陳祥蔥，蘇 貝

（哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院，黑龍江 哈爾濱150010）

隨著三維地理信息（3DGIS）技術(shù)的快速發(fā)展，建筑信息模型（BIM）與3DGIS融合逐漸受到建筑工程、地理信息等領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者的重視:一方面，大量高精度的BIM模型可作為3DGIS的重要數(shù)據(jù)源；另一方面，BIM與GIS的集成可以深化多領(lǐng)域的協(xié)同應(yīng)用，如建筑分析、城市規(guī)劃、軌道交通建設(shè)等。無(wú)論是BIM還是3DGIS，在多年的發(fā)展中都形成了多種數(shù)據(jù)模型或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如Revit、Archi－CAD、MicroStation等BIM軟件均有相應(yīng)數(shù)據(jù)格式，3DGIS領(lǐng)域也提出了3DFDS、SSM、OO3D等諸多模型。為便于信息共享交換，BIM領(lǐng)域和3D GIS領(lǐng)域分別定義了各自的通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)——IFC（Industry Foundation Classes）和 CityGML（City Geography Markup Language）。3DGIS與BIM 的融合研究逐漸轉(zhuǎn)向CityGML與IFC的相互轉(zhuǎn)換，且現(xiàn)階段已在一定程度上實(shí)現(xiàn)了二者融合。但由于IFC與CityGM分別適用于不同領(lǐng)域，其幾何構(gòu)模、語(yǔ)義結(jié)構(gòu)、邏輯層次均存在較大差異。

1 CityGML與IFC幾何構(gòu)模簡(jiǎn)介

CityGML是一種基于XML的開(kāi)放編碼，用來(lái)表示和傳輸城市三維對(duì)象的通用信息模型。自2002年開(kāi)始，柏林大學(xué)的Kolbe、Gr?ger等人致力于CityGML的建立與完善；2008年8月，CityGML 1.0.0正式成為 OGC標(biāo)準(zhǔn)；2012年4月，CityGML 2.0正式發(fā)布。CityGML 2.0在 GML 3的幾何表達(dá)基礎(chǔ)上，融合了紋理、語(yǔ)義、拓?fù)涞榷喾矫嫘畔?，并采?級(jí)細(xì)節(jié)層次（LOD）進(jìn)行多尺度城市三維表達(dá)。在三維幾何構(gòu)模上，CityGML采用面模型，通過(guò)表面模擬（B－rep）的方式表現(xiàn)三維空間對(duì)象 。

IFC是一種采用EXPRSS語(yǔ)言，用于BIM領(lǐng)域信息共享與交換的通用數(shù)據(jù)格式。IFC定義了四個(gè)層次:資源層（Resource Layer）、核心層（Core Layer）、信息交換層（Interperability Layer）和領(lǐng)域?qū)樱―omain Layer）。其中三維幾何構(gòu)模部分由資源層的幾何資源（Geometry Resource）定義。IFC幾何構(gòu)模充分利用工程設(shè)計(jì)思想，支持表面模擬（B－rep）、幾何構(gòu)造（CSG）、拉伸、旋轉(zhuǎn)等多種構(gòu)模方式，根據(jù)構(gòu)件的幾何特征采用混合模型方式進(jìn)行三維表達(dá)。

由于CityGML是面向結(jié)果的三維建模，而IFC是面向過(guò)程的三維建模，二者從空間參考、構(gòu)模粒度、表達(dá)方式等方面存在較大差異。為實(shí)現(xiàn)二者信息的無(wú)損融合，有必要對(duì)幾何構(gòu)模進(jìn)行深入探討。

2 空間定位

空間參考系直接決定CityGML和IFC表達(dá)的幾何模型能否正確定位地球或局部三維空間中。首先討論CityGML與IFC的空間參考系定義。

CityGML支持兩種空間參考系:一類(lèi)是通過(guò)引用國(guó)際權(quán)威組織（如EPSG）定義的空間參考系名稱(chēng)或ID，適于全球或較大范圍三維場(chǎng)景的構(gòu)建；另一類(lèi)是自定義的工程空間參考系，適于小范圍內(nèi)、可忽略地球曲率影響三維場(chǎng)景的構(gòu)建。CityGML對(duì)上述兩種空間參考系均使用基準(zhǔn)的定義模式，通過(guò)基準(zhǔn)變換即可實(shí)現(xiàn)不同空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換，能夠在更廣泛的空間甚至全球范疇實(shí)現(xiàn)三維空間信息共享與交換。

建筑工程領(lǐng)域常采用預(yù)制構(gòu)件的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，且工程通常限定在一個(gè)有限的區(qū)域，通常無(wú)須考慮地球曲率影響，因此將工程基準(zhǔn)面認(rèn)為是一個(gè)平面。為反映建筑工程的這個(gè)特點(diǎn)，IFC采用工程坐標(biāo)系與構(gòu)件坐標(biāo)系組合定位的方式:

2.1 工程坐標(biāo)系

IFC工程坐標(biāo)系由IfcProject:Representation－Contexts屬性描述，定義方式如圖1所示。坐標(biāo)系定義參數(shù)包括:坐標(biāo)原點(diǎn)（O（X1，Y1，Z1）），X軸方向（x，0，0），Z軸方向（Z（0，0，z））。Y軸根據(jù)右手定則（或左手定則）進(jìn)行定位；真北方向記錄了當(dāng)前坐標(biāo)系下真北方向的矢量坐標(biāo)，反映當(dāng)前工程坐標(biāo)系相對(duì)于真北方向的旋轉(zhuǎn)角度。真北方向在一定程度上建立了工程坐標(biāo)系與其他坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

2.2 構(gòu)件坐標(biāo)系

工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用相對(duì)位置來(lái)描述構(gòu)件的空間位置，如梁距中軸線距離、墻與承重柱距離等。因此，IFC中的每一個(gè)幾何形狀均可以其他構(gòu)件為參照建立構(gòu)件的局部坐標(biāo)系，且支持這類(lèi)坐標(biāo)系的多層引用或嵌套。

由于CityGML與IFC采用不同空間參考定義方法，給二者融合帶來(lái)了如下問(wèn)題:

1）建筑工程施工中應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況，建立符合工程需要的工程坐標(biāo)系，而隨著越來(lái)越多的BIM數(shù)據(jù)融入到3DGIS中，工程坐標(biāo)系與3DGIS的空間參考系的轉(zhuǎn)換將會(huì)成為一項(xiàng)龐雜、艱巨的任務(wù)。因此，雖然IFC定義了真北方向，但缺失了重要的坐標(biāo)基準(zhǔn)信息，將成為為CityGML與IFC融合的瓶頸；

2）CityGML通常采用一個(gè)或幾個(gè)坐標(biāo)系，而IFC包括工程坐標(biāo)和構(gòu)件坐標(biāo)多種坐標(biāo)表達(dá)方式，且坐標(biāo)系之間存在參照，必須將IFC多層引用坐標(biāo)解析為CityGML的統(tǒng)一坐標(biāo)表達(dá)。

圖1 工程坐標(biāo)定義

3 幾何構(gòu)模

3.1 空間剖分

從語(yǔ)義上來(lái)看，CityGML將建筑分為外部邊界、外部設(shè)施、房間、內(nèi)部設(shè)施、門(mén)窗等功能結(jié)構(gòu)，且每一類(lèi)設(shè)施在不同的細(xì)節(jié)層次有著不同的表達(dá)。CityGML按照細(xì)節(jié)層次、結(jié)構(gòu)類(lèi)型、幾何表達(dá)的層級(jí)進(jìn)行三維空間表達(dá)，因此可認(rèn)為CityGML是基于功能語(yǔ)義的空間剖分。同時(shí)，CityGML在不同的表達(dá)尺度上空間剖分的方式是不一樣的:LOD0僅表達(dá)建筑邊界投影，LOD1表達(dá)矩形包圍體，而LOD4則表達(dá)所有結(jié)構(gòu)，在這個(gè)角度上，CityGML根據(jù)空間尺度不同采用不同的空間剖分方法。因此，CityGML采用的是兼顧空間尺度與功能語(yǔ)義的空間剖分。

IFC采用層次空間構(gòu)成方法（見(jiàn)圖2），從上到下分為工程（IfcProject）、場(chǎng)地（IfcSite）、建筑（Ifc－Building）、樓層（IfcBuildingStorey）和建筑部件（IfcElement）。IFC不僅定義了各類(lèi)建筑部件的幾何形狀、空間位置，還定義了各類(lèi)部件的連接關(guān)系及空間組合關(guān)系。BIM模型的目標(biāo)是指導(dǎo)工程施工，IFC是一種真實(shí)模擬的三維構(gòu)模方法，因此不能為了顯示需要而進(jìn)行細(xì)節(jié)層次過(guò)濾。所以，IFC的空間剖分方法更符合建筑施工和人類(lèi)認(rèn)知過(guò)程，是一種過(guò)程重構(gòu)式的空間剖分。

圖2 IFC空間剖分層次

3.2 幾何表達(dá)

如前所述，CityGML采用表面模擬（B－rep）的表達(dá)方法，其幾何表達(dá)采用點(diǎn)、環(huán)、面、體的三維幾何表達(dá)方式。下例的編碼文件描述了一個(gè)房間的幾何形狀，點(diǎn)坐標(biāo)記錄于＜posList＞標(biāo)簽內(nèi)，通過(guò)環(huán)（LinearRing）構(gòu)建面（Polygon），并通過(guò)面的編號(hào)引用構(gòu)建體（lod3Solid）。由于通過(guò)編號(hào)引用已定義的面，CityGML對(duì)體的描述是一種面拓?fù)涿枋龇椒ā?/p>

相比于CityGML，IFC的幾何表達(dá)更為復(fù)雜，包括了三角面片（Tessellation）、表面模擬（B－rep）、旋轉(zhuǎn)、拉伸、體素構(gòu)造（CSG）、體切割、映射等多種方式，其幾何構(gòu)模方法如表1所示。

在上表的幾何構(gòu)模中，三角面片和表面模擬通過(guò)坐標(biāo)顯式構(gòu)模，體素構(gòu)造、掃略體、體切割和映射等屬于參數(shù)化構(gòu)模。其中，掃略體中的拉伸構(gòu)模是通過(guò)XY平面定義的基準(zhǔn)平面立體拉伸構(gòu)成，然后通過(guò)定位點(diǎn)和姿態(tài)放置構(gòu)模部件，這種構(gòu)模思想充分反映了建筑工程預(yù)制構(gòu)件的思想。映射通過(guò)重用已有模型，可極大減少建模工作量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量，符合工程設(shè)計(jì)和軟件工程思想，目前BIM領(lǐng)域已通過(guò)拓展該思想形成了良好的信息共享模式（如Revit中族）。

表1 IFC幾何構(gòu)模方法表

由于CityGML和IFC構(gòu)模方式的差異，在IFC和CityGML融合中必須解決IFC參數(shù)化三維模型離散化的問(wèn)題。從目前的研究來(lái)看，IFC參數(shù)化模型離散化已解決，但CityGML離散表達(dá)的模型無(wú)法轉(zhuǎn)換為IFC中的參數(shù)化模型，即二者的無(wú)損相互轉(zhuǎn)換有待進(jìn)一步研究。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

為有效比較CityGML和IFC的建模效率，本文選擇了若干典型幾何體進(jìn)行建模效率比較。為剔除由于文本表述方式導(dǎo)致文件長(zhǎng)度影響，這里參照C99標(biāo)準(zhǔn)，將文字常量變更為枚舉類(lèi)型，其長(zhǎng)度為4字節(jié)；編號(hào)或名稱(chēng)引用定義為引用類(lèi)型，占4個(gè)字節(jié)；其他整型占4個(gè)字節(jié)，雙精度占8個(gè)字節(jié)。本文選取六面體、球體以及簡(jiǎn)單建筑（見(jiàn)圖3），分別比較CityGML與IFC的空間構(gòu)模效率，如表2所示。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)示意圖

表2 三維構(gòu)模數(shù)據(jù)量比較表

從上述結(jié)果可看出，由于IFC使用了多種預(yù)定義結(jié)構(gòu)，其幾何表達(dá)效率遠(yuǎn)高于CityGML，特別是對(duì)于球體、橢球等幾何體。同時(shí)，試驗(yàn)表明對(duì)球體、橢球體、掃略體等的離散化處理，不僅會(huì)極大地增加數(shù)據(jù)量，而且會(huì)帶來(lái)較大的數(shù)據(jù)精度損失。

5 結(jié)束語(yǔ)

三維幾何模型轉(zhuǎn)換是IFC與CityGML融合的第一步，本文從空間定位、空間剖分和幾何表達(dá)等方面對(duì)比分析了二者實(shí)現(xiàn)的思想與機(jī)制，對(duì)二者幾何轉(zhuǎn)換中存在的問(wèn)題進(jìn)行了初步探討?？傮w來(lái)看，空間定位方式的差異在理論上是可以解決的，但由于現(xiàn)階段的BIM數(shù)據(jù)空間參考信息缺失，大批量的數(shù)據(jù)處理將面臨因資料缺失而造成的融合障礙；在三維幾何構(gòu)模上，IFC與CityGML轉(zhuǎn)換是一種信息有損轉(zhuǎn)換，且現(xiàn)階段研究限于IFC向CityGML的單向轉(zhuǎn)換，無(wú)損雙向轉(zhuǎn)換有待進(jìn)一步研究。本文最后通過(guò)試驗(yàn)對(duì)二者的建模效率進(jìn)行了對(duì)比，IFC的建模效率遠(yuǎn)高于CityGML的建模效率。

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