摘要：以主流的Bentley BIM設計平臺和SuperMap及Skyline三維GIS平臺為研究對象，對BIM與GIS集成融合中的關鍵技術做了研究與分析，通過開發數據轉換插件實現了BIM與GIS的無縫融合，最后通過多個項目數據驗證了該 *** 的可行性。該研究對BIM與GIS的協同應用以及CIM平臺建設都具有重要意義。
關鍵詞：建筑信息模型；三維GIS；城市信息模型；數據融合；超圖；Skyline
引言
隨著BIM技術在智慧城市、智慧水務、智慧交通、智慧電力、智慧水電等行業領域的深入應用，BIM模型已由規劃、設計逐步向施工、運維延伸。不同階段都包括設計、施工、監理、業主等多方單位的參與，基于強大但笨重的三維設計平臺開展工作顯然已不實用。通過Web進行模型的查看、溝通已成為當下的主流應用模式，BIM與GIS系統集成的需求越來越強烈：一方面可以讓設計單位、建設單位、監理單位和業主基于一個更加輕量的平臺開展工作，進行協同應用，形成資源共享和功能互補，同時使BIM模型賦維升級，基于統一的空間參考框架，實現從微觀到宏觀、從室內到室外、從單體到城市級的應用擴展，產生更高的數據價值。
筆者以構建CIM平臺為技術背景，即通過GIS+BIM+IoT等技術，實現對現實世界各類信息數據的完整映射，建立三維城市空間模型和城市時空信息的有機綜合體。CIM平臺建設首要解決BIM數據與GIS平臺的集成，對BIM與GIS數據融合的關鍵技術進行研究與分析，包括數據組織、數據存儲、數據表達等方面，通過自開發轉換插件，對關鍵信息進行控制，并通過不同項目數據驗證插件的可行性。
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01 BIM與GIS集成融合
1.1 融合 ***
目前BIM與GIS數據融合主要有兩種途徑，一種是通過中間交互格式，將BIM模型按照IFC（Industry Foundation Classes）標準組織數據，或者轉換成OBJ、DirectX、OSG 等成熟的三維引擎支持的格式，GIS系統直接讀取。優勢是轉換簡單，一般BIM軟件都支持IFC、OBJ等格式數據的導出，可直接利用現成的轉換接口，缺點是存在數據丟失、數據轉換質量不可控。另外一種是通過插件，調用平臺提供的數據接口從底層進行二次開發，實現BIM與GIS數據的融合。該 *** 優勢是數據轉換質量可控，數據能滿足工程項目應用需求，缺點是對不同的GIS平臺都需要開發一套接口工具，對BIM與GIS平臺的數據結構都要有足夠了解，需要具備較強的研發能力。
1.2 考核因子分析
BIM模型導入GIS平臺后，考核數據融合效果的因子主要包括以下幾方面：幾何結構、幾何位置、幾何屬性、CAD屬性（如圖層、顏色、透明度等）、紋理屬性、工程屬性等關鍵信息是否完整。一般中間格式轉換方式很難做到紋理屬性和工程屬性的無損。另外，BIM模型在GIS平臺的運行效率也可以作為考核數據融合效果的一個因子。除了GIS平臺本身的運行效率，GIS平臺對BIM模型的數據結構優化能力也是提高模型運行效率的一個方面。
1.3 關鍵技術研究
由于BIM數據采用的CAD平臺與GIS平臺在數據的表達、組織和管理方式上有很大的區別，因此在數據融合時需要重點考慮以下幾方面。
1.3.1 數據組織
BIM數據以圖層為單位進行元素管理，一個圖層可以包含多種數據類型的元素，一個文件由多個圖層組成。另外，多個文件可以參考組成總裝文件。GIS數據以圖層為單位進行要素管理，一個圖層只能包含一種數據類型的要素，多種類型要素通過要素集進行管理，一個文件可以由多個要素集組成。介于BIM數據可以多級深度參考，為確保數據被提取到更低層級，同時保證轉換后圖層關系正確，因此需要建立起圖層-圖層、參考文件-要素集，總裝文件-文件方面的映射。
1.3.2 數據存儲
BIM模型一般將幾何與屬性存儲于同一文件，GIS軟件一般將幾何與屬性分開存儲，此外還會有地理坐標信息的相關定義文件，而BIM模型一般沒有地理坐標信息定義。BIM模型的顏色、線寬、符號、透明度等通過屬性進行表達，GIS平臺里這些屬性一般通過符號化的方式進行表達。對于多個同類元素，BIM模型通過共享單元來減少數據存儲，加快渲染速度，GIS平臺需要逐一進行實例化表達。對于結構化與非結構化的數據，BIM一般采用分開存儲的方式，GIS平臺采用關系數據庫存儲方式，因此可以統一存儲BIM模型結構化和非結構化的數據。
1.3.3 數據表達
BIM數據中元素的基本單元有點、單元、線、面、體等，尤其是三維表達上，可以用各種體來表達復雜的三維實體，如旋轉體、帶倒角的體、參數實體等，在GIS里，三維元素統一以Mesh來表達，因此數據被離散化處理，為更大程度控制數據轉換損失并保證GIS平臺的運行效率，需要在數據轉換時進行精度控制。如原始的一個圓柱體，轉換成Mesh時，可以設置成96、48、24或8個節點不同等級，在GIS平臺下，不同尺度采用不同的顯示等級。
對于紋理的表達，BIM數據一般通過貼圖的方式來表示模型的局部材質，GIS平臺下，除了貼圖，還可以用正射影像來表示大范圍的地表紋理。
02 應用案例
以主流的Bentley BIM設計平臺和主流的三維GIS平臺SuperMap和Skyline為研究對象，通過開發數據轉換插件將dgn的BIM模型無縫轉入GIS平臺，實現BIM與GIS底層融合，并通過不同項目測試，一方面驗證插件的可行性，另一方面為GIS平臺的選型提供參考依據。
2.1關鍵項測試
為驗證BIM模型轉換后的關鍵信息是否完整，選取了不同行業典型項目數據進行測試，包括軌道交通、水利水電、工民建、市政工程等，從圖1~4可以看出，SuperMap和Skyline平臺下BIM模型的幾何結構、幾何位置、幾何屬性、CAD屬性、紋理屬性、工程屬性等關鍵信息被完整保留。
2.2具體項目測試
為論證插件的轉換效率和GIS平臺的運行效果，選取了紹興地鐵1號線一個站點的BIM模型進行測試。BIM模型內容包括建筑、結構、通風空調、排水消防、裝修、施工場平等，模型總裝容量大小1G，轉GIS平臺后數據文件沒有發生明顯的變化，其中數據轉超圖udb耗時30min，udb轉s3m需要6h，數據轉Skyline 3dml耗時2h。模型在GIS平臺運行效果見圖5所示。
轉換插件支持面向B/S一體化應用的數據同步導出，在轉換過程中，發現從udb轉s3m 數據格式相對較慢，雖然插件的性能優于SuperMap平臺本身提供的轉換工具，但是比 Skyline從.x生成3dml的效率還是要低，需要SuperMap平臺對自身提供的s3m數據格式予以優化。從渲染效果來看，SuperMap要優于Skyline平臺，與原始BIM模型的顯示效果更加接近。在運行效率上，Skyline平臺下BIM模型的運行更加流暢，速度優于SuperMap平臺。
03 結語
對BIM模型與GIS平臺數據表達、數據組織等關鍵技術問題進行深入研究，并利用自研發的轉換接口，通過多個項目測試實踐，論證插件可以做到BIM與GIS的真正融合，而且目前仍是解決不同平臺數據融合的更佳方式。由于Bentley平臺與SuperMap、Skyline等GIS平臺的渲染機制不同，GIS平臺只能通過全局光來進行控制，不能做到模型的局部控制，因此在顯示效果上與原始BIM模型有一定的差距，GIS平臺在這方面仍需完善。另外，Web GIS必定是GIS的主流應用方向，因此GIS平臺商都推出滿足Web端、移動端運行的數據格式，如超圖的s3m和Skyline的3dml，即通過重建LOD機制，加快模型在網頁端和移動端的運行效率。但是目前沒有一個通用的數據格式，為了面向不同GIS平臺應用，需要開發不同的數據接口，因此GIS行業若能盡早推出標準化的公開數據格式，可以更好地滿足BIM模型的應用需求，為智慧城市建設提前做好技術儲備。
來源丨 《大壩與安全》2019年第02期 作者：趙杏英 ，陳沉，楊禮國 轉自丨 城市信息模型CIM
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