基于SWRL規(guī)則的BIM和GIS建筑本體融合方法

胡瑛婷，王銘浩，石玉

（山東師范大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250358）

0 引 言

隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，如何使前沿科學(xué)技術(shù)推動(dòng)現(xiàn)代城市的優(yōu)化發(fā)展，這是向無(wú)數(shù)學(xué)者和業(yè)內(nèi)人士提出的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，而智慧城市的建設(shè)是解決此類問(wèn)題的主要方法。實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市向智慧城市過(guò)渡升級(jí)的一個(gè)重要表現(xiàn)便是城市管理的精細(xì)化。為了達(dá)成這一目標(biāo)，首先需要實(shí)現(xiàn)建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）和地理信息系統(tǒng)（Geographic In-formation System, GIS）的融合。BIM 是以建筑物的三維化為依托，以建筑物的全生命周期為線索，將建筑生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)所需的信息進(jìn)行統(tǒng)一整合，形成建筑信息集。建筑構(gòu)件的三維可視化和建筑各個(gè)階段協(xié)調(diào)性工作是BIM 的重要特征。BIM 具有豐富的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，精度較高，包含幾何、物理、規(guī)則等豐富的空間信息和語(yǔ)義信息，在應(yīng)用于建筑三維建模時(shí)可提供有關(guān)建筑物的大量信息，包括幾何信息、物理信息、規(guī)則信息等建筑空間信息。而GIS具有能提供完整的地理空間信息，并能進(jìn)行空間分析的三維模型的優(yōu)點(diǎn)。但令人遺憾的是，若我們僅利用BIM 便會(huì)缺少地理坐標(biāo)上的數(shù)據(jù)信息，而僅利用GIS 的話又無(wú)法得到建筑物室內(nèi)構(gòu)件的組成信息。通過(guò)BIM 和GIS 的融合即可結(jié)合二者各自的數(shù)據(jù)信息，將BIM 領(lǐng)域中的精確模型數(shù)據(jù)信息和GIS 領(lǐng)域中的空間信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)信息的相互補(bǔ)充，這樣做拓寬了數(shù)據(jù)的表示范圍，增加了數(shù)據(jù)的深度，最終實(shí)現(xiàn)從建筑物外部走到建筑物內(nèi)部的目標(biāo)。

BIM 技術(shù)的快速發(fā)展為三維城市模型的建立提供了更為詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息和更加強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支持，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了城市管理效率的提高，不僅是當(dāng)下城市三維建模研究的重點(diǎn)，同時(shí)也是智慧城市等研究領(lǐng)域的技術(shù)支撐。

在學(xué)術(shù)界，BIM 與GIS 的融合是當(dāng)前相關(guān)專業(yè)研究的前沿方向，許多學(xué)者和組織都就此展開了深入的探討和研究。褚靖豫等人將BIM 和GIS 的融合應(yīng)用于地鐵運(yùn)維系統(tǒng)，有助于建設(shè)智慧地鐵運(yùn)維系統(tǒng)。程才等人分析了GIS 和BIM 兩種技術(shù)融合帶來(lái)的好處，研究了優(yōu)化GIS 和BIM 數(shù)據(jù)集相互轉(zhuǎn)換的方法。吳明堂等人設(shè)計(jì)了基于BIM 與GIS 融合的地質(zhì)災(zāi)害治理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同地區(qū)劃分地質(zhì)災(zāi)害等級(jí)并提出相應(yīng)的治理措施。Wyszomirski Michal等人提出了使用可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)BIM 和GIS 融合。而在工業(yè)界的研究中，目前已有部分工業(yè)商用軟件成功實(shí)現(xiàn)了IFC 模型與多層LOD 級(jí)別CityGML 模型之間的雙向轉(zhuǎn)換。IFCExplorer 現(xiàn)已可以導(dǎo)入IFC 標(biāo)準(zhǔn)的模型和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的模型，但對(duì)于模型轉(zhuǎn)換的研究依然停留在從IFC 標(biāo)準(zhǔn)模型向低層次CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型的轉(zhuǎn)換上；BIMServer 可實(shí)現(xiàn)對(duì)IFC 標(biāo)準(zhǔn)模型的管理以及導(dǎo)出CityGML、KML 等格式的文件，但卻存在導(dǎo)出的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型精度低的問(wèn)題。

為了從真正意義上實(shí)現(xiàn)BIM 和GIS 兩大技術(shù)領(lǐng)域中數(shù)據(jù)層面的融合，將其載體IFC 標(biāo)準(zhǔn)與CityGML 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換分為以下幾類：（1）設(shè)計(jì)框架。陳光等人提出了一個(gè)框架，通過(guò)軌道交通BIM 和三維GIS 數(shù)據(jù)交換方法實(shí)現(xiàn)幾何和語(yǔ)義信息的轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步定義一體化三維空間數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)軌道交通及周邊空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和無(wú)縫表達(dá)。（2）設(shè)計(jì)中間模型。Kang 等人提出將BIM 和GIS 的模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)母袷?，利用ETL 概念實(shí)現(xiàn)BIM 與GIS的數(shù)據(jù)集成。

目前尚未實(shí)現(xiàn)IFC 標(biāo)準(zhǔn)和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的完整映射和數(shù)據(jù)補(bǔ)充的原因?yàn)椋海?）語(yǔ)義信息不對(duì)等。（2）不具備完整的映射規(guī)則。（3）在對(duì)語(yǔ)義對(duì)象進(jìn)行定義時(shí)，IFC 標(biāo)準(zhǔn)和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)不同。

1 基于SWRL 規(guī)則的BIM 和GIS 建筑本體融合方法

1.1 本文研究方法

本文提出的方法是基于本體通過(guò)SWRL 規(guī)則來(lái)實(shí)現(xiàn)映射和推理。從IFC 和CityGML 自身文件的結(jié)構(gòu)定義出發(fā)，其實(shí)體類別和實(shí)體屬性信息表達(dá)不同。例如，IFC 用IfcWallStandardCase 表示墻， 而CityGML 則采用WallSurface 和InteriorWallSurface 來(lái)表示墻面，因此需要先建立從IFC 標(biāo)準(zhǔn)到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體類型的映射規(guī)則。其次是IFC 標(biāo)準(zhǔn)和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)所對(duì)應(yīng)的實(shí)體屬性信息詳細(xì)程度和表達(dá)不同，因此需要先將其轉(zhuǎn)換為本體用OWL 格式進(jìn)行存儲(chǔ)，再建立LOD0-LOD4 五層映射規(guī)則實(shí)現(xiàn)自動(dòng)轉(zhuǎn)換。詳細(xì)步驟如1 圖所示，圖1描述了從IFC 標(biāo)準(zhǔn)的建筑模型轉(zhuǎn)換為CityGML LOD0-LOD4 標(biāo)準(zhǔn)模型的過(guò)程。

圖1 轉(zhuǎn)換過(guò)程圖

1.2 IFC 本體構(gòu)建

1.2.1 解析IFC 格式建筑模型實(shí)體類別

本文利用IfcOpenShell 解析IFC 標(biāo)準(zhǔn)的建筑文件，其主要思路是解析XML 文件，重點(diǎn)解析IFC 模型各個(gè)構(gòu)件的幾何坐標(biāo)，IfcOpenshell 定義了專門的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)從IFC 模型中解析出的實(shí)體類別和實(shí)體屬性信息。我們最終可以解析出21 個(gè)實(shí)體類別、36 114 個(gè)IFC 屬性。

所提取的IFC 標(biāo)準(zhǔn)建筑實(shí)體包括21 個(gè)類別，分別是IfcBeam、IfcBuildingElementProxy、IfcChimney、IfcColumn、IfcCovering、IfcCurtainWall、IfcDoor、IfcFooting、IfcMember、IfcPile、IfcPlate、IfcRailing、IfcRamp、IfcRampFlight、IfcRoof、IfcShadingDevice、IfcSlab、IfcStair、IfcStairFlight、IfcWall、IfcWindow。通過(guò)判斷IFC 標(biāo)準(zhǔn)建筑模型中某一實(shí)體的類別來(lái)提取實(shí)體。

1.2.2 解析IFC 格式建筑模型實(shí)體屬性

根據(jù)IFC 標(biāo)準(zhǔn)和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)文檔，本研究選取了二者兼具的IFC 標(biāo)準(zhǔn)的屬性（或是名稱表達(dá)不一樣而實(shí)際意義一樣的IFC 標(biāo)準(zhǔn)的屬性)。GlobalId 表示該實(shí)體的唯一標(biāo)識(shí)，ObjectPlacement.RelativePlacement.Location 表示該實(shí)體的坐標(biāo)位置，SweptArea 表示該實(shí)體的占地面積，RelatingMaterial 表示該實(shí)體的組成材料，Transparency 表示該實(shí)體的透明度，SurfaceColour.Red、SurfaceColour.Blue、SurfaceColour.Green、DiffuseColour 表示該實(shí)體的漫射顏色，Outer 表示該實(shí)體的邊緣輪廓信息。

1.2.3 以O(shè)WL 本體建模語(yǔ)言形式存儲(chǔ)實(shí)體和屬性

在本研究中，利用OWL 本體建模語(yǔ)言能夠很好地定義概念，可以從簡(jiǎn)單概念構(gòu)造出復(fù)雜概念，允許使用推理機(jī)等，將解析出的IFC 標(biāo)準(zhǔn)建筑模型信息用OWL 本體建模語(yǔ)言來(lái)表示及存儲(chǔ)。

首先建立實(shí)體類，將每一個(gè)實(shí)體類型分別以類的形式存儲(chǔ)在OWL 文件中。其次建立屬性類，并將實(shí)體類與屬性類建立關(guān)聯(lián)，最后把它們存儲(chǔ)到IFC 標(biāo)準(zhǔn)的本體文件中。其中，類globalId、類type、類StyleName、類StyleSide 是數(shù)據(jù)屬性，其屬性值為字符串格式；類StyleDiffuseColour、類StyleSurfaceColour_blue、 類StyleSurfaceColour_green、類StyleSurfaceColour_red、類StyleTransparency 是數(shù)據(jù)屬性，其屬性值為浮點(diǎn)型；類has_Context 是ObjectProperty，其作用域domain 是onto.IfcWallStandardCase，屬性值range是on-to.IfcContext；類has_Covering 是ObjectProperty，其作用域domain 是onto.IfcWallStandardCase，屬性值range 是onto.IfcCovering； 類has_Opening 是ObjectProperty， 其作用域domain 是onto.IfcWallStandardCase，屬性值range 是onto.IfcOpeningElement。最終將實(shí)體類別及屬性信息OWL以本體建模語(yǔ)言的形式存儲(chǔ)。

2 IFC 標(biāo)準(zhǔn)到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)映射規(guī)則建立

2.1 IFC 標(biāo)準(zhǔn)到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體類別映射規(guī)則

通過(guò)語(yǔ)義匹配和幾何轉(zhuǎn)換，將IFC 標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)體和屬性信息轉(zhuǎn)換為CityGML 標(biāo)準(zhǔn)下的實(shí)體和屬性信息。其中，CityGML共有五個(gè)細(xì)節(jié)層次表達(dá)，下文介紹轉(zhuǎn)換的具體規(guī)則。

（1）IFC—CityGML LOD0。IfcSlab 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體，F(xiàn)loorsurface、OuterFloorsurface 在此LOD 層獲取Slab 的長(zhǎng)和寬（即該模型的占地面積），此時(shí)該建筑物為二維。

（2）IFC—CityGML LOD1。在LOD0 層的基礎(chǔ)上，IFC 實(shí)體IfcSpace 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體Room，IFC 實(shí)體IfcRoof 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體RoofSurface。獲取IfcRoof 實(shí)體及其高度的數(shù)據(jù)信息，與LOD0 的占地面積相結(jié)合即可將該建筑拉伸為三維實(shí)體。

（3）IFC—CityGML LOD2。在LOD1 層的基礎(chǔ)上，IFC 實(shí)體IfcWall 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體WallSurface，IFC 實(shí)體IfcCovering 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體OuterCeilingsurface。獲取墻和屋頂實(shí)體的詳細(xì)信息，通過(guò)獲取屋頂?shù)倪吘夵c(diǎn)可更加詳細(xì)地勾勒出屋頂?shù)男螤睢?/p>

（4）IFC—CityGML LOD3。在LOD2 層的基礎(chǔ)上，IFC 實(shí)體IfcWindow 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體Window，IFC 實(shí)體IfcDoor 對(duì)應(yīng)CityGML 實(shí)體Door，IFC 實(shí)體IfcBeam、IfcColumn、IfcStair、IfcRailing 對(duì) 應(yīng)CityGML 實(shí) 體BuildingInstallation。獲取門、窗口、梁等實(shí)體的信息，該層將建筑物刻畫得更加細(xì)致，但始終都是對(duì)建筑物外表面的描述。

（5）IFC—CityGML LOD4。在LOD3 層的基礎(chǔ)上（該層添加了室內(nèi)的實(shí)體信息），實(shí)現(xiàn)了從室外轉(zhuǎn)向室內(nèi)。

根據(jù)第四層CityGML 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)體信息的映射關(guān)系如表1所示。

表1 IFC 實(shí)體與CityGML 實(shí)體映射關(guān)系

2.2 IFC 標(biāo)準(zhǔn)到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體屬性映射規(guī)則

從IFC 到CityGML 的屬性信息映射需要通過(guò)規(guī)則轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)，屬性信息分為關(guān)系屬性和數(shù)據(jù)屬性。

2.2.1 IFC 關(guān)系屬性映射到CityGML 屬性規(guī)則

IFC 關(guān)系屬性表示實(shí)體與實(shí)體之間的關(guān)系，將其轉(zhuǎn)換到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)是為了確定實(shí)體與實(shí)體之間相鄰或包含的關(guān)系，便于建筑的創(chuàng)建。關(guān)系屬性主要有ContainedInStructure、hasAssociations、hasCoverings、hasOpenings、hasContext 五種，具體轉(zhuǎn)換規(guī)則為：

（1）規(guī)則1：ContainedInStructure。查看當(dāng)前IFC 實(shí)體包含在哪一個(gè)IFC 實(shí)體內(nèi)：如果有包含實(shí)體，遍歷所有實(shí)體的GlobalID，找到包含實(shí)體的GlobalID；若找到包含實(shí)體的GlobalID，則將當(dāng)前實(shí)體與包含實(shí)體建立關(guān)聯(lián)屬性ContainedInStructure。

（2）規(guī)則2：hasAssociations。查看與當(dāng)前IFC 實(shí)體有關(guān)聯(lián)的實(shí)體，如果有關(guān)聯(lián)實(shí)體，則遍歷IFC 所有實(shí)體的GlobalID，找到與覆蓋物實(shí)體GlobalID 相同的實(shí)體；如果找到關(guān)聯(lián)實(shí)體，則將當(dāng)前實(shí)體與該實(shí)體建立關(guān)聯(lián)hasAssociations。

（3）規(guī)則3：hasCoverings。查看當(dāng)前IFC 實(shí)體是否包含覆蓋物，如果有覆蓋物，則遍歷IFC 所有實(shí)體的GlobalID，找到與覆蓋物實(shí)體GlobalID 相同的實(shí)體；如果找到覆蓋物，則將當(dāng)前實(shí)體與context 建立關(guān)聯(lián)hasCoverings；如果沒(méi)找到覆蓋物，則建立一個(gè)對(duì)象context_1，與IfcWall 建立關(guān)聯(lián)hasCoverings。

（4）規(guī)則4：hasOpenings。查看當(dāng)前IFC 實(shí)體是否包含窗戶，如果有窗戶，則遍歷IFC 所有實(shí)體的GlobalID，找到與窗戶實(shí)體GlobalID 相同的實(shí)體；如果找到窗戶，則將當(dāng)前實(shí)體與opening 建立關(guān)聯(lián)hasOpenings。

（5）規(guī)則5：hasContext。查看當(dāng)前IFC 實(shí)體是否有文字貼紙，如果有文字貼紙，則遍歷IFC 所有實(shí)體的GlobalID，找到與該實(shí)體GlobalID 相同的實(shí)體；如果找到文字貼紙，則將該實(shí)體與context 建立關(guān)聯(lián)hasContext；如果沒(méi)有找到文字貼紙，則建立一個(gè)對(duì)象context_1，與IfcWall 建立關(guān)聯(lián)hasContext。

2.2.2 IFC 數(shù)據(jù)屬性映射到CityGML 屬性規(guī)則

IFC 數(shù)據(jù)屬性映射到CityGML 的數(shù)據(jù)屬性分三類實(shí)體：實(shí)體IfcCovering、實(shí)體IfcBuildingElementProxy 以及其他實(shí)體，均需要經(jīng)過(guò)六步。

其中，其他實(shí)體的數(shù)據(jù)屬性映射流程為：

（1）將IFC 標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體解析出八個(gè)離散的頂點(diǎn)。

（2）獲取該實(shí)體的GlobalID。

（3）針對(duì)不同實(shí)體，建立空間面的方式不同：

1）IfcWall。 把點(diǎn)、、、連接，組成interiorWallSurface，id 為GlobalID_1；把點(diǎn)、、、連接，組成WallSurface，id 為GlobalID_2。

2）IfcSlab。 把點(diǎn)、、、連接，組成Floorsurface，id 為GlobalID_1；把點(diǎn)、、、連接，組成OuterFloorsurface，id 為GlobalID_2。

3）IfcBeam。通過(guò)連接頂點(diǎn)建立多個(gè)面片實(shí)體，并依次將其id 設(shè)置為GlobalID_1，2，3....

4）IfcFurniture。連接每一個(gè)outer 里的頂點(diǎn)建立一個(gè)面片對(duì)象，多個(gè)outer 屬性就有多個(gè)面片對(duì)象，并依次將其id設(shè)置為GlobalID_，2，3....

5）IfcSpace。連接邊緣頂點(diǎn)建立一個(gè)對(duì)象，并將其id設(shè)置為GlobalID_1。

6）IfcWindow、IfcDoor。把點(diǎn)、、、分別與點(diǎn)、、、合并，組成二維的Window，id 為GlobalID_1。

（4）把面的頂點(diǎn)坐標(biāo)放在＜gml:posList srsDi-mension=“3”＞＜/gml:posList＞。

（5）根據(jù)向量矩陣將所獲取點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為CityGML中的世界坐標(biāo)。其中，是指矩陣在Y 軸的延伸方向，是指矩陣在Z 軸的延伸方向，向量矩陣是指，公式為：

（6）將IfcSurfaceStyleRendering 類中的屬性與CityGML 中相應(yīng)的屬性做對(duì)應(yīng)。映射表如表2所示。

表2 IFC 關(guān)系屬性映射到CityGML 數(shù)據(jù)屬性

GlobalID gml:id LongName名稱Outer外圍邊緣點(diǎn)坐標(biāo)OuterCurve ObjectPlacement gml:posList

實(shí)體IfcCovering 的數(shù)據(jù)屬性映射流程為： 通過(guò)Outer 屬性解析出IFC 標(biāo)準(zhǔn)IfcCovering 的邊緣頂點(diǎn)；獲取該IfcCovering 的GlobalID；將邊緣頂點(diǎn)連接，組成：面Ceilingsurface，id 為GlobalID_1， 面OuterCeilingsurface，id 為GlobalID_2；把面的點(diǎn)坐標(biāo)放在＜gml:posList srsDimension=”3”＞＜/gml:posList＞；根據(jù)向量矩陣將所獲取點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為CityGML 中的世界坐標(biāo)；將IfcSurfaceStyleRendering類中的屬性與CityGML 中相應(yīng)的屬性做對(duì)應(yīng)。

實(shí)體IfcBuildingElementProxy 的數(shù)據(jù)屬性映射流程為：通過(guò)ObjectPlacement 屬性找出IFC 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體的坐標(biāo)點(diǎn)；獲取該實(shí)體的GlobalID；通過(guò)objectType 屬性獲取其高度或?qū)挾?；通過(guò)坐標(biāo)點(diǎn)和高度將該實(shí)體拉伸，將其id 設(shè)置為GlobalID；把原點(diǎn)坐標(biāo)和拉伸后的坐標(biāo)放在＜gml:posList srsDimension=”3”＞＜/gml:posList＞；根據(jù)向量矩陣將所獲取頂點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為CityGML 中的世界坐標(biāo)。

最后，使用Python 中的Owlready2 接口，將實(shí)體類別和實(shí)體屬性以三元組的形式存儲(chǔ)到CityGML2.0 標(biāo)準(zhǔn)的OWL文件中。

2.3 建立SWRL 規(guī)則

基于所存儲(chǔ)的實(shí)體類別和實(shí)體屬性，采用SWRL 規(guī)則將LOD0-LOD4 對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)信息推理出來(lái)，實(shí)現(xiàn)從IFC 格式到CityGML 格式LOD0-LOD4 的轉(zhuǎn)換。

對(duì)于LOD0 層次SWRL 規(guī)則的建立，具體過(guò)程為先找到所有的墻和地板實(shí)體，并把墻和地板的、值分別表示出來(lái)；再比較各實(shí)體的、，找出值最大的點(diǎn)和值最小的點(diǎn)，以及值最大的點(diǎn)和值最小的點(diǎn)共四個(gè)頂點(diǎn)。對(duì)于LOD1 層次SWRL 規(guī)則的建立，具體過(guò)程為在LOD0 的基礎(chǔ)上，通過(guò)比較Z 軸方向數(shù)值的大小來(lái)尋找屋頂實(shí)體，并把屋頂在Z 軸方向的值作為該建筑的最高點(diǎn)。對(duì)于LOD2 層次SWRL 規(guī)則的建立，具體過(guò)程為在LOD1 的基礎(chǔ)上，把LOD2 內(nèi)沒(méi)有開口的實(shí)體及其屬性轉(zhuǎn)換為CityGML 標(biāo)準(zhǔn)本體的實(shí)體和屬性的表示方法。對(duì)于LOD3 層次SWRL 規(guī)則的建立，具體過(guò)程為在LOD2 的基礎(chǔ)上，加上開口的實(shí)體（如門、窗等）。對(duì)于LOD1 層次SWRL 規(guī)則的建立，具體過(guò)程為在LOD3 的基礎(chǔ)上，不只看該建筑物外面的實(shí)體和屬性，還需要從室外走進(jìn)室內(nèi)，將室內(nèi)家具、里墻等室內(nèi)結(jié)構(gòu)遍歷出來(lái)，并將其轉(zhuǎn)換為CityGML 標(biāo)準(zhǔn)本體的實(shí)體和屬性表達(dá)。

使用SWRL 規(guī)則把部分屬性轉(zhuǎn)化為CityGML 標(biāo)準(zhǔn)屬性的具體步驟為：

Step1：建立變量，分別為wall_Type、wallSurface、wall_DiffuseColour、wall_Transparency、wall_Id。

Step2：遍歷集合LOD2_E_attri 中的所有實(shí)體SE 及屬性：

wall_Type = SEi.type。

wallSurface = [(SE1.x, SE1.y, SE1.z), (SE2.x, SE2.y, SE2.z), (SE3.x, SE3.y, SE3.z), (SE4.x, SE4.y, SE4.z)]。

wall_DiffuseColour = SEi.RGB。

wall_Transparency = SEi.transparency。

wall_Id = SEi.GlobalID。

3 CGA 規(guī)則建立CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型

根據(jù)SWRL 規(guī)則可獲取CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的OWL 本體文件，進(jìn)而獲取CityGML 模型的實(shí)體及屬性信息。根據(jù)自定義程序規(guī)則將所獲取的信息轉(zhuǎn)換為CGA 語(yǔ)言，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模。

首先，遍歷CityGML 標(biāo)準(zhǔn)owl 本體文件中的實(shí)體類型，并為每一個(gè)實(shí)體類型建立組，如為整個(gè)建筑建立組并命名為1 組，即@Group ("Building",1)；為墻實(shí)體類型建立組并命為2 組，即@Group ("Wall",2)，依此類推。其次，為每一種實(shí)體類型的對(duì)應(yīng)屬性建立變量，如建立樓房高度height、基層高度groundFloor、墻厚度WallW 等。最后，根據(jù)CityGML 標(biāo)準(zhǔn)LOD0-LOD3 四層建立對(duì)應(yīng)的CGA 規(guī)則，通過(guò)extrude、split、comp 等方法將各實(shí)體的屬性信息等表示出來(lái)。

具體步驟為（僅列出LOD3）：

輸入。包含所有實(shí)體的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)OWL 文件。

輸出。CityGML LOD3 三維模型。

Step1：建立建筑組、墻組、窗戶組、門組。

@Group (“Building”，1)

@Handle (shape=Building)

@Group (“Wall”，2)

@Group (“Window”，3)

@Group (“Door”，4)

Step2：定義建筑高度、樓房高度、基層高度、層高度、墻厚度。

attr height

attr groundFloorH.

attr FloorH

attr WallW

attr doorH

attr doorW

Step3：拉伸并分割建筑。

Lot—extrude (height)Building

Building—comp (f) {front: front| back: back| left: left| right:right| top: Roof| bottom: ground}

Step4：為建筑的每一個(gè)面添加顏色屬性。

front—color (r，g，b)

back—color (r，g，b)

left—color (r，g，b)

right—color (r，g，b)

Roof—color (r，g，b)

Step5：建立屋頂實(shí)體。Roof—roofHip (rH，0)。

Step6：建立窗戶實(shí)體。Window—offset(d) wwin-dow。

wwindow—comp (f) {inside: win-dowinside | border:extrude (2) windowborder}

windowinside—color (r，g，b)

Step6：建立門實(shí)體。Door—offset (d) ddoor。

ddoor—comp (f) {inside: doorinside | border: extrude(2)doorborder}

doorinside—color (r，g，b)

最終得到CityGML LOD0-LOD3 每一層對(duì)應(yīng)的CGA 規(guī)則語(yǔ)言，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)建模，得到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的模型。

4 實(shí)驗(yàn)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的獲取是采用Revit 建立一個(gè)IFC 標(biāo)準(zhǔn)的三維建筑模型并導(dǎo)出其.ifc 格式文件。該模型有一個(gè)樓層，包括墻、平板、窗戶、門、家具等建筑構(gòu)件，如圖2所示。

圖2 IFC 標(biāo)準(zhǔn)的三維模型

4.2 實(shí)驗(yàn)運(yùn)行環(huán)境

本文實(shí)現(xiàn)IFC 標(biāo)準(zhǔn)模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)OD0-LOD4 的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型，試驗(yàn)在IfcOpenShell 開源代碼和OwlReady2 開源代碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行。IfcOpenShell 可實(shí)現(xiàn)IFC 文件的解析，OwlReady2 可實(shí)現(xiàn)本體文件構(gòu)建并進(jìn)行SWRL 規(guī)則推理等。首先，根據(jù)本文提出的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)算法，通過(guò)解析IFC 標(biāo)準(zhǔn)模型得到數(shù)據(jù)信息，根據(jù)所得數(shù)據(jù)信息建立IFC 標(biāo)準(zhǔn)的本體文件，再建立LOD0-LOD4 五層SWRL 規(guī)則，實(shí)現(xiàn)IFC 實(shí)體和屬性到CityGML 實(shí)體和屬性的轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)CGA 規(guī)則語(yǔ)言和所獲得的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)實(shí)體和屬性建立CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的三維建筑模型。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：

（1）Microsoft Windows 10 操作系統(tǒng)。

（2）Pycharm（使用Python 語(yǔ)言開發(fā)）。

（3）IfcOpenshell 開源庫(kù)。

（4）OwlReady2 開源庫(kù)。

（5）Revit（建立IFC 標(biāo)準(zhǔn)的三維模型、IFC 模型可視化軟件）。

（6）CityEngine（使用CGA 規(guī)則語(yǔ)言自動(dòng)建模）。

（7）ArcGIS（CityGML 模型可視化軟件）。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

首先，利用Revit 建立IFC 標(biāo)準(zhǔn)的三維建筑模型，并導(dǎo)出ifc 格式的文件。其次，利用本文提出的方法結(jié)合IfcOpenShell 和OwlReady2 進(jìn)行編碼，開發(fā)生成IFC 格式向OWL 格式轉(zhuǎn)換的可執(zhí)行程序，點(diǎn)擊該可執(zhí)行程序打開轉(zhuǎn)換頁(yè)面，如圖3所示。選擇IFC 文件的路徑，并選擇要解析的實(shí)體類型，點(diǎn)擊“export”即可預(yù)覽解析的結(jié)果，點(diǎn)擊“convert”即可獲取OWL 格式的文件。

圖3 IFC2OWL 系統(tǒng).exe

根據(jù)所建立的LOD0-LOD4 五層SWRL 規(guī)則，利用轉(zhuǎn)換而來(lái)的OWL 文件可得到CityGML LOD0-4 五層的數(shù)據(jù)信息，再用CGA 規(guī)則語(yǔ)言表示出每一層的數(shù)據(jù)信息，最后即可得到CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的模型，如圖4、圖5、圖6、圖7所示。

圖4 LOD0 CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型

圖5 LOD1 CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型

圖6 LOD2 CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型

圖7 LOD3 CityGML 標(biāo)準(zhǔn)模型

5 結(jié) 論

本文提出了基于SWRL 規(guī)則的BIM 和GIS 建筑本體融合方法，研究了從BIM 的IFC 標(biāo)準(zhǔn)到GIS 的CityGML 標(biāo)準(zhǔn)LOD0-LOD4 五層的轉(zhuǎn)換方法，設(shè)計(jì)了LOD0-LOD4 五層SWRL 規(guī)則和CGA 規(guī)則。該方法基于本體通過(guò)SWRL 規(guī)則實(shí)現(xiàn)映射和推理，在語(yǔ)義和幾何方面實(shí)現(xiàn)了IFC 標(biāo)準(zhǔn)到CityGML LOD0-LOD4 五層的轉(zhuǎn)換，又使用CGA 規(guī)則語(yǔ)言表示實(shí)體類型和屬性信息。該方法不僅解決了數(shù)據(jù)丟失問(wèn)題，還實(shí)現(xiàn)了高效建模。

后續(xù)的研究將集中于以下兩個(gè)方面：（1）考慮在新型智慧城市建設(shè)的背景下，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)模型與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等信息的集成，不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的拓展與優(yōu)化。（2）優(yōu)化建筑模型，完成多層次轉(zhuǎn)換，使轉(zhuǎn)換結(jié)果的準(zhǔn)確度更高。