BIM與SuperMap GIS數(shù)據(jù)集成技術(shù)

Data Integration Technology of BIM and SuperMap GIS

CAI Wenwen, WANG Shaohua, ZHONG Ershun, FENG Zhenhua, LI Meng, WANG Bo

(1. SuperMap Software Co. Ltd., Beijing 100015, China; 2. Institute of Geographic Sciences and Nature Resources Research, CAS, Beijing 100101, China; 3. University of California, Santa Barbara,California 93106, USA; 4. Beijing Research Center of Geography Information Core Software and Applied Engineering Technology, Beijing 100015, China)

Abstract: In recent years, due to the enlargement and increased complexity of indoor facilities, the demand of indooroutdoor-integration GIS applications, such as indoor navigation and location-based services are increasing. The lack of 3D indoor data becomes the bottleneck of these GIS applications. Building Information Models (BIM) provides a rich 3D geometric information and semantic information about indoor spaces, which can be employed by Geographic Information System (GIS) to support the indoor-outdoor-integration applications. Integration technology of 3D BIM and 3D GIS has become one of the focus research issues. In this paper, we investigated the formal framework for integrating BIM into SuperMap GIS software platform from the point of view of GIS applications. Based on the revised Octree subdivision,instance and LOD scheduling, large-scale BIM were integrated with SuperMap GIS effectively, and achieved highperformance 3D loading and visualization on this platform. Our research will help to further improve the maturity of SuperMap GIS products, and expand the application domains of SuperMap GIS into micro indoor spaces, for supporting the construction of smart cities.

Key words: BIM; SuperMap GIS 8C; integration; 3D visualization

0　引　言

　　GIS應(yīng)用目前多局限于室外空間，室內(nèi)空間表達(dá)的局限性成為其從室外走向室內(nèi)的瓶頸之一[1]?，F(xiàn)有室內(nèi)數(shù)據(jù)基本都是簡(jiǎn)單的二維地圖，只能提供平面的室內(nèi)布局信息，不能表達(dá)建筑物內(nèi)部的復(fù)雜環(huán)境，不能描述由于建筑構(gòu)件(如門(mén)窗、走廊等)的約束造成的室內(nèi)空間的非連續(xù)性[2]，也不能區(qū)分三維空間上的重疊特征[3](如各類(lèi)管道等)。這類(lèi)數(shù)據(jù)，無(wú)法支撐室內(nèi)三維導(dǎo)航、設(shè)施管理、應(yīng)急救援等應(yīng)用。急需建立反映客觀實(shí)際的室內(nèi)三維空間數(shù)據(jù)模型。

　　室內(nèi)空間模型可分為設(shè)計(jì)模型(Design Models)和真實(shí)世界模型(Real World Models)[4]。建筑信息模型(Building Information Models，BIM)屬于前者，它詳細(xì)描述了幾何、物理、規(guī)則等豐富的建筑空間和語(yǔ)義信息[5]，用于單個(gè)建筑全生命周期的管理。地理空間數(shù)據(jù)模型屬于后者，它是典型的GIS數(shù)據(jù)模型，可借助三維GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模數(shù)據(jù)的管理、分析與可視化。如果將大量高精度的BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為室內(nèi)GIS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，并與傾斜攝影數(shù)據(jù)、地形、三維管線等多源數(shù)據(jù)融合，可實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀的相輔相成、室外到室內(nèi)的一體化應(yīng)用。

　　但BIM是將一個(gè)建筑表達(dá)為一個(gè)模型，采用局部坐標(biāo)系和多種幾何對(duì)象表示方法(邊界描述BRep、掃描體Sweeping、構(gòu)造幾何體CSG等)。地理空間數(shù)據(jù)模型是在一個(gè)模型中表達(dá)多個(gè)建筑及其他客觀實(shí)體，采用絕對(duì)坐標(biāo)系(如經(jīng)緯度坐標(biāo))，并多采用BRep表達(dá)幾何對(duì)象[4,6]。數(shù)據(jù)模型的差異增加了BIM數(shù)據(jù)與GIS系統(tǒng)集成的難度。

　　工業(yè)基礎(chǔ)類(lèi)(Industry Foundation Classes，IFC)和城市地理標(biāo)記語(yǔ)言(City Geography MarkupLanguage，CityCML)作為BIM和GIS領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)，為兩者數(shù)據(jù)集成提供了基礎(chǔ)[7-8]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于兩者互操作的研究主要集中在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型的融合和現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式的集成兩方面[9]。由于不同領(lǐng)域?qū)臻g對(duì)象的表達(dá)和理解存在差異，使得數(shù)據(jù)模型融合缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，也得不到各領(lǐng)域的認(rèn)同，因此大部分工作還是集中在兩者模型數(shù)據(jù)格式的集成[5]。如Hijazi等提出一種轉(zhuǎn)換框架，用于實(shí)現(xiàn)IFC幾何、語(yǔ)義信息到CityGML的轉(zhuǎn)換，從而借助GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水電設(shè)施的管理與維護(hù)[10]。Amirebrahimi等實(shí)現(xiàn)了一種綜合框架，用于集成BIM高密度模型和GIS可視化能力，評(píng)估洪水對(duì)建筑物造成的損失[11]。湯圣君、趙霞等研究了基于幾何過(guò)濾和語(yǔ)義約束的IFC到CityGML的轉(zhuǎn)化方法，并經(jīng)過(guò)了實(shí)例驗(yàn)證了方法的有效性[5,12]。

　　本文在前人工作的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)基于語(yǔ)義映射和多層次細(xì)節(jié)模型(Level of Details，LOD)的轉(zhuǎn)換方法，用于實(shí)現(xiàn)BIM幾何和語(yǔ)義信息轉(zhuǎn)換到SuperMapGIS 8C軟件平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，本文還采用三級(jí)緩存策略以及一系列渲染與繪制的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)在該平臺(tái)中的高性能可視化，并為BIM添加空間分析能力，支撐室內(nèi)外一體化的安全應(yīng)急、設(shè)施管理和位置服務(wù)等應(yīng)用。

1　BIM與GIS集成問(wèn)題分析

　　1.1 BIM與GIS集成的復(fù)雜性

　　BIM專(zhuān)業(yè)軟件多樣化，覆蓋建筑、結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)設(shè)施、方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析類(lèi)、模型檢查、運(yùn)營(yíng)管理等建筑工程行業(yè)的各個(gè)方面。這些軟件在各自的發(fā)展歷程中，因應(yīng)用目的和專(zhuān)業(yè)不同，形成了獨(dú)有的數(shù)據(jù)格式，如DWG、DXF、DGN、NWD、RVT、PLN等。這些模型格式采用了不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。如DXF模型[13]主要由圖形對(duì)象和非圖形對(duì)象組成，也包含有限的屬性信息，主要由6部分(section)組成：HEADER、CLASSSE、TABLES、BLOCK、ENTITIES和OBJECTS。其中，ENTITIES和OBJECTS分別包含圖形和非圖形對(duì)象，其余部分是關(guān)于符號(hào)表定義、應(yīng)用類(lèi)定義、繪圖實(shí)體定義等信息。DGN 模型[14]是由基于ISFF標(biāo)準(zhǔn)(Intergraph StandardFile Format)的兩種二進(jìn)制文件組成，分別為Designfile和Cell libraries。其中，Design file包括圖形元素(如線、線弦、橢圓弧、椎體等及其組成的邏輯實(shí)體)、非圖形元素以及可能的用戶自定義數(shù)據(jù)，Celllibraries記錄了Design file中位置的元胞定義(包含如經(jīng)緯度等信息)。可見(jiàn)，不同模型格式雖然都可以完整地表達(dá)建筑物三維空間信息，但并不開(kāi)放，相互之間無(wú)法集成與共享，可能無(wú)法采用相同的方法實(shí)現(xiàn)不同格式數(shù)據(jù)與GIS的集成。

　　對(duì)室內(nèi)GIS而言，高精度三維空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、收集耗時(shí)耗力，應(yīng)該可能多的支持不同的BIM數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的、不同來(lái)源的數(shù)據(jù)集成與共享。因此我們的做法是首先將不同軟件的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為IFC標(biāo)準(zhǔn)格式，再與SuperMap GIS集成。IFC作為BIM領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)(ISO 16739)，是對(duì)建筑物信息描述最全面最詳細(xì)的規(guī)范，使得不同模型格式之間的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了共享和互操作[7]，也為BIM與GIS集成奠定了基礎(chǔ)。常用的BIM軟件(Revit、Bentley、CATIA、MagiCAD、BIM5D、魯班等)都支持將各自的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為IFC標(biāo)準(zhǔn)模型。轉(zhuǎn)換的方式即通過(guò)軟件自帶的導(dǎo)出功能或者第三方轉(zhuǎn)換插件進(jìn)行。但由此可能帶來(lái)的幾何失真和信息損失，對(duì)不同室內(nèi)GIS應(yīng)用的影響程度有待在實(shí)際應(yīng)用中加以驗(yàn)證。

　　為實(shí)現(xiàn)IFC與CityGML之間的數(shù)據(jù)集成，我們需要了解兩者在幾何、語(yǔ)義方面的區(qū)別和聯(lián)系。在幾何表達(dá)上，IFC通常有3種表達(dá)方式：邊界描述(BRep)、掃描體(String)和構(gòu)造實(shí)體幾何(CSG)[4,7]。在邊界描述中，一個(gè)實(shí)體由多個(gè)邊界面片的組合來(lái)呈現(xiàn)。掃描體可通過(guò)將平面對(duì)象沿路徑拉伸或繞軸旋轉(zhuǎn)拉伸而得到。CSG一般是由多個(gè)基礎(chǔ)幾何體，如立方體、球、圓柱、圓錐等，通過(guò)幾何變換、布爾運(yùn)算以及剖割、局部修改等操作構(gòu)成的復(fù)雜幾何實(shí)體。而GIS中的三維幾何主要采用邊界描述來(lái)表達(dá)[4,8]。

　　在語(yǔ)義信息表達(dá)上，IFC包含豐富的建筑細(xì)節(jié)描述，有600多個(gè)對(duì)建筑實(shí)體的定義和300多個(gè)對(duì)建筑類(lèi)型的定義，也包含建筑構(gòu)件之間的語(yǔ)義連接關(guān)系，如IfcSite、IFCBuilding、IfcBuildingStorery3個(gè)類(lèi)型間的層次關(guān)系被IfcRelAggregates連接表示[5,7]。CityGML的語(yǔ)義信息表達(dá)為了客觀實(shí)體的特征，如建筑物、墻壁、窗戶、房間等，也包括特征之間的屬性、關(guān)系和聚集層次等。CityGML的語(yǔ)義信息相對(duì)比較少，通過(guò)語(yǔ)義映射，CityGML的大部分語(yǔ)義信息都可以從IFC模型中獲取。

　　在尺度表達(dá)上，CityGML采用多尺度建模方式，即5個(gè)層次細(xì)節(jié)(LoDs)描述了從城市宏觀場(chǎng)景到建筑物內(nèi)部的不同尺度、不同細(xì)節(jié)的信息[8]。LOD0本質(zhì)上是將2.5維的DTM疊加在影像或地圖上的粗糙表達(dá)，包含了建筑物的屋頂平面和底面平面。LOD1是塊模型，建筑物表達(dá)為具備平頂結(jié)構(gòu)的柱形體。LO2為不同建筑加入了不同的屋頂結(jié)構(gòu)和邊界表面。LOD3為建筑提供了更加詳細(xì)的墻、屋頂結(jié)構(gòu)，甚至門(mén)、窗信息。LOD4是對(duì)LOD3的進(jìn)一步完善，增加了詳細(xì)的室內(nèi)結(jié)構(gòu)，如家具、樓梯等，具有最詳細(xì)的幾何、語(yǔ)義信息。IFC只局限于對(duì)建筑及其內(nèi)部構(gòu)件的描述，不具備多尺度表達(dá)的特點(diǎn)，但基于LOD層次細(xì)節(jié)模型，IFC可以轉(zhuǎn)換到CityGML的任一層次上。

　　1.2 BIM在GIS中進(jìn)行空間分析與可視化難度大

　　BIM模型數(shù)據(jù)包含建筑工程全生命周期的所有信息，它將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)等各個(gè)階段的數(shù)據(jù)資料全部整合到同一個(gè)3D數(shù)字模型中，數(shù)據(jù)量大，僅一棟大樓一年的數(shù)據(jù)量在TB級(jí)，城市級(jí)別的數(shù)據(jù)量不可想象，給計(jì)算機(jī)GPU、內(nèi)存帶來(lái)很大壓力。精細(xì)的BIM模型還包含許多形狀相同的幾何實(shí)體，如圖1中顯示的建筑模型，圖元類(lèi)別6 600多個(gè)，含有超百萬(wàn)級(jí)的重復(fù)特征，一次性渲染壓力大。這對(duì)互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)下的BIM-GIS應(yīng)用而言，受網(wǎng)絡(luò)帶寬、移動(dòng)設(shè)備內(nèi)存容量的限制，實(shí)時(shí)分析與可視化難度大。

　　為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)的多分辨率表達(dá)，及其管理調(diào)度等問(wèn)題，我們構(gòu)建了從本地緩存、內(nèi)存、顯存的三級(jí)緩存結(jié)構(gòu)，通過(guò)模型輕量化、實(shí)體化、GPU、LOD等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)的高效加載與實(shí)時(shí)繪制。

2　BIM與SuperMap GIS集成關(guān)鍵技術(shù)

　　2.1 基于LOD的BIM與SuperMap GIS數(shù)據(jù)集成

　　CityGML包含幾何模型和主題模型，主題模型即將幾何模型用于不同的主題，如建筑，所有模型都采用LODs進(jìn)行多尺度表達(dá)，不同LOD層級(jí)的幾何數(shù)據(jù)精細(xì)程度不同。IFC雖然包含900多種實(shí)體類(lèi)型，但不是所有類(lèi)型都需要轉(zhuǎn)換到CityGML，可根據(jù)不同的GIS應(yīng)用需求和不同LOD層級(jí)所須的IFC組件類(lèi)型，進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾和信息簡(jiǎn)化，也有助于實(shí)現(xiàn)模型輕量化，如圖2所示。

　　在LOD0中，建筑被表達(dá)為水平和三維的表面，只突顯建筑的輪廓，一般通過(guò)集成其他數(shù)據(jù)獲得，與IFC無(wú)語(yǔ)義對(duì)應(yīng)。LOD1通過(guò)AbstractBuilding將建筑表達(dá)為具有為外殼的實(shí)體三維模型，可由IFC的墻面IfcWall、天花板IfcSlab、樓層IfcBuildingStorey獲得建筑外輪廓與高度等信息，并與AbstractBuilding映射。LOD2通過(guò)BoundarySurface，包括WallSurface、RoofSurface、OuterCeilingSurface描述了建筑的墻體、屋頂?shù)雀釉敿?xì)的外輪廓信息，IFC的墻IfcWall、屋頂IfcRoof、遮蓋物IfcCovering等可與之映射。LOD3通過(guò)BuildingInstallation表達(dá)了強(qiáng)烈影響建筑外觀的元素，如陽(yáng)臺(tái)、煙囪等，通過(guò)BoundarySurface的openings增加了連接建筑內(nèi)外部的門(mén)、窗等信息，可通過(guò)IFC的門(mén)IfcDoor、窗IfcWindow等獲取并與之映射。LOD4在LOD3的基礎(chǔ)上，增加了建筑內(nèi)部細(xì)節(jié)，如通過(guò)IntBuildingInstallation描述建筑內(nèi)部無(wú)法移動(dòng)的對(duì)象(如管道等)，用BuildingFurniture表達(dá)建筑內(nèi)部可移動(dòng)的對(duì)象(如家具等)，與IFC的IfcFurnishingElement等映射，通過(guò)BoundarySurface的CeilingSurface、InteriorWallSurface、FloorSurface表達(dá)了天花板、內(nèi)墻和地板等信息，見(jiàn)表1。

　　根據(jù)語(yǔ)義信息，篩選IFC需要輸出的構(gòu)件類(lèi)別，并存儲(chǔ)到標(biāo)準(zhǔn)的GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。在這一過(guò)程中，可為輸出的幾何信息添加精確的地理空間位置信息。該位置信息是根據(jù)模型本身包含的局部坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到絕對(duì)坐標(biāo)系而得到。模型信息的輸出可借助我們開(kāi)發(fā)的插件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為每個(gè)構(gòu)件輸出唯一的ID標(biāo)識(shí)，作為關(guān)鍵字將幾何信息與其屬性信息相關(guān)聯(lián)。通過(guò)IFC與CityGML的數(shù)據(jù)集成，可實(shí)現(xiàn)從室外城市級(jí)空間，到層次細(xì)節(jié)模型，到室內(nèi)空間的多尺度表達(dá)，如圖3所示。

　　2.2 基于三級(jí)緩存的BIM高性能可視化

　　我們采用一系列的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)大體量BIM數(shù)據(jù)在GIS中的高效加載與可視化，具體流程如圖4所示。

　　第一，BIM本地緩存。通過(guò)BIM與SuperMap GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換插件根據(jù)2.1節(jié)的原理對(duì)模型進(jìn)行實(shí)例化處理和LOD分層處理之后，再根據(jù)數(shù)據(jù)的投影坐標(biāo)范圍將其進(jìn)行八叉樹(shù)剖分，八叉樹(shù)是以空間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)為基準(zhǔn)將空間劃分為8個(gè)區(qū)域而形成8個(gè)子樹(shù)，適用于高度上值較大但平面范圍較小的三維空間物體，如BIM建筑模型。對(duì)剖分的每一個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)按照一定的瓦片邊長(zhǎng)，存儲(chǔ)為不同分辨率(如2 048×2 048，1 024×1 024，512×512，256×256，128×128，64×64)的三維切片緩存文件。緩存有助于提升大體量數(shù)據(jù)的瀏覽性能與顯示效果。

　　第二，模型輕量化技術(shù)。模型輕量化是根據(jù)BIM模型的語(yǔ)義信息，對(duì)模型的某些骨架進(jìn)行刪除或者簡(jiǎn)化，達(dá)到通過(guò)減少數(shù)據(jù)量提高渲染效率的目的。如圖1中單獨(dú)的一個(gè)門(mén)對(duì)象，含有頂點(diǎn)個(gè)數(shù)980個(gè)，三角面片920，其中門(mén)把手、鎖芯占據(jù)80%～90%的數(shù)據(jù)量(由此推斷整棟大樓、整個(gè)園區(qū)甚至整個(gè)城市的數(shù)據(jù)量會(huì)更加龐大)，這些構(gòu)件對(duì)GIS來(lái)說(shuō)缺乏實(shí)用價(jià)值或者重復(fù)性太高，因?yàn)槲覀儾扇h除或者簡(jiǎn)化這些骨架來(lái)達(dá)到模型輕量化的目的，如圖5所示。

　　第三，實(shí)例化技術(shù)。實(shí)體化是針對(duì)形狀相同的幾何模型，抽象其示例存儲(chǔ)在內(nèi)存中，減少內(nèi)存空間占用，重復(fù)構(gòu)件的渲染繪制通過(guò)在GPU中對(duì)實(shí)例進(jìn)行矩陣變換實(shí)現(xiàn)。即GPU首先通過(guò)批量化指定繪制函數(shù)，對(duì)各個(gè)實(shí)例進(jìn)行批次渲染，然后將相關(guān)實(shí)例化對(duì)象的特征數(shù)據(jù)內(nèi)容傳遞給GPU，通過(guò)平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等得到與實(shí)例幾何形象相同但位置、大小、角度存在差異的構(gòu)件，避免超百萬(wàn)級(jí)構(gòu)件同時(shí)加載，降低GPU等硬件設(shè)備的壓力。

　　第四，基于視點(diǎn)的LOD調(diào)度。在現(xiàn)有硬件性能條件下, 結(jié)合場(chǎng)景內(nèi)繪制數(shù)據(jù)量隨視野遠(yuǎn)近而變化的LOD調(diào)度技術(shù)則更能提升數(shù)據(jù)瀏覽速度?；谝朁c(diǎn)的LOD調(diào)度，指根據(jù)與觀察點(diǎn)的距離評(píng)價(jià)模型的重要程度，距離觀察點(diǎn)越遠(yuǎn)，模型顯示的精細(xì)程度越粗糙，是一種簡(jiǎn)化視野中三維場(chǎng)景復(fù)雜度的技術(shù)。它包括視點(diǎn)區(qū)域的確定和LOD的數(shù)據(jù)獲取兩方面。視點(diǎn)區(qū)域可由3個(gè)參數(shù)定義，分別是視點(diǎn)在屏幕上的位置、視區(qū)域大小和視區(qū)域內(nèi)的分辨率衰減函數(shù)。衰減函數(shù)的作用是控制視區(qū)域內(nèi)BIM數(shù)據(jù)的分辨率沿視點(diǎn)向區(qū)域邊緣逐漸降低，并在邊界處與區(qū)域外分辨率保持一致，保證數(shù)據(jù)在多分辨率繪制時(shí)的視覺(jué)平穩(wěn)性。LOD的數(shù)據(jù)獲取基于二維屏幕空間與三維場(chǎng)景空間的映射關(guān)系表實(shí)現(xiàn)，即對(duì)于視點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的任一像素，通過(guò)關(guān)系表定位三維體像元映射后的最鄰近點(diǎn)，進(jìn)而確定對(duì)應(yīng)的三維信息。

　　以圖1中的數(shù)據(jù)渲染為例，采用上述一系列內(nèi)外存優(yōu)化繪制技術(shù)后，顯卡實(shí)時(shí)顯示和渲染的平均幀率達(dá)到65幀/秒(視覺(jué)感受流暢的標(biāo)準(zhǔn)是幀率>24幀/秒)，具有較強(qiáng)的交互感和逼真感;與SuperMap GIS 7C的渲染速度相比，幀率提升300%。

　　未來(lái)，我們還研究滿足GPU泛用性的幾何和紋理數(shù)據(jù)壓縮與解壓縮方法，研究采用可編程渲染管線技術(shù)優(yōu)化繪制流水線的技術(shù)，研究通過(guò)范圍裁剪、視錐體裁剪、遮擋裁剪等算法，實(shí)現(xiàn)渲染目標(biāo)的剔除，研究使用多線程技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)的調(diào)度、讀取、渲染進(jìn)行優(yōu)化等，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)高效繪制。

　　2.3 基于BIM的空間分析

　　BIM經(jīng)語(yǔ)義映射和幾何轉(zhuǎn)化導(dǎo)入GIS之后，GIS可為BIM數(shù)據(jù)及其表達(dá)的建筑物的每一層、每一個(gè)室內(nèi)構(gòu)件提供高亮選中、定位、查詢、統(tǒng)計(jì)等GIS功能。SuperMap三維空間分析可分為四大類(lèi)，可適用于BIM模型的有三類(lèi)，分別是：三維量算，如距離量算、面積量算和高度量算;三維GPU分析，如日照分析、通視分析、可視域分析;三維網(wǎng)絡(luò)分析，特指對(duì)三維設(shè)施數(shù)據(jù)的(如BIM管線)網(wǎng)絡(luò)分析和對(duì)三維交通數(shù)據(jù)(如由BIM提取的室內(nèi)交通路網(wǎng))的網(wǎng)絡(luò)分析。此外，還可在GIS中動(dòng)態(tài)展示工程的建造過(guò)程。

　　BIM與GIS的集成，一方面可以通過(guò)自定義投影的方式與地形等數(shù)據(jù)匹配，有效展現(xiàn)BIM與周邊環(huán)境的關(guān)系，如建筑物周邊的自然生態(tài)環(huán)境、地形地貌環(huán)境和人文景觀環(huán)境，有利于大規(guī)模工程的協(xié)同管理。另一方面可將GIS的空間管理、查詢和分析能力加諸于BIM，有利于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的設(shè)施管理，通過(guò)與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及樓宇內(nèi)各類(lèi)系統(tǒng)(如門(mén)禁、監(jiān)控等)集成，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外一體化的應(yīng)急演練和位置服務(wù)等。

3　結(jié)束語(yǔ)

　　BIM與GIS模型數(shù)據(jù)的集成目前缺乏統(tǒng)一的信息交換標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)IFC與CityGML的語(yǔ)義映射和幾何過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)了BIM與SuperMap GIS的數(shù)據(jù)集成，通過(guò)實(shí)例化技術(shù)、LOD調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模BIM數(shù)據(jù)在SuperMap GIS中的高性能渲染與可視化。GIS作為收集、存儲(chǔ)、管理和分析空間信息的技術(shù)，可以充分利用BIM包含的建筑及其內(nèi)部豐富的幾何、語(yǔ)義信息，兩者的數(shù)據(jù)集成不僅為建設(shè)過(guò)程提供查詢、空間分析的工具，支持大型工程的建設(shè)與維護(hù)，也為GIS應(yīng)用從室外走向室內(nèi)，從城市宏觀走向建筑微觀的重要數(shù)據(jù)源，支撐室內(nèi)外一體化的安全應(yīng)急、導(dǎo)航和位置服務(wù)應(yīng)用，支持智慧城市建設(shè)。

　　我們的工作仍有很多需要完善的地方。第一，BIM建模軟件繁多，相互間的獨(dú)有模型格式不支持互操作。我們采用全部轉(zhuǎn)為IFC格式的方法，對(duì)由此造成的信息損失需要進(jìn)行評(píng)估。目前我們已經(jīng)開(kāi)始將各軟件獨(dú)有模型格式直接與SuperMap GIS軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，但需要比較這兩種方法的優(yōu)劣。第二，探索SuperMap GIS軟件平臺(tái)對(duì)具備超百萬(wàn)級(jí)室內(nèi)構(gòu)件的BIM數(shù)據(jù)的云端協(xié)同繪制技術(shù)，即數(shù)據(jù)和繪制都在云上實(shí)現(xiàn)，終端只是作為命令的入口。第三，探索基于BIM的GIS應(yīng)用，在實(shí)踐中創(chuàng)新和改進(jìn)BIM-GIS集成技術(shù)。目前，已有研究將原始鐵路設(shè)計(jì)的中線數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維可視化平臺(tái)，自動(dòng)生成鐵路路基、橋梁、隧道、接觸網(wǎng)、護(hù)坡等橫斷面模型，進(jìn)行土方量分析與量測(cè)、縱斷面信息采集等;將地下管廊BIM數(shù)據(jù)用于解決城市內(nèi)澇、反復(fù)開(kāi)挖路面、架空線 網(wǎng)密集等問(wèn)題。

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作者簡(jiǎn)介：

　　蔡文文(1986-)，女，河北保定人，工程師，博士，主要從事地理信息軟件技術(shù)研發(fā)工作。

通訊作者：

　　王少華(1983-)，男，陜西寶雞人，講師，博士，主要從事地理信息軟件技術(shù)研發(fā)工作。