BIM視界 | 剖析BIM+GIS應(yīng)用過(guò)程中遇到的難點(diǎn)以及應(yīng)對(duì)方法

BIM與GIS的跨界融合，使微觀領(lǐng)域的BIM信息與宏觀領(lǐng)域的GIS信息實(shí)現(xiàn)交換和互操作，提升了BIM應(yīng)用深度，將BIM的應(yīng)用從單體延伸到建筑群甚至城市級(jí)，為GIS行業(yè)發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，同時(shí)也帶來(lái)了一些新的挑戰(zhàn)。面對(duì)挑戰(zhàn)，GIS基礎(chǔ)平臺(tái)要具備哪些能力？本文將剖析BIM+GIS應(yīng)用過(guò)程中遇到的難點(diǎn)以及應(yīng)對(duì)方法。

在GIS平臺(tái)中加載立交橋的BIM數(shù)據(jù)（左），并疊加在影像數(shù)據(jù)上（右）

國(guó)內(nèi)外BIM建模軟件種類繁多，不同的軟件有各自的存儲(chǔ)方式。這些數(shù)據(jù)格式彼此不同，且相對(duì)比較封閉沒有公開文件結(jié)構(gòu)，給BIM數(shù)據(jù)接入到GIS平臺(tái)帶來(lái)了最直接的挑戰(zhàn)。

BIM數(shù)據(jù)依賴于BIM軟件，比如Revit的rvt文件本身是不帶貼圖的，是存在于Revit安裝目錄的材質(zhì)庫(kù)中，要讀取Revit數(shù)據(jù)的完整信息，包括屬性、材質(zhì)、幾何等，離不開Revit軟件本身。實(shí)現(xiàn)讀取BIM數(shù)據(jù)目前最務(wù)實(shí)的方法就是基于BIM到GIS數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換工具或插件，也就是基于BIM軟件庫(kù)的原生支撐，將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到GIS數(shù)據(jù)庫(kù)。

SuperMap先后提供了多款BIM主流設(shè)計(jì)軟件的轉(zhuǎn)換插件和工具，如Autodesk旗下的Revit、AutoCAD以及Civil3D軟件，以及Bentley的MicroStation CONNECT Edition、達(dá)索的CATIA軟件，將數(shù)據(jù)的頂點(diǎn)和屬性信息一次性導(dǎo)出，并且按類型或圖層進(jìn)行分類。導(dǎo)出數(shù)據(jù)不僅保留了BIM數(shù)據(jù)實(shí)例化的特點(diǎn)，還生成了多細(xì)節(jié)層次(Levels of Detail)，提升數(shù)據(jù)在三維GIS平臺(tái)中加載和瀏覽的性能。SuperMap也為某些行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)格式-IFC提供了對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換工具。

BIM建模軟件注重的是單一體建筑，但GIS需要管理一個(gè)區(qū)域或整個(gè)城市的BIM數(shù)據(jù)，并且GIS終端可能是配置不高的PC，甚至是Pad或手機(jī)，因此GIS面對(duì)的數(shù)據(jù)量挑戰(zhàn)更大。所以我們不僅要解決數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，更要進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)輕量化和優(yōu)化，SuperMap對(duì)外提供的插件已經(jīng)內(nèi)嵌了智能輕量化的能力。

實(shí)現(xiàn)BIM輕量化需要以下關(guān)鍵技術(shù)：

• 原生LOD（Level of Detail）技術(shù)。BIM軟件中的三維對(duì)象是參數(shù)化的，比如圓柱體，用圓心、半徑、高度來(lái)描述，但導(dǎo)入GIS系統(tǒng)要三角化成三角網(wǎng)，在三角化時(shí)，利用此技術(shù)可生成多個(gè)不同細(xì)節(jié)層次的模型，即將BIM模型解析出不同的顯示精度和顯示層級(jí)。

不同細(xì)節(jié)層次（左為L(zhǎng)OD-0，右為L(zhǎng)OD-2）的風(fēng)管模型

• 實(shí)例化技術(shù)，即對(duì)BIM模型中存在的大量共用對(duì)象只存儲(chǔ)一份。如在建造階段，會(huì)存在大量的螺絲釘對(duì)象，它們的頂點(diǎn)和材質(zhì)等都是一樣的，只是位置不同，通過(guò)存儲(chǔ)一個(gè)螺絲釘和多個(gè)位置的方式實(shí)現(xiàn)復(fù)用模型。在顯卡也支持這樣的實(shí)例化渲染，從而提升渲染效率。

對(duì)象模型是一類GIS空間數(shù)據(jù)模型，用來(lái)描述離散空間的要素，包括二/三維點(diǎn)、線、面以及三維體對(duì)象模型。其中，三維體對(duì)象是通過(guò)拓?fù)溟]合、高精度的三角網(wǎng)來(lái)表示的。三維體對(duì)象模型可以表示現(xiàn)實(shí)對(duì)象，如建筑、橋梁等。

GIS要從室外走向室內(nèi)，室內(nèi)數(shù)據(jù)需要BIM來(lái)獲取。要實(shí)現(xiàn)BIM模型支持查詢、統(tǒng)計(jì)及分析等功能，首先需要解決如何在GIS平臺(tái)表示BIM模型的難題。與3ds Max模型相比，BIM模型不是一張皮的表面模型，它是體對(duì)象，具備完善的拓?fù)渫暾约伴]合性，因此可以用三維體對(duì)象模型來(lái)表達(dá)這樣的建筑。

BIM模型進(jìn)行三角化后，統(tǒng)一到三維體對(duì)象模型，可以做三維空間關(guān)系判斷（包含、相交、相離）、三維空間運(yùn)算（交、并、差），還支持計(jì)算表面積和體積，支持多種三維空間分析如控高分析、構(gòu)建三維緩沖區(qū)等，為靈活定制城市設(shè)計(jì)規(guī)則提供技術(shù)支撐。

網(wǎng)絡(luò)模型是另一類GIS空間數(shù)據(jù)模型，包括二維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型以及三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。三維網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)可以表示道路、管廊、管線等數(shù)據(jù)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系。BIM的應(yīng)用對(duì)象往往是單體建筑，但如何實(shí)現(xiàn)如地下管線、鐵路、隧道、港口等大規(guī)模區(qū)域性對(duì)象的管理，則需要集成GIS來(lái)實(shí)現(xiàn)，用三維網(wǎng)絡(luò)模型數(shù)據(jù)來(lái)表示BIM單體之間的鏈接網(wǎng)絡(luò)，比如道路數(shù)據(jù)，可以提取出帶拓?fù)溥B接關(guān)系的三維點(diǎn)、線對(duì)象，然后構(gòu)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。

這樣就可以將BIM模型應(yīng)用于各種復(fù)雜的實(shí)際工程領(lǐng)域中，例如爆管網(wǎng)絡(luò)分析，若某一處市政水網(wǎng)/供熱管網(wǎng)/天然氣管道的地下管線發(fā)生了爆裂，我們可以基于三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的拓?fù)潢P(guān)系知道關(guān)閉哪些閥門，哪些管線受到了影響，從而及時(shí)、快速的解決問題。

BIM通常采用獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)，如地方坐標(biāo)系，GIS數(shù)據(jù)來(lái)源眾多，采集方式各異，所采用的坐標(biāo)系也存在一定的差異性。BIM與GIS集成應(yīng)用面臨著各自坐標(biāo)系不同，無(wú)法匹配的問題。GIS最基本的能力就是坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，點(diǎn)線面的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換已經(jīng)十分成熟，但轉(zhuǎn)換能力是否能應(yīng)用到三維模型數(shù)據(jù)中，對(duì)GIS平臺(tái)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

SuperMap已實(shí)現(xiàn)支持三維模型的逐頂點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換能力，支持BIM模型和GIS數(shù)據(jù)在平面坐標(biāo)系和地理坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)在地球曲率影響下的BIM模型和GIS數(shù)據(jù)精確匹配，避免渲染時(shí)的裂縫和漏洞等問題，滿足眾多行業(yè)，如橋梁、道路、水利大壩等，在建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理過(guò)程中對(duì)數(shù)據(jù)的精度需求。

地方坐標(biāo)系下的BIM模型轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下，再疊加到天地圖上的顯示效果

GIS有一個(gè)很重要的特性，就是集成了海量多源數(shù)據(jù)，比如地形影像、傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云、精細(xì)模型、水面、地下管線以及場(chǎng)數(shù)據(jù)等。如何實(shí)現(xiàn)BIM與多源數(shù)據(jù)融合匹配，從而提高數(shù)據(jù)的利用價(jià)值，這是對(duì)BIM+GIS應(yīng)用的又一挑戰(zhàn)。

要進(jìn)行融合匹配，首先需要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)配準(zhǔn)，將BIM模型與傾斜攝影模型、地形等多源數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)各種信息對(duì)齊；然后再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作和處理，進(jìn)行諸如鑲嵌壓平裁剪等操作，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)平滑銜接、紋理拼接自然。

BIM模型與多源數(shù)據(jù)融合

三維空間數(shù)據(jù)的高效發(fā)布、數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是三維GIS應(yīng)用熱點(diǎn)之一。BIM+GIS得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但缺乏統(tǒng)一的三維空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，三維空間數(shù)據(jù)的互操作和開放共享成為難點(diǎn)，這在一定程度上制約了BIM+GIS更加深入的應(yīng)用。

目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)推出了眾多數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和格式，如S3M、I3S、3D Tiles等。這些標(biāo)準(zhǔn)與格式的推出，推動(dòng)了三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和三維數(shù)據(jù)的開放共享。

SuperMap推出的S3M（Spatial 3D Model）標(biāo)準(zhǔn)，適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境和離線環(huán)境下海量多源三維空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸、交換、高性能可視化，實(shí)現(xiàn)了在B/S下發(fā)布和共享海量BIM與GIS數(shù)據(jù)，也實(shí)現(xiàn)了海量BIM與GIS數(shù)據(jù)在桌面端、瀏覽器端、移動(dòng)端的相關(guān)應(yīng)用。

IT技術(shù)的飛速迅猛發(fā)展，深刻而長(zhǎng)遠(yuǎn)地影響了BIM與GIS兩個(gè)領(lǐng)域。其中，VR/AR以及WebGL等IT新技術(shù)，為BIM+GIS應(yīng)用注入了強(qiáng)勁的動(dòng)力。為了實(shí)現(xiàn)這些IT新技術(shù)與BIM、GIS的集成應(yīng)用，需要多終端支持BIM+GIS應(yīng)用。

SuperMap基于HTML5 WebGL技術(shù)，推出了輕量級(jí)三維客戶端，這樣無(wú)須安裝軟件、無(wú)須安裝插件、無(wú)須下載數(shù)據(jù)，就可以在瀏覽器上高效瀏覽三維服務(wù)，并通過(guò)開源的S3M規(guī)范支持實(shí)用的三維空間查詢、量算以及空間分析等功能。SuperMap將AR與BIM、GIS結(jié)合，在GIS移動(dòng)端平臺(tái)上將數(shù)字化的BIM投放到任何場(chǎng)景中。如在施工現(xiàn)場(chǎng)，將設(shè)計(jì)方案與實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行比對(duì)，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修正。

Cross裁剪

BIM+GIS+AR