湯圣君 朱 慶 趙君嶠

(1.武漢大學(xué)測繪遙感信息工程國家重點實驗室，武漢 430079;2.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都 610031;3.同濟(jì)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)系，上海 200092)

1 引言

近年來，不同領(lǐng)域的空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的制訂和領(lǐng)域間信息的共享成為了推動空間信息技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展的重要驅(qū)動力［1］。建筑信息模型(BIM)精細(xì)程度高，包括幾何、物理、規(guī)則等豐富的建筑空間和語義信息，可用來實現(xiàn)對工程全生命周期的數(shù)字化管理［2］，在各類建筑工程領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。由于BIM 模型數(shù)據(jù)量大，可視化預(yù)處理時間長，目前主要被用于對單個項目工程的設(shè)計、管理應(yīng)用。三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS)基于空間數(shù)據(jù)庫技術(shù)，面向從微觀到宏觀的海量三維地理空間數(shù)據(jù)的存儲，管理和可視化分析應(yīng)用，支持大范圍的空間數(shù)據(jù)集，從而可以用于支撐對大規(guī)模工程的協(xié)同分析和共享應(yīng)用［3］。

BIM 和GIS 的集成一方面使得已有的三維模型可得到極大重用:大量高精度的BIM 模型可作為3DGIS 系統(tǒng)中一個重要的數(shù)據(jù)來源［4，5］;另一方面，BIM 和GIS 的集成可以深化多領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用，如建筑分析、城市規(guī)劃、軌道交通建設(shè)等［6］。還可實現(xiàn)從幾何到物理和功能特性的綜合數(shù)字化表達(dá)，從各專業(yè)分散的信息傳遞到多專業(yè)協(xié)同的信息共享服務(wù)，從各階段獨立應(yīng)用到設(shè)計、施工、運行與維護(hù)全生命周期共享應(yīng)用。BIM 與GIS 集成已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的前沿技術(shù)。

IFC (Industry Foundation Classes)和CityGML(City Geography Markup Language)分別作為BIM 和3DGIS 領(lǐng)域通用的數(shù)據(jù)模型標(biāo)準(zhǔn)［7，8］，前者具有面向設(shè)計和分析應(yīng)用的多種幾何表達(dá)方式和豐富的建筑構(gòu)造、設(shè)施幾何語義信息，后者更加強調(diào)空間對象的多尺度表達(dá)，以及對象的幾何、拓?fù)浜驼Z義的表達(dá)的一致性。并且，其定義的多個細(xì)節(jié)層次(LoDs)的建筑物模型，為大場景可視化和空間分析提供了有利的條件。兩類數(shù)據(jù)模型的幾何、語義信息共享成為BIM 和GIS 集成的基礎(chǔ)。

2 IFC 與CityGML 數(shù)據(jù)集成研究現(xiàn)狀

由于IFC 和CityGML 分別使用了不同的對象幾何表達(dá)方式和語義，國內(nèi)外關(guān)于兩者互操作的研究主要有以下兩個方面:基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型的融合和現(xiàn)有數(shù)據(jù)格式的集成。

前者如BIM 和GIS 模型的統(tǒng)一表達(dá)模型。El-Mekawy 等人提出了一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型用于整合IFC 和CityGML 中的語義類型［1］。Berlo 使用ADE將IFC 數(shù)據(jù)集成到CityGML 中［10］。Isikdag，U.和S.Zlatanova 在［9］的基礎(chǔ)上提出了一個從BIM 模型自動轉(zhuǎn)換不同LOD CityGML 模型的框架［1］。de Laat 等人描述了一種CityGML 的擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)GeoBIM的發(fā)展?fàn)顩r，GeoBIM 可更大程度的將IFC 語義信息集成到GIS 框架中［11］。為實現(xiàn)在IFC 與CityGML之間標(biāo)準(zhǔn)化的映射，El-Mekawy 提出了一種雙向轉(zhuǎn)換的方法［12］。

由于不同領(lǐng)域內(nèi)對空間對象的表達(dá)和理解的差異，并且對象語義的標(biāo)準(zhǔn)化尚待進(jìn)一步研究。目前數(shù)據(jù)模型的融合還難以實現(xiàn)并得到不同領(lǐng)域的認(rèn)同，因此大部分相關(guān)工作都集中于設(shè)計兩者模型數(shù)據(jù)格式之間的轉(zhuǎn)換方法［12］。

Nagel 設(shè)計了一個格式轉(zhuǎn)換工具，以實現(xiàn)IFC格式模型到CityGML 格式LOD1 模型的自動轉(zhuǎn)換［9］。IFCExplorer，BIMServer 和Feature Manipulation Engine(FME)等軟件產(chǎn)品也開發(fā)了將IFC模型轉(zhuǎn)換到多種層級的CityGML 模型的功能。但是，其都難以實現(xiàn)IFC 與CityGML 的完整映射。最近Donkers 提出了一種基于語義映射和三維幾何運算的IFC 模型到CityGML LOD3 模型的自動轉(zhuǎn)換方法［4］，該方法對IFC 中與CityGML LOD3 模型相關(guān)的語義類型進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對相關(guān)的信息進(jìn)行篩選，最后利用形態(tài)學(xué)算法和布爾運算提取出了模型的外殼，并賦之以正確的語義。本文借鑒了該研究成果，并試圖將對兩種標(biāo)準(zhǔn)的語義和幾何融合的討論擴(kuò)展到更加廣泛的范圍，為實現(xiàn)IFC 到CityGML 多尺度自動轉(zhuǎn)換提供基礎(chǔ)。圖1 描述了BIM 實體模型到多細(xì)節(jié)層次GIS 表面模型的轉(zhuǎn)換流程。多層次語義信息過濾為幾何信息提供過濾條件，經(jīng)過語義信息過濾可獲取IFC 實體幾何且保留IFC 語義信息;經(jīng)過幾何信息轉(zhuǎn)換為GIS 的表達(dá)形式后，實現(xiàn)IFC 到CityGML 的多層次語義映射，最后進(jìn)行幾何語義增強得到不同LOD 層級的CityGML模型。

3 IFC 與CityGML 建筑幾何語義信息互操作

3.1 IFC 與CityGML 比較

IFC 是Building SMART 為BIM 應(yīng)用提出的一種開放數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，以實現(xiàn)建筑內(nèi)信息的表達(dá)，共享及應(yīng)用，并已成為了國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO16739)［13］。目前大部分BIM 軟件均支持IFC 數(shù)據(jù)格式的導(dǎo)入導(dǎo)出。CityGML 是OGC (Open GIS Consortium)提出的為實現(xiàn)三維城市模型信息共享和可視化的國際標(biāo)準(zhǔn)，它定義了城市空間對象的三維幾何，拓?fù)?，語義信息。為實現(xiàn)IFC 與CityGML 數(shù)據(jù)集成，表1 中描述了兩者在幾何，語義等方面的區(qū)別和聯(lián)系。

表1 IFC 與CityGML 數(shù)據(jù)表達(dá)的異同

在幾何表達(dá)上，IFC 中通常有三類表達(dá)形式，邊界描述(B-rep)，掃描體以及由構(gòu)造實體幾何(CSG)［14］。在邊界描述中，一個實體由多個邊界面片的組合來呈現(xiàn)。掃描體可通過線性的拉升或者旋轉(zhuǎn)拉升形成，拉伸的路徑用軸和角度來進(jìn)行定義。CSG 可以由多個基礎(chǔ)幾何體例如，球，立方體等經(jīng)過布爾運算生成。而CityGML 中的三維幾何主要是以邊界描述來表達(dá)［15］。在語義信息上，IFC 模型包含大量的建筑細(xì)節(jié)描述，具體有600 多個對建筑實體的定義和300 多個對建筑類型的定義，同時還包含各種建筑部件間的語義連接關(guān)系，例如Ifc-Site，IfcBuilding，IfcBuildingStorey 三個類型之間的層次關(guān)系被IfcRelAggregates 連接表示。CityGML 中應(yīng)用了5 個LoDs 對建筑物、建筑物部件以及建筑物附屬設(shè)施由簡到繁的表達(dá)。LOD0 表達(dá)了建筑物的底面平面以及屋頂平面;LOD1 則是簡單表達(dá)建筑物體量的塊體建筑;LOD2 在LOD1 的基礎(chǔ)上加入了對房屋的附屬結(jié)構(gòu)和屋頂?shù)拿枋?LOD3 在LOD2 的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了詳細(xì)的幾何外觀以及對"開口"的描述;LOD4 增加了對室內(nèi)信息的表達(dá)，如樓梯、房間、家具等，具有最詳細(xì)的幾何和語義信息。圖2描述了IFC 模型中BuildingElement 和CityGML 的語義信息對比。由于CityGML 的語義信息相對比較少，通過語義映射，CityGML 大部分的語義信息都可以從IFC 模型中獲取。

圖1 BIM 實體模型到多細(xì)節(jié)層次GIS 表面模型的轉(zhuǎn)換流程

圖2 IFC BuildingElement 與CityGML 語義描述

在模型外觀上，CityGML 更加具有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。

在應(yīng)用尺度上，由于三維GIS 系統(tǒng)面向大范圍三維場景的管理和可視化，其三維模型結(jié)構(gòu)也相對簡單，而BIM 模型數(shù)據(jù)復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，難以大范圍的顯示，更多的是以單個或多個建筑模型呈現(xiàn)，其分析也是以模型內(nèi)部的分析為主，例如碰撞分析，布爾運算等。

3.2 幾何信息過濾方法

IFC 中有900 個不同的類型，這些類型存儲的信息各不相同，有關(guān)聯(lián)關(guān)系，屬性，幾何表達(dá)等各種類型。在這些類型中，不是每種類型都包含有轉(zhuǎn)換所需的幾何信息，也不是所有的幾何信息都需要轉(zhuǎn)換到CityGML 中，因此幾何信息過濾成為IFC 與CityGML 幾何信息共享的第一步。幾何信息過濾時，CityGML 中不同LOD 層次所需的幾何信息不一致，需要根據(jù)語義信息類型進(jìn)行過濾，例如LOD1 模型不包含窗戶、門等信息。IFC 中大部分的類型用于表達(dá)要素之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系或?qū)傩缘龋浔旧聿话瑤缀涡畔?，對于這類信息在幾何過濾的過程中可將其直接篩選出去，最后將能映射到CityGML 中的有用的幾何實體類型過濾出來。

通過對兩個標(biāo)準(zhǔn)的分析，轉(zhuǎn)換所需的幾何信息都存儲在IFC 標(biāo)準(zhǔn)框架中的IfcBuildingStorey、Ifc-Site、IfcSpace、IfcOpening、IfcBuildingFurnishing 和IfcBuildingElement 的子類型中，具體的幾何信息過濾流程如圖3 所示。

圖3 IFC 幾何信息過濾流程

從圖3 可看出，IFC 幾何信息過濾的流程是:首先根據(jù)IFC 框架確定所需過濾的幾何信息類型，然后通過IFC 數(shù)據(jù)解析，遍歷所有IFC 對象，判斷其是否為需篩選類型，若判斷出其類型為需篩選對象，則輸出其幾何信息和相關(guān)聯(lián)的屬性數(shù)據(jù)。由于IFC標(biāo)準(zhǔn)模型并不包含對建筑物對象的LOD 模型的表達(dá)，因此，在轉(zhuǎn)換中還需要根據(jù)CityGML 模型的要求對幾何信息和相關(guān)的語義信息進(jìn)行進(jìn)一步處理，例如根據(jù)建筑物的高度和地面輪廓生成對應(yīng)的LOD1的CityGML 模型，根據(jù)建筑物構(gòu)件的集合提取到LOD2 以及LOD3 模型的建筑外殼［16］，這些轉(zhuǎn)換處理所需的原始數(shù)據(jù)大都可直接通過IFC 幾何過濾得到;LOD4 模型中室內(nèi)信息的提取同樣十分重要，需要區(qū)分內(nèi)、外墻面、內(nèi)、外天花板面和內(nèi)、外地板面。現(xiàn)有的面向LOD3 模型的轉(zhuǎn)換方法能獲取到模型的外部信息，但是缺乏對其內(nèi)部信息的篩選。因此，在針對LOD4 模型的轉(zhuǎn)換過程中，必須使用內(nèi)、外信息區(qū)分算法。LOD4 中Room 空間信息可從Ifc-BuildingStorey 或IfcCovering 內(nèi)提取，但部分IFC 模型內(nèi)IfcBuildingStory 沒有區(qū)分每個Room 空間，而是表達(dá)整個樓層的空間。所以需要基于已獲取的幾何數(shù)據(jù)，包括WallSurface、GroundSruface、Interior-WallSurface 和FloorSurface，通過空間提取算法將建筑中的Room 空間提取出來，詳見3.2 節(jié)。

表2 CityGML 中各語義信息的特性

3.3 多尺度語義映射

IFC 模型中包含四個不同的層次，包括資源層，核心層，信息交換層以及領(lǐng)域?qū)樱渲行畔⒔粨Q層定義了建筑設(shè)計、施工管理、以及大量的建筑元素等，用以各項目間的信息交換。IFC 和CityGML 模型轉(zhuǎn)換可從信息交換層中的實體(Entity)信息層開始［1］。建筑元素包括建筑模型中基本的構(gòu)件，例如橫梁，地板，墻面等。每個建筑元素都包含Defined Type，Enumeration，Select Type 和Entity 等信息，每一個Entity 中都包含幾何表達(dá)方式，位置等信息。而CityGML 中，不同LOD 層級包含的語義信息不同，每類都具有其特性，其中如表1 所示，描述了CityGML 中各語義信息的特性［17］。

通過分析IFC 各類型的數(shù)據(jù)特性，其到CityGML 模型的語義映射方法可分為一對一映射，一對多映射［6，16］，及間接映射三種類型。以下為三類映射方法實現(xiàn)的詳細(xì)描述:

1)一對一映射

一對一映射即一個IFC 類型直接映射為一個CityGML 類型，例如IfcWindow 和IfcDoor 可以一一映射的方式分別映射為CityGML 中的Window 和Door，如表3 中為IFC 到CityGML 一對一映射規(guī)則，在CityGML LOD4 中沒有對室內(nèi)物體進(jìn)行單獨的語義描述，大部分室內(nèi)實體都可用BuildingInstallation 來表示［16］，例如樓梯，橫梁，陽臺等，所以可將IFC 中的室內(nèi)信息映射為BuildingInstallation。IfcDoor，IfcWindow，IfcRoof，IfcOpening 可分別以一一映射的方式映射為Door，Window，RoofSurface 和ClosureSurface。

2)一對多映射一對多映射即一個IFC 類型可映射為多個CityGML 類型，例如可將IfcFooting 映射為Wall，F(xiàn)loor 或Ceiling，具體參考［6，16］。然而［3］在提出語義映射規(guī)則之后，通過幾何算法只提取了建筑外殼信息，未對室內(nèi)對象，如內(nèi)墻，天花板以及地板進(jìn)行處理。而室內(nèi)信息對于IFC 模型向CityGML LOD4 模型的轉(zhuǎn)換中是非常重要的，WallSurface 和InteriorWallSurface，OuterCeilingSurface 和CeilingSurface，OuterFloorSurface 和FloorSurface 之間的區(qū)分，需通過內(nèi)外面區(qū)分幾何算法區(qū)分開。如圖4 所示為IFC 與CityGML 一對多語義映射流程。圖中語義映射規(guī)則在［3］的基礎(chǔ)上上加入了InteriorWallSurface、CeilingSurface、FloorSurface、Room 等語義要素。

3)間接映射

間接映射即無法從IFC 類型直接映射到CityGML中，基于一對一映射和一對多映射結(jié)果經(jīng)過幾何運算才能得到。CityGML 中的Room，在IFC 模型中Ifc-BuildingStore 和IfcCovering 類型可獲得Room 空間時可以一對一或一對多的方式實現(xiàn)映射，部分情況下Ifc-BuildingStore 和IfcCovering 不直接包含Room 空間信息，通過傳統(tǒng)方式無法獲取到Room 信息［16］［13］。

經(jīng)過一對一映射和一對多映射之后，可獲取到GroundSurface、FloorSurface、WallSurface 和InteriorWall-Surface 的幾何信息。以墻面及地板幾何信息為基礎(chǔ)，可通過室內(nèi)空間提取算法實現(xiàn)Room 的二維空間提取。本文基于Navigation Mesh Generation 實現(xiàn)了Room 的空間提取。圖5(a)為原始模型，包括WallSurface 和GroundSurface 要素，(b)為經(jīng)過空間提取或獲取的Room 空間輪廓?？煽闯?，通過此算法可正確的提取出Room 的二維輪廓，然后根據(jù)IFCBuildingStorey 中提供的樓層高度，還原出CityGML 中的Room 空間。

圖4 IFC 與CityGML 一對多語義映射流程

表3 IFC 與CityGML 一對一映射規(guī)則

4 方法驗證

為驗證以上提出的IFC 與CityGML 語義信息共享的方法可行性，本文以Building SMART (http://www.buildingsmart-tech.org/)網(wǎng)站提供的標(biāo)準(zhǔn)的IFC 三維模型進(jìn)行測試，使用開源代碼IfcOpenShell library Version 0.3.0 進(jìn)行IFC 文件的解析，使用本文提出的方法，成功篩選出CityGML 所需的幾何信息，并將IFC 幾何表達(dá)轉(zhuǎn)為三角網(wǎng)形式進(jìn)行表達(dá)，但個別會有材質(zhì)缺失的情況。語義映射中，內(nèi)外區(qū)分算法在建筑輪廓為凹多邊形的情況下會存在識別錯誤的問題，需要繼續(xù)改進(jìn)算法。但對于矩形建筑來說本文提出的方法能夠有效的區(qū)分出內(nèi)部信息和外部信息，而且通過室內(nèi)空間提取算法能準(zhǔn)確將Room 空間提取出來。圖6 中a 圖為IFC 原始模型，b 圖為CityGML 的拆分模型，兩圖對比可看出，經(jīng)過篩選后，各個類型為獨立的幾何要素，且包含對應(yīng)的語義信息。

圖5 Room 空間提取-間接映射

圖6 IFC 原始模型與CityGML 拆分模型

5 結(jié)論

本文提出了一種IFC 與CityGML 建筑幾何語義信息共享的方法，詳細(xì)描述了IFC 到CityGML 的轉(zhuǎn)換中的幾何信息過濾方法及語義映射規(guī)則。此方法可初步將實現(xiàn)規(guī)則IFC 建筑模型到CityGML 的幾何和語義映射。但將IFC 轉(zhuǎn)換到CityGML 后，經(jīng)過幾何過濾和語義映射后也難以完全符合當(dāng)前的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)，例如房間的兩個相鄰的墻在IFC 中會用兩個相鄰的實體表達(dá)，在CityGML LOD4 模型中則會分別用一個外墻面和內(nèi)墻面表示，所以相應(yīng)幾何、語義精化方法是下一步工作中的研究重點。本方法的提出為IFC 模型到多細(xì)節(jié)層次CityGML 模型的自動轉(zhuǎn)換提供了良好的基礎(chǔ)。

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