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。
參考文獻(xiàn):
[1]劉心怡,徐鵬,朱孟蘭,等.基于GIS+BIM的三維映射技術(shù)在大中型工程全生命周期中的應(yīng)用研究[J].工程技術(shù)研究,2023(12):8-10.
[2]胡瑛婷,馬駿,石玉,等.基于擴(kuò)展語義匹配的BIM和GIS三維建筑數(shù)據(jù)融合[J].土木建筑工程信息技術(shù),2022(3):9-15.
[3]呂東,王婧,楊璟林,等.基于WebGL引擎的鐵路工程BIM+GIS平臺研發(fā)及(設(shè)計階段)應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,2023(10): 62-69.
[4]武鵬飛,劉玉身,譚毅,等.GIS與BIM融合的研究進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].測繪與空間地理信息,2019(1):1-6.
[5]楊軼.城市火災(zāi)自動報警信息系統(tǒng)的容錯設(shè)計[D].上海:復(fù)旦大學(xué),2006.
[6]郭濤.基于BIM+GIS的長江航道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)預(yù)處理系統(tǒng)[J].人民長江,2022(S2):192-195.
[7]薛天寒,金哲飛,姚海元,等.基于BIM+GIS的港口空間規(guī)劃及設(shè)計技術(shù)方法[J].水運工程,2022(5):159-163.
[8]唐欽.人工智能背景下圖書館數(shù)據(jù)集成研究[J].科技資訊,2024(10):231-234.
[9]姜佩奇,伍杰,劉輝,等.基于BIM的數(shù)字孿生水利工程輕量化技術(shù)研究[J].人民黃河,2024,46(05):133-137+144.
[10]李德旭,喬文靖,王元戎,等.基于三維協(xié)同的公路工程BIM正向設(shè)計研究[J].科技通報, 2024, 40(7):8-14.
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)。