BIM技術(shù)與GIS技術(shù)融合應(yīng)用研究

史艾嘉

摘要：BIM和GIS源自不同的領(lǐng)域，并根據(jù)各自特定的需求進(jìn)行開發(fā)。BIM系統(tǒng)是基于三維信息（3D）的技術(shù)，側(cè)重于生成對象最大細(xì)節(jié)的表達(dá)，GIS則側(cè)重于分析我們周圍存在的對象。然而，兩個領(lǐng)域的信息交流越來越緊密，本文著重介紹GIS與BIM技術(shù)，分析探討B(tài)IM技術(shù)與GIS技術(shù)融合應(yīng)用，以使城市可視化，讓城市未建先見。

Abstract： BIM and GIS originate from different fields and are developed according to their specific needs. The BIM system is based on three-dimensional information （3D） technology， focusing on the expression of the largest detail of the object， while the GIS focuses on analyzing the objects that exist around us. However， the information exchange between the two fields is getting closer and closer. This paper focuses on GIS and BIM technology， and analyzes the application of BIM technology and GIS technology to visualize the city before construction.

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市;BIM;GIS;融合應(yīng)用

Key words： digital city;BIM;GIS;fusion application

中圖分類號：TU17? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）21-0179-03

0? 引言

伴隨我國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，城市建設(shè)更新速度加快，智慧化需求越來越高，我國智慧城市行業(yè)概念企業(yè)已經(jīng)發(fā)展近千家。未來，基于國家發(fā)展“建設(shè)智慧城市”的要求，智慧城市行業(yè)概念企業(yè)數(shù)量將會迅速突破千家?？梢?，城市建設(shè)對資源和信息化的依賴程度也越來越高，傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)模型已經(jīng)無法滿足三維空間分析需求，精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化已然成為城市建設(shè)管理的核心要求。GIS與BIM的融合技術(shù)為城市建設(shè)管理提供一種新的方法，以彌補單一技術(shù)在城市建設(shè)管理中的短板。

1? GIS與BIM概述

地理空間信息可以定義為一種使用特定地理參考系統(tǒng)，與現(xiàn)有地形和地形相關(guān)的信息。GIS（地理信息系統(tǒng)）被開發(fā)用于管理和分析基于地理信息技術(shù)的空間數(shù)據(jù)，是地理空間的三維表達(dá)，提供了一種使用特定位置訪問詳細(xì)空間信息的方法。GIS在計算機硬、軟件系統(tǒng)支持下能夠在大空間尺度上基于室外環(huán)境的功能和物理空間關(guān)系實現(xiàn)空間分析，數(shù)據(jù)的采集、管理、運算等功能，在資源和環(huán)境領(lǐng)域發(fā)揮著技術(shù)先導(dǎo)的作用。我們生活中使用的智能導(dǎo)航系統(tǒng)便是基于GIS系統(tǒng)。GIS側(cè)重于室外的信息表達(dá)，為城市的建設(shè)提供基礎(chǔ)框架。

BIM（建筑信息模型）是目前建筑行業(yè)興起的技術(shù)，側(cè)重于單體建筑的精細(xì)化表達(dá)，具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性和可出圖性五大特點。它可以幫助實現(xiàn)建筑信息的集成，從建筑的設(shè)計至運營全過程管理，各種信息始終整合到一個三維模型中，各參與建設(shè)的單位人員均可從模型中輸入或者調(diào)取自己所需信息（幾何信息、專業(yè)屬性、狀態(tài)信息等），即協(xié)同工作。BIM的數(shù)據(jù)庫是動態(tài)變化的，在應(yīng)用中不斷修改、更新、完善。此技術(shù)能有效提高工作效率，降低工程成本，實現(xiàn)建筑的可持續(xù)發(fā)展[1]。

基于GIS的傳統(tǒng)三維模型，沒有參數(shù)化的建模，而僅僅用于展示，缺乏詳細(xì)而全面的建筑信息數(shù)據(jù)庫，例如城市規(guī)劃部門不僅對建筑規(guī)劃信息和建筑環(huán)境感興趣，而且還對建筑單體信息感興趣，這在傳統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)庫中不可用，但存儲在BIM中。而BIM專注于建筑相關(guān)信息的表達(dá)，包括來自幾何、視圖等非常豐富和詳細(xì)的構(gòu)造信息。但BIM相比于GIS也有其軟肋，即它不包括周圍的信息，在建筑空間規(guī)劃上有其局限性，BIM系統(tǒng)有時需要空間信息進(jìn)行環(huán)境評估、資源安排和安全分析，只能在GIS中訪問。而GIS強項恰恰在于此。因此將GIS與BIM技術(shù)融合，利用GIS的地理宏觀空間表現(xiàn)與BIM的微觀精細(xì)室內(nèi)布局相結(jié)合，充分發(fā)揮管理與分析結(jié)合的功能優(yōu)勢，非常適合城市管理任務(wù)的需要和建筑的各種生命周期。

2? GIS與BIM數(shù)據(jù)融合

GIS與BIM從本質(zhì)上看是兩種輸出數(shù)據(jù)格式不同的技術(shù)，在各個方面存在不兼容性，因此將兩者融合有一定的難度，不是簡單的捏合，還處于起步階段。GIS與BIM融合不是將傳統(tǒng)的三維模型直接導(dǎo)入GIS，本質(zhì)上兩者還是孤立開來。兩者的真正融合應(yīng)該考慮不同數(shù)據(jù)中幾何信息的轉(zhuǎn)換、屬性信息的保留及空間的尺度變化等問題。圍繞兩者的融合問題，國內(nèi)外學(xué)者展開了大量的研究工作，全球范圍內(nèi)，有多個國家如德國、韓國、荷蘭等歐亞國家研究此項工作，并已經(jīng)成為該研究領(lǐng)域的前沿。

目前GIS與BIM的融合方法有三種，即數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)擴展、本體論。其中數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是最主流，最適用的一種方法。

BIM的數(shù)據(jù)格式采用IFC標(biāo)準(zhǔn)，作為一種開放格式，IFC已成為跨不同平臺交換信息的最成功的工具之一[2]。GIS的主要標(biāo)準(zhǔn)是CityGML。IFC和CityGML有一些相似之處。比如，兩者都是基于對象的，并且他們定義了一些類似的實體。一些遵循CityGML的模型很大程度上與幾何學(xué)方面的IFC一致。但這兩種格式在不同的細(xì)節(jié)中包含不同類型的信息，IFC包含比CityGML更詳細(xì)的信息，其中在涉及到數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換時，往往會導(dǎo)致IFC和CityGML之間的完整映射并不容易。盡管存在這些不兼容性，但研究人員已經(jīng)嘗試了各種方法克服GIS與BIM的個體弱點，以開發(fā)出更穩(wěn)定、可接受的解決方案。

目前，IFC和CityGML之間的轉(zhuǎn)換主要有兩種方法：手動轉(zhuǎn)換和半自動轉(zhuǎn)換，沒有方法可以實現(xiàn)完全自動化轉(zhuǎn)換過程。手動轉(zhuǎn)換通常包括以下步驟：①語義過濾;②外殼計算;③建筑物安裝;④幾何細(xì)化;⑤語義細(xì)化。這是目前IFC和CityGML轉(zhuǎn)換/翻譯的經(jīng)典框架之一。最近，通過數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)（ETL）可以實現(xiàn)BIM和GIS數(shù)據(jù)半自動轉(zhuǎn)換，該過程從源系統(tǒng)中提取同類型數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)母袷綄?shù)據(jù)加載到數(shù)據(jù)倉庫中。ETL期間的映射過程可以靈活實現(xiàn)BIM和GIS數(shù)據(jù)之間的完整和自定義轉(zhuǎn)換。因此，ETL工具適合批量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以批量轉(zhuǎn)換大量數(shù)據(jù)。但這種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式也存在缺點，從已有的研究來看，ICFC與CityGML數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換仍不可避免產(chǎn)生數(shù)據(jù)的丟失，因此未來的重點仍將是解決如何避免數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中的信息丟失問題。

3? REVIT三維建模與GIS軟件

3.1 REVIT概述

Revit是由Autodesk公司開發(fā)的一款國際通用的三維建模軟件，是目前最主流的BIM軟件。它的主要功能是建筑外觀及內(nèi)部的設(shè)計或設(shè)備的規(guī)劃，可以從多個角度觀看建筑外部景觀和內(nèi)部景觀。由于它界面類似CAD操作易上手，建模方式獨特、簡潔，并且可以導(dǎo)出多種格式與其它軟件進(jìn)行對接，深受廣大用戶的喜愛。

3.2 某建筑BIM三維建模

為達(dá)到BIM技術(shù)與GIS技術(shù)的融合，首先需要通過Revit軟件進(jìn)行三維建模，將三維模型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，步驟如下：①選擇建筑樣板;②建立標(biāo)高;③導(dǎo)入CAD圖紙，依據(jù)圖紙快速建立軸網(wǎng)和墻體;④建立門、窗、幕墻、樓梯、屋頂、地形與場地等各個構(gòu)件;⑤模型檢查，導(dǎo)出其它格式并與其它軟件進(jìn)行對接。

Revit軟件中雖提供多種系統(tǒng)族供我們建模，但是由于每個建筑都有其特殊性，例如門、窗都有特定的參數(shù)要求，那么單靠自帶的族庫顯然無法滿足模型多元化的要求，這就要求我們學(xué)會自己創(chuàng)建所需要的族，通過拉伸、放樣、旋轉(zhuǎn)等多種族命令創(chuàng)建相應(yīng)的族元素，再載入到項目中便可使用。

建立的建筑三維模型效如圖1，圖2所示。

3.3 GIS軟件—GoogleEarth

谷歌地球是美國谷歌公司開發(fā)的一款三維虛擬地球軟件，它將衛(wèi)星照片、航拍照片和GIS照片布置在地球上，支持三維模型的加載、查詢、編輯等功能。依托美國高分辨率影像，用戶可登陸電腦端或手機端瀏覽地理圖像。目前，谷歌地球中的“3D建筑圖層”功能正是BIM與GIS融合的最典型的例子之一。

4? GIS與BIM融合應(yīng)用

4.1 室內(nèi)導(dǎo)航

BIM與GIS融合的應(yīng)用之一是能實現(xiàn)室內(nèi)空間的導(dǎo)航。眾所周知，目前的智能導(dǎo)航系統(tǒng)主要是針對室外導(dǎo)航，而室內(nèi)三維導(dǎo)航系統(tǒng)卻很少，大多數(shù)是二維線條導(dǎo)航。主要原因在于導(dǎo)航系統(tǒng)是基于GIS系統(tǒng)，而GIS系統(tǒng)缺乏室內(nèi)信息，如果將建筑BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換添加到GIS數(shù)據(jù)中，便可實現(xiàn)建筑物內(nèi)部的導(dǎo)航，對于大型商場游客游玩或者火災(zāi)發(fā)生逃生都是極為有用的。在這里，IFC數(shù)據(jù)主要是用于室內(nèi)路徑規(guī)劃與信息管理，而GIS數(shù)據(jù)則負(fù)責(zé)室外的資源管理及逃生路線規(guī)劃。最終兩者結(jié)合使室內(nèi)人員和消防員能快速找到逃生路線及營救路線，減少了應(yīng)急救援時間，增加逃生幾率。如央視新大樓利用BIM與GIS技術(shù)開發(fā)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，可以為員工跨樓層跨樓體導(dǎo)航。

4.2 BIM+GIS傾斜攝影應(yīng)用

傾斜攝影技術(shù)是近十幾年來發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它不同于以往的正攝影像只能從垂直角度拍攝物體。通過多鏡頭無人機從多角度采集圖像信息，獲取豐富的建筑物頂面及立面的高分辨紋理等航測數(shù)據(jù)建立三維GIS模型，結(jié)合BIM在室內(nèi)空間的精細(xì)化表現(xiàn)以及傾斜攝影室外快速建模優(yōu)勢，可以實現(xiàn)建造大范圍室內(nèi)外一體化的模型?；贕IS的三維實景模型可以更好的服務(wù)智慧城市建設(shè)，在國土、規(guī)劃、水利、旅游等領(lǐng)域也有重大的應(yīng)用價值。

4.3 場地選擇與布置

項目規(guī)劃人員運用BIM技術(shù)可以沉浸在施工現(xiàn)場的真實視圖中，并通過使用BIM三維模型信息來評估潛在的危險，以此幫助規(guī)劃人員在場地規(guī)劃階段做出決策。相比之下，GIS能提供環(huán)境影響的定量評估與場地的空間背景視圖，以及支持建筑工地材料布局的時空沖突檢測與現(xiàn)場材料的可達(dá)性評估[3]。

4.4 公共設(shè)施管理應(yīng)用

目前，BIM技術(shù)主要應(yīng)用于設(shè)計與施工階段，而在運維管理階段的使用尚處于初步階段。若將BIM與GIS技術(shù)二者集成應(yīng)用可解決市政、基礎(chǔ)設(shè)施及大型公共建筑的BIM運維管理，可提高BIM技術(shù)的應(yīng)用范圍。如，昆明新機場項目，結(jié)合BIM技術(shù)與GIS技術(shù)開發(fā)機場航站樓運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)航站樓機電、庫存、物業(yè)、報修與巡檢等運維管理和信息的動態(tài)查詢。

5? 結(jié)語

由于IFC與CityGML數(shù)據(jù)仍無法實現(xiàn)完全的轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過程中仍會不可避免的出現(xiàn)信息的丟失，因此BIM和GIS融合仍然存在許多障礙和挑戰(zhàn)。未來的城市智慧化管理與快速發(fā)展迫切需要BIM與GIS的深度融合，因此開放與協(xié)作將是BIM與GIS成功融合的關(guān)鍵，這不僅適用于新標(biāo)準(zhǔn)或者本體的開發(fā)，同樣是各領(lǐng)域為之奮斗的人們的心態(tài)。相信GIS與BIM的融合將會為城市的可持續(xù)發(fā)展推力。

參考文獻(xiàn)：

[1]武鵬飛.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，2019，42（1）：1-6.

[2]湯圣君，朱慶，趙君嶠.BIM與GIS數(shù)據(jù)集成：IFC與CityGML建筑幾何語義信息互操技術(shù)[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2014，6（4）：11-17.

[3]張鄰.基于BIM與GIS技術(shù)在場地分析上的應(yīng)用研究[J].四川建筑科學(xué)研究，2014（5）：80-82.

[4]郭瑞陽.BIM模型和3D GIS的融合技術(shù)研究及其實現(xiàn)[D].西安科技大學(xué)，2018.

[5]朱慶.三維GIS及其在智慧城市中的應(yīng)用[J].地球信息科學(xué)學(xué)報，2014，16（2）：151-157.