GIS 與BIM 的融合方法

圍繞二者的融合問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和組織開(kāi)展了大量研究工作，其中OGC 開(kāi)展了CAD/GIS /BIM 三種技術(shù)的集成嘗試。在全球范圍內(nèi)，荷蘭、德國(guó)、韓國(guó)等歐亞國(guó)家在GIS 和BIM 融合方面做了大量工作，已成為該領(lǐng)域研究的前沿。到目前為止，GIS 與BIM 融合研究主要圍繞CityGML 和IFC 兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)展，包括數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展兩個(gè)方面。

1.1 基于數(shù)據(jù)格式的GIS 與BIM 融合( 從BIM到GIS)

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換是目前主流的GIS 與BIM 融合方式，數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化研究絕大部分集中在從IFC 向CityGML的轉(zhuǎn)換，也有部分研究側(cè)重于CityGML 向IFC 的轉(zhuǎn)換。從BIM 數(shù)據(jù)到GIS 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是精細(xì)化數(shù)據(jù)進(jìn)行粗化處理的過(guò)程。數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換包括幾何和語(yǔ)義兩個(gè)方面，且均已開(kāi)展了大量研究工作。

1) 多層次幾何信息提取和轉(zhuǎn)換

數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換最初只關(guān)注幾何信息的轉(zhuǎn)換，將IFC 格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CityGML 格式，并在GIS 環(huán)境中進(jìn)行顯示。針對(duì)IFC 和CityGML 的實(shí)體轉(zhuǎn)換規(guī)則，IFC 向CityGML 的自動(dòng)轉(zhuǎn)換是主要方式，通過(guò)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換規(guī)則為CityGML 的每個(gè)層次定義不同的IFC 實(shí)體轉(zhuǎn)化規(guī)則。除了CityGML 標(biāo)準(zhǔn)外，GML 標(biāo)準(zhǔn)也是IFC 標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換的方向，基于坐標(biāo)變換實(shí)現(xiàn)了部分BIM 數(shù)據(jù)在GIS 環(huán)境中的可視化表達(dá)。針對(duì)CityGML 與IFC 之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，市場(chǎng)上已有一些軟件平臺(tái)提供支持，如IFCExplorer、BIMServer、FME 等均可實(shí)現(xiàn)IFC 向CityGML 的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。Autodesk Revit 和ArcGIS 等商業(yè)軟件已實(shí)現(xiàn)BIM 和GIS數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化和同平臺(tái)顯示。目前，GIS 與BIM 融合研究的成果主要集中在BIM 數(shù)據(jù)在GIS 環(huán)境中的可視化表達(dá)，并進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的基于空間信息的查詢檢索。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化會(huì)出現(xiàn)幾何和語(yǔ)義信息的丟失，同時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)量增加的情況。

2) 語(yǔ)義信息的映射

除了單純的幾何信息轉(zhuǎn)換外，語(yǔ)義信息的映射也是GIS 與BIM 融合的重要內(nèi)容。單純的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)GIS 與BIM 的融合，利用CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)合形成新的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)BIM 數(shù)據(jù)和GIS 數(shù)據(jù)的同平臺(tái)應(yīng)用。CityGML 與IFC 之間存在交集，在IFC 的900 多個(gè)實(shí)體中有60—70 個(gè)可以在語(yǔ)義上直接與CityGML 匹配。在CityGML 與IFC 之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換過(guò)程中，數(shù)據(jù)信息丟失基本是不可避免的。究其原因可以歸納為以下兩個(gè)方面: 一是幾何表達(dá)形式的差異， IFC 中有邊界描述、拉伸或旋轉(zhuǎn)形成的掃描體、構(gòu)造實(shí)體幾何等3 種表達(dá)形式，而CityGML 僅有邊界描述一種幾何表達(dá)形式，在IFC 轉(zhuǎn)化為CityGML 后，利用拉伸或旋轉(zhuǎn)形成的掃描體和構(gòu)造實(shí)體幾何方法表達(dá)的幾何信息只能用邊界描述方法表達(dá)，需要大量的坐標(biāo)數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)多個(gè)面片信息，這必然會(huì)造成幾何信息的丟失和數(shù)據(jù)量的增加; 另一方面是對(duì)象語(yǔ)義的差異，由于IFC 和CityGML 對(duì)空間對(duì)象的表達(dá)和理解是不同的，也沒(méi)有相關(guān)的對(duì)象語(yǔ)義標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，因此，在IFC 向CityGML 轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，語(yǔ)義信息的丟失也是不可避免的。

CityGML 與IFC 之間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換研究，主要集中在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)融合方法的探討方面，實(shí)際應(yīng)用的方向性并不強(qiáng)，不是針對(duì)特定的問(wèn)題需求開(kāi)展研究工作。從已有研究來(lái)看，CityGML 與IFC 之間數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換基本已達(dá)到瓶頸，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的信息丟失基本是不可避免的，近期在CityGML 與IFC 之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換研究方面取得突破性進(jìn)展的可能性不大。

1.2 基于標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展的GIS 與BIM 融合

開(kāi)展CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展研究，在此基礎(chǔ)上形成新的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，也是GIS 與BIM 融合研究的重要方向。該部分的研究工作大致分為兩部分: 一部分是以IFC 和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的并集操作為主的新數(shù)據(jù)模型建立;另一部分是基于CityGML ADE( Application Domain Extension)擴(kuò)展機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)融合，CityGML 擴(kuò)展相應(yīng)的實(shí)體類(lèi)型支持IFC 的實(shí)體構(gòu)件。

1) IFC 和CityGML 結(jié)合形成新的數(shù)據(jù)模型。城市信息模型( City Information Model，CIM) 是其中一個(gè)比較有代表性的案例，將城市設(shè)施、建筑、交通、設(shè)備與管道和水體等信息通過(guò)模型進(jìn)行表達(dá)， IFC 和CityGML 將各自定義的實(shí)體分別按照相應(yīng)專(zhuān)題數(shù)據(jù)進(jìn)行再分類(lèi)，分類(lèi)后的IFC和CityGML 進(jìn)行集成形成新的數(shù)據(jù)模型。除了大尺度的城市模型外，室內(nèi)信息模型也是一類(lèi)重要的數(shù)據(jù)模型。室內(nèi)信息模型可以用于室內(nèi)精確定位、室內(nèi)導(dǎo)航、室內(nèi)外聯(lián)合火災(zāi)逃生等方面。室內(nèi)信息模型包含室內(nèi)建筑信息、室內(nèi)實(shí)時(shí)信息和室外信息等，對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、敏感性等有較高要求。類(lèi)似的新數(shù)據(jù)模型還有統(tǒng)一建筑模型( UBM) 、城市信息模型( UIM) 、校園信息模型( CIM) 等，本質(zhì)上都是IFC 和CityGML 的并交集運(yùn)算。

本文對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了整理，對(duì)于類(lèi)似的幾類(lèi)數(shù)據(jù)模型進(jìn)行了比較( 見(jiàn)表2 ) ，這些數(shù)據(jù)模型與IFC 和CityGML 相比并沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別，都是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間的交并集簡(jiǎn)單運(yùn)算，只是應(yīng)用的側(cè)重點(diǎn)有所不同。

由表2 可知，以上信息模型最大特點(diǎn)在于IFC 與CityGML 的物理集成，并不進(jìn)行數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，主要的應(yīng)用方向是城市管理。這些信息模型重點(diǎn)不在于實(shí)現(xiàn)CityGML 和IFC 之間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，而是在應(yīng)用時(shí)抽取相應(yīng)的CityGML 和IFC 信息，有效規(guī)避了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換中的信息丟失問(wèn)題，同時(shí)針對(duì)具體應(yīng)用需求解決實(shí)際問(wèn)題。

2) 基于CityGML ADE 擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)融合。CityGML 作為一個(gè)“開(kāi)放的”城市三維模型建模標(biāo)準(zhǔn)，提供了基于Application Domain Extension ( ADE) 的擴(kuò)展機(jī)制，可以從底層實(shí)現(xiàn)對(duì)CityGML 的擴(kuò)展。目前，也有大量研究通過(guò)對(duì)CityGML 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行ADE 擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)與IFC 標(biāo)準(zhǔn)的融合。這一融合方式的原理是根據(jù)IFC 實(shí)體的定義和分類(lèi)方式，針對(duì)特定的應(yīng)用需求對(duì)CityGML 進(jìn)行ADE 機(jī)制的擴(kuò)展，將特定的IFC 實(shí)體分類(lèi)和定義結(jié)果融入CityGML 中，這一方面典型的研究成果當(dāng)屬GeoBIM。除了理論層面的研究外，還有研究針對(duì)CityGML 和IFC 的具體應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展。

針對(duì)CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)的擴(kuò)展，大致有3 種擴(kuò)展方式。一是底層開(kāi)發(fā)，定義新的實(shí)體類(lèi)型和屬性，也就是對(duì)Schema 文件進(jìn)行修改。上述的CityGML ADE 機(jī)制擴(kuò)展就屬于該種方式， IFC 標(biāo)準(zhǔn)也支持類(lèi)似的擴(kuò)展方式。這種方式的特點(diǎn)是可以準(zhǔn)確、完整地表達(dá)待擴(kuò)展信息，但需要對(duì)底層的Schema 文件進(jìn)行修改，工作量大，且需要研發(fā)特定的平臺(tái)來(lái)支持?jǐn)U展結(jié)果的可視化。二是基于通用類(lèi)的擴(kuò)展，CityGML 和IFC 都提供相應(yīng)的擴(kuò)展機(jī)制，分別基于Generic和Proxy 方式實(shí)現(xiàn)，該方式的特點(diǎn)是不用修改底層的Schema 文件，直接對(duì)CityGML 和IFC 的實(shí)例進(jìn)行修改，但該類(lèi)擴(kuò)展的問(wèn)題在于沒(méi)有對(duì)待擴(kuò)展內(nèi)容進(jìn)行定義而造成語(yǔ)義歧義。三是通過(guò)引用外部分類(lèi)的方式進(jìn)行擴(kuò)展，CityGML 可以通過(guò)自身的link 功能，通過(guò)UUID 調(diào)用IFC中定義的實(shí)體，也可以通過(guò)URL 調(diào)用待擴(kuò)展實(shí)體的分類(lèi)結(jié)果，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的擴(kuò)展，還可以獲得相應(yīng)的屬性信息，這種方式的不足之處同樣是語(yǔ)義信息不一致。

1.3 基于本體的GIS 與BIM 融合

本體最初是哲學(xué)領(lǐng)域的概念，后來(lái)被引入人工智能和信息科學(xué)領(lǐng)域，隨后在地理信息領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。本體建設(shè)的目標(biāo)是形成人與計(jì)算機(jī)對(duì)結(jié)構(gòu)化信息的共同理解，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義一致性基礎(chǔ)上的人機(jī)交互。CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)在用戶、應(yīng)用目的等方面存在差異，對(duì)同一實(shí)體在語(yǔ)義、時(shí)空表達(dá)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息模型等方面的理解不一致。因此，以本體論為基礎(chǔ)構(gòu)建適合CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)的本體系統(tǒng)，消除不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)同一實(shí)體的語(yǔ)義理解偏差，是基于本體論實(shí)現(xiàn)GIS 和BIM 融合的關(guān)鍵，也是未來(lái)GIS 和BIM 融合研究的重要方向。CityGML 和IFC 都是復(fù)雜的本體系統(tǒng)，包含大量的空間對(duì)象和屬性信息，CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)之間的本體信息匹配則是建立本體系統(tǒng)的基礎(chǔ)。根據(jù)語(yǔ)義信息特點(diǎn)將CityGML 和IFC 的語(yǔ)義信息進(jìn)行分類(lèi)，并基于統(tǒng)一資源標(biāo)識(shí)符、WordNet 詞典等工具實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義信息匹配是其中的基本方法[23]。除了簡(jiǎn)單的語(yǔ)義信息匹配外，創(chuàng)建新的本體數(shù)據(jù)模型，定義新的語(yǔ)義信息，并根據(jù)語(yǔ)義信息的特點(diǎn)劃分不同的層次，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義信息的分類(lèi)管理。在語(yǔ)義信息集成的基礎(chǔ)上，將空間結(jié)構(gòu)要素和拓?fù)潢P(guān)系要素引入數(shù)據(jù)模型中，豐富本體信息的表達(dá)維度，有效增強(qiáng)CityGML和IFC 標(biāo)準(zhǔn)之間的本體信息的區(qū)分度。

雖然本體技術(shù)在地理信息領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用，但作為GIS 和BIM 融合的新方法，其在CityGML 和IFC 標(biāo)準(zhǔn)融合研究中的應(yīng)用還很有限，還存在一些技術(shù)問(wèn)題需要解決，例如CityGML 和IFC 之間語(yǔ)義信息的映射，RDF、SPARQL、URIs 等相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，本體系統(tǒng)分類(lèi)架構(gòu)研究等，都是本體理論在GIS 和BIM 融合中所要面對(duì)的基礎(chǔ)技術(shù)問(wèn)題。

2 GIS 與BIM 的集成應(yīng)用

相比于GIS 與BIM 融合的理論方法研究，GIS 與BIM在集成應(yīng)用方面研究成果相對(duì)較多。GIS 與BIM 的集成應(yīng)用往往是針對(duì)特定的應(yīng)用領(lǐng)域，以實(shí)際問(wèn)題為出發(fā)點(diǎn)，充分發(fā)揮GIS 和BIM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，二者相互配合共同解決實(shí)際問(wèn)題。GIS 和BIM 的集成應(yīng)用成果大致可以劃分為以下4 類(lèi)。

1) 規(guī)劃設(shè)計(jì)中的GIS 與BIM 集成應(yīng)用

GIS 和BIM 技術(shù)在規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是最多的，也是最成熟的。BIM 技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于建筑的精細(xì)化模型創(chuàng)建，將設(shè)計(jì)成果進(jìn)行可視化表達(dá)，在工程項(xiàng)目建設(shè)中實(shí)現(xiàn)建設(shè)成果的前置。GIS 的作用在于大場(chǎng)景地理信息的管理和分析，BIM 技術(shù)主要是依托模型進(jìn)行一些諸如日照分析、陰影分析、視域分析等詳細(xì)的性能分析，評(píng)價(jià)規(guī)劃設(shè)計(jì)的合理性，達(dá)到改善和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的目的。到目前為止，GIS 和BIM 技術(shù)已在軌道交通、公路交通、單體建筑、校園景觀等方面的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作中得到應(yīng)用。

鐵路勘察設(shè)計(jì)是GIS 和BIM 結(jié)合應(yīng)用的重要方向，BIM 技術(shù)用于工程的模型設(shè)計(jì)和性能分析，GIS 數(shù)據(jù)提供大尺度的地理信息數(shù)據(jù)輔助線路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工點(diǎn)設(shè)計(jì)結(jié)果的整體表達(dá)。GIS 和BIM 技術(shù)不僅在軌道交通設(shè)計(jì)方面得到應(yīng)用，在公路交通設(shè)計(jì)中也發(fā)揮了重要作用。BIM 技術(shù)主要用于一些交通設(shè)施實(shí)體的可視化表達(dá)，GIS 則用于大場(chǎng)景的交通流量分析，對(duì)高層建筑周邊交通狀況進(jìn)行模擬和分析，合理規(guī)劃建筑周邊的停車(chē)、人行道、信號(hào)燈等交通設(shè)施的分布。針對(duì)建筑的規(guī)劃設(shè)計(jì)，GIS 和BIM 技術(shù)也發(fā)揮著重要作用。這類(lèi)研究的特點(diǎn)是將建筑模型放置到GIS 環(huán)境中，利用GIS 中的地形和周邊地物信息，對(duì)建筑在特定時(shí)間的日照情況以及在建筑中特定位置所能看到的室外視域進(jìn)行分析。在建筑選址、環(huán)境分析的基礎(chǔ)上，GIS 和BIM 技術(shù)在建筑節(jié)能、節(jié)水等綠色理念的實(shí)現(xiàn)上也發(fā)揮著重要作用。

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，GIS 和BIM 的分工是十分明確的。GIS 的應(yīng)用重點(diǎn)是規(guī)劃，對(duì)大場(chǎng)景信息的管理和分析，從宏觀的角度對(duì)工程的空間分布進(jìn)行定義。BIM 的應(yīng)用重點(diǎn)是設(shè)計(jì)，在GIS 的大場(chǎng)景規(guī)劃完成后，BIM 技術(shù)對(duì)局部的工點(diǎn)工程進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并在GIS 的大環(huán)境中進(jìn)行展現(xiàn)，以及進(jìn)行一些基于地理信息的空間分析。

2) 工程建設(shè)管理中的GIS 與BIM 集成應(yīng)用

BIM 技術(shù)本身是以三維模型為信息載體，以可視化和參數(shù)化為核心功能，集成了建筑工程項(xiàng)目各種相關(guān)信息，是工程項(xiàng)目建設(shè)管理的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文中結(jié)合GIS 大場(chǎng)景地理信息管理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了工程建設(shè)從微觀到宏觀的多尺度精細(xì)化管理。在施工階段，GIS 和BIM 技術(shù)可以用于建筑供應(yīng)鏈管理，從工程項(xiàng)目的整體角度對(duì)工程建設(shè)所需材料進(jìn)行調(diào)度、跟蹤和管理，結(jié)合射頻識(shí)別( RFID) 、GPS、物聯(lián)網(wǎng)等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)在GIS 的大環(huán)境下對(duì)建筑材料供應(yīng)的可視化管理。不僅是施工建設(shè)階段應(yīng)用，涵蓋規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、竣工驗(yàn)收、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等全生命周期的GIS 與BIM 結(jié)合應(yīng)用也已有相關(guān)成果。

總的來(lái)說(shuō)，GIS 和BIM 的結(jié)合在工程項(xiàng)目管理中的應(yīng)用還處于理論探索階段，特別是在施工和運(yùn)維階段。GIS在工程項(xiàng)目管理中的作用更多的還是宏觀層面，大尺度的地理信息、經(jīng)濟(jì)社會(huì)信息的管理和分析，真正的工程項(xiàng)目精細(xì)化管理還是依靠BIM 技術(shù)。在工程項(xiàng)目管理中，設(shè)計(jì)模型順利向施工階段沿用至關(guān)重要。因此，在充分考慮GIS 應(yīng)用的基礎(chǔ)上，制定基于施工和運(yùn)維階段實(shí)際需求的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，是保障GIS 與BIM 技術(shù)在工程項(xiàng)目全生命周期發(fā)揮管理作用的基礎(chǔ)。

3) 市政設(shè)施管理中的GIS 與BIM 集成應(yīng)用

市政設(shè)施是城市內(nèi)各種具有基礎(chǔ)服務(wù)功能的建筑物、構(gòu)筑物、設(shè)備等的總稱，是城市正常運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保障。以GIS 和BIM 為核心的信息化管理手段，可以優(yōu)化傳統(tǒng)市政設(shè)施的管理方式，顯著提高市政設(shè)施的管理效率。目前，GIS 和BIM 技術(shù)已在電力、供水、道路、公共資產(chǎn)等多個(gè)方面的管理中得到應(yīng)用。

管線是市政設(shè)施的重要組成部分，水暖電系統(tǒng)( MEP) 管理又是其中的重點(diǎn)，也是GIS 和BIM 技術(shù)應(yīng)用的重點(diǎn)。將IFC 格式表達(dá)的電纜和管道數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為CityGML 格式，并在GIS 環(huán)境中進(jìn)行管理。在前面研究的基礎(chǔ)上，利用CityGML 的ADE 擴(kuò)展機(jī)制對(duì)相應(yīng)管線的IFC 實(shí)體信息進(jìn)行擴(kuò)展，并以BIM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的管網(wǎng)信息在GIS 環(huán)境中的管理。市政設(shè)施的另一個(gè)重要組成部分就是城市建筑物和構(gòu)筑物。一些城市模型概念的提出，集成了部分GIS 與BIM 數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了城市建筑物和構(gòu)筑物的全生命周期管理。除了城市尺度的市政設(shè)施管理外，建立一套覆蓋國(guó)家、區(qū)域、城市、社區(qū)、建筑等不同尺度的數(shù)字化建筑資產(chǎn)管理系統(tǒng)有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。除了具體的管理工作外，城市道路路徑規(guī)劃、建筑能耗評(píng)估等也是GIS 和BIM 結(jié)合應(yīng)用的重要內(nèi)容。

市政設(shè)施管理分為多個(gè)尺度，建筑尺度的電力、供水等市政設(shè)施管理以BIM 技術(shù)為主，社區(qū)、城市、區(qū)域、國(guó)家等尺度的市政設(shè)施管理依靠GIS 實(shí)現(xiàn)。GIS 與BIM 融合是多尺度市政設(shè)施管理的現(xiàn)實(shí)需求，對(duì)市政設(shè)施的合理、高效、科學(xué)管理具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4) 火災(zāi)應(yīng)急處理中的GIS 與BIM 集成應(yīng)用

隨著B(niǎo)IM 技術(shù)的興起，在城市火災(zāi)應(yīng)急管理中，管理者的需求不再局限于利用GIS 進(jìn)行簡(jiǎn)單的室外路徑規(guī)劃，對(duì)建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)、資源分布、建筑內(nèi)路線規(guī)劃等都提出了新的要求。GIS 和BIM 技術(shù)的集成應(yīng)用確實(shí)能在火災(zāi)響應(yīng)時(shí)間、火災(zāi)精細(xì)化處理、人員應(yīng)急疏散等方面提供技術(shù)支持，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在這方面也做了大量研究工作。

相關(guān)的研究工作主要集中在理論探討和不同情景的模擬演練方面。在火災(zāi)應(yīng)急方面集成應(yīng)用上，BIM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為GIS 數(shù)據(jù)，并在GIS 環(huán)境中進(jìn)行消防救援路徑規(guī)劃。利用GIS 與BIM 融合形成的數(shù)據(jù)模型，在GIS 環(huán)境中對(duì)室內(nèi)的逃生路線和城市內(nèi)的救援路線進(jìn)行規(guī)劃。除了靜態(tài)規(guī)劃外，以建筑信息模型中的樓道信息為鏈，以具體的房屋為節(jié)點(diǎn)，形成建筑內(nèi)部的幾何網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)火災(zāi)發(fā)生一定時(shí)間內(nèi)煙霧和火勢(shì)的擴(kuò)展情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)室內(nèi)的逃生路徑進(jìn)行動(dòng)態(tài)規(guī)劃。在室內(nèi)規(guī)劃的基礎(chǔ)上，建立室內(nèi)外聯(lián)合應(yīng)急空間模型，為多種情景下的室內(nèi)外聯(lián)合路徑規(guī)劃和應(yīng)急救災(zāi)提供技術(shù)支持。

總的來(lái)看，這些研究工作基本都是將IFC 和CityGML進(jìn)行集成形成新的數(shù)據(jù)模型， IFC 用于室內(nèi)的信息管理和路徑規(guī)劃，CityGML 用于室外的路徑規(guī)劃和資源管理，最終形成室內(nèi)外的聯(lián)合應(yīng)急響應(yīng)。對(duì)消防員來(lái)說(shuō)主要作用是規(guī)劃合理的救援路線，快速定位建筑內(nèi)樓梯、消防栓等救援設(shè)施的空間位置，減少應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間。對(duì)室內(nèi)人員來(lái)說(shuō)主要是根據(jù)室內(nèi)的火情變化實(shí)時(shí)規(guī)劃科學(xué)、合理的逃生路徑，增加逃生概率。針對(duì)未來(lái)GIS 和BIM 技術(shù)在城市消防中的應(yīng)用，可以考慮在建筑內(nèi)借助傳感器，使用物聯(lián)網(wǎng)、室內(nèi)導(dǎo)航等新技術(shù)，提高火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

GIS 與BIM 融合具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值，是城市精細(xì)化、智慧化管理的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有研究已實(shí)現(xiàn)GIS 與BIM 數(shù)據(jù)的初步融合，并在城市管理、工程規(guī)劃、應(yīng)急預(yù)案等方面嘗試應(yīng)用，并取得了一定的成果。

在GIS 與BIM 融合方法研究方面，當(dāng)前研究重點(diǎn)集中在幾何信息和語(yǔ)義信息兩個(gè)維度的融合上。在幾何信息融合方面，主要通過(guò)CityGML 與IFC 的幾何信息轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)，且主要是從IFC 向CityGML 方向，也有部分研究實(shí)現(xiàn)CityGML 向IFC 的轉(zhuǎn)換。幾何信息層面的融合基本能夠?qū)崿F(xiàn)BIM 數(shù)據(jù)與GIS 數(shù)據(jù)的同平臺(tái)表達(dá)，但存在信息丟失。在語(yǔ)義信息融合方面， IFC 標(biāo)準(zhǔn)和CityGML 標(biāo)準(zhǔn)的大部分專(zhuān)項(xiàng)內(nèi)容能夠建立映射關(guān)系，形成統(tǒng)一的語(yǔ)義表達(dá)，但也有部分專(zhuān)項(xiàng)內(nèi)容無(wú)法建立語(yǔ)義映射，導(dǎo)致語(yǔ)義歧義的產(chǎn)生。IFC 標(biāo)準(zhǔn)的語(yǔ)義表達(dá)內(nèi)容主要是墻、梁、柱、板、門(mén)、窗等建筑實(shí)體構(gòu)件，而CityGML 標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)的則是城市范圍內(nèi)的地物語(yǔ)義信息，如綠地、水體、道路、建筑等相對(duì)大尺度的語(yǔ)義信息。這就造成了IFC 與CityGML 數(shù)據(jù)在語(yǔ)義層面不對(duì)等的情況，這也是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)融合過(guò)程中語(yǔ)義信息丟失的主要原因。雖然GIS 與BIM 數(shù)據(jù)融合取得了階段成果，能夠?qū)崿F(xiàn)兩類(lèi)數(shù)據(jù)之間相互轉(zhuǎn)化和同平臺(tái)展現(xiàn)，但融合過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生幾何信息和語(yǔ)義信息丟失。

在GIS 和BIM 的集成應(yīng)用方面，工程項(xiàng)目的規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程項(xiàng)目的建設(shè)管理、市政設(shè)施管理、城市火災(zāi)應(yīng)急處理等方面都已有部分研究成果。通過(guò)GIS 和BIM 的集成應(yīng)用，工程項(xiàng)目勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)過(guò)程管理、材料跟蹤等方面的管理質(zhì)量和效率得到了明顯的提升，為市政設(shè)計(jì)管理、火災(zāi)應(yīng)急處理等也提供了新的手段和方法。相對(duì)于傳統(tǒng)方法，GIS 和BIM 的集成應(yīng)用可以極大地提升管理效率，節(jié)約人力、財(cái)力成本。結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、傳感器等技術(shù)的應(yīng)用，更可以提供動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的解決方案。

雖然GIS 與BIM 在融合方法和集成應(yīng)用方面取得了一定的成果，但GIS 與BIM 融合整體上還處于起步階段，需要面對(duì)幾何信息丟失、語(yǔ)義信息丟失、應(yīng)用范圍拓展等諸多問(wèn)題。針對(duì)GIS 與BIM 融合研究現(xiàn)狀，以下幾點(diǎn)可能是下一階段研究的重點(diǎn):

1) 針對(duì)幾何信息丟失問(wèn)題，可以開(kāi)展BIM 模型的多分辨率層次模型創(chuàng)建研究。利用輕量化模型實(shí)現(xiàn)不同比例尺細(xì)節(jié)下的信息表達(dá)，與CityGML 不同LOD 層級(jí)的可視化模型進(jìn)行對(duì)接，是解決IFC 向CityGML 轉(zhuǎn)化過(guò)程中幾何信息丟失的一種潛在方法。另外，可以開(kāi)展CityGML向IFC 轉(zhuǎn)化的探索研究，實(shí)現(xiàn)CityGML 與IFC 在幾何信息方面的相互轉(zhuǎn)化，減少轉(zhuǎn)化過(guò)程中幾何信息的丟失。

2) 針對(duì)融合過(guò)程中語(yǔ)義信息丟失，本體論是可行的解決方法，利用本體來(lái)規(guī)范IFC 和CityGML 中構(gòu)件信息的唯一性，避免融合中產(chǎn)生專(zhuān)項(xiàng)信息歧義。因此，從IFC 與CityGML 融合的角度出發(fā)，開(kāi)展城市建筑信息本體分類(lèi)方法研究，并建立相應(yīng)的本體系統(tǒng)，是未來(lái)研究的一個(gè)重要方向，最終利用語(yǔ)義網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)IFC 與CityGML 在語(yǔ)義方面的相互識(shí)別和融合。

3) 未來(lái)GIS 與BIM 集成應(yīng)用的領(lǐng)域應(yīng)該還是主要集中在工程項(xiàng)目的建設(shè)和管理、城市設(shè)施管理、城市公共安全( 大型活動(dòng)安保、突發(fā)事件處理、火災(zāi)應(yīng)急救援、室內(nèi)導(dǎo)航等) 等方面，但是應(yīng)該在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行深化。未來(lái)GIS 與BIM 集成應(yīng)用還可以與物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合，物聯(lián)網(wǎng)可以提供建筑內(nèi)外的一些實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，借助GIS、BIM 以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的集成應(yīng)用，相關(guān)管理工作在精確性、時(shí)效性等方面將得到極大的提高。

4) 發(fā)展新型數(shù)據(jù)模型，建立多維度的信息表達(dá)方式，優(yōu)化信息表達(dá)形式，兼顧幾何實(shí)體表達(dá)和面向具體應(yīng)用的語(yǔ)義知識(shí)表達(dá)需要，很可能是未來(lái)GIS 與BIM 融合的有效解決途徑。

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