GIS与BIM集成研究综述

严亚敏，李伟哲，陈 科，张 力，管林杰

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001；2. 长江空间信息技术工程有限公司(武汉)，湖北 武汉 430010)

GIS与BIM为何需要集成，一方面在于两者的本质，GIS与BIM的原理基本一致，都是管理与现实世界相关的几何对象及其属性信息，但数据的尺度不同，GIS关注的数据一般是大尺度、宏观的，而BIM关注的数据往往是小尺度、微观的，所以将两者结合起来，能够发挥更大的效应；另一方面在于市场的发展，GIS与BIM的集成可谓是双赢。在对接了BIM之后，GIS能够实现室内室外一体化、宏观微观一体化，丰富了新一代GIS技术体系。同时，BIM在结合了GIS之后，能够基于地理空间实现对BIM模型的有效管理，进一步拓展了BIM模型在建筑物全生命期的应用价值。工程完结交付的不仅是一个建筑，还有一套完整的数字资产。BIM在建设期间只能用几年，结合了GIS之后，则可以延续使用几十年，大大延长了BIM的生命周期。

GIS与BIM的集成是两者多维度应用的一个重要方向，二者的整合已经成为学术界和产业界研究热点和关注焦点[1- 4]。其中，GIS所构建的宏观的地理空间环境，提供的空间定位、查询、分析能力，可以有效解决BIM无法进行空间定位、统一管理以及决策预测等难题，并可深度挖掘BIM在建筑物全生命期的应用价值；同时，BIM解决了GIS向微观发展的技术瓶颈，BIM模型作为GIS的一个新数据源，将GIS管理对象的尺度向微观尺度延伸，使得GIS从室外走向室内、从地上走向地下，大大提升了GIS的一体化管理和可视化能力。BIM模型中包含了建筑物多层次的几何图形信息以及各阶段所产生的相关属性信息，将其与GIS进行集成，实现在统一地理空间框架下的定位、管理和可视化，可有效提升多专业之间的信息协同共享能力，从各阶段独立应用到为全生命期服务，对于工程规划、设计、施工、运维和退役成本的降低及效率的提高有着积极的推动作用，可为深度挖掘数据价值、科学决策管理提供强有力的综合性技术支持。

BIM与GIS的集成实现了宏观尺度的地理空间信息和微观尺度的建筑物信息的有机融合，一方面提升了BIM应用的深度，将BIM的应用从单体延伸到建筑群甚至城市级，一方面也为GIS行业发展带来了新的契机，同时也带来了一些新的挑战。目前，各大型设计院都在大力推进三维设计，BIM成果越来越多，大量高精度的BIM模型可以作为GIS的一个重要的数据来源。GIS与BIM集成主要包括数据集成、功能集成和集成应用3个方面(如图1所示)，其中，集成应用是建立在数据和功能集成基础上的。

图1 GIS与BIM集成

1 现状分析

1.1 数据集成

GIS与BIM在数据集成方面的研究较多，大致可以分为两类，一类是将GIS(或BIM)数据格式直接转换为BIM(或GIS)的数据交换格式；另一类是利用GIS与BIM通用数据标准间的互相转换实现两者的集成。比较通用且认可度较高的方式是通过两者通用数据标准IFC和CityGML实现GIS与BIM的数据集成[5- 6]，这种方式相对于直接将BIM数据转换为GIS平台对应的数据，或直接将GIS数据转换为BIM平台数据的方法，通用性强，且工作量小。目前已经有一些工具可以将IFC标准的数据转换为CityGML标准的数据，但由于这两个标准之间的差异较大，往往在转换过程中存在信息丢失和几何不准确的问题。汤圣君等[7]提出了IFC几何要素过滤方法以及IFC到CityGML的语义映射规则，为IFC与CityGML建筑模型的几何和语义信息互操作提供了一种通用方法。该方法一方面在转换过程中未考虑BIM数据几何图形的化简；另一方面，未形成通用、完整的语义映射规则；周忠等[8]论述了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。采用该方法将BIM数据转换为CityGML格式数据后，由于部分属性信息以及大量纹理信息的丢失，导致对CityGML模型进行可视化后显示效果不佳；闻平等[9]实现了针对AutoDesk系列软件的FBX、DWG、IPT 等格式自动转换为.OBJ模型的方法，该方法通用性不强；吕慧玲等[10]通过分析IFC数据模型与CityGML模型中所有的建筑构件类型以及其关联的语义信息，分别建立IFC数据模型到CityGML各层级的映射模型，描述了一种从BIM数据到多层次细节GIS模型的完整转换方法；Laat等[11]提出了一种CityGML的扩展模式GeoBIM，并利用GeoBIM实现将IFC与CityGML的转换；Kang等[12]提出了一种BG-ETL的体系架构，利用ETL概念实现BIM与GIS的数据集成；Karan等[13]采用语义Web技术，通过构建本体库，利用语义集成及异构信息源查询等方法实现BIM与GIS之间的语义互操作；刘金岩等[14]对BIM的数据特征、IFC格式数据的结构层次、GIS系统的City GML数据格式以及City GML中语义信息和几何信息的细节层次结构进行了详细分析，在此基础上提出了BIM和GIS集成的IFC和City GML数据转换框架；朱亮等[15]提出了一种基于语义映射的方法，实现了IFC到CityGML几何与语义信息的转换；Deng等[16]开发了一种城市语义模型的本体库，并采用基于实例的方法生成基于同一模型中代表相同组件的实体之间IFC和CityGML的映射规则；蔡文文等[17]设计了超图三维GIS数据与BIM数据的集成框架。

在利用IFC和CityGML实现GIS与BIM数据集成的方法中，大多仅提出了理论框架，实际可操作的方法较少，且在提出的具体方法中往往注重集成过程中属性的对应转换，而在保持模型体特征的数据化简方面研究较少，由于BIM一般数据量较大，在数据集成过程中若不考虑对模型本身化简，仅实现模型的LOD分级，在后续具体应用过程中，当加载的BIM数据较多时，往往会导致数据的加载速度慢、渲染效率低、系统内存崩溃等问题，从而无法满足实际应用的需求。

1.2 功能集成

GIS与BIM的功能集成主要体现在一体化和全生命期管理两个方面(如图2所示)，通过两者在功能上的合并和互补，实现可视化功能的扩展和数据全生命期管理的统一。利用BIM整合和管理建筑物本身所有阶段信息，利用3DGIS整合及管理建筑物外部环境空间信息，把微观领域的BIM信息和宏观领域的3DGIS信息进行交换和互操作，满足浏览、查询、分析和管理三维空间信息的功能，使两者在功能上做到互联互通。在3DGIS和BIM功能集成方面，杨国华等[18]提出3DGIS和BIM的数据存储和显示融合是两者集成的关键问题；倪苇等[19]研究了3DGIS与BIM在集成过程中，模型在大范围地形场景下浏览与局部独立坐标系下的视点统一问题；刘茂华等[20]通过分析3DGIS与BIM的数据结构特征，设计了室内外三维一体化的实施路线。3DGIS和BIM的功能集成主要包括信息可视化和数据管理功能的整合；Rafiee A等[21]设计了3DGIS与BIM可视化与空间分析功能的集成方法。

图2 GIS+BIM一体化和全生命期管理集成

1.3 集成应用

在3DGIS和BIM集成应用方面，目前在众多领域(如水利水电工程、城市建筑规划、轨道交通、铁路桥梁工程、地下管网工程、应急响应等)以及工程建设的全生命期(规划、设计、施工、运维和退役)进行了许多有益的尝试[21- 27]，在规划设计阶段3DGIS能够为BIM提供真实的客观环境和强大的地理信息分析能力，更好地辅助规划师进行科学的规划决策。在建造阶段还可更好地帮助BIM建设者进行物料的管理、运输、存储等，以实现资源的高效利用。在运营阶段3DGIS能够把BIM与周边环境进行统一的管理，实现宏观、微观一体化的BIM运营解决方案。但大多数仅分析和提出了应用设想和系统平台的架构设计，成熟的3DGIS与BIM集成应用产品很少。

2 研究方向及关键技术

2.1 GIS与BIM数据集成关键技术

3DGIS与BIM数据集成主要针对目前国际上比较著名的，在国内使用较多且能输出IFC标准文件的BIM软件Autodesk，Bentley，CATIA生产的BIM数据与3DGIS的通用信息模型CityGML之间的集成进行研究。两者集成的目标是实现数据流在规划、设计、施工、运维、退役等全生命期中的顺畅流转和价值最大化应用，这其中涉及的核心就是3DGIS与BIM数据的互融互通，在数据集成过程中涉及的关键技术主要包括3DGIS与BIM数据格式转换、模型材质与属性语义信息映射、BIM模型轻量化以及坐标转换等。

3DGIS与BIM的数据集成是实现两者集成应用的前提和基础，两者数据集成包括几何数据和属性信息的集成，其中属性信息包括模型本身属性(如模型尺寸、材质、纹理、颜色等)和过程属性信息，集成的价值在于数据信息是否能自由提取和利用，避免不同的数据格式种类和标准阻碍了信息的共享。课题拟通过深入分析两者在数据上的通用标准，利用标准间的扩展和映射，实现两者模型几何数据和属性信息的融合，并基于3DGIS与BIM集成应用的目的，制定BIM的轻量化方法。从模型数据和过程信息集成，以及BIM轻量化两个方面进行综合考虑，最终实现3DGIS与BIM的数据集成。其中，数据集成的初步实施技术方案设计如图3所示。首先，将Autodesk、Bentley、CATIA生产的BIM数据输出为IFC标准的模型数据，其中，针对CATIA中的基础设施模型，根据自定义的基于IFC的基础设施扩展标准进行输出；然后，将BIM中的过程信息，基于COBie标准中定义的各属性进行数字化，并导出为IFC标准格式，根据设计的过程信息数据库进行入库。利用提出和设计的目标驱动的过程信息筛选、几何模型形状化简、模型参数化表达方法分别对BIM模型数据进行几何形状和过程信息的轻量化；最后，利用构建的IFC与CityGML语义映射库，材质映射库，以及IFC中扫描提和实体几何在CityGML中的表达方法实现轻量化后IFC标准的BIM数据和CityGML标准的GIS模型数据的融合。

图3 3DGIS+BIM信息融合实施技术路线

2.2 GIS与BIM功能集成关键技术

BIM通过建立信息流模型的方式减少信息在建筑各阶段传递过程中的流失，如何在与3DGIS集成过程中，结合两者的信息可视化和管理功能，对BIM各阶段的信息和3DGIS外部地理环境空间信息进行统一的存储管理，从而实现三维场景的宏观微观、室内室外、地上地下一体化无缝漫游，以及信息的全生命期和空间管理，是实现3DGIS与BIM功能集成的关键，如图4所示。3DGIS与BIM功能集成主要包括两个方面的内容，可视化功能集成和数据管理集成。其中可视化功能集成涉及的关键技术包括BIM模型与3DGIS地形的精确匹配技术、BIM数据LOD构建技术、支持海量空间数据的三维碰撞漫游技术；数据管理功能集成涉及的关键技术包括BIM全生命期过程属性信息的数据库结构定义，以及几何模型、模型语义、拓扑、外观，以及过程属性等的关联。

图4 3DGIS与BIM功能集成

2.3 GIS与BIM集成应用关键技术

GIS与BIM数据集成和功能集成过程中涉及的关键技术内容和范围见表1。GIS与BIM集成应用基于数据和功能集成，在实际工程项目中结合应用需求，可辅助工程全生命期规划阶段中规划选址、方案对比、场景可视化、红线分析、控高分析、压覆分析、日照分析等规划分析，以及规划报建管理等，设计阶段结构、建筑、机电、金结等协同设计、错漏碰缺等检查分析，以及二三维出图等，施工阶段质量、进度、安全、成本等管理管控，运维阶段设备台账、履历和监测检测等管理、退役阶段资产报废、回收再利用等管理。

表1 3DGIS与BIM数据集成和功能集成研究内容

3 结语

本文深入了分析GIS与BIM两者之间的关系及其各自的数据、功能和应用特点，围绕数据集成、功能集成及其集成应用3个方面展开研究工作，分析了研究现状和存在的问题，提出了GIS与BIM数据、功能和应用集成的关键技术和实施路线。GIS与BIM的集成融合，使微观尺度的BIM信息与宏观尺度的GIS信息可以有效实现共享和互操作，通过将BIM数据植入真实的地理环境中，用户可以从多个角度查看真实环境中的三维模型，从而扩展GIS的可视化能力，挖掘BIM管理潜在价值，增强GIS与BIM在工程全生命期的服务能力。