面向3DGIS場景的BIM模型轉換與集成研究

劉成堃，張 力，馬 瑞，張 雄

（1.長江勘測規劃設計研究有限責任公司，湖北 武漢 430010；2.長江空間信息技術工程有限公司（武漢），湖北 武漢 430010；3.湖北省水利信息感知與大數據工程技術研究中心，湖北 武漢 430010）

三維地理信息系統（3DGIS）具有空間管理、宏觀規劃、決策分析等特征，但對于真實建筑物的表達往往以具有高程信息的表皮模型作為替代，難以描述對象內部結構，限制了3DGIS向微觀世界的發展[1-2]。然而，建筑信息模型（BIM）技術則在微觀結構和信息表達上見長，一方面能整合建筑物的圖形和非圖形信息，以虛擬三維實景的方式呈現[3]；另一方面能通過建立信息流模型，減少信息在建筑各階段傳遞過程中的流失[4]。BIM技術一般針對單一工程項目或單個建筑物，注重微觀和細節管理，但缺乏整體的統籌和設計，當涉及大規模區域或長線工程時，難以實現BIM數據的統一管理、可視化和分析[5]。

3DGIS與BIM的發展歷程相同，均為手工制圖（3DGIS是地圖、BIM是工程圖）借助計算機技術發展的自動化和三維可視化過程[6]，二者之間具有強相似性，卻無可替代性，是一種互補關系。3DGIS反映現實世界，BIM構建現實世界，它們的思維方式和實施過程是互逆的[7]。因此，3DGIS與BIM的集成是實現二者多維度應用的關鍵所在，已逐漸成為學術界和產業界的研究熱點和關注焦點。

3DGIS與BIM的軟件和數據格式多樣，為實現二者的集成，目前的研究趨勢主要是從各自的數據標準著手建立轉換關系。BIM的通用標準為工業基礎類（IFC），與之對應的，在GIS中采用城市地理標記語言（CityGML）來表示和傳輸城市三維對象。二者在模型的描述方法和數據格式上均有差異，本文從幾何信息、語義信息和外觀信息的描述上對二者進行了總結[8-9]，如表1所示。

表1 IFC和CityGML標準對數據描述的比較

為建立這兩個標準間的聯系和轉換關系，學者們開展了多種嘗試，如湯圣君[10]等提出了IFC幾何要素過濾方法以及到CityGML的語義映射規則，為模型的幾何、語義信息互操作提供了思路，但在轉換過程中未考慮數據的化簡，也未形成通用完整的語義映射規則；周忠[11]等提出了IFC向CityGML的映射轉換方法，但轉換后由于部分屬性信息以及大量紋理信息的丟失，導致模型效果不佳；呂慧玲[12]等通過分析IFC數據模型與CityGML模型中所有建筑構件類型及其關聯的語義信息，分別建立了各層級的映射模型，描述了一種從BIM數據到多層次細節GIS模型的轉換方法；劉金巖[13]等對BIM的數據特征、IFC格式數據的結構層次、CityGML中語義信息和幾何信息的細節層次結構進行了詳細分析，并在此基礎上提出了BIM和GIS集成與轉換方法；朱亮[14]等提出了基于語義映射的方法，實現了IFC到CityGML幾何與語義信息的轉換。

現有研究主要是從IFC和CityGML標準的幾何信息、語義信息著手建立轉換關系，但很少有關注轉換過程中外觀信息完整性的案例，導致轉換后的模型效果不佳，且沒有考慮BIM的輕量化需求，未形成面向BIM與3DGIS數據集成的轉換、處理與管理框架體系。鑒于此，本文提出了一種BIM向3DGIS場景轉換和集成的框架，論述了圖元信息與屬性信息的提取和處理、模型輕量化與共享調度、全生命周期的集成管理等內容；并以長江水利委員會的BIM為例，利用該框架實現了BIM在3DGIS場景中的集成。

1 面向3DGIS的BIM轉換與集成框架

1.1 圖元信息與屬性信息的提取和處理

在BIM行業的IFC標準中僅利用材質對模型類型進行標識，往往無法滿足高質量可視化的要求，為實現BIM在3DGIS場景中集成的效果，本文分別針對常用的 A（AutoDesk Revit）、B（Bently）、C（Catia）平臺提出了圖元信息和屬性信息提取的技術路線，并最終形成了優化后的轉換模型和屬性數據庫，如圖1所示。

對于圖元信息的優化，各類BIM均可導出FBX圖形交換格式，進而導入3dsMax等軟件中進行材質、貼圖等信息的編輯處理。該過程中BIM部件的層次結構、模型共享關系會丟失，但部件ID信息在部件名稱中被保留，因此可在屬性信息的提取中重建部件的層次結構關系，在模型調度優化中重建模型共享關系。對于屬性信息的提取，Revit和Bently數據可導出為IFC格式，Catia可導出為3dxml格式，其他數據類型則需尋找對應的中間格式，并根據格式說明等信息進行解析處理，從而獲取BIM部件的ID對應表、層次結構關系和各階段屬性信息。在完成圖元和屬性信息的提取后，通過ID信息對二者進行綜合，從而最終形成優化后的三維模型和屬性數據庫。

1.2 BIM輕量化與共享調度

BIM在不同的階段和尺度范圍，對模型的精度也有不同的要求。為滿足不同尺度下模型輕量化與3DGIS大場景的對應關系，可借鑒CityGML標準對城市模型進行層次細節（LOD）劃分。CityGML通過LOD0～LOD4五個層次對三維城市進行表達。對于BIM，除了描述城市地形的LOD0外，其他層級可分別與CityGML建立對應關系，并從BIM中抽取和過濾對應的部件信息，實現模型關聯轉換。LOD1對建筑物對象進行簡單的幾何體量建模，可從BIM中抽取不帶紋理的建筑外殼，對應BIM的LOD100概念化模型；LOD2在LOD1的基礎上添加詳細的墻體和屋頂信息，賦予其紋理等元素，對應BIM的LOD200初設階段模型；LOD3對LOD2進行更深層次的精細化補充，包括建筑物的附屬結構和附屬設施，對應BIM的LOD300細部設計階段模型；LOD4增加了對室內空間的詳細描述，與最終交付的LOD400或LOD500完整的BIM對應。結合CityGML標準的BIM輕量化如圖2所示。

在完成部件信息的抽取和組合后，利用3DGIS中的幾何簡化和紋理壓縮方法對各級LOD模型進行簡化處理，并進一步構建場景根節點；再根據視點距離對各級LOD模型進行分頁調度，實現BIM在3DGIS場景中的集成。對BIM分級簡化后，由于模型中大量部件被重復使用，可通過樹形層級關系的解析將共享部件的旋轉、平移、縮放信息抽離，重新組織矩陣變換的連接關系，如圖3所示。重建后的層級關系消除了同類部件的重復存儲，通過從根節點至BIM部件的矩陣運算還原得到部件對象的空間坐標，以減輕BIM在3DGIS中渲染和顯示的壓力。

圖3 重建矩陣變換后的模型共享調度結構

1.3 BIM數據在3DGIS中的全生命周期集成管理

GIS的優勢在于數據的組織管理，因此在完成BIM轉換和優化處理后，需將BIM數據在需求、規劃、設計、招投標、施工、移交、運維等各階段的信息在3DGIS數據管理框架中進行融合，以實現面向全生命周期應用的一體化數據集成管理。BIM與3DGIS相結合的面向全生命周期應用的一體化數據集成管理體系如圖4所示，包括數據、服務、模型和應用4個層次，其中數據層包括分布式存儲的元數據、專題GIS數據、三維數字地形、三維城市模型和轉換后的BIM數據；服務層包括目錄服務、網絡地圖服務（WMS）、網絡要素服務（WFS）、網絡覆蓋服務（WCS）、網絡三維服務（W3DS）和BIM部件檢索查詢服務；模型層包括遵循OGC標準的GML、CityGML和近年開始興起和完善的GeoBIM[15]；應用層以3DGIS的集成管理為基礎，提供服務發現、三維瀏覽、查詢、分析等功能，并在此基礎上開展BIM數據的全生命周期應用。

圖4 面向全生命周期應用的一體化數據集成管理體系

2 實例分析

為驗證該技術框架的有效性和可操作性，本文基于長江水利委員會區域的三維基礎數據，利用OpenSceneGraph技術搭建了3DGIS場景，并根據該框架對其中一棟樓宇Revit格式的BIM進行了轉換和集成。其中，3DGIS場景包括基礎三維地形、影像以及周邊建筑物的三維外觀模型；BIM數據包括樓宇的幕墻、結構、電氣、家具、暖通、消防排水、機電等圖層。為實現宏觀3DGIS場景與微觀建筑BIM的集成，本文定義了不同層級下的數據組成，如表2所示。

表2 不同層級下3DGIS與BIM數據組成

對于不同層級下的3DGIS和BIM數據，基于本文技術框架，利用圖元信息與屬性信息的提取和處理、BIM模型輕量化與共享調度、BIM數據在3DGIS中的全生命周期集成管理3個技術進行處理和集成。詳細的轉換與集成過程如圖5所示，左側為BIM數據的轉換與處理流程，右側為從數據到應用的組織管理模式，通過不同顏色對數據、服務、模型、應用進行區分，描述左側圖中形成的成果類型。

圖5 在本文技術框架下的BIM與3DGIS數據集成流程圖

該框架利用圖元信息與屬性信息的提取和處理方法，將Revit格式的BIM轉化為屬性數據庫和優化后的模型，優化后的模型可進一步與3DGIS場景的CityGML模型進行LOD層級對應關聯，進行輕量化和共享調度處理，形成統一的三維場景；同時BIM屬性數據庫與外部相關資料等相結合，定制形成各階段的服務和關聯應用；最終開發形成的基于3DGIS+BIM的智慧樓宇管理信息系統如圖6所示。

圖6 基于3DGIS+BIM的智慧樓宇管理信息系統界面

圖7從不同層級展示了BIM數據的集成結果，其中圖7a為LOD2下的BIM建筑外觀模型在3DGIS場景中的顯示效果；圖7b為LOD3下關閉其中一層外墻后的基本內部結構；圖7c詳細展示了LOD4下內部部件的分布和組成，并可通過鼠標點擊調用BIM屬性檢索服務，獲取詳細的屬性信息，對BIM部件高亮顯示。各層級切換通過視點距離的變化自動完成，較好地實現了BIM在3DGIS場景中的轉換與集成。

圖7 BIM在3DGIS場景中的集成和多級LOD應用

3DGIS場景與BIM的集成以及智慧樓宇管理信息系統的應用驗證了本文技術框架的有效性和實用性，具體表現在；

1）通過圖元信息與屬性信息的提取和處理，以BIM中家具為例，一方面解析了各部件的族、類型、階段、體積等屬性信息并保存至數據庫；另一方面以FBX文件作為中間格式，可在3dsMax中進行模型修改和美化，提升了模型的美觀程度，且能完整保留模型部件與屬性信息間的關聯關系。

2）通過BIM輕量化與共享調度，實現了各LOD層級數據精度和加載速率的平衡。以LOD1～LOD4中均顯示的頂層天花板結構為例，不同層級下的輕量化效果如表3所示，隨著視點距離的增加，可減少頂點、三角格網、條帶和圖元的數量，并對紋理進行縮放，從而減少數據量、提升性能。同時，對于模型中重復出現的相同類型BIM部件，可通過矩陣變化實現模型共享，進一步提升三維渲染性能。

表3 頂層天花板結構BIM各層級輕量化效果

3）通過BIM數據在3DGIS中的全生命周期集成管理，將數據整合入庫并進行服務發布，形成了數據、服務、模型、應用4級結構，將分散的數據整合成了完整的體系，為智慧樓宇三維管理系統的建立提供了支撐。

3 結 語

本文提出的BIM轉換流程和框架體系可充分發揮3DGIS與BIM在宏觀與微觀上的優勢，并實現集成管理，后續可進一步對3DGIS支持下的BIM在線發布、緩存構建、信息壓縮等關鍵技術開展研究，充分發揮3DGIS與BIM結合的優勢和擴展性。