城市级实景三维与BIM集成技术研究与实践_刘一.pdf

第 48 卷第 1 期2023 年 2 月Vol.48 No.1Feb.2023测绘地理信息Journal of Geomatics城市级实景三维与 BIM 集成技术研究与实践刘一1 刘江涛21 深圳市城市建设档案馆，广东 深圳，5180342 深圳市空间地理信息中心，广东 深圳，518034Research and Practice of Integration Technology of City-Level Real 3D and BIMLIUYi1 LIUJiangtao21 Shenzhen Urban Construction Archives Center，Shenzhen 518034，China2 Shenzhen Spatial Geographic Information Center，Shenzhen 518034，China摘要：针对实景三维与建筑信息模型（building information model，BIM）集成中面临的数据格式多样、坐标体系不一、数据体量巨大和空间组织繁杂等诸多问题，结合深圳市实践，提出了 BIM 标准、坐标转换、模型轻量化和模型组织调度等关键技术，并在工程实践中验证了可行性。关 键 词：实 景 三 维；建 筑 信 息 模 型（building information model，BIM）；数据集成中图分类号：P208文献标志码：AAbstract：To solve the problems in the integration of real 3D and building information model（BIM）such as diversified data format，different coordinate systems，huge data volume and complex spatial organization，we propose some key technologies such as BIM standards，coordinate conversion，the lightweighting of models and organization and scheduling of models based on the practice in Shenzhen.Their feasibilities are verified in the engineering practice.Key words：real 3D；building information model（BIM）；data integration近年来，深圳市大力发展 GIS、建筑信息模型（building information model，BIM）和城市信息模型（city information modeling，CIM）等技术，持续推动城市级实景三维建模，全市域时空信息平台（CIM 平台）建设，新建工程项目 BIM 正向建模，既有房屋建筑、市政基础设施、水务工程 BIM 逆向建模，将全市一半以上重点建筑及设施 BIM 导入 CIM 平台。目前，深圳市 CIM 平台汇聚的实景三维数据遵循深圳市城市级实景三维数据规范生产，数据格式统一，数据质量可控。平台汇聚的 BIM 来自设计、施工等单位，生产阶段有前期论证、规划设计、施工图设计和竣工验收等，涉及的专业有房建、市政交通、水务和轨道交通等。BIM 产品存在来源广泛、专业种类繁杂、数据格式多样、标准规范差异和数据质量良莠不齐等情况。促进实景三维数据与 BIM 的融合，实现地上下、室内外一体的多层次多粒度的三维模型构建、融合、组织、调度与表达，有助于促进建筑工程多领域协同，降低建设工程造价成本，提升建设效率和质量，提高城市规划、建设和管理过程中的精细化和智能化水平。然而，城市级实景三维与 BIM 的集成面临数据转换、坐标配准、轻量化、组织调度、语义集成以及海量数据存储等诸多技术挑战。BIM 与 GIS 的集成研究包括模式集成、本体集成、服务集成、过程集成和系统集成等多种研究路径1，以及数据级别、应用级别和过程级别等集成方法2。大量研究探索了 BIM 领域的工业基础类（industry foundation classes，IFC）标准与 GIS 领域的城市地理标记语言（city geography markup language，CityGML）的几何和语义的集成3-5。发挥BIM、三维GIS和计算机图形学等体系的差异化技术优势6，优化 BIM 和 GIS 集成方法，有望解决从微观到宏观的全空间三维空间数据的管理与可视化的难题7，8。本文从工程实践角度出发，针对城市实景三维DOI：10.14188/j.2095-6045.2022845文章编号：2095-6045（2023）01-0073-04引用格式：刘一，刘江涛.城市级实景三维与 BIM 集成技术研究与实践 J.测绘地理信息，2023，48（1）：73-76（LIU Yi，LIUJiangtao.Research and Practice of Integration Technology of City-Level Real 3D and BIM J.Journal of Geomatics，2023，48（1）：73-76）基金项目：深圳市智慧住建项目（深发改 2022 517）。测绘地理信息2023 年 2 月数据和 BIM 集成中面临的核心问题，探讨深圳市BIM 标准、坐标转换，轻量化、组织调度、语义集成和数据存储等技术路线和策略。1 集成关键技术1.1问题和难点分析1）数据标准问题。BIM 标准覆盖尚不完整，设计深度不一，组织结构各异，分类标准有差异，需要解决多领域 BIM 标准转换对接和数据统一分类存储等问题。2）坐标转换问题。传统 BIM 内仅支持笛卡尔坐标系6，在不同区域的项目中，拟合椭球参数会相应变化，需要解决 BIM 的椭球参考系、高程参考系和投影变换方式等坐标转换问题。3）轻量化问题。城市级实景三维模型以及个别重大公共设施数据量达到 TB 级，部分原始 BIM 文件存在大量冗余，需要解决数据存储、传输和表达的轻量化难题。4）数据组织问题。将城市级实景三维和巨大的BIM 呈现在全空间三维场景，需要解决统一空间索引、高效组织调度和流式数据传输等技术难题。5）语义集成问题。各领域对于城市的认知存在差异，城市管理属性难以与三维模型关联，需要面向多领域的共性管理需求，解决多领域城市实体语义集成问题。6）数据存储问题。传统关系型数据库的存储方式无法适配实景三维和 BIM 等不同模态三维的存储，需要针对三维模型数据，提出解决海量和异构数据混合存储的新架构。1.2深圳市 BIM 标准与格式转换国际 IFC标准是建筑行业不受特定软件供应商控制的通用建筑信息交换标准，促进了不同 BIM 系统和软件的互联互通。然而，现行IFC标准在使用过程中存在软件导出信息丢失、可视化效果欠佳、信息冗余、商业转换工具缺乏、数据可信度有限等问题。深圳市面向工程报建审批和城市管理运行双重目标，推出 建筑信息模型数据存储标准（简称 SZ-IFC标准）。相对国际IFC标准，SZ-IFC标准在可用性方面约定了空间结构、构件关系对象类型、地理坐标、材质要求、颜色要求等强制性导出规范；在可看性方面，补充了材质、纹理、物理渲染方式；在轻量化方面，支持无损压缩、冗余剔除等方法；在可信度方面，增加了全过程确权、确责的存证机制，可对数据进行完整性校验、知识产权保护、模型中信息的责任划分与追溯。SZ-IFC 标准在国际 IFC 标准的基础上进行了扩充，现有 BIM 设计软件无法直接导出符合 SZ-IFC 标准的文件，需用 BIM 转换工具将不同 BIM 格式统一转换为 SZ-IFC 格式，降低多专业和多类型BIM 集成难度。BIM 转换工具在模型转换过程中，可设定属性定义、参数配置和字段校验，保证 BIM信息的完整性、唯一性以及转换后的模型质量。1.3BIM 坐标转换与配准SZ-IFC 标准强制规范 BIM 的大地基准、高程基准、投影方式和转换公式，加强了对大地坐标的支持。SZ-IFC 标准定义 IfcProjectedCRS 和 IfcMapConversion 对象存储坐标系参数，规定大地基准应填 写 China_2000，即 2000 国 家 大 地 坐 标 系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）；高程基准应填写 Yellow_Sea_1985，即 1985 国家高程基准；投影方式应填写高斯-克吕格投影，统一 3带平面直角坐标系统；定义模型的笛卡尔变化操作（IfcCartesianTransformationOperator），支持三维模型的平移、旋转、镜像和缩放；定义几何变换矩阵（IfcLocalPlacement），实现几何数据的复用及空间位置变换的继承。大部分 GIS 软件缺乏精确的裁剪、挖洞、镶嵌、布尔运算及表面运算等不规则三角网（triangulated irregular network，TIN）编辑功能，对于涉及复杂场地设计的 BIM，通过三维场景压平实现 BIM 与 TIN结构的地形三维接边，效果不佳。将城市级实景三维作为设计项目的初始三维场地模型，面向设计单位、政府、研究机构提供云上的通用数据环境，支持设计团队在专业 BIM 软件中对不满足要求的设计方案进行多次“校验-修改”，在设计建模源头解决坐标参考、位置配准与地形衔接等问题，可有效提升设计方案与周边地理环境衔接的几何准确性9。1.4模型轻量化1）模型拆分和删减。针对模型内族类型复杂、对象过多及单一模型对象超长和超大的问题，通过拆分和切分子对象的方式将单个对象分解为多个小对象，删减数据量大且没有实际应用价值的 BIM 对象，降低模型三角面数量，提升局部模型调度效率。2）模型实例化。解析 BIM 中存在的相同或相似的几何构件，检索 BIM 存储的映射关系，从模型中提取构件对应的几何信息，形成构件实例序号与引用的参考几何模型之间的多对一映射关系，并记录实例化构件的空间方位信息。通过模型实例化处74第 48 卷第 1 期刘一等：城市级实景三维与 BIM 集成技术研究与实践理，减少模型存储和传输的几何数据。在实例化过程中，要通过人机交互的方式校核实体关系、语义描述和几何结构等可能存在的模型丢失和映射缺失问题，并对相关实例关系进行修复和重建。3）参量化几何化简。对于采用体素构造表示（constructive solid geometry，CSG）法等参量化几何描述构建的几何结构，可通过近似拟合等方法得到用边界表示（boundary representation，B-Rep）法表达的三角网结构，通常拟合精度越高，三角网结构越复杂。参量化几何化简的目的是在满足特定应用场景的可视需求时，兼顾模型的精细程度和模型传输效率10。可以采用建模软件的曲面拟合工具设定曲面拟合度、曲线拟合度及顶点法线偏离角度等参数，按需增加几何模型的适用程度，对于复杂三角网，也可通过顶点压缩和塌陷算法实现三角网结构的几何化简。4）数据传输压缩。可压缩三维模型的顶点位置、法线、颜色、纹理，提高其网络传输效率和速度。压缩比例并没有理想的理论值，对于不同类型的BIM 和实景三维模型，要通过调节误差比例、精简比例、空间优先和材质有限等不同轻量化参量，寻求效率和效果的平衡。对于一些特殊情况，如复杂曲面模型，压缩后易出现结构破面和纹理缺失，需要探索个性化的轻量化方法以寻求效率和效果平衡。1.5全空间组织调度优化城市级实景三维和 BIM 统一组织调度的核心是遵循空间一致性原则，通过将不同类型的三维模型空间细分成具有统一空间索引的三维瓦片集，在不同层级显示不同分辨率的三维瓦片。传统的空间细 分 主 要 是 建 立 k 维 树（k-dimensional tree，KD-Tree）、松散性四叉树或八叉树等灵活的空间数据结