面向3DGIS場景的BIM模型轉(zhuǎn)換與集成研究

劉成堃，張 力，馬 瑞，張 雄

（1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010；2.長江空間信息技術(shù)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(shù)據(jù)工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430010）

三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）具有空間管理、宏觀規(guī)劃、決策分析等特征，但對于真實(shí)建筑物的表達(dá)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(nèi)部結(jié)構(gòu)，限制了3DGIS向微觀世界的發(fā)展[1-2]。然而，建筑信息模型（BIM）技術(shù)則在微觀結(jié)構(gòu)和信息表達(dá)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(shí)景的方式呈現(xiàn)[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(shù)一般針對單一工程項(xiàng)目或單個(gè)建筑物，注重微觀和細(xì)節(jié)管理，但缺乏整體的統(tǒng)籌和設(shè)計(jì)，當(dāng)涉及大規(guī)模區(qū)域或長線工程時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理、可視化和分析[5]。

3DGIS與BIM的發(fā)展歷程相同，均為手工制圖（3DGIS是地圖、BIM是工程圖）借助計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的自動(dòng)化和三維可視化過程[6]，二者之間具有強(qiáng)相似性，卻無可替代性，是一種互補(bǔ)關(guān)系。3DGIS反映現(xiàn)實(shí)世界，BIM構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界，它們的思維方式和實(shí)施過程是互逆的[7]。因此，3DGIS與BIM的集成是實(shí)現(xiàn)二者多維度應(yīng)用的關(guān)鍵所在，已逐漸成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究熱點(diǎn)和關(guān)注焦點(diǎn)。

3DGIS與BIM的軟件和數(shù)據(jù)格式多樣，為實(shí)現(xiàn)二者的集成，目前的研究趨勢主要是從各自的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)著手建立轉(zhuǎn)換關(guān)系。BIM的通用標(biāo)準(zhǔn)為工業(yè)基礎(chǔ)類（IFC），與之對應(yīng)的，在GIS中采用城市地理標(biāo)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(shù)據(jù)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(jìn)行了總結(jié)[8-9]，如表1所示。

表1 IFC和CityGML標(biāo)準(zhǔn)對數(shù)據(jù)描述的比較

為建立這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)間的聯(lián)系和轉(zhuǎn)換關(guān)系，學(xué)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(guī)則，為模型的幾何、語義信息互操作提供了思路，但在轉(zhuǎn)換過程中未考慮數(shù)據(jù)的化簡，也未形成通用完整的語義映射規(guī)則；周忠[11]等提出了IFC向CityGML的映射轉(zhuǎn)換方法，但轉(zhuǎn)換后由于部分屬性信息以及大量紋理信息的丟失，導(dǎo)致模型效果不佳；呂慧玲[12]等通過分析IFC數(shù)據(jù)模型與CityGML模型中所有建筑構(gòu)件類型及其關(guān)聯(lián)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(shù)據(jù)到多層次細(xì)節(jié)GIS模型的轉(zhuǎn)換方法；劉金巖[13]等對BIM的數(shù)據(jù)特征、IFC格式數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)層次、CityGML中語義信息和幾何信息的細(xì)節(jié)層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，并在此基礎(chǔ)上提出了BIM和GIS集成與轉(zhuǎn)換方法；朱亮[14]等提出了基于語義映射的方法，實(shí)現(xiàn)了IFC到CityGML幾何與語義信息的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)有研究主要是從IFC和CityGML標(biāo)準(zhǔn)的幾何信息、語義信息著手建立轉(zhuǎn)換關(guān)系，但很少有關(guān)注轉(zhuǎn)換過程中外觀信息完整性的案例，導(dǎo)致轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)集成的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(diào)度、全生命周期的集成管理等內(nèi)容；并以長江水利委員會(huì)的BIM為例，利用該框架實(shí)現(xiàn)了BIM在3DGIS場景中的集成。

1 面向3DGIS的BIM轉(zhuǎn)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(yè)的IFC標(biāo)準(zhǔn)中僅利用材質(zhì)對模型類型進(jìn)行標(biāo)識(shí)，往往無法滿足高質(zhì)量可視化的要求，為實(shí)現(xiàn)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(tái)提出了圖元信息和屬性信息提取的技術(shù)路線，并最終形成了優(yōu)化后的轉(zhuǎn)換模型和屬性數(shù)據(jù)庫，如圖1所示。

對于圖元信息的優(yōu)化，各類BIM均可導(dǎo)出FBX圖形交換格式，進(jìn)而導(dǎo)入3dsMax等軟件中進(jìn)行材質(zhì)、貼圖等信息的編輯處理。該過程中BIM部件的層次結(jié)構(gòu)、模型共享關(guān)系會(huì)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(jié)構(gòu)關(guān)系，在模型調(diào)度優(yōu)化中重建模型共享關(guān)系。對于屬性信息的提取，Revit和Bently數(shù)據(jù)可導(dǎo)出為IFC格式，Catia可導(dǎo)出為3dxml格式，其他數(shù)據(jù)類型則需尋找對應(yīng)的中間格式，并根據(jù)格式說明等信息進(jìn)行解析處理，從而獲取BIM部件的ID對應(yīng)表、層次結(jié)構(gòu)關(guān)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(jìn)行綜合，從而最終形成優(yōu)化后的三維模型和屬性數(shù)據(jù)庫。

1.2 BIM輕量化與共享調(diào)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(yīng)關(guān)系，可借鑒CityGML標(biāo)準(zhǔn)對城市模型進(jìn)行層次細(xì)節(jié)（LOD）劃分。CityGML通過LOD0～LOD4五個(gè)層次對三維城市進(jìn)行表達(dá)。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(yīng)關(guān)系，并從BIM中抽取和過濾對應(yīng)的部件信息，實(shí)現(xiàn)模型關(guān)聯(lián)轉(zhuǎn)換。LOD1對建筑物對象進(jìn)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(yīng)BIM的LOD100概念化模型；LOD2在LOD1的基礎(chǔ)上添加詳細(xì)的墻體和屋頂信息，賦予其紋理等元素，對應(yīng)BIM的LOD200初設(shè)階段模型；LOD3對LOD2進(jìn)行更深層次的精細(xì)化補(bǔ)充，包括建筑物的附屬結(jié)構(gòu)和附屬設(shè)施，對應(yīng)BIM的LOD300細(xì)部設(shè)計(jì)階段模型；LOD4增加了對室內(nèi)空間的詳細(xì)描述，與最終交付的LOD400或LOD500完整的BIM對應(yīng)。結(jié)合CityGML標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行簡化處理，并進(jìn)一步構(gòu)建場景根節(jié)點(diǎn)；再根據(jù)視點(diǎn)距離對各級LOD模型進(jìn)行分頁調(diào)度，實(shí)現(xiàn)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(fù)使用，可通過樹形層級關(guān)系的解析將共享部件的旋轉(zhuǎn)、平移、縮放信息抽離，重新組織矩陣變換的連接關(guān)系，如圖3所示。重建后的層級關(guān)系消除了同類部件的重復(fù)存儲(chǔ)，通過從根節(jié)點(diǎn)至BIM部件的矩陣運(yùn)算還原得到部件對象的空間坐標(biāo)，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(diào)度結(jié)構(gòu)

1.3 BIM數(shù)據(jù)在3DGIS中的全生命周期集成管理

GIS的優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)的組織管理，因此在完成BIM轉(zhuǎn)換和優(yōu)化處理后，需將BIM數(shù)據(jù)在需求、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、施工、移交、運(yùn)維等各階段的信息在3DGIS數(shù)據(jù)管理框架中進(jìn)行融合，以實(shí)現(xiàn)面向全生命周期應(yīng)用的一體化數(shù)據(jù)集成管理。BIM與3DGIS相結(jié)合的面向全生命周期應(yīng)用的一體化數(shù)據(jù)集成管理體系如圖4所示，包括數(shù)據(jù)、服務(wù)、模型和應(yīng)用4個(gè)層次，其中數(shù)據(jù)層包括分布式存儲(chǔ)的元數(shù)據(jù)、專題GIS數(shù)據(jù)、三維數(shù)字地形、三維城市模型和轉(zhuǎn)換后的BIM數(shù)據(jù)；服務(wù)層包括目錄服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)地圖服務(wù)（WMS）、網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)（WFS）、網(wǎng)絡(luò)覆蓋服務(wù)（WCS）、網(wǎng)絡(luò)三維服務(wù)（W3DS）和BIM部件檢索查詢服務(wù)；模型層包括遵循OGC標(biāo)準(zhǔn)的GML、CityGML和近年開始興起和完善的GeoBIM[15]；應(yīng)用層以3DGIS的集成管理為基礎(chǔ)，提供服務(wù)發(fā)現(xiàn)、三維瀏覽、查詢、分析等功能，并在此基礎(chǔ)上開展BIM數(shù)據(jù)的全生命周期應(yīng)用。

圖4 面向全生命周期應(yīng)用的一體化數(shù)據(jù)集成管理體系

2 實(shí)例分析

為驗(yàn)證該技術(shù)框架的有效性和可操作性，本文基于長江水利委員會(huì)區(qū)域的三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，利用OpenSceneGraph技術(shù)搭建了3DGIS場景，并根據(jù)該框架對其中一棟樓宇Revit格式的BIM進(jìn)行了轉(zhuǎn)換和集成。其中，3DGIS場景包括基礎(chǔ)三維地形、影像以及周邊建筑物的三維外觀模型；BIM數(shù)據(jù)包括樓宇的幕墻、結(jié)構(gòu)、電氣、家具、暖通、消防排水、機(jī)電等圖層。為實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)組成，如表2所示。

表2 不同層級下3DGIS與BIM數(shù)據(jù)組成

對于不同層級下的3DGIS和BIM數(shù)據(jù)，基于本文技術(shù)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(diào)度、BIM數(shù)據(jù)在3DGIS中的全生命周期集成管理3個(gè)技術(shù)進(jìn)行處理和集成。詳細(xì)的轉(zhuǎn)換與集成過程如圖5所示，左側(cè)為BIM數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理流程，右側(cè)為從數(shù)據(jù)到應(yīng)用的組織管理模式，通過不同顏色對數(shù)據(jù)、服務(wù)、模型、應(yīng)用進(jìn)行區(qū)分，描述左側(cè)圖中形成的成果類型。

圖5 在本文技術(shù)框架下的BIM與3DGIS數(shù)據(jù)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(zhuǎn)化為屬性數(shù)據(jù)庫和優(yōu)化后的模型，優(yōu)化后的模型可進(jìn)一步與3DGIS場景的CityGML模型進(jìn)行LOD層級對應(yīng)關(guān)聯(lián)，進(jìn)行輕量化和共享調(diào)度處理，形成統(tǒng)一的三維場景；同時(shí)BIM屬性數(shù)據(jù)庫與外部相關(guān)資料等相結(jié)合，定制形成各階段的服務(wù)和關(guān)聯(lián)應(yīng)用；最終開發(fā)形成的基于3DGIS+BIM的智慧樓宇管理信息系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 基于3DGIS+BIM的智慧樓宇管理信息系統(tǒng)界面

圖7從不同層級展示了BIM數(shù)據(jù)的集成結(jié)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(guān)閉其中一層外墻后的基本內(nèi)部結(jié)構(gòu)；圖7c詳細(xì)展示了LOD4下內(nèi)部部件的分布和組成，并可通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊調(diào)用BIM屬性檢索服務(wù)，獲取詳細(xì)的屬性信息，對BIM部件高亮顯示。各層級切換通過視點(diǎn)距離的變化自動(dòng)完成，較好地實(shí)現(xiàn)了BIM在3DGIS場景中的轉(zhuǎn)換與集成。

圖7 BIM在3DGIS場景中的集成和多級LOD應(yīng)用

3DGIS場景與BIM的集成以及智慧樓宇管理信息系統(tǒng)的應(yīng)用驗(yàn)證了本文技術(shù)框架的有效性和實(shí)用性，具體表現(xiàn)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(shù)據(jù)庫；另一方面以FBX文件作為中間格式，可在3dsMax中進(jìn)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(guān)聯(lián)關(guān)系。

2）通過BIM輕量化與共享調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了各LOD層級數(shù)據(jù)精度和加載速率的平衡。以LOD1～LOD4中均顯示的頂層天花板結(jié)構(gòu)為例，不同層級下的輕量化效果如表3所示，隨著視點(diǎn)距離的增加，可減少頂點(diǎn)、三角格網(wǎng)、條帶和圖元的數(shù)量，并對紋理進(jìn)行縮放，從而減少數(shù)據(jù)量、提升性能。同時(shí)，對于模型中重復(fù)出現(xiàn)的相同類型BIM部件，可通過矩陣變化實(shí)現(xiàn)模型共享，進(jìn)一步提升三維渲染性能。

表3 頂層天花板結(jié)構(gòu)BIM各層級輕量化效果

3）通過BIM數(shù)據(jù)在3DGIS中的全生命周期集成管理，將數(shù)據(jù)整合入庫并進(jìn)行服務(wù)發(fā)布，形成了數(shù)據(jù)、服務(wù)、模型、應(yīng)用4級結(jié)構(gòu)，將分散的數(shù)據(jù)整合成了完整的體系，為智慧樓宇三維管理系統(tǒng)的建立提供了支撐。

3 結(jié) 語

本文提出的BIM轉(zhuǎn)換流程和框架體系可充分發(fā)揮3DGIS與BIM在宏觀與微觀上的優(yōu)勢，并實(shí)現(xiàn)集成管理，后續(xù)可進(jìn)一步對3DGIS支持下的BIM在線發(fā)布、緩存構(gòu)建、信息壓縮等關(guān)鍵技術(shù)開展研究，充分發(fā)揮3DGIS與BIM結(jié)合的優(yōu)勢和擴(kuò)展性。