基于IFC和CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與3DGIS集成研究

周忠 許速

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

基于IFC和CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與3DGIS集成研究

周忠 許速

（河南工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州 450001）

以BIM與3DGIS數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換集成方法為主要研究?jī)?nèi)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(zhuǎn)換原理，形成基于IFC向CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與GIS集成方法。通過測(cè)試，驗(yàn)證了該集成方法的可行性，實(shí)現(xiàn)了BIM與3DGIS間的數(shù)據(jù)共享。

建筑信息模型；三維地理信息系統(tǒng)；工程基礎(chǔ)類；城市地理標(biāo)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(fā)展方向，是推動(dòng)整個(gè)國(guó)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(nèi)外一體化三維建模，是未來三維城市發(fā)展的必然趨勢(shì)［1］。

地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）為構(gòu)建智慧城市的整體外部環(huán)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(jiǎn)易輕量的三維表面模型等優(yōu)點(diǎn)，但三維表面模型缺乏詳細(xì)的內(nèi)部屬性信息，無法做到深入建筑內(nèi)部構(gòu)件層面。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），具有設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)豐富，精度高，包含幾何、物理、規(guī)則等豐富的空間信息和語義信息［2］等優(yōu)點(diǎn)。但模型數(shù)據(jù)量大，在描述大范圍建筑群體的詳細(xì)信息及其周邊環(huán)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(tǒng)（3DGIS）的融合與集成愈發(fā)顯示出其迫切性。BIM與GIS集成方面的研究也越發(fā)受到人們的重視，兩者集成的應(yīng)用也越來越廣泛且不斷深入。在不同領(lǐng)域間實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的模型轉(zhuǎn)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(diǎn)及難點(diǎn)。

1 IFC和CityGML相關(guān)知識(shí)

1.1 IFC與CityGML的語義描述

行業(yè)基準(zhǔn)分類（Industry Foundation Classes，IFC）和城市地理標(biāo)記語言（City Geography Markup Language，CityGML）分別作為BIM和3DGIS領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)［3，4］。前者針對(duì)于建筑工程領(lǐng)域，包含豐富的語義信息，同時(shí)可以在各類建筑軟件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；而后者是一種用來表示和傳輸城市三維對(duì)象的通用信息模型，是采用模塊化對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行構(gòu)建的。關(guān)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(gè)生命周期中所產(chǎn)生的各種信息，并把這些信息用4個(gè)層來進(jìn)行分類描述，每個(gè)層次各自的功能用途不同，共同構(gòu)建整個(gè)建筑信息模型。IFC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)一個(gè)建筑物的空間架構(gòu)（Ifc-SpatialStructureElement）信息描述包含4個(gè)子類別：IfcProject（項(xiàng)目）、IfcSite（場(chǎng)地）、IfcBuilding（建筑物）、IfcBuildingStorey（建筑樓層）［5］。其中，均采用EXPRESS對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行分類，并由EXPRESS語言定義：Defined Type（基本信息類型）、Enumeration（狀態(tài)或?qū)傩裕?、Select Type（特殊類型）和Entity（實(shí)體）4種信息類型。CityGML是分模塊構(gòu)建的，通過不同數(shù)據(jù)模型以子集的形式進(jìn)行添加，共包含1個(gè)核心模塊和11個(gè)擴(kuò)展專題模塊。核心模塊定義了數(shù)據(jù)模型的基本概念和組件，其作為整個(gè)CityGML模型的底層，其余的擴(kuò)展專題模塊依賴CityGMl核心模塊而存在，核心模塊是基礎(chǔ)，其他專題模塊是在核心模塊的基礎(chǔ)上對(duì)虛擬城市多個(gè)領(lǐng)域的描述。一個(gè)CityGML文檔結(jié)構(gòu)由許多Schema來定義，它們有很多層標(biāo)簽，把建筑元素、建筑元素部件及部件表面等劃分為多個(gè)層次細(xì)節(jié)來描述。

結(jié)合IFC與CityGML各自的具體語義信息描述，順利地實(shí)現(xiàn)兩類數(shù)據(jù)模型的幾何、語義信息共享，是BIM和GIS集成的基礎(chǔ)。

1.2 IFC與CityGML的差異

IFC和CityGML在模型描述方法和數(shù)據(jù)格式上均有差異［6］，具體表現(xiàn)如下。

1.2.1 幾何表達(dá)方面。在幾何表達(dá)上，IFC可通過多個(gè)邊界面片組合來描述并構(gòu)成一個(gè)實(shí)體（邊界描述，Brep），或通過線性或旋轉(zhuǎn)拉伸形成掃描體，或由球、立方體等基礎(chǔ)幾何體經(jīng)過布爾運(yùn)算來構(gòu)造實(shí)體幾何（Constructive Solid Geometry，CSG）3種形式來進(jìn)行表達(dá)。而CityGML中的三維幾何主要是以邊界描述來表達(dá)。

1.2.2 語義信息方面。在語義信息上，IFC模型中包含大量對(duì)建筑實(shí)體和類型的定義以及各類部件間的語義連接關(guān)系；CityGML則應(yīng)用多個(gè)LODs對(duì)建筑物、建筑物部件及建筑物附屬設(shè)施進(jìn)行由簡(jiǎn)到繁的表達(dá)。兩者各具特點(diǎn)，但I(xiàn)FC在建筑細(xì)節(jié)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(zhì)信息；而IFC模型中以材質(zhì)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行表達(dá)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

圖2 IFC向CityGML的映射轉(zhuǎn)換

圖3 BIM實(shí)體模型向GIS多細(xì)節(jié)層次表面模型的轉(zhuǎn)換過程

1.2.4 應(yīng)用尺度方面。在應(yīng)用尺度上，由于三維GIS系統(tǒng)面向大范圍三維場(chǎng)景的管理和可視化，其三維模型結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單；而BIM模型數(shù)據(jù)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，卻難以大范圍應(yīng)用，更多的是以單個(gè)或多個(gè)建筑模型呈現(xiàn)，其分析也是以模型內(nèi)部的分析為主，如碰撞分析、布爾運(yùn)算等。

總的來說，IFC具備建筑對(duì)象豐富的語義信息和多種幾何表達(dá)方式，CityGML則側(cè)重于空間對(duì)象的多尺度表達(dá)和對(duì)象幾何、拓?fù)涞汝P(guān)系的一致性，并且其定義的多個(gè)細(xì)節(jié)層次（LODs）的建筑物模型，為大場(chǎng)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(zhuǎn)換

借助IFC與CityGML同屬語義模型這一特點(diǎn)，進(jìn)行信息過濾及提取，建立語義映射轉(zhuǎn)換進(jìn)行兩者屬性信息之間的傳遞，可以實(shí)現(xiàn)IFC與CityGML的數(shù)據(jù)共享，其大致過程如圖2所示。

圖2中IFC和CityGML的語義映射轉(zhuǎn)換過程，大致概括為：①針對(duì)兩者存在的差異進(jìn)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(duì)實(shí)體的屬性信息（包含預(yù)定義類型、屬性表結(jié)構(gòu)、幾何表達(dá)方式和空間位置等）進(jìn)行分析、篩選過濾和提取，得到中間結(jié)果；②通過中間結(jié)果結(jié)合IFC與CitiGML相關(guān)的語義描述，利用一對(duì)一映射、一對(duì)多映射和間接映射3種類型的語義映射規(guī)則，進(jìn)行多層次語義映射和幾何信息轉(zhuǎn)換，得到映射轉(zhuǎn)換中間結(jié)果；③結(jié)合映射轉(zhuǎn)換得到的中間結(jié)果，進(jìn)行可能必要的語義信息增強(qiáng)過程；④最后利用LOD表面模型生成算法，構(gòu)建CityGML模型所需要的完整的多細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)，從而形成CityGML。

IFC和CityGML雖然都是面向?qū)ο蟮募軜?gòu)，都適于使用面向?qū)ο蠓治龊驮O(shè)計(jì)（OOA/D）技術(shù)，來進(jìn)行概念的抽象、封裝、繼承和多態(tài)化［2］，但在實(shí)際的應(yīng)用中兩者表達(dá)數(shù)據(jù)的方式卻有所不同。IFC形狀是在實(shí)體模型中進(jìn)行表達(dá)，而CityGML只是利用一個(gè)單純的表面模型來進(jìn)行可視化。在數(shù)據(jù)方面，IFC是以IfcPropertySet進(jìn)行屬性分類，而CityGML則是對(duì)每個(gè)屬性進(jìn)行標(biāo)記或使用External-Reference來進(jìn)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(shù)類型，也包括混合變量類型如列表類型。兩者的映射轉(zhuǎn)換過程為了保證語義信息的相對(duì)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(tǒng)方法無法獲取的信息，，再進(jìn)行映射轉(zhuǎn)換。

2 基于IFC和CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與3DGIS集成方法

結(jié)合上述研究，選取基于IFC與CityGML數(shù)據(jù)映射轉(zhuǎn)換的方法，來進(jìn)行BIM與3DGIS的集成，完整的技術(shù)流程圖如圖3所示［6］。

圖3中概括了基于IFC與CityGML映射轉(zhuǎn)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(tái)，實(shí)現(xiàn)從IFC實(shí)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(duì)比篩選并過濾提取建筑對(duì)象中關(guān)鍵要素的語義信息和幾何關(guān)系屬性，再到構(gòu)建IFC與CityGML的映射轉(zhuǎn)換，生成與IFC語義對(duì)應(yīng)的多個(gè)LOD結(jié)構(gòu)，最后構(gòu)成CityGML多層次表面模型的一個(gè)完整轉(zhuǎn)換流程。

其中，為了保障傳遞過程中信息相對(duì)完整，把IFC模型分解為點(diǎn)、線、面、材質(zhì)和顏色5個(gè)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(biāo)記來區(qū)分屬性和其中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)源URL。在實(shí)現(xiàn)映射轉(zhuǎn)換的同時(shí)，利用FME提供的插件技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)CityGML在多個(gè)GIS平臺(tái)下的交互與共享，達(dá)到真正意義上的連接室內(nèi)與室外，從而促進(jìn)BIM與3DGIS技術(shù)的發(fā)展。

3 方法驗(yàn)證

根據(jù)上述集成方法，以2006年2月發(fā)布的IFC2x3版本（IFC2x3）和CityGML2.0.0作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的參考標(biāo)準(zhǔn)，以河南工工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院BIM團(tuán)隊(duì)提供的IFC原始模型作為測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行BIM與3DGIS的集成測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，轉(zhuǎn)換后的模型中，可以保留較為完整的建筑對(duì)象幾何結(jié)構(gòu)和大部分語義信息，因IFC與CityGML存在結(jié)構(gòu)上的差異，最后得到的CityGML模型丟失了一部分屬性信息，導(dǎo)致CityGML模型的可視化顯示效果不佳，部分建筑構(gòu)件的紋理已經(jīng)丟失。因此，在這兩種不同的標(biāo)準(zhǔn)的映射轉(zhuǎn)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(guān)類型的信息。

圖4 測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

4 結(jié)語

隨著智慧城市的發(fā)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(shí)體中解決問題的要求。文中提出一種基于IFC和CityGML映射轉(zhuǎn)換的BIM與3DGIS集成方法，通過利用FME數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與共享技術(shù)，順利完成IFC和CityGML之間的語義信息傳遞，在一定程度上對(duì)BIM與3DGIS的集成應(yīng)用起了促進(jìn)作用。當(dāng)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(guī)則的完善等，才是真正意義上的連接室內(nèi)室外，實(shí)現(xiàn)建筑空間信息與地理環(huán)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(shù)據(jù)集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操作技術(shù)［J］.土木建筑工程信息技術(shù)，2014（4）：11-17.

［3］Liebich T，Adachi Y，F(xiàn)orester 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(biāo)準(zhǔn)建筑結(jié)構(gòu)信息模型研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，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(shù)據(jù)挖掘，GIS工程。