知易行难的GIS与BIM融合,原来国外老哥这样玩

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BIMGIS融合
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2020-2-18

        GIS和BIM之前的界限现在越来越模糊,但就BIM领域国际通用的IFC格式而言,想直接把BIM数据转换为GIS可用数据的格式依然十分困难,反过来将GIS数据转成BIM数据也同样困难。

        通常来说,地理信息系统(GIS)数据主要用于城市级别的人居环境建模和分析,而建筑信息模型(BIM)数据主要用于建筑物的设计、建造和管理。近年来,GIS和BIM间的融合越来越多,人们对在一个集成环境当中管理GIS和BIM数据的诉求与呼声越来越高。         

        在一个集成环境中,BIM建筑师在设计建筑的时候可以有一个地理大环境作为依托,市政当局人员可以快速判断出建筑设计对地理大环境的影响。例如:建筑是否满足区域限高要求;居民周边是否会有噪音污染;居住的最低日照标准是否能够满足。这样建筑的许可审批流程可以更快、更可靠。此外,被审批过的建筑设计模型可以直接成为了城市空间三维模型的一部分,城市空间的三维城市模型属性信息也会变得更详细,更新的速度也会更快。随着类似建筑材料、能源相关属性数据的录入,还可以为城市的未来规划以及整个建筑的全生命周期管理提供依据。 实现BIM&GIS的集成愿景要解决什么问题?                  实际上这样的集成并不简单。从20世纪90年代开始,人们就在思考如何在GIS系统当中重用BIM数据(那时更多的是CAD数据)。但这样的数据重用一直局限于基于项目的数据交换。即便现在,也没能实现无缝集成。GIS数据和BIM数据有很多相似的地方,但因为它们各自收集数据的目的不同,对相同对象的几何建模方式、层次细节的处理、使用的软件以及开放标准(GIS使用的是GML与InfraGML;而BIM采用的是IFC标准)的不同,导致GIS和BIM数据又有很大的差异。因为这些差异的存在,形成了BIM和GIS数据的根本性的区别,因此这样的一个集成愿景并非易事。 

        GIS和BIM集成的解决方案,到目前为止一直主要集中在解决两种类型的数据模型的“语义映射(Semantic mapping)”或者说是一对一地转换对应的几何对象。像BIMServer、IFCExplorer以及Safe FME这类软件都提供了将IFC格式的模型转换为CityGML格式模型的方法,所有元素都可以无需任何特殊选择或者事后处理直接进行转换,但只是将几何图形简单地转换为了GIS数据结构下的对象。 BIM对象处理模式(体元素)与GIS对象处理模式(面片),资料来源:claus et al 2009         这些差异对于可视化展示不是问题,但是附属于GIS面对象上的语义属性(内墙面和外墙面)与附属于BIM当中体对象的语义属性(实心墙)却有很大区别。为了让IFC格式的BIM数据在GIS应用程序中更有应用意义,必须将房间这种空间概念通过转换和聚合的方式对要素进行重组,而对BIM中的体模型,比如墙体和其他相关的元素需要进行简化成相互连接的面,从而形成一个封闭的体。 做GIS和BIM融合的宗旨是什么?         

        GIS和BIM的集成通常是作为一种解决方案,但是在实践当中,无论是把IFC格式的BIM数据以有意义的方式导入到GIS相关软件还是把GIS数据导入到BIM相关软件中都很难。Geonovum与BIM Loket及一些重大组织(Rijkswaterstaat公司、Kadaster公司、鹿特丹市和海牙市的市政当局)合作,于2017年在荷兰启动了GeoBIM项目。该项目旨在帮助相关人士深入理解GIS数据或者BIM数据在对方系统当中的应用方式,以及如何为相互之间的转换开发一种开放式的解决方案(IFC和CityGML的转换),来进一步推动GIS和BIM的集成。 CityGML与IFC格式的几何体差异        

        该项目侧重于研究几何体的转换,因为之前的研究主要集中在语义映射上,而忽略了这一方面。几何要素能够进行转换是实现跨领域数据复用的必要环节,简单的做语义映射(mapping)只是第一步,但数据集本身并没有得到真正应用。         

        CityGML包含12个模块,用于表示不同类型的对象,如建筑物、桥梁、道路和水系(湖泊和河流)。它们在3D显示上都有明确的几何描述。这意味着在GIS当中几何形状是基于带坐标的边界来显式定义的。IFC文件包含更多的类(超过1000个)。此外,几何体几乎都不是通过边界来定义,而是通过一种更为常见的 “隐式”几何体来描述的。这意味着在IFC当中的几何体可以通过操作(缩放,平移,旋转等)获得。例如,基于预定义的参数轮廓描述对象,如下图所示。 IFC有几个预定义的参数化配置文件,例如基于字符U,L,Z,C和T(左)或基于梯形,矩形,圆形和椭圆体(右)的参数化配置文件。 转换方法         该项目的重点是建筑物,海牙市设计了三种可用于(现实世界)设计的IFC模型,每个文件有数千个元素,如下图所示。这两份数据的转换是基于两个开源库(IFCOpenShell和CGAL)开发完成的。 海牙市使用的三个IFC文件中的两个:CUVO Ockenburghstraat,由KOW建筑师制作(左)和Rabarberstraat 144,由Studioschaeffer提供(右)。         

        在转换过程当中,IFC文件内的所有相关体元素都被转换成了有几何关联的CityGML类。这里的所有相关元素是根据IFC标准(和gis相关的建筑的重要功能结构),例如IFCBeam、IFCDoor、IFCChimney、IFCColumn等。 取得的成绩         在展示层面,效果非常好。但是遗憾的是,这些建筑师从BIM软件中自动导出的IFC格式数据,包含了太多的错误(每个IFC文件超过150个错误),以至于无法生成无错误的数据来应用于GIS中的空间分析。因为这些错误(无效的object对象)会经常会导致GIS软件崩溃。         

        这些错误主要是在GIS当中进行透视求交、分析的时候遇到的。对于BIM专业人员来说这不是什么问题,第一、大部分的BIM软件可以处理这些错误(只有把隐式几何对象转为显式几何对象这些错误才会出现),第二、BIM专业人员专注于设计模型本身,而不是空间分析,所以对他们而言这些几何错误不是问题。 常见错误         在GIS系统当中融合IFC格式文件常出现的错误包括:非平面的曲面、自相交体以及两个不同元素间的交叉。自相交体这种错误,在IFC标注中明确禁止这种情况。但显然,这不受常规BIM软件所控(或者说是导出IFC环节造成的)。        

        只有正确处理的几何体,才有可能进入后续的处理分析,因此针对这些错误开发了相关检测与修复的解决方案。但寄希望于一套解决方案对IFC格式的所有可能错误在自动转换的情况下完全正确的导入到GIS相关软件中显然是不现实的。        

        另一个使自动转换更加困难的问题是:IFC有那么多的类别,但目前还没有一个好用的验证工具。此外即使是同一个IFC文件,在实际应用当中其转换需求也各不相同。例如:大多数的墙壁或者柱子既可以通过扫描底座的轮廓来制作,也可横向扫描侧面轮廓来建造。因此将所有可能性完全考虑的自动化转换是不可能开发出来的,除非是非常有实力的大型公司。         

        对于理想的IFC格式模型以受控的方式完成转换是可行的(在科研当中)。但是,由于实际生产当中IFC模型的错误(主要由BIM软件导出过程中产生)以及IFC模型规范的多样性,完全自动化地将IFC模型转换成CityGML格式进行空间分析并不那么简单。         

        开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium)在一个城市规划项目当中对IFC格式模型和CityGML的转换所存在的困难进行了确认。他们发现IFC元素编码的不一致性使数据格式转换变得复杂,并得出了如下结论:为了在城市规划当中将IFC模型应用到GIS系统中,需要制定一套明确、清晰的IFC文件规范。 指导方案相较于投入更多的时间来检测和修复更多的错误,制定IFC数据建模规范,从源头解决模型问题,才更有可能实现BIM模型到GIS数据的自动化转换(如OGC项目中所推荐的那样)。         

        这些指导方案可以在特定应用当中进行严格要求,像数据生产过程核批过程等。想具备更普遍的指导意义,应该在国家层面甚至国际层面对所有的IFC格式文件进行规范,以实现BIM数据和GIS数据的相互转换。         

        焦点在于准备、创建IFC格式数据,当然GIS数据的准备和创建过程也应考虑,让BIM应用可以更好的访问GIS数据。尤其要考虑到,终端的实操人员从BIM软件导出IFC格式文件时,不要涉及太多的人为干预。因此主流的BIM软件厂商如果支持这些规范的话,将会对BIM和GIS的集成提供更深远的帮助。

        GIS和BIM的集成为未来的应用提供了很多可能,在学术研究、实验、展示案例里面都已有所体现。但是从对IFC格式的实践表明,将BIM数据转换为GIS系统中可用的数据格式还很不方便,反之亦然。为确保能够将BIM领域包含大量几何元素的模型(通常是体元素和参数化几何对象)自动转换为适用于在GIS当中进行分析的对象,一个明确、规范的IFC建模标准是非常必要的。只有这样,GIS和BIM的集成来实现更多潜在应用才具备可行性。制定开放标准并严格执行标准来制作数据是其中必须要迈出的第一步。 译者注        IFC格式模型转换在实践当中除了上述问题,还遇到了元素成功转换后的三维应用贴地问题。针对于非单体建筑(空间跨度特别大,如50km以上的桥梁、道路等)。因为地球是圆的,而BIM建模是基于平面,因此中心点对齐地面后,模型的两端会翘起(可达几十米甚至上百米)。         

        Wish3D平台针对这些问题做了对应的研究,下面两张图,左图是处理之前处于翘边的状态,右图是考虑地球曲率进行处理后的结果。 未做处理,模型悬空 处理后完美匹配 说明:本翻译由GIS大神张云金组织翻译。 欢迎加入他的知识星球都是一样的,只是位置不同,通过存储一个螺丝钉和多个位置的方式实现复用模型。在显卡也支持这样的实例化渲染,从而提升渲染效率。 

        挑战三:在GIS平台表示BIM模型 对象模型是一类GIS空间数据模型,用来描述离散空间的要素,包括二/三维点、线、面以及三维体对象模型。其中,三维体对象是通过拓扑闭合、高精度的三角网来表示的。三维体对象模型可以表示现实对象,如建筑、桥梁等。 GIS要从室外走向室内,室内数据需要BIM来获取。要实现BIM模型支持查询、统计及分析等功能,首先需要解决如何在GIS平台表示BIM模型的难题。与3ds Max模型相比,BIM模型不是一张皮的表面模型,它是体对象,具备完善的拓扑完整性及闭合性,因此可以用三维体对象模型来表达这样的建筑。 BIM模型进行三角化后,统一到三维体对象模型,可以做三维空间关系判断(包含、相交、相离)、三维空间运算(交、并、差),还支持计算表面积和体积,支持多种三维空间分析如控高分析、构建三维缓冲区等,为灵活定制城市设计规则提供技术支撑。 

        挑战四:BIM单体之间链接网络表示 网络模型是另一类GIS空间数据模型,包括二维网络数据模型以及三维网络数据模型。三维网络模型数据可以表示道路、管廊、管线等数据之间的拓扑连接关系。BIM的应用对象往往是单体建筑,但如何实现如地下管线、铁路、隧道、港口等大规模区域性对象的管理,则需要集成GIS来实现,用三维网络模型数据来表示BIM单体之间的链接网络,比如道路数据,可以提取出带拓扑连接关系的三维点、线对象,然后构建三维网络数据模型。 这样就可以将BIM模型应用于各种复杂的实际工程领域中,例如爆管网络分析,若某一处市政水网/供热管网/天然气管道的地下管线发生了爆裂,我们可以基于三维网络数据模型的拓扑关系知道关闭哪些阀门,哪些管线受到了影响,从而及时、快速的解决问题。 三维设施网络分析-爆管分析         挑战五:三维数据坐标转换 BIM通常采用独立的坐标系统,如地方坐标系,GIS数据来源众多,采集方式各异,所采用的坐标系也存在一定的差异性。BIM与GIS集成应用面临着各自坐标系不同,无法匹配的问题。GIS最基本的能力就是坐标转换,点线面的坐标转换已经十分成熟,但转换能力是否能应用到三维模型数据中,对GIS平台也是一个挑战。 SuperMap已实现支持三维模型的逐顶点坐标转换能力,支持BIM模型和GIS数据在平面坐标系和地理坐标系之间的转换,实现在地球曲率影响下的BIM模型和GIS数据精确匹配,避免渲染时的裂缝和漏洞等问题,满足众多行业,如桥梁、道路、水利大坝等,在建设、运营、管理过程中对数据的精度需求。 地方坐标系下的BIM模型转换到地理坐标系下,再叠加到天地图上的显示效果。 

        挑战六:BIM与多源数据融合匹配 GIS有一个很重要的特性,就是集成了海量多源数据,比如地形影像、倾斜摄影模型、激光点云、精细模型、水面、地下管线以及场数据等。如何实现BIM与多源数据融合匹配,从而提高数据的利用价值,这是对BIM+GIS应用的又一挑战。 要进行融合匹配,首先需要进行坐标转换和数据配准,将BIM模型与倾斜摄影模型、地形等多源数据统一到一个坐标系,实现各种信息对齐;然后再对数据进行操作和处理,进行诸如镶嵌压平裁剪等操作,实现数据平滑衔接、纹理拼接自然。 

        挑战七:三维空间数据标准缺乏 三维空间数据的高效发布、数据共享和数据标准是三维GIS应用热点之一。BIM+GIS得到了越来越广泛的应用,但缺乏统一的三维空间数据标准和规范,三维空间数据的互操作和开放共享成为难点,这在一定程度上制约了BIM+GIS更加深入的应用。 目前,国内外已经推出了众多数据标准和格式,如S3M、I3S、3D Tiles等。这些标准与格式的推出,推动了三维数据标准化和三维数据的开放共享。 SuperMap推出的S3M(Spatial 3D Model)标准,适用于网络环境和离线环境下海量多源三维空间数据的数据传输、交换、高性能可视化,实现了在B/S下发布和共享海量BIM与GIS数据,也实现了海量BIM与GIS数据在桌面端、浏览器端、移动端的相关应用。 

        挑战八:多终端支持BIM+GIS应用 IT技术的飞速迅猛发展,深刻而长远地影响了BIM与GIS两个领域。其中,VR/AR以及WebGL等IT新技术,为BIM+GIS应用注入了强劲的动力。为了实现这些IT新技术与BIM、GIS的集成应用,需要多终端支持BIM+GIS应用。 SuperMap基于HTML5 WebGL技术,推出了轻量级三维客户端,这样无须安装软件、无须安装插件、无须下载数据,就可以在浏览器上高效浏览三维服务,并通过开源的S3M规范支持实用的三维空间查询、量算以及空间分析等功能。SuperMap将AR与BIM、GIS结合,在GIS移动端平台上将数字化的BIM投放到任何场景中。如在施工现场,将设计方案与实际施工现场进行比对,可以及时发现问题并进行修正。 Cross裁剪 BIM+GIS+A 结语 软硬件实力的不断提升,以及数字化社会的建设需求,为BIM和GIS技术的跨界融合创造了机会。BIM+GIS的应用价值不可限量,需要大家不断深入探索与挖掘。 紧跟技术发展,SuperMap期待与更多的用户与合作伙伴一起推进BIM+GIS集成应用,最终形成快速高效、完善实用的行业解决方案。

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