、拓?fù)鋵傩?/p>

幾何表達(dá) B-Rep，Swept Solid，CSG B-Rep

建模語言 EXPRESS XML/GML精細(xì)程度 統(tǒng)一精細(xì)模型LOD4 LOD0-LOD4不同精細(xì)程度

2 BIM-GIS融合的三維城市數(shù)據(jù)模型

BIM和GIS存在的差異為二者的集成帶來了巨大的挑戰(zhàn)，現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換已無法滿足進(jìn)一步的應(yīng)用需求。因此本文提出一種BIM和3D GIS融合的三維城市數(shù)據(jù)模型，該模型參考了 IFC和CityGML標(biāo)準(zhǔn)，兼顧三維建筑實體對象和地理空間對象，考慮多細(xì)節(jié)層次語義，并將幾何表達(dá)進(jìn)行統(tǒng)一?；谠撃Ｐ涂梢詫崿F(xiàn)幾何、語義、外觀、空間在城市級別的統(tǒng)一，既可滿足數(shù)字城市高精度建模、精細(xì)化管理的要求，又可拓展外部環(huán)境對建筑的評估管理的影響，徹底打通室內(nèi)和室外空間的界限。

三維城市數(shù)據(jù)模型主要分為幾何層、概念層、多尺度語義層和應(yīng)用主題層(圖3)。

(1) 幾何層?？紤]到 GIS覆蓋的空間范圍比BIM大得多，并且目前主要是對三維表面模型進(jìn)行規(guī)格網(wǎng)格和不規(guī)則三角網(wǎng)的劃分處理進(jìn)而進(jìn)行可視化，因此將幾何表達(dá)統(tǒng)一為三維表面模型即B-Rep的表達(dá)方式。幾何層的數(shù)據(jù)模型主要參照CityGML的幾何模型，為GML3標(biāo)準(zhǔn)的子集。

(2) 概念層。其定義了所有的地理空間實體和城市對象實體，以及所有的屬性概念。地理空間實體主要是面向空間分析應(yīng)用的對象，以room或_surface表達(dá)。城市對象實體主要是面向構(gòu)件和設(shè)施的功能和性能等屬性描述的對象，可對應(yīng) IFC中的實體和屬性加以映射，以_element或_installation類表達(dá)。需要注意的是，由于IFC和CityGML在建筑模塊的概念有很多重合，在IFC數(shù)據(jù)向三維城市數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)化時，有一部分的體模型可以拆分為面模型。例如IfcSpace原本在 IFC中就側(cè)向于室內(nèi)空間的概念，可以直接映射為room類，并將IfcSpace的幾何拆分為天花板面、樓面和墻面[11]。在屬性概念方面，除了實體的基本屬性之外，還定義了關(guān)聯(lián)屬性如空間關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系等。

圖3 三維城市數(shù)據(jù)模型

(3) 多尺度語義層。其定義了不同精細(xì)程度下各個對象實體的組織和顯示方式。在不同的尺度下有不同的應(yīng)用需求，所包含的對象和屬性也不同，一次性加載地塊上的所有對象和屬性既不利于實際應(yīng)用，也不利于數(shù)據(jù)的高效顯示。針對同一地塊需要分層組織數(shù)據(jù)，需要定義在不同語義尺度上的空間對象和屬性內(nèi)容的抽象程度。每個對象都與LOD標(biāo)簽關(guān)聯(lián)，并且在不同的LOD上允許有不同的幾何表達(dá)，即同一個對象可以有對應(yīng)不同 LOD的不同的幾何，其均與同一個實體關(guān)聯(lián)，在不同細(xì)節(jié)層級下選擇對應(yīng)的顯示方式。

(4) 應(yīng)用主題層。為滿足實際應(yīng)用需求，模型參考CityGML拓展了應(yīng)用主題模型。由于目前的研究主要關(guān)注BIM和GIS較為重疊的主題領(lǐng)域，因此模型主要定義了建筑和交通模塊，后續(xù)研究中可根據(jù)城市管理的需求進(jìn)一步進(jìn)行應(yīng)用主題的拓展。

3 IFC的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法

三維城市模型的幾何表達(dá)參考了 GML3的幾何標(biāo)準(zhǔn)和CityGML的LOD層級劃分方式，以適應(yīng)海量三維空間數(shù)據(jù)的管理和可視化要求。幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換不僅要統(tǒng)一表達(dá)方式，更要注重與多尺度語義概念的對應(yīng)。因此對IFC的幾何數(shù)據(jù)處理主要有2部分內(nèi)容：①對LOD4精度下的梁柱、墻板等實體對象的 SweptSolid表達(dá)轉(zhuǎn)換為 B-Rep表達(dá)，涉及的重點問題有 IFC幾何信息的提取、局部坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換、直角坐標(biāo)到 GIS大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換；②對應(yīng)LOD0-3的幾何處理，難點是內(nèi)外墻的區(qū)分和外墻面重構(gòu)。

3.1 參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換

IFC模型采用局部坐標(biāo)系描述構(gòu)件的位置和幾何，而局部坐標(biāo)系的參照關(guān)系與IFC所定義的類的關(guān)聯(lián)關(guān)系密切相關(guān)。場地IfcSite定義一個單一地理參考基點，采用的是經(jīng)度、緯度和海拔WGS84的全球定位，分別對應(yīng)于IfcSite的屬性RefLongitude，RefLatitude和 RefElevation。這一基點確定了模型在真實世界的位置，用于轉(zhuǎn)換 GIS坐標(biāo)[19]。IfcBuilding，IfcBuildingStorey，IfcBuildingElement依次以父類的坐標(biāo)系為參照(圖 4)。因此要得到建筑構(gòu)件的絕對坐標(biāo)，需要進(jìn)行多次參考坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，以及直角坐標(biāo)到GIS大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。

3.1.1 局部坐標(biāo)到絕對坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

IFC中對象的位置信息記錄在ObjectPlacement中，如圖5所示。PlacementRelTo指向描述該位置的局部坐標(biāo)系，RelativePlacement記錄在局部坐標(biāo)系中的位置并定義新的局部坐標(biāo)系。Location表示原點坐標(biāo)，Axis和RefDirection分別表示新的局部坐標(biāo)系的Z軸和X軸方向。

假設(shè)點P在局部坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)分別為(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)，局部坐標(biāo)系的原點坐標(biāo)為Pr(a0,b0,c0)，其3個坐標(biāo)軸方向的向量可表示為Xr(a1,b1,c1)，Yr(a2,b2,c2)，Zr(a3,b3,c3)，則轉(zhuǎn)換矩陣M，全局坐標(biāo)可以通過式(2)得到，即

圖4 IFC局部坐標(biāo)系的層級

圖5 IFC中參照坐標(biāo)系的定義[19]

3.1.2 直角坐標(biāo)到大地坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

IFC定義了唯一的WGS84的項目地理參考點，作為IfcSite的LocalPlacement定義的原點位置的參照。IFC對象的局部坐標(biāo)轉(zhuǎn)化到IfcSite下的全局坐標(biāo)后，Z軸對應(yīng)大地高H，x-y平面坐標(biāo)需要先轉(zhuǎn)化為GIS的地圖投影坐標(biāo)，再將地圖投影的平面直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為經(jīng)緯度坐標(biāo)。大地坐標(biāo)系經(jīng)過不同的投影方式會產(chǎn)生不同的投影坐標(biāo)系，下面選用GIS較為常用的墨卡托投影[20]為例，說明直角坐標(biāo)系到大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換方法：

(1) 提取地理參考點的大地坐標(biāo)(L，B，H)，利用墨卡托投影正解公式，將大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為空間直角坐標(biāo)(XE，YN，H)。墨卡托投影的平面直角坐標(biāo)X軸為東西方向(東為正)，Y軸為南北方向(北為正)，計算如下

其中，a為橢球體長半軸(m)；b為橢球體短半軸(m)；e為第一偏心率e′為第二偏心率，為標(biāo)準(zhǔn)緯度(rad，原點緯度為0)；L0為原點經(jīng)度(rad)。

(2) 根據(jù)式(1)得到的IfcSite的轉(zhuǎn)換矩陣實際上已經(jīng)將X軸、Y軸轉(zhuǎn)換為與正東、正北方向即投影坐標(biāo)的X軸、Y軸方向一致，因此只需要在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相對于地理參考點的平移變換即可，所以IfcSite到大地直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換矩陣Mg為

再通過式(2)即可得到 IFC對象基于大地面的空間直角坐標(biāo)。

(3) 利用墨卡托投影的反解公式將地理空間直角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為大地坐標(biāo)，即

其中，EXP為自然對數(shù)底；緯度B通過迭代計算收斂得到。

3.2 掃掠體到邊界包圍體的轉(zhuǎn)換

IFC的大部分建筑構(gòu)件是以 SweptSolid和B-Rep的形式記錄，因此幾何表達(dá)主要是掃掠體到邊界體的轉(zhuǎn)換。掃掠體主要的幾何信息是基本橫截面和掃掠路徑，需要通過計算得到外表面所有的頂點坐標(biāo)。圖 6為拉伸體的幾何參數(shù)，IfcExtrudedAreaSolid.Position定義了拉伸體局部坐標(biāo)系，再在其中定義拉伸面和方向。拉伸面可以是任意的封閉圖形。

圖6 IFC拉伸實體幾何

具體的轉(zhuǎn)換流程如下：

(1) 通過提取swept area的拉伸面幾何，對不同類型的截面進(jìn)行相應(yīng)計算和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，得到平面所有頂點的坐標(biāo)A1(x1,y1,z1)，A2(x2,y2,z2)，···，An(xn,yn,zn)；

(2) 提取拉伸方向ExtrudeDirection和拉伸長度Depth，通過式(9)計算拉伸后頂點的坐標(biāo)A1′(x1′,y1′,z1′)，A2′(x2′,y2′,z2′)，···，An′(xn′,yn′,zn′)

其中，拉伸方向為(Vx,Yy,Vz)；對應(yīng)拉伸長度為D；

(3) 按照 3.1的方法將頂點的局部坐標(biāo)多次轉(zhuǎn)換為全局坐標(biāo)和大地坐標(biāo)；

(4) 按外表面重組頂點坐標(biāo)生成 B-Rep模型(圖 7)，拉伸體的側(cè)面可由拉伸前后的頂點依次構(gòu)成，表示為Ai，Ai+1，A′i+1，A′i，Ai(i=1, ···,n)。

圖7 B-Rep模型的生成

3.3 內(nèi)外墻區(qū)分算法和LOD0-3的幾何生成

隨著LOD0-4的精度提高，模型從外到內(nèi)包含的對象要素類型不斷增加。LOD0只有場地要素的平面投影，提取底板或屋面外輪廓并投影到建筑的底層標(biāo)高面上即可。LOD1是用LOD0平面拉伸至屋頂標(biāo)高得到的包圍盒，表示建筑實體。LOD2在LOD1的基礎(chǔ)上增加了外墻、底板、屋頂和外部設(shè)施，需要進(jìn)行內(nèi)外墻的區(qū)分和建筑外墻面的重構(gòu)。LOD3增加了外墻上的門窗，可通過 IFC的IfcRelVoidsElements和IfcRelFillsElement屬性找到與外墻相關(guān)聯(lián)的門窗。因此重點需要解決的是內(nèi)外墻的區(qū)分和建筑外墻面的重構(gòu)。

利用Open cascad開源三維圖形庫PythonOCC，可提取 IFC對象幾何的特征點位信息、性質(zhì)(法向量、質(zhì)心等)，進(jìn)行三維建模、布爾運算等操作。本文主要采用Alpha-shape算法[21]進(jìn)行內(nèi)外墻面區(qū)分。Alpha-Shape是從離散的空間點集中提取邊緣的一種方法，即在一個有限離散點集S中，由個點構(gòu)成，過任意兩點P1，P2繪制半徑為alpha的圓，如果該圓內(nèi)沒有其他點，則認(rèn)為P1，P2是邊界點，其連線P1P2為邊界線段。首先按樓層提取所有墻的幾何信息，并投影到對應(yīng)的二維平面上，對投影面上的邊進(jìn)行散點加密，再利用Alpha-Shape算法得到邊緣點和輪廓。將邊緣輪廓拉伸至該樓層的頂部標(biāo)高即可生成建筑外墻的輪廓。判斷邊緣點與墻投影面的關(guān)系，如果邊緣點在投影面上，則判斷為外墻，否則是內(nèi)墻，表2為內(nèi)外墻區(qū)分法處理結(jié)果。

表2 內(nèi)外墻區(qū)分算法處理結(jié)果

4 語義信息提取與轉(zhuǎn)換方法

語義集成是數(shù)據(jù)集成的重點，譬如BIM中建筑構(gòu)件類型、建筑材料、設(shè)備管線之間的連接關(guān)系，系統(tǒng)和設(shè)備之間的組成關(guān)系等。三維模型在概念層和語義層定義了實體構(gòu)件和空間的類型和屬性，主要是將IFC和CityGML中的實體要素與三維城市模型進(jìn)行映射(表3)，以及屬性和關(guān)系的提取。

三維城市模型將屬性信息分為2類：實體屬性和關(guān)系屬性。實體屬性主要指基于對象本身的屬性，如建筑構(gòu)件的材質(zhì)、體積、防火等級，設(shè)備的型號、能耗等，可以根據(jù)實際需求自定義相關(guān)的專題屬性集 PropertySet。關(guān)系屬性指實體之間的關(guān)系，比如空間包含和連接關(guān)系、管線和設(shè)備的連接關(guān)系、系統(tǒng)和部件的組成關(guān)系等。CityGML中對象的基本屬性主要通過genericAttribute記錄，沒有具體的屬性分類且內(nèi)容非常有限。而相對的 IFC模型包含著豐富的屬性信息，但其內(nèi)部定義的數(shù)據(jù)層次很深，且存在冗余。圖8～9主要以IFC中的建筑單元和設(shè)施單元為例，說明非幾何屬性信息的內(nèi)容和提取路線，從而將屬性信息轉(zhuǎn)換到三維城市模型的相應(yīng)屬性類型中。

表3 三維城市模型主體要素映射表

圖8 Building element屬性要素提取

圖9 Distribution element關(guān)系屬性要素提取[23]

除了空間包含關(guān)系之外，BIM 模型的室內(nèi)空間拓?fù)潢P(guān)系也是非常重要且有價值的信息。根據(jù)IFC空間對象關(guān)聯(lián)信息的提取方法，可以按照建筑、樓層、房間、墻、門窗的順序提取一條有向路徑上所有相關(guān)的空間對象。在此基礎(chǔ)上作以下處理：①利用PythonOCC提取房間平面形心點和門窗的位置點，用線段進(jìn)行連接，形成平面網(wǎng)絡(luò)；②獲取與樓梯關(guān)聯(lián)的梯段、平臺的幾何形狀和位置，處理得到豎直方向的路徑，連接相鄰樓層；③定義哪些門窗可以作為與外部環(huán)境連接的出入口，添加出入口到 GIS道路的連接路徑。通過幾何處理可將BIM室內(nèi)的拓?fù)渑c室外的GIS路徑相連接，添加路徑網(wǎng)絡(luò)的流量、速率、方向等參數(shù)，可以支持室內(nèi)外路徑規(guī)劃、疏散模擬[22]等應(yīng)用。

5 三維城市數(shù)據(jù)模型的集成應(yīng)用

基于以上提出的三維城市數(shù)據(jù)模型框架和數(shù)據(jù)集成方法，本文還設(shè)計了BIM和三維GIS的集成應(yīng)用框架(圖10)，可基于上海交大史健勇博士團隊自主研發(fā)的CityBIM三維平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的訪問和應(yīng)用。在數(shù)據(jù)存儲方面基于 ArcGIS空間關(guān)系數(shù)據(jù)庫，根據(jù)三維城市數(shù)據(jù)模型架構(gòu)，在數(shù)據(jù)庫中建立對應(yīng)的類型表和屬性表，同時建立關(guān)聯(lián)的Geometry字段以存儲三維表面模型。通過對領(lǐng)域?qū)雍蛿?shù)據(jù)訪問層的開發(fā)實現(xiàn)數(shù)據(jù)模型的讀取，并在CityBIM三維平臺上進(jìn)行可視化分析和應(yīng)用。

圖10 BIM和三維GIS的集成應(yīng)用框架

基于兼顧建筑構(gòu)件信息和空間信息的多 LOD三維城市語義模型，可在低精度下加載片區(qū)內(nèi)大體量的BIM和3D GIS模型，查看樓棟管理信息；在高精度下查看建筑構(gòu)件模型和詳細(xì)的屬性信息，實現(xiàn)城市模型的分級加載和數(shù)據(jù)訪問，優(yōu)化數(shù)據(jù)架構(gòu)，提高模型加載效率。語義信息一部分從IFC中提取，還可根據(jù)應(yīng)用需求拓展與城市管理相關(guān)的屬性信息。此外，結(jié)合布設(shè)的智能監(jiān)控設(shè)備可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端的實時定位監(jiān)測(圖11)。在后續(xù)的應(yīng)用上，可在建筑、施工場地及周圍進(jìn)行推廣，進(jìn)一步開發(fā)工程項目的管理功能，如建筑環(huán)境評估、設(shè)備查看、現(xiàn)場檢測、資料管理、材料供應(yīng)鏈管理等，整合建筑外部的資源，提升項目管理和決策的效率。

圖11 基于BIM-GIS三維平臺的可視化集成應(yīng)用

6 結(jié)論與展望

本文提出全面融合 BIM 三維實體對象和 GIS地理空間對象的多 LOD空間語義集成的三維城市數(shù)據(jù)模型，研究從BIM到GIS的多尺度空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計了BIM和三維GIS的集成應(yīng)用框架。該方法解決了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換帶來的信息缺失和應(yīng)用局限問題，實現(xiàn)了BIM和GIS在幾何和語義框架的統(tǒng)一集成，為BIM和GIS數(shù)據(jù)融合提供了思路和技術(shù)參考。通過三維城市平臺的可視化展示和信息集成應(yīng)用，說明BIM-GIS集成的三維數(shù)據(jù)模型對于大體量的城市數(shù)據(jù)在多尺度、高精度的空間和語義信息分級存儲和加載顯示方面具有優(yōu)勢，在建筑和城市管理上有廣泛的應(yīng)用前景。

后續(xù)的研究將集中于以下幾點：①進(jìn)一步完善三維城市數(shù)據(jù)模型，包括幾何和拓?fù)涞亩鄬哟蝺?yōu)化處理、時空屬性、應(yīng)用模塊的拓展等；②空間數(shù)據(jù)庫的性能研究，進(jìn)一步優(yōu)化海量時空異構(gòu)數(shù)據(jù)下的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)模式；③考慮新型智慧城市的建設(shè)下，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息的集成，不斷拓展和優(yōu)化數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；④在應(yīng)用層面，進(jìn)一步開展BIM在城市場景中的規(guī)劃、管理、建設(shè)方面的應(yīng)用，如場地規(guī)劃、室內(nèi)外一體化導(dǎo)航、施工建設(shè)管理等，充分挖掘BIM和GIS集成的應(yīng)用需求。