BIM和GIS的空間語義數據集成方法及應用研究

翟曉卉， 史健勇

(上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240)

在城市化快速發展的大背景下，建筑信息模型(building information modeling，BIM)和地理信息系統(geographic information system，GIS)的集成被越來越多地研究和應用到建筑和城市管理相關的領域。BIM是建筑全生命周期的物理和功能信息的集成，含有豐富和詳細的構造信息。但是BIM往往不包括建筑周圍環境的信息，難以被應用于環境評估、資源安排和安全分析。GIS能夠在大空間尺度上基于室外環境的功能和物理空間關系實現地理空間可視化分析和決策，這恰好可以彌補BIM在建筑空間規劃中的不足，但是其缺乏全面而詳細的建筑信息數據庫。因此，BIM與GIS的集成能夠實現從室內到室外不同空間尺度信息的融合，將各自的優勢發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的集成已經被廣泛應用于建筑業和城市管理相關的各個領域，如建筑成本管理[2]、城市能源評估與管理[3]、材料供應鏈管理[4]、室內外導航[5]、場地布局和規劃[6]、安全與應急管理[7]等。

在集成方法上，國內外針對BIM和GIS的數據融合已開展了許多研究，主要是基于2種數據標準的轉換和拓展[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的自動轉換方法。文獻[12]提出的 GeoBIM拓展了CityGML，并將CAD/BIM數據轉換為GIS可識別的建設工程信息。一些主流的商業軟件(如FME，IFCExplorer等)也可以實現BIM和GIS的數據格式轉換，但僅限于較低細節層次模型轉換[9]，對于 LOD層級對應的劃分關系模糊，且與語義信息的耦合程度不高?，F有數據格式的轉換不可避免會造成幾何、語義信息的錯誤或丟失，且由于涉及的應用領域、空間尺度不同，IFC和CityGML標準在數據描述和組織上存在著巨大差異，任何一種數據標準都不能完全涵蓋另一種的所有內容，因此數據格式的轉換并不能實現BIM和GIS的完全融合。發展新的多維度的數據模型，兼顧幾何表達和面向具體應用的語義表達需要，才是BIM和GIS融合的有效解決途徑[13]。

要實現BIM和GIS的融合，需要重視空間信息和語義信息2部分[14]。對空間數據進行統一表達可便于空間數據的管理和分級存儲，可視化時可以根據不同的需求進行不同尺度下地物的分級加載，提升海量數據的可視化效率。另外，需要設計合理的語義框架對BIM和GIS的空間對象進行組織，實現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據模型，結合從BIM到GIS的空間數據轉換方法，設計了BIM和三維GIS的集成應用框架。該方法可在三維城市平臺上進行可視化展示和集成應用，實現建筑信息和城市地理信息的大規模集成。

1 BIM和GIS的通用數據標準

1.1 IFC標準和CityGML標準

IFC標準是Building SMART為BIM應用提出的通用數據轉換標準，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，采用面向對象的描述方式，其核心包含建筑實體對象IfcObject、屬性對象IfcPropertyDefinition和關系對象IfcRelationship3類(圖 1)。屬性包括數量、材質、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聯，并定義對象之間的繼承關系、組合關系和空間拓撲關系。

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中絕大部分建筑構件都是以體模型的方式進行幾何表達，主要分為掃掠體(SweptSolid)、邊界包圍體(B-Rep)、構造實體(CSG)、剪切體(Clipping)等[16]。

CityGML標準是3D GIS在城市領域的應用模式，基于GML語言來實現城市虛擬三維模型的數據存儲與交換。CityGML定義了1個核心模塊以及13個城市相關專題模塊，與BIM概念重疊部分是建筑、交通、橋梁模塊。CityGML具有5種不同細節層次LOD0～LOD4，針對不同細節層次對構件進行不同精細程度的顯示和表達[17]。

CityGML利用基于 XML格式的層級嵌套和屬性標簽的方式進行幾何和語義的統一表達，內層幾何被嵌套到對應的外層語義標簽中(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，最內部依次記錄組成閉環的所有點的X，Y，Z坐標。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涉及不同的應用領域，宏觀空間規劃管理和微觀精細化管理之間的矛盾十分突出[18]。IFC側重于對建筑構件實體對象的描述，而CityGML更側重于對城市以及建筑內外地理空間對象的描述，這一本質上的區別使得 2種數據標準存在很多的差異(表1)，具體表現在不同的空間尺度，不同的坐標系，不同的語義和幾何表達方式，不同的細節程度，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

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

側重于空間位置、拓撲屬性

幾何表達 B-Rep，Swept Solid，CSG B-Rep

建模語言 EXPRESS XML/GML精細程度 統一精細模型LOD4 LOD0-LOD4不同精細程度

2 BIM-GIS融合的三維城市數據模型

BIM和GIS存在的差異為二者的集成帶來了巨大的挑戰，現有數據格式之間的轉換已無法滿足進一步的應用需求。因此本文提出一種BIM和3D GIS融合的三維城市數據模型，該模型參考了 IFC和CityGML標準，兼顧三維建筑實體對象和地理空間對象，考慮多細節層次語義，并將幾何表達進行統一。基于該模型可以實現幾何、語義、外觀、空間在城市級別的統一，既可滿足數字城市高精度建模、精細化管理的要求，又可拓展外部環境對建筑的評估管理的影響，徹底打通室內和室外空間的界限。

三維城市數據模型主要分為幾何層、概念層、多尺度語義層和應用主題層(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行規格網格和不規則三角網的劃分處理進而進行可視化，因此將幾何表達統一為三維表面模型即B-Rep的表達方式。幾何層的數據模型主要參照CityGML的幾何模型，為GML3標準的子集。

(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用的對象，以room或_surface表達。城市對象實體主要是面向構件和設施的功能和性能等屬性描述的對象，可對應 IFC中的實體和屬性加以映射，以_element或_installation類表達。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數據向三維城市數據模型轉化時，有一部分的體模型可以拆分為面模型。例如IfcSpace原本在 IFC中就側向于室內空間的概念，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，還定義了關聯屬性如空間關系、拓撲關系等。

圖3 三維城市數據模型

(3) 多尺度語義層。其定義了不同精細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用，也不利于數據的高效顯示。針對同一地塊需要分層組織數據，需要定義在不同語義尺度上的空間對象和屬性內容的抽象程度。每個對象都與LOD標簽關聯，并且在不同的LOD上允許有不同的幾何表達，即同一個對象可以有對應不同 LOD的不同的幾何，其均與同一個實體關聯，在不同細節層級下選擇對應的顯示方式。

(4) 應用主題層。為滿足實際應用需求，模型參考CityGML拓展了應用主題模型。由于目前的研究主要關注BIM和GIS較為重疊的主題領域，因此模型主要定義了建筑和交通模塊，后續研究中可根據城市管理的需求進一步進行應用主題的拓展。

3 IFC的幾何數據轉換方法

三維城市模型的幾何表達參考了 GML3的幾何標準和CityGML的LOD層級劃分方式，以適應海量三維空間數據的管理和可視化要求。幾何數據轉換不僅要統一表達方式，更要注重與多尺度語義概念的對應。因此對IFC的幾何數據處理主要有2部分內容：①對LOD4精度下的梁柱、墻板等實體對象的 SweptSolid表達轉換為 B-Rep表達，涉及的重點問題有 IFC幾何信息的提取、局部坐標系到世界坐標系的轉換、直角坐標到 GIS大地坐標的轉換；②對應LOD0-3的幾何處理，難點是內外墻的區分和外墻面重構。

3.1 參考坐標系的轉換

IFC模型采用局部坐標系描述構件的位置和幾何，而局部坐標系的參照關系與IFC所定義的類的關聯關系密切相關。場地IfcSite定義一個單一地理參考基點，采用的是經度、緯度和海拔WGS84的全球定位，分別對應于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，用于轉換 GIS坐標[19]。IfcBuilding，IfcBuildingStorey，IfcBuildingElement依次以父類的坐標系為參照(圖 4)。因此要得到建筑構件的絕對坐標，需要進行多次參考坐標系的轉換，以及直角坐標到GIS大地坐標的轉換。

3.1.1 局部坐標到絕對坐標的轉換

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系，RelativePlacement記錄在局部坐標系中的位置并定義新的局部坐標系。Location表示原點坐標，Axis和RefDirection分別表示新的局部坐標系的Z軸和X軸方向。

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

圖4 IFC局部坐標系的層級

圖5 IFC中參照坐標系的定義[19]

3.1.2 直角坐標到大地坐標的轉換

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對象的局部坐標轉化到IfcSite下的全局坐標后，Z軸對應大地高H，x-y平面坐標需要先轉化為GIS的地圖投影坐標，再將地圖投影的平面直角坐標轉化為經緯度坐標。大地坐標系經過不同的投影方式會產生不同的投影坐標系，下面選用GIS較為常用的墨卡托投影[20]為例，說明直角坐標系到大地坐標系的轉換方法：

(1) 提取地理參考點的大地坐標(L，B，H)，利用墨卡托投影正解公式，將大地坐標轉換為空間直角坐標(XE，YN，H)。墨卡托投影的平面直角坐標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，為標準緯度(rad，原點緯度為0)；L0為原點經度(rad)。

(2) 根據式(1)得到的IfcSite的轉換矩陣實際上已經將X軸、Y軸轉換為與正東、正北方向即投影坐標的X軸、Y軸方向一致，因此只需要在此基礎上進行相對于地理參考點的平移變換即可，所以IfcSite到大地直角坐標的轉換矩陣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。

(3) 利用墨卡托投影的反解公式將地理空間直角坐標轉換為大地坐標，即

其中，EXP為自然對數底；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換

IFC的大部分建筑構件是以 SweptSolid和B-Rep的形式記錄，因此幾何表達主要是掃掠體到邊界體的轉換。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。圖 6為拉伸體的幾何參數，IfcExtrudedAreaSolid.Position定義了拉伸體局部坐標系，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行相應計算和坐標轉換，得到平面所有頂點的坐標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A1′(x1′,y1′,z1′)，A2′(x2′,y2′,z2′)，···，An′(xn′,yn′,zn′)

其中，拉伸方向為(Vx,Yy,Vz)；對應拉伸長度為D；

(3) 按照 3.1的方法將頂點的局部坐標多次轉換為全局坐標和大地坐標；

(4) 按外表面重組頂點坐標生成 B-Rep模型(圖 7)，拉伸體的側面可由拉伸前后的頂點依次構成，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 內外墻區分算法和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高面上即可。LOD1是用LOD0平面拉伸至屋頂標高得到的包圍盒，表示建筑實體。LOD2在LOD1的基礎上增加了外墻、底板、屋頂和外部設施，需要進行內外墻的區分和建筑外墻面的重構。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聯的門窗。因此重點需要解決的是內外墻的區分和建筑外墻面的重構。

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(法向量、質心等)，進行三維建模、布爾運算等操作。本文主要采用Alpha-shape算法[21]進行內外墻面區分。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，由個點構成，過任意兩點P1，P2繪制半徑為alpha的圓，如果該圓內沒有其他點，則認為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，并投影到對應的二維平面上，對投影面上的邊進行散點加密，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高即可生成建筑外墻的輪廓。判斷邊緣點與墻投影面的關系，如果邊緣點在投影面上，則判斷為外墻，否則是內墻，表2為內外墻區分法處理結果。

表2 內外墻區分算法處理結果

4 語義信息提取與轉換方法

語義集成是數據集成的重點，譬如BIM中建筑構件類型、建筑材料、設備管線之間的連接關系，系統和設備之間的組成關系等。三維模型在概念層和語義層定義了實體構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行映射(表3)，以及屬性和關系的提取。

三維城市模型將屬性信息分為2類：實體屬性和關系屬性。實體屬性主要指基于對象本身的屬性，如建筑構件的材質、體積、防火等級，設備的型號、能耗等，可以根據實際需求自定義相關的專題屬性集 PropertySet。關系屬性指實體之間的關系，比如空間包含和連接關系、管線和設備的連接關系、系統和部件的組成關系等。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，但其內部定義的數據層次很深，且存在冗余。圖8～9主要以IFC中的建筑單元和設施單元為例，說明非幾何屬性信息的內容和提取路線，從而將屬性信息轉換到三維城市模型的相應屬性類型中。

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關系屬性要素提取[23]

除了空間包含關系之外，BIM 模型的室內空間拓撲關系也是非常重要且有價值的信息。根據IFC空間對象關聯信息的提取方法，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的空間對象。在此基礎上作以下處理：①利用PythonOCC提取房間平面形心點和門窗的位置點，用線段進行連接，形成平面網絡；②獲取與樓梯關聯的梯段、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室內的拓撲與室外的GIS路徑相連接，添加路徑網絡的流量、速率、方向等參數，可以支持室內外路徑規劃、疏散模擬[22]等應用。

5 三維城市數據模型的集成應用

基于以上提出的三維城市數據模型框架和數據集成方法，本文還設計了BIM和三維GIS的集成應用框架(圖10)，可基于上海交大史健勇博士團隊自主研發的CityBIM三維平臺進行數據的訪問和應用。在數據存儲方面基于 ArcGIS空間關系數據庫，根據三維城市數據模型架構，在數據庫中建立對應的類型表和屬性表，同時建立關聯的Geometry字段以存儲三維表面模型。通過對領域層和數據訪問層的開發實現數據模型的讀取，并在CityBIM三維平臺上進行可視化分析和應用。

圖10 BIM和三維GIS的集成應用框架

基于兼顧建筑構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內大體量的BIM和3D GIS模型，查看樓棟管理信息；在高精度下查看建筑構件模型和詳細的屬性信息，實現城市模型的分級加載和數據訪問，優化數據架構，提高模型加載效率。語義信息一部分從IFC中提取，還可根據應用需求拓展與城市管理相關的屬性信息。此外，結合布設的智能監控設備可以實現網絡端的實時定位監測(圖11)。在后續的應用上，可在建筑、施工場地及周圍進行推廣，進一步開發工程項目的管理功能，如建筑環境評估、設備查看、現場檢測、資料管理、材料供應鏈管理等，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用

6 結論與展望

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據模型，研究從BIM到GIS的多尺度空間數據轉換方法，設計了BIM和三維GIS的集成應用框架。該方法解決了傳統的數據轉換帶來的信息缺失和應用局限問題，實現了BIM和GIS在幾何和語義框架的統一集成，為BIM和GIS數據融合提供了思路和技術參考。通過三維城市平臺的可視化展示和信息集成應用，說明BIM-GIS集成的三維數據模型對于大體量的城市數據在多尺度、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勢，在建筑和城市管理上有廣泛的應用前景。

后續的研究將集中于以下幾點：①進一步完善三維城市數據模型，包括幾何和拓撲的多層次優化處理、時空屬性、應用模塊的拓展等；②空間數據庫的性能研究，進一步優化海量時空異構數據下的數據管理系統模式；③考慮新型智慧城市的建設下，現有的數據模型與物聯網、大數據、云計算等信息的集成，不斷拓展和優化數據類型和數據結構；④在應用層面，進一步開展BIM在城市場景中的規劃、管理、建設方面的應用，如場地規劃、室內外一體化導航、施工建設管理等，充分挖掘BIM和GIS集成的應用需求。