BIM与GIS如何融合?BIM与GIS数据融合关键技术研究

浏览:1036人 发布于:2020-03-09 分享

    摘要:以主流的BentleyBIM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。

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    一、BIM与GIS集成融合

    1.1 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(IndustryFoundationClasses)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。

    1.2 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。

    1.3 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。

    1.3.1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。

    1.3.2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。

    1.3.3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。

    二、应用案例

    以主流的BentleyBIM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。

    2.1 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。

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    2.2 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Skyline3dml耗时2h。模型在GIS平台运行效果见图5所示。

    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。

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    三、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,WebGIS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。

    参考文献:

    【1】顾星晔,段创峰,姚远,何晓.3D-GIS与BIM的数据融合与应用关键技术研究[J].建筑工程技术与设计,2017(18):3485-3486.

    【2】田飞.GIS与BIM信息集成融合方法研究[C].中国土木工程学会城市轨道交通勘察与测量专业委员会“智慧勘测、智慧地铁”主题技术交流会,2014.

    【3】范登科,韩祖杰,李华良,杨绪坤.面向铁路信息化建设的BIM与GIS融合标准与技术研究[J].铁路技术创新,2015(3):35-40.

    【4】蔡文文,王少华,钟耳顺,冯正华,李濛,王博.BIM与SuperMapGIS数据集成技术[J].地理信息世界,2018,25(1):120-124.


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