摘要：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，建筑信息模型（building information modeling，BIM）與地理信息系統(tǒng)（geographic information system，GIS）的融合應(yīng)用越來越廣泛。將BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行有效協(xié)同，能夠充分發(fā)揮兩者的互補(bǔ)優(yōu)勢，提升基礎(chǔ)設(shè)施項目的數(shù)據(jù)管理水平和決策效率。本文提出了一種實現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)協(xié)同的關(guān)鍵技術(shù)，并通過實際案例驗證其可行性和應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：BIM；GIS；數(shù)據(jù)協(xié)同

引言

在基礎(chǔ)設(shè)施項目的全生命周期管理中，BIM憑借其強(qiáng)大的三維建模和數(shù)據(jù)分析能力發(fā)揮著舉足輕重的作用，但BIM主要聚焦于建筑內(nèi)部的微觀信息，對周圍環(huán)境缺乏宏觀的說明。GIS則專注于整合多種地理空間信息，為城市規(guī)劃、環(huán)境監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警等領(lǐng)域提供大尺度宏觀環(huán)境空間數(shù)據(jù)管理與分析的強(qiáng)大支持，而對于建筑內(nèi)部信息的表達(dá)，GIS相對薄弱，精細(xì)化管理的需求很難得到滿足[1]。

本文針對BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)在基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)業(yè)的協(xié)同方法進(jìn)行了深入探討，并提出一種通用的方案，將自研BIM數(shù)據(jù)和商業(yè)BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為與GIS數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)兼容的格式，并在統(tǒng)一的三維地球場景中進(jìn)行融合展示。同時，針對大場景模型加載時間過長、系統(tǒng)崩潰等問題，構(gòu)建LOD（level of detail）空間層級架構(gòu)，實現(xiàn)高效加載與渲染，對3D場景進(jìn)行分組處理。該方案解決了BIM與GIS在數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理流程等方面的差異問題，并在實際案例中進(jìn)行了驗證[2-3]。

1. 數(shù)據(jù)協(xié)同現(xiàn)狀及問題

1.1 BIM+GIS數(shù)據(jù)協(xié)同的技術(shù)進(jìn)展

（1）數(shù)據(jù)交換與互操作性。近年來，隨著IFC（industry foundation classes）等標(biāo)準(zhǔn)的推廣，BIM與GIS數(shù)據(jù)之間的交換與互操作性得到了顯著提升。通過開發(fā)專門的轉(zhuǎn)換工具或插件，可以實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)向GIS平臺的無縫導(dǎo)入，同時保留大部分關(guān)鍵信息，如幾何形狀、材質(zhì)屬性、空間關(guān)系等。

（2）數(shù)據(jù)融合與集成。為實現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)的深度融合，研究者們探索了多種數(shù)據(jù)融合技術(shù)。這些技術(shù)包括但不限于：構(gòu)建統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型或本體論以實現(xiàn)語義層面的融合；利用云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)提升數(shù)據(jù)處理與分析的智能化水平；開發(fā)專門的數(shù)據(jù)可視化工具與平臺，以便用戶能夠直觀地理解和交互BIM+GIS數(shù)據(jù)[4-5]。

1.2 BIM+GIS數(shù)據(jù)協(xié)同存在的問題

（1）數(shù)據(jù)格式與標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。采用不同數(shù)據(jù)格式、不同標(biāo)準(zhǔn)的各種BIM軟件、GIS平臺，導(dǎo)致資料共享、協(xié)同困難。

（2）數(shù)據(jù)精度與一致性不高。在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和整合的過程中，幾何信息和屬性信息的丟失或不一致，都有可能發(fā)生[6]。

（3）技術(shù)成熟度不高。盡管BIM與GIS的集成化研究已取得一定的進(jìn)展，但總體技術(shù)成熟度仍須提高，尤其是軟件的兼容性、資料處理效率等在實際應(yīng)用中還有待解決[1]。

2. 基于IFC與3D Tiles標(biāo)準(zhǔn)的BIM與GIS數(shù)據(jù)融合

2.1 數(shù)據(jù)協(xié)同體系框架

BIM與GIS數(shù)據(jù)協(xié)同圍繞IFC或自研數(shù)據(jù)格式與3D Tiles標(biāo)準(zhǔn)展開，旨在通過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與處理流程，實現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)的無縫對接與高效利用。體系框架主要包括數(shù)據(jù)源層、轉(zhuǎn)換處理層、數(shù)據(jù)存儲層、服務(wù)應(yīng)用層四個層次。

（1）數(shù)據(jù)源層。作為數(shù)據(jù)協(xié)同的起點，該層包含BIM數(shù)據(jù)源（基于IFC標(biāo)準(zhǔn)）與GIS數(shù)據(jù)源。BIM數(shù)據(jù)源提供建筑物的詳細(xì)幾何、屬性及語義信息；GIS數(shù)據(jù)源則包含宏觀地理空間數(shù)據(jù)，如地形、地貌、交通網(wǎng)絡(luò)等[7]。

（2）轉(zhuǎn)換處理層。該層是數(shù)據(jù)協(xié)同體系的核心，負(fù)責(zé)將BIM數(shù)據(jù)源中的IFC數(shù)據(jù)或自研數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適合Web端渲染的中間格式（如GLTF），并進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為3D Tiles格式以優(yōu)化加載效率。同時，對屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，確保其與幾何數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和一致性。轉(zhuǎn)換過程中，需采用先進(jìn)的算法和技術(shù)手段，以最大限度地保留原始數(shù)據(jù)的信息量和精度。

（3）數(shù)據(jù)存儲層。該層負(fù)責(zé)存儲轉(zhuǎn)換后的3D Tiles模型數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)，以及可能的其他輔助數(shù)據(jù)，如元數(shù)據(jù)、索引信息等。數(shù)據(jù)存儲須考慮數(shù)據(jù)的可擴(kuò)展性、安全性和可訪問性，以滿足不同應(yīng)用場景下的數(shù)據(jù)需求[8]。

（4）服務(wù)應(yīng)用層。作為數(shù)據(jù)協(xié)同體系的最終輸出端，該層提供基于Web的3D可視化服務(wù)、數(shù)據(jù)查詢與分析服務(wù)、API接口等。用戶可通過瀏覽器或其他客戶端軟件訪問這些服務(wù)，實現(xiàn)BIM與GIS數(shù)據(jù)的協(xié)同展示、交互操作及數(shù)據(jù)分析等功能。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)與方法

研究并開發(fā)高效的IFC或自研數(shù)據(jù)到3D Tiles轉(zhuǎn)換工具或算法，確保轉(zhuǎn)換過程中數(shù)據(jù)的完整性和一致性。轉(zhuǎn)換過程中主要處理幾何信息的精確表達(dá)、屬性信息的結(jié)構(gòu)化存儲、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等問題。下面重點介紹BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)融合的處理方式，整體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換技術(shù)路線如圖1所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)解析

（1）IFC文件解析

工具選擇：使用IFCOpenShell庫對IFC文件進(jìn)行分析。IFCOpenShell是開源的IFC處理工具，可以讀操作IFC文件，從中提取幾何信息和屬性資訊。

解析過程：通過C# OpenShell所提供的API，如loadModel（）函數(shù)將IFC文件加載到內(nèi)存中，使用getEntities（）方法獲取所有IFC實體，在引擎中提取到的信息都有相應(yīng)的類型進(jìn)行存儲。

（2）OBJ與GLTF格式轉(zhuǎn)換

OBJ 格式轉(zhuǎn)換：解析后的IFC文件將幾何信息轉(zhuǎn)換成OBJ格式。OBJ格式是一種只包含幾何信息而不包含材料和紋理信息的簡單3D模型文件格式。通過IFCOpenShell的轉(zhuǎn)換工具或者自定義腳本就可以實現(xiàn)這一步。

GLTF 格式轉(zhuǎn)換：將OBJ文件轉(zhuǎn)換成GLTF文件即可。GLTF是一種支持幾何體、材料、動畫、紋理等的Web輕量級3D格式。本步驟可使用OBJ2GLTF工具完成。

（3）3D Tiles格式轉(zhuǎn)換

工具選擇：使用Cesium的3D Tileset Generator工具（如Cesium-Tools包中的gltfTo3dtiles工具）將GLTF文件轉(zhuǎn)換為3D Tiles格式。

（4）自研數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

用戶輸入路橋隧建模所需的參數(shù)，通過自研的路橋隧API能夠?qū)崿F(xiàn)將自研數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換成3D Tiles格式。

2.2.2 數(shù)模分離策略

制定數(shù)模分離的實施方案，明確幾何數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的分離原則、存儲方式及關(guān)聯(lián)機(jī)制。通過合理的數(shù)模分離策略，提高數(shù)據(jù)的可管理性、可維護(hù)性和可重用性[9-10]。

2.2.3 數(shù)據(jù)優(yōu)化與壓縮技術(shù)

采用圖像壓縮、幾何壓縮及數(shù)據(jù)索引技術(shù)，對3D Tiles模型數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，以減少數(shù)據(jù)傳輸量、提高加載速度和渲染效率。

2.2.4 服務(wù)接口與API設(shè)計

設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)接口和API，確保不同系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換與共享。服務(wù)接口需遵循國際標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性[10]。

3. 應(yīng)用案例

獨庫公路是天山中部連接北疆和南疆的綜合運輸大動脈，主線橋梁（含互通區(qū)主線橋）全長24323.5m/27座，隧道全長24430.5m/8座，橋隧總長48754m，占比58.90%；通道39座（橋式通道11道，涵式28道），涵洞16道，互通1處，服務(wù)區(qū)2處，停車區(qū)2處。

基于BIM+GIS數(shù)據(jù)融合需求，自研了設(shè)計成果數(shù)字化交付系統(tǒng)，功能包括坐標(biāo)系配置、地理信息圖層、地形、導(dǎo)入路線、橋梁3D建模等功能。下面基于該系統(tǒng)進(jìn)行BIM+GIS數(shù)據(jù)融合案例應(yīng)用。

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段

模型創(chuàng)建：輸入道路、橋梁、隧道中所有必要的幾何信息和屬性信息，程序內(nèi)部將對接IFC標(biāo)準(zhǔn)，將模型生成為IFC格式。

3.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換階段

使用圖1所示技術(shù)路線，并Cesium的API對GLTF文件進(jìn)行預(yù)處理，如設(shè)置模型的LOD（Level of Detail）等級。

環(huán)境配置：安裝配置IFCOpenShell、OBJ2GLTF、Cesium等工具，確保這些工具能正常運行，并準(zhǔn)備好腳本或指令行參數(shù)，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

格式轉(zhuǎn)換：根據(jù)以上技術(shù)細(xì)節(jié)中的步驟，IFC文件依次轉(zhuǎn)換為OBJ文件、GLTF文件以及3D Tiles格式。在轉(zhuǎn)換過程中，要確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，對每一步的輸出結(jié)果都需要密切關(guān)注。

錯誤處理：文件損壞、格式不兼容等各種問題都可能在轉(zhuǎn)換過程中遇到。對于修復(fù)損壞的文件、使用其他工具進(jìn)行轉(zhuǎn)換等，都需要準(zhǔn)備相應(yīng)的錯誤處理機(jī)制。

3.3 數(shù)據(jù)集成與展示階段

Cesium平臺配置：對于新的項目或場景，要對必要的參數(shù)及設(shè)置進(jìn)行配置，如場景的坐標(biāo)系、光照條件、攝像機(jī)位。

數(shù)據(jù)加載與測試：在Cesium平臺加載轉(zhuǎn)換后的3DTiles數(shù)據(jù)并進(jìn)行試驗，試驗包含加載速度、渲染性能、交互功能等模型，保證各項功能正常運行，并滿足使用者需求。

優(yōu)化與調(diào)整：根據(jù)試驗結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)調(diào)整，優(yōu)化模型。例如，優(yōu)化加載速度、渲染性能，調(diào)整模型的LOD等級；以提供較好的視覺效果為目的，調(diào)整攝像機(jī)的位置和角度等。加載所有數(shù)據(jù)到Cesium平臺中。

本案例成功將自研BIM數(shù)據(jù)與商業(yè)BIM格式（IFC、Obj等）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為3D Tiles格式，實現(xiàn)了瀏覽、查詢、分析BIM在Cesium平臺上的功能。實驗結(jié)果顯示，3D Tiles格式在穩(wěn)定性、加載速度和渲染表現(xiàn)上都比其他數(shù)據(jù)格式更好。另外，通過解析各類數(shù)據(jù)格式，保留模型的語義信息與造型數(shù)據(jù)，實現(xiàn)查詢BIM屬性和展示關(guān)聯(lián)關(guān)系，有力地支持了BIM與GIS的融合。

結(jié)語

本文闡述了BIM數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)融合的實際流程，并通過案例對技術(shù)路線進(jìn)行了可行性驗證，但本文所用的Cesium引擎相比其他引擎存在一些差距，仍有較大的優(yōu)化空間，今后還將繼續(xù)探討更多的BIM及GIS集成方法和應(yīng)用場景，提升技術(shù)路線的適用場景。

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作者簡介：吳崢，碩士研究生，工程師，849497191@qq.com，研究方向：技術(shù)研發(fā)。

基金項目：中交集團(tuán)工程軟件技術(shù)研發(fā)中心專項課題——中交集團(tuán)工程軟件開發(fā)能力建設(shè)（編號：RP2022015111）。