基于IFC和CityGML映射轉換的BIM與3DGIS集成研究

周忠 許速

（河南工業大學信息科學與工程學院，河南鄭州 450001）

基于IFC和CityGML映射轉換的BIM與3DGIS集成研究

周忠 許速

（河南工業大學信息科學與工程學院，河南鄭州 450001）

以BIM與3DGIS數據映射轉換集成方法為主要研究內容，分別論述IFC與CityGML的語義解析描述、兩者的差異以及兩者間的映射轉換原理，形成基于IFC向CityGML映射轉換的BIM與GIS集成方法。通過測試，驗證了該集成方法的可行性，實現了BIM與3DGIS間的數據共享。

建筑信息模型；三維地理信息系統；工程基礎類；城市地理標記語言；集成

近年來，智慧城市概念不斷深入，其代表了城市信息化、智能化的發展方向，是推動整個國家信息化、智能化的重要手段。李德仁院士曾指出，建筑物室內外一體化三維建模，是未來三維城市發展的必然趨勢［1］。

地理信息系統（Geographic Information System，GIS）為構建智慧城市的整體外部環境提供了良好的解決方案，GIS能提供完整且豐富的地理空間信息、空間查詢和分析、簡易輕量的三維表面模型等優點，但三維表面模型缺乏詳細的內部屬性信息，無法做到深入建筑內部構件層面。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），具有設計細節豐富，精度高，包含幾何、物理、規則等豐富的空間信息和語義信息［2］等優點。但模型數據量大，在描述大范圍建筑群體的詳細信息及其周邊環境的空間信息方面存在不足。因此，在智慧城市的大背景下，建筑信息模型與三維地理信息系統（3DGIS）的融合與集成愈發顯示出其迫切性。BIM與GIS集成方面的研究也越發受到人們的重視，兩者集成的應用也越來越廣泛且不斷深入。在不同領域間實現簡單的模型轉換、信息的交互，并賦予其真正且完整的語義信息，成為了BIM和GIS集成的要點及難點。

1 IFC和CityGML相關知識

1.1 IFC與CityGML的語義描述

行業基準分類（Industry Foundation Classes，IFC）和城市地理標記語言（City Geography Markup Language，CityGML）分別作為BIM和3DGIS領域通用的數據模型標準［3，4］。前者針對于建筑工程領域，包含豐富的語義信息，同時可以在各類建筑軟件之間進行數據交互；而后者是一種用來表示和傳輸城市三維對象的通用信息模型，是采用模塊化對數據進行構建的。關于兩者語義信息的具體分層（或分模塊）描述如表1和圖1所示。

表1 IFC與CityGML的語義分層

圖1 IFC與CityGML語義描述

在IFC Schema（IFC大綱）中，定義了建筑整個生命周期中所產生的各種信息，并把這些信息用4個層來進行分類描述，每個層次各自的功能用途不同，共同構建整個建筑信息模型。IFC標準對一個建筑物的空間架構（Ifc-SpatialStructureElement）信息描述包含4個子類別：IfcProject（項目）、IfcSite（場地）、IfcBuilding（建筑物）、IfcBuildingStorey（建筑樓層）［5］。其中，均采用EXPRESS對建筑構件進行分類，并由EXPRESS語言定義：Defined Type（基本信息類型）、Enumeration（狀態或屬性）、Select Type（特殊類型）和Entity（實體）4種信息類型。CityGML是分模塊構建的，通過不同數據模型以子集的形式進行添加，共包含1個核心模塊和11個擴展專題模塊。核心模塊定義了數據模型的基本概念和組件，其作為整個CityGML模型的底層，其余的擴展專題模塊依賴CityGMl核心模塊而存在，核心模塊是基礎，其他專題模塊是在核心模塊的基礎上對虛擬城市多個領域的描述。一個CityGML文檔結構由許多Schema來定義，它們有很多層標簽，把建筑元素、建筑元素部件及部件表面等劃分為多個層次細節來描述。

結合IFC與CityGML各自的具體語義信息描述，順利地實現兩類數據模型的幾何、語義信息共享，是BIM和GIS集成的基礎。

1.2 IFC與CityGML的差異

IFC和CityGML在模型描述方法和數據格式上均有差異［6］，具體表現如下。

1.2.1 幾何表達方面。在幾何表達上，IFC可通過多個邊界面片組合來描述并構成一個實體（邊界描述，Brep），或通過線性或旋轉拉伸形成掃描體，或由球、立方體等基礎幾何體經過布爾運算來構造實體幾何（Constructive Solid Geometry，CSG）3種形式來進行表達。而CityGML中的三維幾何主要是以邊界描述來表達。

1.2.2 語義信息方面。在語義信息上，IFC模型中包含大量對建筑實體和類型的定義以及各類部件間的語義連接關系；CityGML則應用多個LODs對建筑物、建筑物部件及建筑物附屬設施進行由簡到繁的表達。兩者各具特點，但IFC在建筑細節描述方面較CityGML全面。

1.2.3 模型外觀方面。在模型外觀上，CityGML具有更加豐富的紋理貼圖和材質信息；而IFC模型中以材質貼圖為主，幾乎沒有紋理貼圖。所以，從IFC與CityGML集成的角度講，模型外觀以CityGML的數據結構進行表達具有更大的優勢。

圖2 IFC向CityGML的映射轉換

圖3 BIM實體模型向GIS多細節層次表面模型的轉換過程

1.2.4 應用尺度方面。在應用尺度上，由于三維GIS系統面向大范圍三維場景的管理和可視化，其三維模型結構也相對簡單；而BIM模型數據復雜，數據量大，卻難以大范圍應用，更多的是以單個或多個建筑模型呈現，其分析也是以模型內部的分析為主，如碰撞分析、布爾運算等。

總的來說，IFC具備建筑對象豐富的語義信息和多種幾何表達方式，CityGML則側重于空間對象的多尺度表達和對象幾何、拓撲等關系的一致性，并且其定義的多個細節層次（LODs）的建筑物模型，為大場景可視化和空間分析提供了有利的條件。

1.3 IFC與CityGML的映射轉換

借助IFC與CityGML同屬語義模型這一特點，進行信息過濾及提取，建立語義映射轉換進行兩者屬性信息之間的傳遞，可以實現IFC與CityGML的數據共享，其大致過程如圖2所示。

圖2中IFC和CityGML的語義映射轉換過程，大致概括為：①針對兩者存在的差異進行多層次語義過濾和幾何信息提取，如從IFC各分層中提取某些建筑元素，如地板、窗體、墻面等，對實體的屬性信息（包含預定義類型、屬性表結構、幾何表達方式和空間位置等）進行分析、篩選過濾和提取，得到中間結果；②通過中間結果結合IFC與CitiGML相關的語義描述，利用一對一映射、一對多映射和間接映射3種類型的語義映射規則，進行多層次語義映射和幾何信息轉換，得到映射轉換中間結果；③結合映射轉換得到的中間結果，進行可能必要的語義信息增強過程；④最后利用LOD表面模型生成算法，構建CityGML模型所需要的完整的多細節層次結構，從而形成CityGML。

IFC和CityGML雖然都是面向對象的架構，都適于使用面向對象分析和設計（OOA/D）技術，來進行概念的抽象、封裝、繼承和多態化［2］，但在實際的應用中兩者表達數據的方式卻有所不同。IFC形狀是在實體模型中進行表達，而CityGML只是利用一個單純的表面模型來進行可視化。在數據方面，IFC是以IfcPropertySet進行屬性分類，而CityGML則是對每個屬性進行標記或使用External-Reference來進行的。IFC中適用的屬性類型不僅包括基本的變量類型如整數類型，也包括混合變量類型如列表類型。兩者的映射轉換過程為了保證語義信息的相對完整性，需要使用特定的算法（如空間提取算法）來提取一些傳統方法無法獲取的信息，，再進行映射轉換。

2 基于IFC和CityGML映射轉換的BIM與3DGIS集成方法

結合上述研究，選取基于IFC與CityGML數據映射轉換的方法，來進行BIM與3DGIS的集成，完整的技術流程圖如圖3所示［6］。

圖3中概括了基于IFC與CityGML映射轉換的集成方法的所有過程：通過借助如Revit、FME等專門的軟件平臺，實現從IFC實體模型的生成，到IFC與CityGML的文件解析和語義描述以及三維模型顯示，對比篩選并過濾提取建筑對象中關鍵要素的語義信息和幾何關系屬性，再到構建IFC與CityGML的映射轉換，生成與IFC語義對應的多個LOD結構，最后構成CityGML多層次表面模型的一個完整轉換流程。

其中，為了保障傳遞過程中信息相對完整，把IFC模型分解為點、線、面、材質和顏色5個模型元素，分別與CityGML模型元素建立語義映射。在映射過程中，CityGML只提供基本變量類型的信息，這讓它不得不通過將附加到屬性名稱的標記來區分屬性和其中存儲的數據源URL。在實現映射轉換的同時，利用FME提供的插件技術，可以實現CityGML在多個GIS平臺下的交互與共享，達到真正意義上的連接室內與室外，從而促進BIM與3DGIS技術的發展。

3 方法驗證

根據上述集成方法，以2006年2月發布的IFC2x3版本（IFC2x3）和CityGML2.0.0作為數據轉換的參考標準，以河南工工業大學土木建筑學院BIM團隊提供的IFC原始模型作為測試數據，進行BIM與3DGIS的集成測試，測試結果如圖4所示。

從測試結果中可以看出，轉換后的模型中，可以保留較為完整的建筑對象幾何結構和大部分語義信息，因IFC與CityGML存在結構上的差異，最后得到的CityGML模型丟失了一部分屬性信息，導致CityGML模型的可視化顯示效果不佳，部分建筑構件的紋理已經丟失。因此，在這兩種不同的標準的映射轉換過程中，還需要通過某種方式把信息保存為CityGML屬性，以避免丟失相關類型的信息。

圖4 測試結果對比圖

4 結語

隨著智慧城市的發展，僅僅只包含三維表面模型的3DGIS，并不能滿足人們從真三維實體中解決問題的要求。文中提出一種基于IFC和CityGML映射轉換的BIM與3DGIS集成方法，通過利用FME數據轉換與共享技術，順利完成IFC和CityGML之間的語義信息傳遞，在一定程度上對BIM與3DGIS的集成應用起了促進作用。當然，只有解決了其中遇到的眾多問題，如部分語義信息和紋理丟失、映射規則的完善等，才是真正意義上的連接室內室外，實現建筑空間信息與地理環境的交互共享。

［1］Li Deren，Zhu Qing，Liu Qiang，et al.From 2D and 3D GIS for CyberCity［J］.Geo-Spatial Information Science，2004（1）：1-5.

［2］湯圣君，朱慶，趙君嶠.BIM與GIS數據集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操作技術［J］.土木建筑工程信息技術，2014（4）：11-17.

［3］Liebich T，Adachi Y，Forester J，et al.Industry foundation classes IFC2x edition 3 technical corrigendum 1［J］.International Alliance for Interoperability，2007（3）：1-653.

［4］OGC Doc No.12-019.OGC City Geography Markup Language CityGML encoding standard version 2.0.0［S］.

［5］劉照球.基于IFC標準建筑結構信息模型研究［D］.上海：同濟大學，2010.

［6］Tae Wook Kang，Chang Hee Hong.A study on software architecture for effective BIM/GIS-based facility management data integration［J］.Korea Institute of Construction Technology，Republic of Korea，2015（3）：25-38.

The Integration of BIM and 3DGIS Based on IFC and CityGML Mapping Transformation

Zhou ZhongXu Su
（College of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

The main research content was the integration method of mapping conversion between BIM and 3DGIS data,the semantic interpretation of IFC and CityGML,the difference between them and the mapping transformation principle were discussed,the integration method of GIS and BIM based on IFC mapping to CityGML was designed and implemented,which was tested to be feasible and could realize the data sharing between BIM and 3DGIS.

building information modeling(BIM)；3D geographic information system(3DGIS)；industry foundation classes(IFC)；city geography markup language(CityGML)；integration

P208

A

1003-5168（2016）11-0018-04

2016-10-19

周忠（1992-），男，本科，研究方向：3DGIS；許速（1975-），女，碩士，講師，研究方向：空間數據挖掘，GIS工程。