一種單數(shù)據(jù)庫的BIM與GIS數(shù)據(jù)的融合方案

摘要：多年來，使用地理信息系統(tǒng) （GIS） 技術(shù)創(chuàng)建空間數(shù)據(jù)庫的目的是提供大范圍空間和建筑區(qū)域外的信息;而建筑信息模型 （BIM） 技術(shù)主要針對室內(nèi)和室外的小空間，所針對的用戶和開發(fā)的應(yīng)用程序都有所不同。一方面，GIS技術(shù)的發(fā)展，包括新型的空間數(shù)據(jù)采集工具（例如激光掃描儀）的重大推廣使用，使越來越多的用戶開始在地理信息數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上附加建筑細節(jié)數(shù)據(jù)。另一方面，BIM技術(shù)也開始在建筑之外的空間進行延伸。數(shù)據(jù)處理和開發(fā)人員注意到需要將兩種不同的技術(shù)結(jié)合起來，從而避免重復(fù)的處理工作。本文提出了一種將GIS數(shù)據(jù)和BIM模型融合的方案，以一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫存儲方式，兼容BIM/GIS的數(shù)據(jù)存儲和使用環(huán)境。BIM系統(tǒng)能夠同時訪問BIM和GIS數(shù)據(jù)，滿足分析建筑物及其周圍環(huán)境的需求;GIS系統(tǒng)可以獲取空間分析所需的最新建筑數(shù)據(jù)，滿足空間分析、建筑管理或路線規(guī)劃等需求。本文中提出的方法使用集成BIM-GIS模式（稱為 BIGI-S），基于工業(yè)基礎(chǔ)類 （IFC） 和CityGML Schema，以單數(shù)據(jù)庫的形式集成給其他應(yīng)用調(diào)用。本文介紹了該解決方案的技術(shù)方案，包括具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換算法以及技術(shù)路線。

關(guān)鍵詞：BIM;GIS; CityGML; IFC;數(shù)據(jù)庫

1.引言

將GIS（地理信息系統(tǒng)）和BIM（建筑信息模型）系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行集成的研究僅有10年歷史，而GIS系統(tǒng)可以追溯到上世紀60年代初，BIM系統(tǒng)可以追溯到上世紀80年代初。然而，就BIM而言，和“建筑信息模型”（包括BIM的縮寫）這個術(shù)語在 1990 年代開始被廣泛使用[1]。 2002 年，Autodesk Inc. 發(fā)表了題為“建筑信息模型”[2] 的文件，普及了 BIM 的思想。

多年來，使用 GIS 技術(shù)創(chuàng)建的空間數(shù)據(jù)庫的目標是提供有關(guān)建筑物之外的空間信息。 21 世紀初，此類技術(shù)的重大發(fā)展、快速數(shù)據(jù)采集的新工具（例如激光掃描）以及不斷增長的用戶需求，促使了GIS領(lǐng)域開始向建筑物內(nèi)部空間發(fā)展。有關(guān)的數(shù)據(jù)標準，例如建筑內(nèi)部空間數(shù)據(jù)模型 （BISDM）和后來的CityGML，也有助于相關(guān)程序的發(fā)展。與此同時，BIM相關(guān)的應(yīng)用也在快速發(fā)展。然而，技術(shù)開發(fā)人員開始注意到，盡管在兩個領(lǐng)域有很多數(shù)據(jù)處理工作是重復(fù)的，但將兩種不同的技術(shù)結(jié)合起來并不簡單。許多應(yīng)用程序需要連續(xù)（在空間意義上）訪問建筑物內(nèi)外的信息（例如，導(dǎo)航應(yīng)用程序）。這種需求的重要性在兩個分支機構(gòu)之間的協(xié)議（即ESRI和Autodesk于2017年11月15日的公告[3]）中以及建立一個關(guān)于 BIM-GIS 概念映射的ISO 19166標準（B2GM）的工作組中，是顯而易見的[4]。

從BIM和GIS的實踐中得出結(jié)論，需要在GIS系統(tǒng)中展示和分析來自BIM模型的數(shù)據(jù)，而無需在每次更新BIM數(shù)據(jù)集后重復(fù)導(dǎo)入此類數(shù)據(jù)，因此需要一個可統(tǒng)一環(huán)境，可以從中處理 BIM 和 GIS 數(shù)據(jù)。開發(fā)一個通用的數(shù)據(jù)模型和一種格式是一件耗時的工作，所以本文的解決方案專供軟件開發(fā)人員使用，主要是在BIM-GIS的通用標準被開發(fā)和接受之前的過渡時期使用。該技術(shù)路線需要以原始形式使用先前創(chuàng)建的數(shù)據(jù)資源。本文展示了融合BIM和 GIS領(lǐng)域的研究成果，即為BIM和GIS系統(tǒng)使用單個數(shù)據(jù)庫，同時保留它們典型的 IFC（工業(yè)基礎(chǔ)類）和CityGML源數(shù)據(jù)模型。

2.BIM/GIS集成數(shù)據(jù)庫方案設(shè)計

開發(fā)新的BIM和GIS數(shù)據(jù)模型需要對市場上現(xiàn)有應(yīng)用程序進行徹底的變革，考慮到實際成本問題，本文通過在單個數(shù)據(jù)庫（后面稱為集成BIM-GIS數(shù)據(jù)庫 （BIGI-D））中以原始形式提供IFC和CityGML數(shù)據(jù)，集成數(shù)據(jù)庫并不意味著模型概念上的單一數(shù)據(jù)庫，而是一個連貫的技術(shù)環(huán)境，允許各種應(yīng)用程序使用兩種格式的數(shù)據(jù)并通過統(tǒng)一接口進行數(shù)據(jù)交換。在應(yīng)用階段，IFC Schema保存的BIM數(shù)據(jù)，使用模型中的表、屬性和存儲過程進行數(shù)據(jù)處理;CityGML Schema的GIS數(shù)據(jù)使用CityGML數(shù)據(jù)中的表、屬性和存儲過程進行處理。這種體系在這里有兩個用處——作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和作為在數(shù)據(jù)庫中存儲表和過程。存儲過程是一組具有名稱的SQL（結(jié)構(gòu)化查詢語言）語句，它們作為塊存儲在數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)中。此外，增加BIM-GIS Schema（BIGI-S），用于聯(lián)合存儲IFC和CityGML的數(shù)據(jù)，以方便BIM和GIS之間的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)共享。以上三種方案都在一個數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)。

基于動態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的模型基于另一種方法實現(xiàn)：數(shù)據(jù)僅存儲在BIGI-S中，專用于單個 BIM和GIS應(yīng)用程序（以及其他應(yīng)用程序）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)庫視圖和存儲過程實現(xiàn)。專用于BIM應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是基于從BIGI-S轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的存儲過程即時生成的;生成CityGML數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的方法相同。該解決方案的主要優(yōu)點是消除了數(shù)據(jù)冗余，每個對象都保存在數(shù)據(jù)庫中一次，但可以使用CityGML和IFC視圖查看。

數(shù)據(jù)庫可以基于BIM和GIS數(shù)據(jù)進行擴展，對接相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，從而每一個應(yīng)用系統(tǒng)都可以訪問集成的BIM/GIS數(shù)據(jù)。圖1展示了BIGI-D架構(gòu)，它在允許GIS和BIM系統(tǒng)使用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫配置。

實際應(yīng)用中，對于選定的建筑物，可能存在GIS、BIM或在GIS和BIM中三種情況。 本文的方案中，假設(shè)只有當沒有可用的原始BIM模型時，才應(yīng)將建筑模型從CityGML模式轉(zhuǎn)換為集成數(shù)據(jù)庫。因為BIM模型有豐富細節(jié)以及后期對該模型構(gòu)建的BIM流程的數(shù)據(jù)更新的，BIM模型是最理想和最完整的建筑數(shù)據(jù)來源。

3.數(shù)據(jù)融合實施方案

使用BIGI-D數(shù)據(jù)庫的第一階段是數(shù)據(jù)存儲。對于來自BIM應(yīng)用的數(shù)據(jù)，該階段將數(shù)據(jù)導(dǎo)出為IFC文件并將其保存在專用于存儲IFC數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫模式中（IFC Schema），它包含對每個表進行操作的存儲過程，支持寫入、讀取、更新和刪除數(shù)據(jù)。保存整個模型后，執(zhí)行從IFC到BIGI-S的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程。數(shù)據(jù)由存儲過程轉(zhuǎn)換為BIGI-S中的表。該過程完成后，將刪除IFC中的數(shù)據(jù)，避免了數(shù)據(jù)冗余。

在下一階段，BIM和GIS應(yīng)用程序可以調(diào)用保存在BIGI-D中的建筑模型數(shù)據(jù)。BIM應(yīng)用程序調(diào)用將所選建筑模型的數(shù)據(jù)從BIGI-S傳輸?shù)絀FC Schema的存儲過程。使用完成后，數(shù)據(jù)從IFC Schema中刪除。GIS應(yīng)用的調(diào)用過程與此相同。如果BIM應(yīng)用更新了BIM模型數(shù)據(jù)，IFC Schema中存儲的數(shù)據(jù)將被轉(zhuǎn)換為BIGI-S，數(shù)據(jù)庫中的觸發(fā)器開始更新CityGML Schema中數(shù)據(jù)過程，GIS系統(tǒng)接收有關(guān)對象的新數(shù)據(jù)。同樣，由GIS系統(tǒng)保存的建筑數(shù)據(jù)可自動用于BIM應(yīng)用程序。如果建筑物內(nèi)部的數(shù)據(jù)僅從IFC模型中獲取，則整個模型的數(shù)據(jù)將保存在BIGI-S中，僅從CityGML獲取有關(guān)建筑物的數(shù)據(jù)的情況也相同。如果建筑數(shù)據(jù)是從BIM和GIS同時獲得的，幾何和描述數(shù)據(jù)取自IFC數(shù)據(jù)，并附加來自CityGML的空間描述數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中的每個建筑物都有一個全局唯一標識符 （GUID），IFC和CityGML Schema中的同一建筑物將具有相同的GUID，允許BIGI-D在獲取數(shù)據(jù)的過程中識別建筑物。

保持三份數(shù)據(jù)一致性的方法是進行實時轉(zhuǎn)換。IFC和 CityGML數(shù)據(jù)庫模式不包含表，而只包含存儲過程。在IFC Schema中寫入數(shù)據(jù)的過程是將IFC數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換為BIGI-S。讀取數(shù)據(jù)是從BIGI-S獲取源數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為IFC格式，而不使用IFC Schema作為中間表。GIS應(yīng)用程序處理數(shù)據(jù)的過程相同，數(shù)據(jù)通過CityGML Schema中的存儲過程在BIGI-S之間進行轉(zhuǎn)換。

3.1.IFC數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)

IFC數(shù)據(jù)庫模型與IFC模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完全對應(yīng)，為了能夠?qū)Ρ４嬖陉P(guān)系數(shù)據(jù)庫中的BIM數(shù)據(jù)進行編輯操作，應(yīng)用了存儲過程機制。對于每一類IFC對象，都為寫、讀、更新和刪除操作準備了四個存儲過程。為了實驗的目的，為100多種IFC對象準備了能夠?qū)懭?、讀取、修改和刪除IFC對象數(shù)據(jù)的存儲過程。這些過程是在PostgreSQL平臺上以SQL和PL/pgSQL（過程語言/PostgreSQL）語言實現(xiàn)的。為了進行比較，還為 Oracle 數(shù)據(jù)庫中的 PL/SQL（SQL程序語言）和Microsoft SQL Server數(shù)據(jù)庫中的T-SQL（Transact SQL）中的幾個選定IFC 對象準備了存儲過程。這部分實驗的目的是檢查是否可以創(chuàng)建無論使用哪個數(shù)據(jù)庫平臺都可以以類似方式觸發(fā)的存儲過程。實驗結(jié)果證實，對PostgreSQL、Oracle和SQL Server數(shù)據(jù)庫中的表操作的預(yù)準備存儲過程的觸發(fā)非常相似。因此，所提出的解決方案可以與任何上述關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一起使用。

3.2.IFC數(shù)據(jù)自動導(dǎo)入

將數(shù)據(jù)從IFC文件重寫為數(shù)據(jù)庫中的IFC Schema的過程包括三個步驟：從IFC文件讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)以可讀的形式保存數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（創(chuàng)建SQL腳本），通過執(zhí)行數(shù)據(jù)庫中的腳本將數(shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)庫中。因此，數(shù)據(jù)傳輸操作是一項多步驟任務(wù)，包括將數(shù)據(jù)從BIM程序?qū)С鰹镮FC格式，然后將數(shù)據(jù)從IFC文件導(dǎo)入到集成 BIM/GIS空間數(shù)據(jù)庫中的BIGI-S。數(shù)據(jù)過程如圖2所示。

3.3.統(tǒng)一IFC數(shù)據(jù)和CityGML數(shù)據(jù)

解決方案的架構(gòu)是在單個數(shù)據(jù)庫中使用多個Schema。單獨的IFC Schema和CityGML Schema分別專用于存儲BIM和GIS數(shù)據(jù)。GIS應(yīng)用程序只能通過CityGML Schema使用數(shù)據(jù)，而BIM應(yīng)用程序可以通過IFC Schema訪問數(shù)據(jù)。IFC和CityGML Schema被視為臨時數(shù)據(jù)集。存儲在IFC Schema中的數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為BIGI-S，允許無損保存來自IFC模型的數(shù)據(jù)。同樣，GIS應(yīng)用程序保存在CityGML Schema中的數(shù)據(jù)也轉(zhuǎn)換為BIGI-S。集成數(shù)據(jù)Schema以位于BIGI-S中的一組表和存儲過程的形式表示。在構(gòu)建集成數(shù)據(jù)Schema時，要考慮GIS和BIM數(shù)據(jù)模型的差異。表1顯示了選定的示例，以及在CityGML和IFC Schema中存儲建筑數(shù)據(jù)的方法之間的差異。它需要許多數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換才能通過中間模型在這些模型之間轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。BIGI-S中實現(xiàn)的存儲過程可以在CityGML和IFC Schema與集成Schema之間保存和讀取數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲在BIGI-S中的公共表中，并使用GIS系統(tǒng)中通常使用的幾何數(shù)據(jù)類型。

BIGI-S中的存儲過程允許數(shù)據(jù)從IFC Schema到BIGI-S的即時轉(zhuǎn)換，反之亦然。CityGML Schema和BIGI-S之間的雙向數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模型如表1。對于繼承自IfcProduct類的對象，將數(shù)據(jù)從IFC Schema轉(zhuǎn)換為BIGI-S的過程包括幾個步驟：重寫對象的基本屬性，轉(zhuǎn)換對象的幾何形狀到全局坐標系，根據(jù)TrueNorth屬性考慮坐標系的旋轉(zhuǎn)，保存分配給對象的各個屬性，保存分配給對象的屬性集（圖3）。

對于從IfcObjectDefinition類繼承的每個對象類，對象數(shù)據(jù)從IFC Schema到BIGI-S的轉(zhuǎn)換過程的算法是相同的。

逆向轉(zhuǎn)換包括在BIGI-S表中存儲的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)建分配給對象的屬性集、分配給對象的單個屬性以及從BIGI-S中獲得的對象局部坐標系中的幾何圖形。在全局系統(tǒng)中表示的幾何，考慮到宿主對象的所有局部坐標系。最后一步是創(chuàng)建對象本身及其基本屬性（圖4）。

從CityGML模式到BIGI-S的轉(zhuǎn)換要簡單得多。轉(zhuǎn)換過程涉及重寫有關(guān)對象、幾何數(shù)據(jù)和屬性的基本數(shù)據(jù)（圖5）。

數(shù)據(jù)從BIGI-S到CityGML Schema的逆轉(zhuǎn)換是類似的。它包括基本對象數(shù)據(jù)、對象幾何和屬性（圖6）。

4.結(jié)論

本文對相關(guān)文獻和當前BIM解決方案進行深入研究后，提出了一種新的BIM和GIS數(shù)據(jù)集成方法，該方法使用了一個集成空間數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫由三種不同的模式（在結(jié)構(gòu)和獨立位置層面）組成。數(shù)據(jù)庫作為IFC數(shù)據(jù)的存儲允許GIS系統(tǒng)使用當前的BIM數(shù)據(jù)，而無需將IFC文件導(dǎo)入，這為開發(fā)跨專業(yè)系統(tǒng)提供了便利性。本文提出的BIM/GIS空間數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)庫使存儲GIS 和BIM數(shù)據(jù)成為可能，從而使不同類型的系統(tǒng)能夠以一致的方式同時調(diào)用相同的數(shù)據(jù)。BIM系統(tǒng)能夠在分析建筑物的同時分析其周圍環(huán)境;GIS系統(tǒng)可以獲取空間分析、建筑管理或?qū)Ш綉?yīng)用所需的最新建筑數(shù)據(jù)。

實現(xiàn)這種解決方案的條件是在BIM工具中加入數(shù)據(jù)庫訪問機制。這種機制可以取代現(xiàn)有的BIM應(yīng)用程序功能，即處理自己的二進制格式數(shù)據(jù)文件。這是一種簡單的解決方案，只需要進行技術(shù)修改，而創(chuàng)建新的模型格式。就GIS而言，只要軟件支持CityGML格式，幾乎不需要進行重大修改。

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作者簡介：張鐸（1991-），男，漢族，河北省邢臺市，助理工程師，碩士研究生，上海勘測設(shè)計研究院有限公司，研究方向：地理與建筑信息化

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