基于IFC和CityGML映射转换的BIM与3DGIS集成研究

周忠 许速

（河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州 450001）

基于IFC和CityGML映射转换的BIM与3DGIS集成研究

周忠 许速

（河南工业大学信息科学与工程学院，河南郑州 450001）

以BIM与3DGIS数据映射转换集成方法为主要研究内容，分别论述IFC与CityGML的语义解析描述、两者的差异以及两者间的映射转换原理，形成基于IFC向CityGML映射转换的BIM与GIS集成方法。通过测试，验证了该集成方法的可行性，实现了BIM与3DGIS间的数据共享。

建筑信息模型；三维地理信息系统；工程基础类；城市地理标记语言；集成

近年来，智慧城市概念不断深入，其代表了城市信息化、智能化的发展方向，是推动整个国家信息化、智能化的重要手段。李德仁院士曾指出，建筑物室内外一体化三维建模，是未来三维城市发展的必然趋势［1］。

地理信息系统（Geographic Information System，GIS）为构建智慧城市的整体外部环境提供了良好的解决方案，GIS能提供完整且丰富的地理空间信息、空间查询和分析、简易轻量的三维表面模型等优点，但三维表面模型缺乏详细的内部属性信息，无法做到深入建筑内部构件层面。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM），具有设计细节丰富，精度高，包含几何、物理、规则等丰富的空间信息和语义信息［2］等优点。但模型数据量大，在描述大范围建筑群体的详细信息及其周边环境的空间信息方面存在不足。因此，在智慧城市的大背景下，建筑信息模型与三维地理信息系统（3DGIS）的融合与集成愈发显示出其迫切性。BIM与GIS集成方面的研究也越发受到人们的重视，两者集成的应用也越来越广泛且不断深入。在不同领域间实现简单的模型转换、信息的交互，并赋予其真正且完整的语义信息，成为了BIM和GIS集成的要点及难点。

1 IFC和CityGML相关知识

1.1 IFC与CityGML的语义描述

行业基准分类（Industry Foundation Classes，IFC）和城市地理标记语言（City Geography Markup Language，CityGML）分别作为BIM和3DGIS领域通用的数据模型标准［3，4］。前者针对于建筑工程领域，包含丰富的语义信息，同时可以在各类建筑软件之间进行数据交互；而后者是一种用来表示和传输城市三维对象的通用信息模型，是采用模块化对数据进行构建的。关于两者语义信息的具体分层（或分模块）描述如表1和图1所示。

表1 IFC与CityGML的语义分层

图1 IFC与CityGML语义描述

在IFC Schema（IFC大纲）中，定义了建筑整个生命周期中所产生的各种信息，并把这些信息用4个层来进行分类描述，每个层次各自的功能用途不同，共同构建整个建筑信息模型。IFC标准对一个建筑物的空间架构（Ifc-SpatialStructureElement）信息描述包含4个子类别：IfcProject（项目）、IfcSite（场地）、IfcBuilding（建筑物）、IfcBuildingStorey（建筑楼层）［5］。其中，均采用EXPRESS对建筑构件进行分类，并由EXPRESS语言定义：Defined Type（基本信息类型）、Enumeration（状态或属性）、Select Type（特殊类型）和Entity（实体）4种信息类型。CityGML是分模块构建的，通过不同数据模型以子集的形式进行添加，共包含1个核心模块和11个扩展专题模块。核心模块定义了数据模型的基本概念和组件，其作为整个CityGML模型的底层，其余的扩展专题模块依赖CityGMl核心模块而存在，核心模块是基础，其他专题模块是在核心模块的基础上对虚拟城市多个领域的描述。一个CityGML文档结构由许多Schema来定义，它们有很多层标签，把建筑元素、建筑元素部件及部件表面等划分为多个层次细节来描述。

结合IFC与CityGML各自的具体语义信息描述，顺利地实现两类数据模型的几何、语义信息共享，是BIM和GIS集成的基础。

1.2 IFC与CityGML的差异

IFC和CityGML在模型描述方法和数据格式上均有差异［6］，具体表现如下。

1.2.1 几何表达方面。在几何表达上，IFC可通过多个边界面片组合来描述并构成一个实体（边界描述，Brep），或通过线性或旋转拉伸形成扫描体，或由球、立方体等基础几何体经过布尔运算来构造实体几何（Constructive Solid Geometry，CSG）3种形式来进行表达。而CityGML中的三维几何主要是以边界描述来表达。

1.2.2 语义信息方面。在语义信息上，IFC模型中包含大量对建筑实体和类型的定义以及各类部件间的语义连接关系；CityGML则应用多个LODs对建筑物、建筑物部件及建筑物附属设施进行由简到繁的表达。两者各具特点，但IFC在建筑细节描述方面较CityGML全面。

1.2.3 模型外观方面。在模型外观上，CityGML具有更加丰富的纹理贴图和材质信息；而IFC模型中以材质贴图为主，几乎没有纹理贴图。所以，从IFC与CityGML集成的角度讲，模型外观以CityGML的数据结构进行表达具有更大的优势。

图2 IFC向CityGML的映射转换

图3 BIM实体模型向GIS多细节层次表面模型的转换过程

1.2.4 应用尺度方面。在应用尺度上，由于三维GIS系统面向大范围三维场景的管理和可视化，其三维模型结构也相对简单；而BIM模型数据复杂，数据量大，却难以大范围应用，更多的是以单个或多个建筑模型呈现，其分析也是以模型内部的分析为主，如碰撞分析、布尔运算等。

总的来说，IFC具备建筑对象丰富的语义信息和多种几何表达方式，CityGML则侧重于空间对象的多尺度表达和对象几何、拓扑等关系的一致性，并且其定义的多个细节层次（LODs）的建筑物模型，为大场景可视化和空间分析提供了有利的条件。

1.3 IFC与CityGML的映射转换

借助IFC与CityGML同属语义模型这一特点，进行信息过滤及提取，建立语义映射转换进行两者属性信息之间的传递，可以实现IFC与CityGML的数据共享，其大致过程如图2所示。

图2中IFC和CityGML的语义映射转换过程，大致概括为：①针对两者存在的差异进行多层次语义过滤和几何信息提取，如从IFC各分层中提取某些建筑元素，如地板、窗体、墙面等，对实体的属性信息（包含预定义类型、属性表结构、几何表达方式和空间位置等）进行分析、筛选过滤和提取，得到中间结果；②通过中间结果结合IFC与CitiGML相关的语义描述，利用一对一映射、一对多映射和间接映射3种类型的语义映射规则，进行多层次语义映射和几何信息转换，得到映射转换中间结果；③结合映射转换得到的中间结果，进行可能必要的语义信息增强过程；④最后利用LOD表面模型生成算法，构建CityGML模型所需要的完整的多细节层次结构，从而形成CityGML。

IFC和CityGML虽然都是面向对象的架构，都适于使用面向对象分析和设计（OOA/D）技术，来进行概念的抽象、封装、继承和多态化［2］，但在实际的应用中两者表达数据的方式却有所不同。IFC形状是在实体模型中进行表达，而CityGML只是利用一个单纯的表面模型来进行可视化。在数据方面，IFC是以IfcPropertySet进行属性分类，而CityGML则是对每个属性进行标记或使用External-Reference来进行的。IFC中适用的属性类型不仅包括基本的变量类型如整数类型，也包括混合变量类型如列表类型。两者的映射转换过程为了保证语义信息的相对完整性，需要使用特定的算法（如空间提取算法）来提取一些传统方法无法获取的信息，，再进行映射转换。

2 基于IFC和CityGML映射转换的BIM与3DGIS集成方法

结合上述研究，选取基于IFC与CityGML数据映射转换的方法，来进行BIM与3DGIS的集成，完整的技术流程图如图3所示［6］。

图3中概括了基于IFC与CityGML映射转换的集成方法的所有过程：通过借助如Revit、FME等专门的软件平台，实现从IFC实体模型的生成，到IFC与CityGML的文件解析和语义描述以及三维模型显示，对比筛选并过滤提取建筑对象中关键要素的语义信息和几何关系属性，再到构建IFC与CityGML的映射转换，生成与IFC语义对应的多个LOD结构，最后构成CityGML多层次表面模型的一个完整转换流程。

其中，为了保障传递过程中信息相对完整，把IFC模型分解为点、线、面、材质和颜色5个模型元素，分别与CityGML模型元素建立语义映射。在映射过程中，CityGML只提供基本变量类型的信息，这让它不得不通过将附加到属性名称的标记来区分属性和其中存储的数据源URL。在实现映射转换的同时，利用FME提供的插件技术，可以实现CityGML在多个GIS平台下的交互与共享，达到真正意义上的连接室内与室外，从而促进BIM与3DGIS技术的发展。

3 方法验证

根据上述集成方法，以2006年2月发布的IFC2x3版本（IFC2x3）和CityGML2.0.0作为数据转换的参考标准，以河南工工业大学土木建筑学院BIM团队提供的IFC原始模型作为测试数据，进行BIM与3DGIS的集成测试，测试结果如图4所示。

从测试结果中可以看出，转换后的模型中，可以保留较为完整的建筑对象几何结构和大部分语义信息，因IFC与CityGML存在结构上的差异，最后得到的CityGML模型丢失了一部分属性信息，导致CityGML模型的可视化显示效果不佳，部分建筑构件的纹理已经丢失。因此，在这两种不同的标准的映射转换过程中，还需要通过某种方式把信息保存为CityGML属性，以避免丢失相关类型的信息。

图4 测试结果对比图

4 结语

随着智慧城市的发展，仅仅只包含三维表面模型的3DGIS，并不能满足人们从真三维实体中解决问题的要求。文中提出一种基于IFC和CityGML映射转换的BIM与3DGIS集成方法，通过利用FME数据转换与共享技术，顺利完成IFC和CityGML之间的语义信息传递，在一定程度上对BIM与3DGIS的集成应用起了促进作用。当然，只有解决了其中遇到的众多问题，如部分语义信息和纹理丢失、映射规则的完善等，才是真正意义上的连接室内室外，实现建筑空间信息与地理环境的交互共享。

［1］Li Deren，Zhu Qing，Liu Qiang，et al.From 2D and 3D GIS for CyberCity［J］.Geo-Spatial Information Science，2004（1）：1-5.

［2］汤圣君，朱庆，赵君峤.BIM与GIS数据集成：IFC与CityGML建筑几何语义信息互操作技术［J］.土木建筑工程信息技术，2014（4）：11-17.

［3］Liebich T，Adachi Y，Forester J，et al.Industry foundation classes IFC2x edition 3 technical corrigendum 1［J］.International Alliance for Interoperability，2007（3）：1-653.

［4］OGC Doc No.12-019.OGC City Geography Markup Language CityGML encoding standard version 2.0.0［S］.

［5］刘照球.基于IFC标准建筑结构信息模型研究［D］.上海：同济大学，2010.

［6］Tae Wook Kang，Chang Hee Hong.A study on software architecture for effective BIM/GIS-based facility management data integration［J］.Korea Institute of Construction Technology，Republic of Korea，2015（3）：25-38.

The Integration of BIM and 3DGIS Based on IFC and CityGML Mapping Transformation

Zhou ZhongXu Su
（College of Information Science and Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou Henan 450001）

The main research content was the integration method of mapping conversion between BIM and 3DGIS data,the semantic interpretation of IFC and CityGML,the difference between them and the mapping transformation principle were discussed,the integration method of GIS and BIM based on IFC mapping to CityGML was designed and implemented,which was tested to be feasible and could realize the data sharing between BIM and 3DGIS.

building information modeling(BIM)；3D geographic information system(3DGIS)；industry foundation classes(IFC)；city geography markup language(CityGML)；integration

P208

A

1003-5168（2016）11-0018-04

2016-10-19

周忠（1992-），男，本科，研究方向：3DGIS；许速（1975-），女，硕士，讲师，研究方向：空间数据挖掘，GIS工程。