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摘要：
以主流的 Bentley BIM 设计平台和 SuperMap 及 Skyline 三维 GIS 平台为研究对象，对 BIM 与 GIS 集成融合中的关键技术做了研究与分析，通过开发数据转换插件实现了 BIM 与 GIS 的无缝融合，最后通过多个项目数据验证了该方法的可行性。该研究对 BIM 与 GIS 的协同应用以及 CIM 平台建设都具有重要意义。
关键词：建筑信息模型；三维 GIS；城市信息模型；数据融合；超图；Skyline
引言
随着 BIM 技术在智慧城市、智慧水务、智慧交通、智慧电力、智慧水电等行业领域的深入应用，BIM 模型已由规划、设计逐步向施工、运维延伸。不同阶段都包括设计、施工、监理、业主等多方单位的参与，基于强大但笨重的三维设计平台开展工作显然已不实用。通过 Web 进行模型的查看、沟通已成为当下的主流应用模式，BIM 与 GIS 系统集成的需求越来越强烈：一方面可以让设计单位、建设单位、监理单位和业主基于一个更加轻量的平台开展工作，进行协同应用，形成资源共享和功能互补，同时使 BIM 模型赋维升级，基于统一的空间参考框架，实现从微观到宏观、从室内到室外、从单体到城市级的应用扩展，产生更高的数据价值。
笔者以构建 CIM 平台为技术背景，即通过 GIS+BIM+IoT 等技术，实现对现实世界各类信息数据的完整映射，建立三维城市空间模型和城市时空信息的有机综合体。CIM 平台建设首要解决 BIM 数据与 GIS 平台的集成，对 BIM 与 GIS 数据融合的关键技术进行研究与分析，包括数据组织、数据存储、数据表达等方面，通过自开发转换插件，对关键信息进行控制，并通过不同项目数据验证插件的可行性。
BIM 与 GIS 集成融合
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融合方法
目前 BIM 与 GIS 数据融合主要有两种途径，一种是通过中间交互格式，将 BIM 模型按照 IFC（Industry Foundation Classes）标准组织数据，或者转换成 OBJ、DirectX、OSG 等成熟的三维引擎支持的格式，GIS 系统直接读取。优势是转换简单，一般 BIM 软件都支持 IFC、OBJ 等格式数据的导出，可直接利用现成的转换接口，缺点是存在数据丢失、数据转换质量不可控。另外一种是通过插件，调用平台提供的数据接口从底层进行二次开发，实现 BIM 与 GIS 数据的融合。该方法优势是数据转换质量可控，数据能满足工程项目应用需求，缺点是对不同的 GIS 平台都需要开发一套接口工具，对 BIM 与 GIS 平台的数据结构都要有足够了解，需要具备较强的研发能力。
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考核因子分析
BIM 模型导入 GIS 平台后，考核数据融合效果的因子主要包括以下几方面：几何结构、几何位置、几何属性、CAD 属性（如图层、颜色、透明度等）、纹理属性、工程属性等关键信息是否完整。一般中间格式转换方式很难做到纹理属性和工程属性的无损。另外，BIM 模型在 GIS 平台的运行效率也可以作为考核数据融合效果的一个因子。除了 GIS 平台本身的运行效率，GIS 平台对 BIM 模型的数据结构优化能力也是提高模型运行效率的一个方面。
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关键技术研究
由于 BIM 数据采用的 CAD 平台与 GIS 平台在数据的表达、组织和管理方式上有很大的区别，因此在数据融合时需要重点考虑以下几方面。
3.1 数据组织
BIM 数据以图层为单位进行元素管理，一个图层可以包含多种数据类型的元素，一个文件由多个图层组成。另外，多个文件可以参考组成总装文件。GIS 数据以图层为单位进行要素管理，一个图层只能包含一种数据类型的要素，多种类型要素通过要素集进行管理，一个文件可以由多个要素集组成。介于 BIM 数据可以多级深度参考，为确保数据被提取到最低层级，同时保证转换后图层关系正确，因此需要建立起图层 - 图层、参考文件 - 要素集，总装文件 - 文件方面的映射。
3.2 数据存储
BIM 模型一般将几何与属性存储于同一文件，GIS 软件一般将几何与属性分开存储，此外还会有地理坐标信息的相关定义文件，而 BIM 模型一般没有地理坐标信息定义。BIM 模型的颜色、线宽、符号、透明度等通过属性进行表达，GIS 平台里这些属性一般通过符号化的方式进行表达。对于多个同类元素，BIM 模型通过共享单元来减少数据存储，加快渲染速度，GIS 平台需要逐一进行实例化表达。对于结构化与非结构化的数据，BIM 一般采用分开存储的方式，GIS 平台采用关系数据库存储方式，因此可以统一存储 BIM 模型结构化和非结构化的数据。
3.3 数据表达
BIM 数据中元素的基本单元有点、单元、线、面、体等，尤其是三维表达上，可以用各种体来表达复杂的三维实体，如旋转体、带倒角的体、参数实体等，在 GIS 里，三维元素统一以 Mesh 来表达，因此数据被离散化处理，为最大程度控制数据转换损失并保证 GIS 平台的运行效率，需要在数据转换时进行精度控制。如原始的一个圆柱体，转换成 Mesh 时，可以设置成 96、48、24 或 8 个节点不同等级，在 GIS 平台下，不同尺度采用不同的显示等级。
对于纹理的表达，BIM 数据一般通过贴图的方式来表示模型的局部材质，GIS 平台下，除了贴图，还可以用正射影像来表示大范围的地表纹理。
应用案例
以主流的 Bentley BIM 设计平台和主流的三维 GIS 平台 SuperMap 和 Skyline 为研究对象，通过开发数据转换插件将 dgn 的 BIM 模型无缝转入 GIS 平台，实现 BIM 与 GIS 底层融合，并通过不同项目测试，一方面验证插件的可行性，另一方面为 GIS 平台的选型提供参考依据。
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关键项测试
为验证 BIM 模型转换后的关键信息是否完整，选取了不同行业典型项目数据进行测试，包括轨道交通、水利水电、工民建、市政工程等，从图 1~4 可以看出，SuperMap 和 Skyline 平台下 BIM 模型的几何结构、几何位置、几何属性、CAD 属性、纹理属性、工程属性等关键信息被完整保留。
图 1 Skyline 平台下参考信息保留
图 2 Skyline 平台下透明度信息保留
图 3 SuperMap 平台下材质信息保留
图 4SuperMap 平台下工程信息保留
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具体项目测试
为论证插件的转换效率和 GIS 平台的运行效果，选取了绍兴地铁 1 号线一个站点的 BIM 模型进行测试。BIM 模型内容包括建筑、结构、通风空调、排水消防、装修、施工场平等，模型总装容量大小 1G，转 GIS 平台后数据文件没有发生明显的变化，其中数据转超图 udb 耗时 30min，udb 转 s3m 需要 6h，数据转 Skyline 3dml 耗时 2h。模型在 GIS 平台运行效果见图 5 所示。
图 5 绍兴地铁 1 号线某站点模型转换效果
转换插件支持面向 B/S 一体化应用的数据同步导出，在转换过程中，发现从 udb 转 s3m 数据格式相对较慢，虽然插件的性能优于 SuperMap 平台本身提供的转换工具，但是比 Skyline 从. x 生成 3dml 的效率还是要低，需要 SuperMap 平台对自身提供的 s3m 数据格式予以优化。从渲染效果来看，SuperMap 要优于 Skyline 平台，与原始 BIM 模型的显示效果更加接近。在运行效率上，Skyline 平台下 BIM 模型的运行更加流畅，速度优于 SuperMap 平台。
结语
对 BIM 模型与 GIS 平台数据表达、数据组织等关键技术问题进行深入研究，并利用自研发的转换接口，通过多个项目测试实践，论证插件可以做到 BIM 与 GIS 的真正融合，而且目前仍是解决不同平台数据融合的最佳方式。由于 Bentley 平台与 SuperMap、Skyline 等 GIS 平台的渲染机制不同，GIS 平台只能通过全局光来进行控制，不能做到模型的局部控制，因此在显示效果上与原始 BIM 模型有一定的差距，GIS 平台在这方面仍需完善。另外，Web GIS 必定是 GIS 的主流应用方向，因此 GIS 平台商都推出满足 Web 端、移动端运行的数据格式，如超图的 s3m 和 Skyline 的 3dml，即通过重建 LOD 机制，加快模型在网页端和移动端的运行效率。但是目前没有一个通用的数据格式，为了面向不同 GIS 平台应用，需要开发不同的数据接口，因此 GIS 行业若能尽早推出标准化的公开数据格式，可以更好地满足 BIM 模型的应用需求，为智慧城市建设提前做好技术储备。
END
来源：《大坝与安全》2019 年第 02 期；作者：赵杏英 ，陈沉，杨礼国
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