来源：《测绘与空间地理信息》2019年第1期
作者：武鹏飞，刘玉身，谭毅，李建锋
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摘 要: GIS 与BIM 融合的应用领域非常广阔，已得到社会的广泛认同，且相关研究工作也在不断深入。本文对国内外GIS 与BIM 融合的相关研究从融合方法和集成应用两方面进行了总结概括，并做了相应的分析和讨论。GIS 与BIM 融合方法大致可以分为数据格式转换、数据标准扩展和本体论3 种模式，初步实现了GIS 与BIM 数据的相互转化和融合，但几何信息和属性信息丢失、语义信息歧义等是其中突出的问题。GIS 与BIM 的集成主要用于工程建设管理、工程规划设计、市政设施管理和火灾应急处理等方面，但集成应用还处于理论设想和方法探讨阶段，并未得到广泛的实际应用。总的来说，GIS 与BIM 融合不论在融合方法研究方面，还是在集成应用方面，都处于起步和探索阶段，发展新型数据模型，优化信息表达形式，兼顾几何实体表达和面向具体应用的语义知识表达需要，很可能是未来GIS 与BIM 融合的另一种解决途径。
关键词: 地理信息系统; 建筑信息模型; 数据融合; CityGML; IFC
0 引言
城市是人类集聚生活的主要场所，随着智慧城市概念的兴起，现代化城市的建设管理逐渐成为社会关注的热点。精细化、智能化、标准化是当今城市建设管理的核心要求，从目前的情况看，依靠单一技术已不可能满足未来城市建设和管理的需要，多种技术间的融合和集成将是必然之路，GIS 与BIM 融合为城市的建设管理提供了新的方法和手段。GIS 为当今城市的建设和管理提供了基础框架，BIM 为城市建设管理提供单栋建筑的精确信息模型。GIS 的特点在于全局整体的数据管理，侧重于室外的信息表达，而BIM 侧重于局部单体建筑的精细表达。
GIS 与BIM 的融合为建筑内部、单栋建筑、小区、园区、街道、整个城市等不同尺度的城市建设管理提供了数据基础和技术支持，城市三维建模已成为该领域重要的研究方向。
GIS 与BIM 的融合可以用于城市应急管理、市政资产管理、城市公共安全等方面，提高了城市建设管理的质量和效率。GIS 与BIM 的融合将为城市的建设和管理带来新的思路和方法，大量高精度的BIM 模型是城市三维模型的重要数据来源，为城市管理提供详细的建筑信息，并为城市三维模型构建提供更加丰富的信息。GIS 和BIM 的融合可以实现从微观到宏观的多尺度城市管理，在室内导航、公共场所的应急管理、城市和景观规划、3D 城市地图、各种环境状况模拟、大型活动安全保障等方面都将产生难以估量的价值，BIM 与GIS 的融合已成为国内外相关领域研究的前沿。GIS 与BIM 的融合研究虽然有明确的方向和迫切的需求，但二者的融合研究工作仍处于起步和探索阶段。现有的相关研究基本都是围绕CityGML( City Geography Markup Language，城市地理标记语言) 和IFC( Industry Foundation Classes，工业基础类) 两个标准展开的，这两个标准是当今GIS 和BIM 融合研究的载体。
CityGML 在地理信息领域并不陌生，主要用于城市虚拟三维模型的数据存储与交换。CityGML 定义了城市和区域中最常见地物的类型及相互关系，兼顾地物的几何、拓扑、语义、外观等方面的属性，且定义了LOD0-LOD4 共5 个细节层次的信息模型，可以实现所有专题在不同尺度上的几何和语义信息表达。相对于GIS，BIM 的起步和发展较晚，目前在一些欧美国家及日本、韩国、澳大利亚等国家已有较为广泛的应用。BIM 技术在中国还处于起步阶段，但发展前景广阔。BIM 的数据存储和共享标准是IFC 标准，其作用与CityGML 类似。IFC 采用面向对象的、规范化的数据描述语言( EXPRESS) 对所有用到的数据进行定义，其对建筑构件定义的详细程度要远远高于CityGML。CityGML 和IFC 作为GIS 和BIM 进行数据交换的标准，在应用场景、几何信息表达、语义信息表达、建模语言等很多方面存在差异( 见表1) ，这些差异给基于CityGML 和IFC 两个标准的GIS 与BIM 融合工作带来了较大困难。
表1 CityGML 和IFC 标准的差异
1 GIS 与BIM 的融合方法
围绕二者的融合问题，国内外学者和组织开展了大量研究工作，其中OGC 开展了CAD/GIS /BIM 三种技术的集成尝试。在全球范围内，荷兰、德国、韩国等欧亚国家在GIS 和BIM 融合方面做了大量工作，已成为该领域研究的前沿。到目前为止，GIS 与BIM 融合研究主要围绕CityGML 和IFC 两个标准开展，包括数据格式转换和标准扩展两个方面。
1.1 基于数据格式的GIS 与BIM 融合( 从BIM到GIS)
数据格式转换是目前主流的GIS 与BIM 融合方式，数据格式的转化研究绝大部分集中在从IFC 向CityGML的转换，也有部分研究侧重于CityGML 向IFC 的转换。从BIM 数据到GIS 数据转换是精细化数据进行粗化处理的过程。数据格式的转换包括几何和语义两个方面，且均已开展了大量研究工作。
1) 多层次几何信息提取和转换
数据格式转换最初只关注几何信息的转换，将IFC 格式的数据转化为CityGML 格式，并在GIS 环境中进行显示。针对IFC 和CityGML 的实体转换规则，IFC 向CityGML 的自动转换是主要方式，通过设计转换规则为CityGML 的每个层次定义不同的IFC 实体转化规则。除了CityGML 标准外，GML 标准也是IFC 标准转换的方向，基于坐标变换实现了部分BIM 数据在GIS 环境中的可视化表达。针对CityGML 与IFC 之间的数据格式转换，市场上已有一些软件平台提供支持，如IFCExplorer、BIMServer、FME 等均可实现IFC 向CityGML 的自动转换。Autodesk Revit 和ArcGIS 等商业软件已实现BIM 和GIS数据的转化和同平台显示。目前，GIS 与BIM 融合研究的成果主要集中在BIM 数据在GIS 环境中的可视化表达，并进行一些简单的基于空间信息的查询检索。数据格式转化会出现几何和语义信息的丢失，同时会出现数据量增加的情况。
2) 语义信息的映射
除了单纯的几何信息转换外，语义信息的映射也是GIS 与BIM 融合的重要内容。单纯的数据格式转换并没有实现GIS 与BIM 的融合，利用CityGML 和IFC 标准的结合形成新的数据模型，实现BIM 数据和GIS 数据的同平台应用。CityGML 与IFC 之间存在交集，在IFC 的900 多个实体中有60—70 个可以在语义上直接与CityGML 匹配。在CityGML 与IFC 之间的数据格式转换过程中，数据信息丢失基本是不可避免的。究其原因可以归纳为以下两个方面: 一是几何表达形式的差异， IFC 中有边界描述、拉伸或旋转形成的扫描体、构造实体几何等3 种表达形式，而CityGML 仅有边界描述一种几何表达形式，在IFC 转化为CityGML 后，利用拉伸或旋转形成的扫描体和构造实体几何方法表达的几何信息只能用边界描述方法表达，需要大量的坐标数据来表达多个面片信息，这必然会造成几何信息的丢失和数据量的增加; 另一方面是对象语义的差异，由于IFC 和CityGML 对空间对象的表达和理解是不同的，也没有相关的对象语义标准化研究工作，因此，在IFC 向CityGML 转化的过程中，语义信息的丢失也是不可避免的。
CityGML 与IFC 之间数据格式转换研究，主要集中在两个标准融合方法的探讨方面，实际应用的方向性并不强，不是针对特定的问题需求开展研究工作。从已有研究来看，CityGML 与IFC 之间数据格式转换基本已达到瓶颈，数据转换过程中的信息丢失基本是不可避免的，近期在CityGML 与IFC 之间的数据格式转换研究方面取得突破性进展的可能性不大。
1.2 基于标准扩展的GIS 与BIM 融合
开展CityGML 和IFC 标准的扩展研究，在此基础上形成新的数据交换标准，也是GIS 与BIM 融合研究的重要方向。该部分的研究工作大致分为两部分: 一部分是以IFC 和CityGML 标准的并集操作为主的新数据模型建立;另一部分是基于CityGML ADE( Application Domain Extension)扩展机制的标准融合，CityGML 扩展相应的实体类型支持IFC 的实体构件。
1) IFC 和CityGML 结合形成新的数据模型。城市信息模型( City Information Model，CIM) 是其中一个比较有代表性的案例，将城市设施、建筑、交通、设备与管道和水体等信息通过模型进行表达， IFC 和CityGML 将各自定义的实体分别按照相应专题数据进行再分类，分类后的IFC和CityGML 进行集成形成新的数据模型。除了大尺度的城市模型外，室内信息模型也是一类重要的数据模型。室内信息模型可以用于室内精确定位、室内导航、室内外联合火灾逃生等方面。室内信息模型包含室内建筑信息、室内实时信息和室外信息等，对数据的准确性、实时性、敏感性等有较高要求。类似的新数据模型还有统一建筑模型( UBM) 、城市信息模型( UIM) 、校园信息模型( CIM) 等，本质上都是IFC 和CityGML 的并交集运算。
本文对相关文献进行了整理，对于类似的几类数据模型进行了比较( 见表2 ) ，这些数据模型与IFC 和CityGML 相比并没有本质区别，都是两个标准之间的交并集简单运算，只是应用的侧重点有所不同。
表2 基于IFC 和CityGML 的相关数据模型比较
由表2 可知，以上信息模型最大特点在于IFC 与CityGML 的物理集成，并不进行数据格式的转换，主要的应用方向是城市管理。这些信息模型重点不在于实现CityGML 和IFC 之间的数据格式转换，而是在应用时抽取相应的CityGML 和IFC 信息，有效规避了数据转换中的信息丢失问题，同时针对具体应用需求解决实际问题。
2) 基于CityGML ADE 扩展实现融合。CityGML 作为一个“开放的”城市三维模型建模标准，提供了基于Application Domain Extension ( ADE) 的扩展机制，可以从底层实现对CityGML 的扩展。目前，也有大量研究通过对CityGML 标准进行ADE 扩展，实现与IFC 标准的融合。这一融合方式的原理是根据IFC 实体的定义和分类方式，针对特定的应用需求对CityGML 进行ADE 机制的扩展，将特定的IFC 实体分类和定义结果融入CityGML 中，这一方面典型的研究成果当属GeoBIM。除了理论层面的研究外，还有研究针对CityGML 和IFC 的具体应用领域进行扩展。
针对CityGML 和IFC 标准的扩展，大致有3 种扩展方式。一是底层开发，定义新的实体类型和属性，也就是对Schema 文件进行修改。上述的CityGML ADE 机制扩展就属于该种方式， IFC 标准也支持类似的扩展方式。这种方式的特点是可以准确、完整地表达待扩展信息，但需要对底层的Schema 文件进行修改，工作量大，且需要研发特定的平台来支持扩展结果的可视化。二是基于通用类的扩展，CityGML 和IFC 都提供相应的扩展机制，分别基于Generic和Proxy 方式实现，该方式的特点是不用修改底层的Schema 文件，直接对CityGML 和IFC 的实例进行修改，但该类扩展的问题在于没有对待扩展内容进行定义而造成语义歧义。三是通过引用外部分类的方式进行扩展，CityGML 可以通过自身的link 功能，通过UUID 调用IFC中定义的实体，也可以通过URL 调用待扩展实体的分类结果，既可以实现对实体的扩展，还可以获得相应的属性信息，这种方式的不足之处同样是语义信息不一致。
1.3 基于本体的GIS 与BIM 融合
本体最初是哲学领域的概念，后来被引入人工智能和信息科学领域，随后在地理信息领域也得到了广泛的应用。本体建设的目标是形成人与计算机对结构化信息的共同理解，实现语义一致性基础上的人机交互。CityGML 和IFC 标准在用户、应用目的等方面存在差异，对同一实体在语义、时空表达、数据存储、信息模型等方面的理解不一致。因此，以本体论为基础构建适合CityGML 和IFC 标准的本体系统，消除不同标准对同一实体的语义理解偏差，是基于本体论实现GIS 和BIM 融合的关键，也是未来GIS 和BIM 融合研究的重要方向。CityGML 和IFC 都是复杂的本体系统，包含大量的空间对象和属性信息，CityGML 和IFC 标准之间的本体信息匹配则是建立本体系统的基础。根据语义信息特点将CityGML 和IFC 的语义信息进行分类，并基于统一资源标识符、WordNet 词典等工具实现语义信息匹配是其中的基本方法[23]。除了简单的语义信息匹配外，创建新的本体数据模型，定义新的语义信息，并根据语义信息的特点划分不同的层次，实现语义信息的分类管理。在语义信息集成的基础上，将空间结构要素和拓扑关系要素引入数据模型中，丰富本体信息的表达维度，有效增强CityGML和IFC 标准之间的本体信息的区分度。
虽然本体技术在地理信息领域已有广泛应用，但作为GIS 和BIM 融合的新方法，其在CityGML 和IFC 标准融合研究中的应用还很有限，还存在一些技术问题需要解决，例如CityGML 和IFC 之间语义信息的映射，RDF、SPARQL、URIs 等相关技术的应用，本体系统分类架构研究等，都是本体理论在GIS 和BIM 融合中所要面对的基础技术问题。
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