【摘要】現代社會大型復雜建設工程越來越多，室內3D GIS應用需求旺盛，但海量室內3D數據的缺乏成為室內GIS應用瓶頸。建筑信息模型(Building Information Models，BIM)提供豐富的建筑空間幾何和語義信息，可為GIS所用。BIM與GIS數據集成技術成為國內外研究熱點。本文從GIS應用的角度出發(fā)，通過分析BIM與GIS在數據標準和幾何、語義表達方面的差異，提出BIM與SuperMap GIS 8C軟件的數據集成技術，并實現了BIM在SuperMap GIS中的性能空間分析與可視化。本文的研究有助于擴展SuperMap GIS的應用領域至室內空間，實現室外到室內、城市宏觀到建筑微觀的一體化應用，滿足大型復雜室內場所的應急救援、導航與位置服務需求，服務于智慧城市建設。

【關鍵詞】BIM；SuperMap GIS 8C；集成；3D可視化

GIS應用目前多局限于室外空間，室內空間表達的局限性成為其從室外走向室內的瓶頸之一?，F有室內數據基本都是簡單的二維地圖，只能提供平面的室內布局信息，不能表達建筑物內部的復雜環(huán)境，不能描述由于建筑構件（如門窗、走廊等）的約束造成的室內空間的非連續(xù)性，也不能區(qū)分三維空間上的重疊特征（如各類管道等）。這類數據，無法支撐室內三維導航、設施管理、應急救援等應用。急需建立反映客觀實際的室內三維空間數據模型。

室內空間模型可分為設計模型(Design Models)和真實世界模型(Real World Models)。建筑信息模型(Building Information Models，BIM)屬于前者，它詳細描述了幾何、物理、規(guī)則等豐富的建筑空間和語義信息，用于單個建筑全生命周期的管理。地理空間數據模型屬于后者，它是典型的GIS數據模型，可借助三維GIS技術實現大規(guī)模數據的管理、分析與可視化。如果將大量高精度的BIM數據轉換為室內GIS系統的數據源，并與傾斜攝影數據、地形、三維管線等多源數據融合，可實現宏觀與微觀的相輔相成、室外到室內的一體化應用。

但BIM是將一個建筑表達為一個模型，采用局部坐標系和多種幾何對象表示方法（邊界描述BRep、掃描體Sweeping、構造幾何體CSG等）。地理空間數據模型是在一個模型中表達多個建筑及其他客觀實體，采用相對坐標系（如經緯度坐標），并多采用BRep表達幾何對象。數據模型的差異增加了BIM數據與GIS系統集成的難度。

工業(yè)基礎類(Industry Foundation Classes，IFC)和城市地理標記語言(City Geography MarkupLanguage，CityCML)作為BIM和GIS領域通用的數據模型標準，為兩者數據集成提供了基礎。國內外關于兩者互操作的研究主要集中在基礎數據模型的融合和現有數據格式的集成兩方面。由于不同領域對空間對象的表達和理解存在差異，使得數據模型融合缺乏統一的標準，也得不到各領域的認同，因此大部分工作還是集中在兩者模型數據格式的集成。如Hijazi等提出一種轉換框架，用于實現IFC幾何、語義信息到CityGML的轉換，從而借助GIS技術，實現水電設施的管理與維護。Amirebrahimi等實現了一種綜合框架，用于集成BIM高密度模型和GIS可視化能力，評估洪水對建筑物造成的損失。湯圣君、趙霞等研究了基于幾何過濾和語義約束的IFC到CityGML的轉化方法，并經過了實例驗證了方法的有效性。

本文在前人工作的基礎上，提出了一個基于語義映射和多層次細節(jié)模型(Level of Details，LOD)的轉換方法，用于實現BIM幾何和語義信息轉換到SuperMapGIS 8C軟件平臺。在此基礎上，本文還采用三級緩存策略以及一系列渲染與繪制的技術手段，實現大規(guī)模BIM數據在該平臺中的性能可視化，并為BIM添加空間分析能力，支撐室內外一體化的應急、設施管理和位置服務等應用。

1　BIM與GIS集成問題分析

1.1 BIM與GIS集成的復雜性

BIM專業(yè)軟件多樣化，覆蓋建筑、結構、基礎設施、方案設計、結構分析類、模型檢查、運營管理等建筑工程行業(yè)的各個方面。這些軟件在各自的發(fā)展歷程中，因應用目的和專業(yè)不同，形成了的數據格式，如DWG、DXF、DGN、NWDRVT、PLN等。這些模型格式采用了不同的數據結構和數據標準。如DXF模型主要由圖形對象和非圖形對象組成，也包含有限的屬性信息，主要由6部分(section)組成：HEADER、CLASSSE、TABLES、BLOCK、ENTITIES和OBJECTS。其中，ENTITIES和OBJECTS分別包含圖形和非圖形對象，其余部分是關于符號表定義、應用類定義、繪圖實體定義等信息。DGN 模型是由基于ISFF標準(Intergraph StandardFile Format)的兩種二進制文件組成，分別為Designfile和Cell libraries。其中，Design file包括圖形元素（如線、線弦、橢圓弧、椎體等及其組成的邏輯實體）、非圖形元素以及可能的用戶自定義數據，Celllibraries記錄了Design file中位置的元胞定義（包含如經緯度等信息）?？梢?，不同模型格式雖然都可以完整地表達建筑物三維空間信息，但并不開放，相互之間無法集成與共享，可能無法采用相同的方法實現不同格式數據與GIS的集成。

對室內GIS而言，精度三維空間數據的生產、收集耗時耗力，應該可能多的支持不同的BIM數據格式，不同來源的數據集成與共享。因此我們的做法是首先將不同軟件的數據格式轉換為IFC標準格式，再與SuperMap GIS集成。IFC作為BIM領域通用的數據模型標準(ISO 16739)，是對建筑物信息描述詳細的規(guī)范，使得不同模型格式之間的數據實現了共享和互操作，也為BIM與GIS集成奠定了基礎。常用的BIM軟件（Revit、Bentley、CATIA、MagiCAD、BIM5D、魯班等）都支持將各自的數據格式轉換為IFC標準模型。轉換的方式即通過軟件自帶的導出功能或者第三方轉換插件進行。但由此可能帶來的幾何失真和信息損失，對不同室內GIS應用的影響程度有待在實際應用中加以驗證。

為實現IFC與CityGML之間的數據集成，我們需要了解兩者在幾何、語義方面的區(qū)別和聯系。在幾何表達上，IFC通常有3種表達方式：邊界描述(BRep)、掃描體(String)和構造實體幾何(CSG)。在邊界描述中，一個實體由多個邊界面片的組合來呈現。掃描體可通過將平面對象沿路徑拉伸或繞軸旋轉拉伸而得到。CSG一般是由多個基礎幾何體，如立方體、球、圓柱、圓錐等，通過幾何變換、布爾運算以及剖割、局部修改等操作構成的復雜幾何實體。而GIS中的三維幾何主要采用邊界描述來表達。

在語義信息表達上，IFC包含豐富的建筑細節(jié)描述，有600多個對建筑實體的定義和300多個對建筑類型的定義，也包含建筑構件之間的語義連接關系，如IfcSite、IFCBuilding、IfcBuildingStorery3個類型間的層次關系被IfcRelAggregates連接表示。CityGML的語義信息表達為了客觀實體的特征，如建筑物、墻壁、窗戶、房間等，也包括特征之間的屬性、關系和聚集層次等。CityGML的語義信息相對比較少，通過語義映射，CityGML的大部分語義信息都可以從IFC模型中獲取。

在尺度表達上，CityGML采用多尺度建模方式，即5個層次細節(jié)(LoDs)描述了從城市宏觀場景到建筑物內部的不同尺度、不同細節(jié)的信息。LOD0本質上是將2.5維的DTM疊加在影像或地圖上的粗糙表達，包含了建筑物的屋頂平面和底面平面。LOD1是塊模型，建筑物表達為具備平頂結構的柱形體。LO2為不同建筑加入了不同的屋頂結構和邊界表面。LOD3為建筑提供了更加詳細的墻、屋頂結構，甚至門、窗信息。LOD4是對LOD3的進一步完善，增加了詳細的室內結構，如家具、樓梯等，具有***詳細的幾何、語義信息。IFC只局限于對建筑及其內部構件的描述，不具備多尺度表達的特點，但基于LOD層次細節(jié)模型，IFC可以轉換到CityGML的任一層次上。

1.2 BIM在GIS中進行空間分析與可視化難度大

BIM模型數據包含建筑工程全生命周期的信息，它將規(guī)劃、設計、建造、運營等各個階段的數據資料整合到同一個3D數字模型中，數據量大，一棟大樓一年的數據量在TB級，城市級別的數據量不可想象，給計算機GPU、內存帶來很大壓力。精細的BIM模型還包含許多形狀相同的幾何實體，如圖1中顯示的建筑模型，圖元類別6 600多個，含有重復特征，一次性渲染壓力大。這對互聯網、移動互聯下的BIM-GIS應用而言，受網絡帶寬、移動設備內存容量的限制，實時分析與可視化難度大。

Fig.1 Sample of BIM data with 60 million geometries and 37 million vertexes

為實現大規(guī)模BIM數據的多分辨率表達，及其管理調度等問題，我們構建了從本地緩存、內存、顯存的三級緩存結構，通過模型輕量化、實體化、GPU、LOD等技術，實現大規(guī)模BIM數據的高效加載與實時繪制。

2　BIM與SuperMap GIS集成關鍵技術

2.1 基于LOD的BIM與SuperMap GIS數據集成

CityGML包含幾何模型和主題模型，主題模型即將幾何模型用于不同的主題，如建筑，模型都采用LODs進行多尺度表達，不同LOD層級的幾何數據精細程度不同。IFC雖然包含900多種實體類型，不是類型都需要轉換到CityGML，可根據不同的GIS應用需求和不同LOD層級所須的IFC組件類型，進行數據過濾和信息簡化，也有助于實現模型輕量化，如圖2所示。

在LOD0中，建筑被表達為水平和三維的表面，只突顯建筑的輪廓，一般通過集成其他數據獲得，與IFC無語義對應。LOD1通過AbstractBuilding將建筑表達為具有為外殼的實體三維模型，可由IFC的墻面IfcWall、天花板IfcSlab、樓層IfcBuildingStorey獲得建筑外輪廓與高度等信息，并與AbstractBuilding映射。LOD2通過BoundarySurface，包括WallSurface、RoofSurface、OuterCeilingSurface描述了建筑的墻體、屋頂等更加詳細的外輪廓信息，IFC的墻IfcWall、屋頂IfcRoof、遮蓋物IfcCovering等可與之映射。LOD3通過BuildingInstallation表達了強烈影響建筑外觀的元素，如陽臺、煙囪等，通過BoundarySurface的openings增加了連接建筑內外部的門、窗等信息，可通過IFC的門IfcDoor、窗IfcWindow等獲取并與之映射。LOD4在LOD3的基礎上，增加了建筑內部細節(jié)，如通過IntBuildingInstallation描述建筑內部無法移動的對象（如管道等），用BuildingFurniture表達建筑內部可移動的對象（如家具等），與IFC的IfcFurnishingElement等映射，通過BoundarySurface的CeilingSurface、InteriorWallSurface、FloorSurface表達了天花板、內墻和地板等信息，見表1。

根據語義信息，篩選IFC需要輸出的構件類別，并存儲到標準的GIS數據庫。在這一過程中，可為輸出的幾何信息添加精確的地理空間位置信息。該位置信息是根據模型本身包含的局部坐標系轉換到坐標系而得到。模型信息的輸出可借助我們開發(fā)的插件實現，同時為每個構件輸出的ID標識，作為關鍵字將幾何信息與其屬性信息相關聯。通過IFC與CityGML的數據集成，可實現從室外城市級空間，到層次細節(jié)模型，到室內空間的多尺度表達，如圖3所示。

2.2 基于三級緩存的BIM性能可視化

我們采用一系列的技術手段，實現大體量BIM數據在GIS中的高效加載與可視化，具體流程如圖4所示。

第三，實例化技術。實體化是針對形狀相同的幾何模型，抽象其示例存儲在內存中，減少內存空間占用，重復構件的渲染繪制通過在GPU中對實例進行矩陣變換實現。即GPU首先通過批量化指定繪制函數，對各個實例進行批次渲染，然后將相關實例化對象的特征數據內容傳遞給GPU，通過平移、縮放、旋轉等得到與實例幾何形象相同但位置、大小、角度存在差異的構件，降低GPU等硬件設備的壓力。第四，基于視點的LOD調度。在現有硬件性能條件下, 結合場景內繪制數據量隨視野遠近而變化的LOD調度技術則更能提升數據瀏覽速度?；谝朁c的LOD調度，指根據與觀察點的距離評價模型的重要程度，距離觀察點越遠，模型顯示的精細程度越粗糙，是一種簡化視野中三維場景復雜度的技術。它包括視點區(qū)域的確定和LOD的數據獲取兩方面。視點區(qū)域可由3個參數定義，分別是視點在屏幕上的位置、視區(qū)域大小和視區(qū)域內的分辨率衰減函數。衰減函數的作用是控制視區(qū)域內BIM數據的分辨率沿視點向區(qū)域邊緣逐漸降低，并在邊界處與區(qū)域外分辨率保持一致，保證數據在多分辨率繪制時的視覺平穩(wěn)性。LOD的數據獲取基于二維屏幕空間與三維場景空間的映射關系表實現，即對于視點區(qū)域內的任一像素，通過關系表定位三維體像元映射后的鄰近點，進而確定對應的三維信息。

以圖1中的數據渲染為例，采用上述一系列內外存優(yōu)化繪制技術后，顯卡實時顯示和渲染的平均幀率達到65幀/秒（視覺感受流暢的標準是幀率＞24幀/秒），具有較強的交互感。

未來，我們還研究滿足GPU泛用性的幾何和紋理數據壓縮與解壓縮方法，研究采用可編程渲染管線技術優(yōu)化繪制流水線的技術，研究通過范圍裁剪、視錐體裁剪、遮擋裁剪等算法，實現渲染目標的剔除，研究使用多線程技術，對數據的調度、讀取、渲染進行優(yōu)化等，實現大規(guī)模BIM數據實時高效繪制。

2.3 基于BIM的空間分析

BIM經語義映射和幾何轉化導入GIS之后，GIS可為BIM數據及其表達的建筑物的每一層、每一個室內構件提供高亮選中、定位、查詢、統計等GIS功能。SuperMap三維空間分析可分為四大類，可適用于BIM模型的有三類，分別是：三維量算，如距離量算、面積量算和高度量算；三維GPU分析，如日照分析、通視分析、可視域分析；三維網絡分析，特指對三維設施數據的（如BIM管線）網絡分析和對三維交通數據（如由BIM提取的室內交通路網）的網絡分析。此外，還可在GIS中動態(tài)展示工程的建造過程。

BIM與GIS的集成，一方面可以通過自定義投影的方式與地形等數據匹配，有效展現BIM與周邊環(huán)境的關系，如建筑物周邊的自然生態(tài)環(huán)境、地形地貌環(huán)境和人文景觀環(huán)境，有利于大規(guī)模工程的協同管理。另一方面可將GIS的空間管理、查詢和分析能力加諸于BIM，有利于實現數字化的設施管理，通過與移動互聯網、物聯網以及樓宇內各類系統（如門禁、監(jiān)控等）集成，實現室內外一體化的應急演練和位置服務等。

3　結束語

BIM與GIS模型數據的集成目前缺乏統一的信息交換標準。本文通過IFC與CityGML的語義映射和幾何過濾，實現了BIM與SuperMap GIS的數據集成，通過實例化技術、LOD調度，實現了大規(guī)模BIM數據在SuperMap GIS中的高性能渲染與可視化。GIS作為收集、存儲、管理和分析空間信息的技術，可以充分利用BIM包含的建筑及其內部豐富的幾何、語義信息，兩者的數據集成不僅為建設過程提供查詢、空間分析的工具，支持大型工程的建設與維護，也為GIS應用從室外走向室內，從城市宏觀走向建筑微觀的重要數據源，支撐室內外一體化的應急、導航和位置服務應用，支持智慧城市建設。

我們的工作仍有很多需要完善的地方。******，BIM建模軟件繁多，相互間的模型格式不支持互操作。我們采用轉為IFC格式的方法，對由此造成的信息損失需要進行評估。目前我們已經開始將各軟件模型格式直接與SuperMap GIS軟件平臺進行數據集成，但需要比較這兩種方法的優(yōu)劣。第二，探索SuperMap GIS軟件平臺構件的BIM數據的云端協同繪制技術，即數據和繪制都在云上實現，終端只是作為命令的入口。第三，探索基于BIM的GIS應用，在實踐中創(chuàng)新和改進BIM-GIS集成技術。目前，已有研究將原始鐵路設計的中線數據導入三維可視化平臺，自動生成鐵路路基、橋梁、隧道、接觸網、護坡等橫斷面模型，進行土方量分析與量測、縱斷面信息采集等；將地下管廊BIM數據用于解決城市內澇、反復開挖路面、架空線網密集等問題。