基于ADE的IFC到CityGML層次轉換模型

趙彬彬,王笠葦,謝建湘,張宏奎,王倩

(1.長沙理工大學交通運輸工程學院,長沙 410114;2.長沙理工大學公路地質災變預警空間信息技術湖南省工程實驗室,長沙 410114)

隨著城市信息化建設的推進,精細化、標準化、智能化已成為城市建設和管理的未來趨勢。建筑信息模型(building information modeling,BIM)能夠為城市建設提供精細的數據來源,包含設計、建設以及管理等全周期信息,具有精度高、特征參數化和語義信息詳盡等優點[1]。由于建筑物的大型化、高層化的發展趨勢,給城市室內外一體化帶來了新的挑戰,因此單一的技術無法滿足該需求,繼而建筑信息模型(BIM)與地理信息系統(geographic information system,GIS)等其他先進技術集成獲得空前關注,其集成亦為城市建設管理提供了新途徑和手段[2],避免傳統模式中“信息孤島”等問題的產生[3]。

目前,中外已有不少BIM與GIS數據集成的研究,但總體仍處于探索階段,基本是圍繞工業基礎類(industry foundation classes,IFC)和CityGML(city geography markup language)兩個標準從本體論、數據格式以及標準擴展3個角度來開展。歐洲學者對此做了較多工作,其中,本體最初是哲學領域的概念,隨后被引入信息科學領域,在地理信息領域也得到了廣泛的應用,例如,Colucci等[4]結合本體論,設計了HBIM(historical building modelling)模型,以實現數據的集成;Stepien等[5]利用本體論,在數據層面融合BIM和GIS,以創建整個隧道工程的集成模型。基于數據格式轉換的研究多側重于幾何信息、屬性信息兩方面。例如,Sharafat等[6]建立語義映射規則,開發了新型的地下公用事業管理系統BIM-GIS集成框架;Tauscher等[7]基于模塊化圖形轉換,提出一種IFC到CityGML轉換規則的模塊化框架。而基于標準擴展的轉換則首選CityGML ADE(application domain extension)來實現(其次是利用泛型機制),ADE是CityGML的一種原生機制,用于擴展其支持特定目的的數據模型,達到將新屬性添加到現有的CityGML標準類以及添加新的對象類型等數據集成目的[8]。例如,代爾夫特理工大學研究團隊設計并發展了GeoBIM的擴展模式[9];Eriksson等[10]提出CityGML Sve-Test,并實現IFC到其的轉換,提高建筑物權限檢查的自動化水平?？梢?ADE的開發比較活躍,但其實現和使用則相對滯后。國內相關研究較少,例如,呂慧玲等[1]提出了一種BIM到多層次細節GIS模型的轉換方法;趙強等[11]建立IFC綜合管廊模型轉換為CityGML模型的流程和方法,進而實現兩者的數據集成。

BIM與GIS的數據集成中,ADE具有高度靈活性,可賦予模型新信息,能減少IFC到CityGML轉換中的語義丟失[12];同時,ADE比IFC支持更低的結構級別,從而支持引入CityGML中不可用的新概念。此前多數相關研究局限在對CityGML至關重要的若干類和屬性轉換上,并不涉及從IFC到CityGML的完整或幾乎無損的信息轉化問題?，F階段,有通過CityGML自身的link功能調用IFC中的定義語義、基于CityGML和IFC的通用類進行擴展以及對CityGML的底層Schema文件進行修改3種方式對CityGML進行擴展[13]。早在2007年發布的CityGML 0.4版本中就引入了ADE,隨后Tunnel ADE和Bridge ADE被編入2.0標準,并沿用至今。目前有Energy ADE[14]、Landinfra ADE[15]、BCP ADE[16]、CTWL ADE[17]和UtilityNetwork ADE[18]等。

目前,一些商業軟件如IFCExplorer、BIMServer和FME,開發了BIM到GIS的系列轉換器。Esri和Autodesk合作后,ArcGIS Pro 2.2已支持讀取Revit的BIM信息及其可視化。SuperMap亦開發了Revit等BIM軟件的導出插件,一鍵式導入“*.rvt”等BIM格式數據,同時可直接讀取Revit數據,實現與Revit的快速協同。可見,若能將兩者集成,BIM能為GIS提供更豐富、詳盡的語義、幾何等信息,而GIS則大幅提升BIM空間分析能力,亦可實現內外一體化的三維精細化建模,以及項目生命周期各階段多種時空尺度的信息管理服務。即在保證模型的高度可交互性的同時,使得建筑設計和施工等過程更加高效和精確。

由于以IFC為標準的BIM數據中包含大量實體,例如,IFC2×4版本中約有800個實體,而其中能與CityGML進行匹配轉換的實體僅70個左右,這導致在數據集成過程中出現大量數據丟失和冗余等問題。BIM與GIS之間的數據融合還存在著諸如數據標準不同、跨平臺間數據不兼容、模型數據量大等一系列問題[19]。為此,現利用ADE機制,對GIS數據的CityGML標準進行語義擴展,建立CityGML ADE,以使IFC標準中更多的室內模塊能夠集成到CityGML中,進而依托FME轉換器實現BIM與GIS數據的集成。

1 IFC與CityGML

1.1 IFC標準

IFC標準是BIM領域通用的數據標準,由Building SMART采用EXPRESS或XML來定義數據,是以其幾何信息、屬性信息和拓撲關系形成的面向建筑對象的語義模型[20]。IFC分為資源層、核心層、信息交換層以及專業領域層4個層次,主要內容包含于IFC Schema中,并將建筑全生命周期內所有數據信息進行歸類劃分。得益于IFC標準的開放性,其已成為跨平臺信息交換中最成功的互操作工具之一,但其在表達范圍、信息分級和插值方面存在局限性[21]。

1.2 CityGML標準

2008年,開放地理空間聯盟(open geospatial consortium,OGC)將CityGML定義為三維城市模型的語義存儲和交換的主要開放數據模型和格式[22],并正式發布CityGML 1.0。2012年,為提高CityGML在更多領域的可用性,OGC發布了CityGML 2.0。此后,德國地理數據技術設施小組向OGC提交了更改申請,并開啟了CityGML 3.0版本的陸續發布[23]。

CityGML包含空間實體的語義層級、集成關系和空間特性,并由一個核心模塊和多個不同領域的主題模塊組成,其中,最基礎的Core模塊定義了模型的基本概念與構成組件,其余擴展和主題模塊均依賴于它。CityGML采用LOD(levels of detail)分級概念,支持從多個LOD細節層次對建筑外表面、建筑組成部分、建筑內外設施、建筑內部細節結構進行空間與語義上的描述和表達。本文研究以重新定義了LOD的CityGML 3.0作為研究標準,其通過LOD0-LOD3來表達特定細節層次的建筑物構件和空間結構[24]。

1.3 IFC與CityGML的差異

由于應用領域側重點不同,上述兩種數據標準在文檔形式、幾何信息、語義信息等方面都存在差異。幾何信息方面,前者主要有邊界表示(boundary representation,B-Rep)法、掃描體(Sweep)法和構造實體幾何(constructive solid geometry,CSG)[25]3種表達方法。在B-Rep中,對象是由多個表面共同圍成的封閉區域來表達;Sweep是通過定義掃描路徑,拉伸二維平面來實現表達;CSG則通過多個基礎原始的幾何對象,運用布爾運算(交集、并集等),以生成新幾何體。而后者則只有B-Rep一種表達方式,一個建筑物由多個建筑物構件組成,單個建筑物構件又由若干個包含幾何特征信息的邊界表面組成。正是這種幾何信息表達方式的不同,導致兩類數據集成難度陡增。

語義信息方面,前者所含語義信息較豐富,包含建筑物的細節描述和不同構件間的空間連接關系。而后者采用面向對象的建模方式,以要素類型(地物類型)作為信息表達的基本單元,通過UML有層次地封裝空間和屬性信息[26],來描述建筑物的具體結構,定義了RoofSurface、GroundSurface以及BuildingFurniture等多個語義對象[27],但語義信息相對較少。這使得IFC中大量實體類在CityGML中無對應要素類與其匹配,如樓梯、梁、柱等,進而造成數據集成時信息丟失。表1為兩者在文檔形式等方面的差異對比。

表1 IFC與CityGML的比較

2 IFC到CityGML各層級的轉換

在IFC到CityGML的轉換過程中,需根據CityGML LOD各層級實體,在IFC數據中選擇對應實體與之匹配,以表達不同細節層次的建筑物。實驗數據采用開源IFC模型(http://openifcmodel.cs.auckland.ac.nz/),其中,模型Ⅰ為簡單的兩層建筑,如圖1(a)和圖1(b)所示,模型Ⅱ為四層樓的教學樓,如圖1(c)和圖1(d)所示,均包含門、窗、墻、屋頂、樓梯、梁、柱等常見建筑構件。

圖1 IFC模型

由于CityGML LOD0僅包含建筑物底部輪廓,即平面圖,而CityGML LOD1可通過拉伸建筑物底部矢量圖形(如天地圖、OpenSreetMap),以獲得其棱柱塊模型,故此處不考慮IFC數據到CityGML LOD0、LOD1的轉換。IFC存儲了要素的關聯關系、屬性以及幾何表達等各種信息,其中某些屬性和幾何類別無需轉換。

依照圖2所示層次轉換模型,下面詳述利用FME設置組合不同的轉換器,實現IFC到CityGML LOD2、LOD3的轉換。首先,根據需求對IFC實體進行過濾,保留墻面、建筑構件以及室內家具等要素,進而建立映射規則;然后,利用3DAffiner等轉換器,對要素進行平移、旋轉、縮放和反射等三維仿射變換,實現獨立坐標系到世界坐標系的轉換;其次,針對幾何差異,利用Geometry XQuery、Deaggregator以及Aggregator等主要轉換器,分解聚合要素為各個組成部分,再組合、合并要素的圖形對象為異構或同構集合;接著,組合無幾何對象的要素的屬性,優化要素,實現幾何重構,并通過暴露要素屬性、分配新屬性值等操作傳遞屬性信息;最后,利用FeatureMerger、TestFilter等工具整合幾何和屬性信息,從而生成CityGML模型。

圖2 由IFC到CityGML的層次轉換模型

2.1 IFC到CityGML LOD2的轉換

LOD2模型僅描述建筑的外形、墻面,不包含門、窗等開口,蘊含的信息較匱乏,LOD2適用于不注重室內信息的大規模城市三維建模。運用上述層次轉換模型將圖1所示的模型Ⅰ和模型Ⅱ進行轉換,該過程涉及IfcRoof、IfcSlab、IfcWall等建筑結構,結果如圖3所示,幾何圖形轉換無誤。

圖3 CityGML LOD2轉換結果

2.2 IFC到CityGML LOD3的轉換

LOD3是對室內結構及構件細節的詳細表達。通過一對一與多對一的映射完成語義信息轉換,即一個或多個IFC實體類映射為一個CityGML實體類,例如,IfcDoor以一對一映射至Door。但CityGML標準并沒有對建筑構件做詳細分類,其中無Stair、Beam、Column等類別,導致IfcStair、IfcBeam、IfcColumn以及IfcMember等實體類以多對一的方式映射至BuildingConstructiveElement;IfcRailing、IfcFlowTerminal、IfcFurshingElement以及IfcBuildingElementProxy等實體類映射至BuildInstallation。

運用圖2層次轉換模型進行轉換,幾何圖形轉換無誤,其中,模型Ⅰ、Ⅱ的門、窗、墻面、屋頂、內部設施等構件均清晰可見,為減少數據冗余,將WallSurface、FloorSurface以及RoofSurface等表面要素類進行了合并(圖4)。雖然能夠進行較為完整的轉換,但多對一的映射規則極大程度上限制了涉及室內信息的應用。例如,模型Ⅰ中樓梯與梁、模型Ⅱ中樓梯與柱映射為同一實體類,導致室內導航等對建筑物內部詳細結構高要求、高標準的應用來說,無法識別樓梯等同種類別實體的具體位置。而相對現實中更為復雜的建筑物,CityGML的實體類別更加無法滿足詳細表達的需求,這對實現室內外一體化提出了新的挑戰。

圖4 CityGML LOD3轉換結果

3 CityGML B-Con擴展模型

CityGML數據模型并不對應支持IFC存儲的所有信息,從而導致部分BIM信息丟失?？紤]到ADE對結構級別的兼容性和對新類支持的可擴展性,此處憑借ADE機制,通過Enterprise Architect來修改底層Schema文件,進而對CityGML進行幾何、語義信息兼顧的擴展,從而實現BIM數據與GIS數據的轉換集成。

3.1 Building與Construction模塊

CityGML 3.0中Building模塊用于建筑物主題和空間的表示,其使用UML來描述語義對象之間的關聯、聚合、組合以及泛化等關系,包括BuildingPart(建筑部分)、Storey(樓層)、BuildingInstallation(建筑附屬物)以及BuildingFurniture(家具)等語義信息,相比于CityGML 2.0版本,Building模塊引入了一個新的抽象類AbstractBuildingSubdivision(建筑細分抽象類),用于表示建筑單元和樓層;同時,引入了新的特征類型AbstractConstructiveElement(構造性元素),為構造元素與其空間邊界建立了明確的聯系。

Construction為該版本新增模塊,定義了建筑物、橋梁、隧道等其余人造建筑所共有的概念特征,并將其傳遞給不同模塊,一定程度上簡化了其余模塊的數據模型,針對非人造建筑結構可用OtherConstruction表示。并且該模塊包含各類實體的表面,如WallSurface(墻面)、RoofSurface(屋頂表面)以及FloorSurface(地板表面),相比2.0版本,CityGML 3.0的特征類型能使IFC數據(如IfcWall和IfcRoof等)更加清楚地映射至CityGML,同時,門和窗戶的語義信息定義也更為清晰。

3.2 B-Con ADE擴展

研究基于ADE機制,設計符合需求的CityGML擴展模型,以保留IFC模型中更多與地理空間以及周邊環境相關的信息。該擴展主要針對LOD3層次,進行Builing和Construction模塊擴展,完善室內構件信息。主要涉及兩方面內容:①針對幾何信息的丟失問題,增加建筑物構件實體,可新增子類,并完善與其他類的關系;②IFC標準所包含的建筑物信息更為全面,轉換過程存在屬性信息丟失的問題。對此,可對其屬性進行擴展,使轉換的CityGML模型包含更多有價值的信息。

此處將擴展的模型稱為B-Con ADE,其UML架構如圖5和圖6所示。B-Con ADE模型在Building模塊基礎上,從BuildingConstructiveElement和BuildingInstallation中派生多個子類實體,與IFC實體實現一對一映射,前者指建筑物中不可拆除的結構,后者指建筑物中非永久性結構或裝置。新增的Railing、Pipe、FlowTerminal等,均由BuildingInstallation派生而來,BuildingElementProxy對應室外設施,ElectricalElement對應IfcLightFixture等用電設施,ServiceElement為配水室及流動裝置等共享建筑服務要素等,Pipe對應IfcPipe及IfcDuct等管道設施。Stair、Ramp、Beam、Column均由BuildingConstructiveElement派生而來。并對新增類的屬性進行擴展,如增加材質、類型等屬性信息,以滿足工程項目需求。Construction模塊的擴展類(Door、Window)均在原有基礎上進行了屬性擴展。最后將擴展后的語義信息集成至CityGML底層Schema文件中。

圖5 CityGML B-Con Building模塊UML圖

圖6 CityGML B-Con Construction 模塊UML圖

4 IFC到CityGML B-Con的轉換

為解決上述IFC模型到CityGML LOD3轉換的室內表達過于單一問題,運用圖2層次轉換模型將圖1所示模型Ⅰ與模型Ⅱ進行IFC到B-Con ADE的轉換,設計IFC模型中室內建筑構件實體與CityGML B-Con ADE擴展語義之間的映射規則,如表2中加粗部分所示,B-Con實體類比CityGML LOD3更豐富,進而能將IFC大量實體以一對一的方式映射,達到減少語義信息丟失的目的。

表2 IFC到CityGML LOD3、B-Con的映射規則

對比圖7(a)和圖4(a)可知,外觀相同且內部結構清晰,模型Ⅰ中47個BuilindgConstructiveElement實體被劃分為46個Beam實體與1個Stair實體,兩者得以區分,且Railing也從BuildingInstalltion劃分出,有了單獨的類別,描述亦更詳細。對比圖7(b)與圖4(b)可知,外觀相同且內部結構清晰,模型Ⅱ中2個Column實體與4個Stair實體也從BuildingConstructiveElement劃分出來。兩者皆完整轉換至CityGML B-Con中?？梢?利用擴展語義實現IFC至CityGML的轉換,可保留原IFC模型中的大部分實體,尤其是梁、柱以及樓梯等室內建筑構件,并根據需求可不斷對其進行擴展。

如圖8所示,運用B-Con模型將更復雜的六層高商場建筑IFC模型Ⅲ轉換為CityGML B-Con,除上述簡單建筑構件外,幕墻、斜坡以及電梯等實體類的轉換亦完整無誤,其幾何結構都得到了較好保留。

圖8 模型Ⅲ轉換結果對比

圖8(b)和圖8(c)分別為IFC至CityGML LOD3以及B-Con的轉換結果,宏觀層面而言,后者詳細程度比前者更高;微觀層面而言,IfcStair、IfcRamp、IfcColumn、IfcBeam(IfcMember)在LOD3模型中均被歸為BuildingConstructiveElement,難以分辨,而在B-Con模型中,四者涇渭分明,如表3中紅框所示的Ramp構件,這能夠實現用于構造、支撐和固定結構等建筑構件的詳細管理;同樣地,IfcBuil-dingElementProxy與IfcRailing在LOD3模型中均被劃為BuildingInstallation,而在B-Con模型中已被區分開來,如表3中綠框所示的Railing構件,能更準確地表示各種服務和功能的設備和系統,以實現建筑物的細節設計、施工和維護管理。這亦克服了CityGML原有標準在建筑物構件表達方面的缺陷[27]。

表3 BuildingConstructiveElement和BuildingInstallation實體對比

5 結論

(1)“尺有所短,寸有所長”。BIM與GIS數據集成可實現從微觀到宏觀、從室內到室外多尺度、多細節層次的城市規劃和管理,但目前在集成和應用層面仍處于探索階段。集成層面而言,IFC與CityGML作為BIM和GIS行業交換標準,因在各方面存在差異,導致數據集成困難,需解決兩個主要問題,即語義映射和幾何轉換;應用層面而言,可與更多先進技術結合。例如,物聯網為其提供建筑內外的實時監測手段,進而實現傳統城市管理到智能化城市管理的邁進。

(2)通過語義擴展構建了面向BIM與GIS數據的層次轉換模型,利用ADE機制,搭建了B-Con模型,進而建立BIM實體與GIS對象之間一對一的映射關系,從而實現IFC到CityGML 3.0與B-Con的轉換。實驗表明,B-Con模型可細化建筑構件層次,減少了數據集成過程中的語義丟失,克服了CityGML 3.0標準在建筑物構件表達方面的缺陷,為后續BIM與GIS的集成提供了基礎。此外,在該模型的基礎上可進行更深層次的擴展,例如,拓撲擴展等,以輔助室內定位、導航等應用;同時,CityGML的某些標準細節仍待完善,這亦是后續工作有待進一步研究的內容。