一種單數據庫的BIM與GIS數據的融合方案

摘要：多年來，使用地理信息系統 （GIS） 技術創建空間數據庫的目的是提供大范圍空間和建筑區域外的信息;而建筑信息模型 （BIM） 技術主要針對室內和室外的小空間，所針對的用戶和開發的應用程序都有所不同。一方面，GIS技術的發展，包括新型的空間數據采集工具（例如激光掃描儀）的重大推廣使用，使越來越多的用戶開始在地理信息數據的基礎上附加建筑細節數據。另一方面，BIM技術也開始在建筑之外的空間進行延伸。數據處理和開發人員注意到需要將兩種不同的技術結合起來，從而避免重復的處理工作。本文提出了一種將GIS數據和BIM模型融合的方案，以一種統一的數據庫存儲方式，兼容BIM/GIS的數據存儲和使用環境。BIM系統能夠同時訪問BIM和GIS數據，滿足分析建筑物及其周圍環境的需求;GIS系統可以獲取空間分析所需的最新建筑數據，滿足空間分析、建筑管理或路線規劃等需求。本文中提出的方法使用集成BIM-GIS模式（稱為 BIGI-S），基于工業基礎類 （IFC） 和CityGML Schema，以單數據庫的形式集成給其他應用調用。本文介紹了該解決方案的技術方案，包括具體的數據結構、數據轉換算法以及技術路線。

關鍵詞：BIM;GIS; CityGML; IFC;數據庫

1.引言

將GIS（地理信息系統）和BIM（建筑信息模型）系統的數據庫進行集成的研究僅有10年歷史，而GIS系統可以追溯到上世紀60年代初，BIM系統可以追溯到上世紀80年代初。然而，就BIM而言，和“建筑信息模型”（包括BIM的縮寫）這個術語在 1990 年代開始被廣泛使用[1]。 2002 年，Autodesk Inc. 發表了題為“建筑信息模型”[2] 的文件，普及了 BIM 的思想。

多年來，使用 GIS 技術創建的空間數據庫的目標是提供有關建筑物之外的空間信息。 21 世紀初，此類技術的重大發展、快速數據采集的新工具（例如激光掃描）以及不斷增長的用戶需求，促使了GIS領域開始向建筑物內部空間發展。有關的數據標準，例如建筑內部空間數據模型 （BISDM）和后來的CityGML，也有助于相關程序的發展。與此同時，BIM相關的應用也在快速發展。然而，技術開發人員開始注意到，盡管在兩個領域有很多數據處理工作是重復的，但將兩種不同的技術結合起來并不簡單。許多應用程序需要連續（在空間意義上）訪問建筑物內外的信息（例如，導航應用程序）。這種需求的重要性在兩個分支機構之間的協議（即ESRI和Autodesk于2017年11月15日的公告[3]）中以及建立一個關于 BIM-GIS 概念映射的ISO 19166標準（B2GM）的工作組中，是顯而易見的[4]。

從BIM和GIS的實踐中得出結論，需要在GIS系統中展示和分析來自BIM模型的數據，而無需在每次更新BIM數據集后重復導入此類數據，因此需要一個可統一環境，可以從中處理 BIM 和 GIS 數據。開發一個通用的數據模型和一種格式是一件耗時的工作，所以本文的解決方案專供軟件開發人員使用，主要是在BIM-GIS的通用標準被開發和接受之前的過渡時期使用。該技術路線需要以原始形式使用先前創建的數據資源。本文展示了融合BIM和 GIS領域的研究成果，即為BIM和GIS系統使用單個數據庫，同時保留它們典型的 IFC（工業基礎類）和CityGML源數據模型。

2.BIM/GIS集成數據庫方案設計

開發新的BIM和GIS數據模型需要對市場上現有應用程序進行徹底的變革，考慮到實際成本問題，本文通過在單個數據庫（后面稱為集成BIM-GIS數據庫 （BIGI-D））中以原始形式提供IFC和CityGML數據，集成數據庫并不意味著模型概念上的單一數據庫，而是一個連貫的技術環境，允許各種應用程序使用兩種格式的數據并通過統一接口進行數據交換。在應用階段，IFC Schema保存的BIM數據，使用模型中的表、屬性和存儲過程進行數據處理;CityGML Schema的GIS數據使用CityGML數據中的表、屬性和存儲過程進行處理。這種體系在這里有兩個用處——作為數據結構和作為在數據庫中存儲表和過程。存儲過程是一組具有名稱的SQL（結構化查詢語言）語句，它們作為塊存儲在數據庫管理系統中。此外，增加BIM-GIS Schema（BIGI-S），用于聯合存儲IFC和CityGML的數據，以方便BIM和GIS之間的轉換和數據共享。以上三種方案都在一個數據庫中實現。

基于動態數據轉換的模型基于另一種方法實現：數據僅存儲在BIGI-S中，專用于單個 BIM和GIS應用程序（以及其他應用程序）的數據結構，通過數據庫視圖和存儲過程實現。專用于BIM應用程序的數據結構是基于從BIGI-S轉換數據的存儲過程即時生成的;生成CityGML數據結構的方法相同。該解決方案的主要優點是消除了數據冗余，每個對象都保存在數據庫中一次，但可以使用CityGML和IFC視圖查看。

數據庫可以基于BIM和GIS數據進行擴展，對接相應的應用系統，從而每一個應用系統都可以訪問集成的BIM/GIS數據。圖1展示了BIGI-D架構，它在允許GIS和BIM系統使用統一的數據庫配置。

實際應用中，對于選定的建筑物，可能存在GIS、BIM或在GIS和BIM中三種情況。 本文的方案中，假設只有當沒有可用的原始BIM模型時，才應將建筑模型從CityGML模式轉換為集成數據庫。因為BIM模型有豐富細節以及后期對該模型構建的BIM流程的數據更新的，BIM模型是最理想和最完整的建筑數據來源。

3.數據融合實施方案

使用BIGI-D數據庫的第一階段是數據存儲。對于來自BIM應用的數據，該階段將數據導出為IFC文件并將其保存在專用于存儲IFC數據的數據庫模式中（IFC Schema），它包含對每個表進行操作的存儲過程，支持寫入、讀取、更新和刪除數據。保存整個模型后，執行從IFC到BIGI-S的數據轉換過程。數據由存儲過程轉換為BIGI-S中的表。該過程完成后，將刪除IFC中的數據，避免了數據冗余。

在下一階段，BIM和GIS應用程序可以調用保存在BIGI-D中的建筑模型數據。BIM應用程序調用將所選建筑模型的數據從BIGI-S傳輸到IFC Schema的存儲過程。使用完成后，數據從IFC Schema中刪除。GIS應用的調用過程與此相同。如果BIM應用更新了BIM模型數據，IFC Schema中存儲的數據將被轉換為BIGI-S，數據庫中的觸發器開始更新CityGML Schema中數據過程，GIS系統接收有關對象的新數據。同樣，由GIS系統保存的建筑數據可自動用于BIM應用程序。如果建筑物內部的數據僅從IFC模型中獲取，則整個模型的數據將保存在BIGI-S中，僅從CityGML獲取有關建筑物的數據的情況也相同。如果建筑數據是從BIM和GIS同時獲得的，幾何和描述數據取自IFC數據，并附加來自CityGML的空間描述數據。數據庫中的每個建筑物都有一個全局唯一標識符 （GUID），IFC和CityGML Schema中的同一建筑物將具有相同的GUID，允許BIGI-D在獲取數據的過程中識別建筑物。

保持三份數據一致性的方法是進行實時轉換。IFC和 CityGML數據庫模式不包含表，而只包含存儲過程。在IFC Schema中寫入數據的過程是將IFC數據直接轉換為BIGI-S。讀取數據是從BIGI-S獲取源數據并將其轉換為IFC格式，而不使用IFC Schema作為中間表。GIS應用程序處理數據的過程相同，數據通過CityGML Schema中的存儲過程在BIGI-S之間進行轉換。

3.1.IFC數據存儲結構

IFC數據庫模型與IFC模型的數據結構完全對應，為了能夠對保存在關系數據庫中的BIM數據進行編輯操作，應用了存儲過程機制。對于每一類IFC對象，都為寫、讀、更新和刪除操作準備了四個存儲過程。為了實驗的目的，為100多種IFC對象準備了能夠寫入、讀取、修改和刪除IFC對象數據的存儲過程。這些過程是在PostgreSQL平臺上以SQL和PL/pgSQL（過程語言/PostgreSQL）語言實現的。為了進行比較，還為 Oracle 數據庫中的 PL/SQL（SQL程序語言）和Microsoft SQL Server數據庫中的T-SQL（Transact SQL）中的幾個選定IFC 對象準備了存儲過程。這部分實驗的目的是檢查是否可以創建無論使用哪個數據庫平臺都可以以類似方式觸發的存儲過程。實驗結果證實，對PostgreSQL、Oracle和SQL Server數據庫中的表操作的預準備存儲過程的觸發非常相似。因此，所提出的解決方案可以與任何上述關系數據庫管理系統一起使用。

3.2.IFC數據自動導入

將數據從IFC文件重寫為數據庫中的IFC Schema的過程包括三個步驟：從IFC文件讀取數據，將數據以可讀的形式保存數據庫管理系統（創建SQL腳本），通過執行數據庫中的腳本將數據加載到數據庫中。因此，數據傳輸操作是一項多步驟任務，包括將數據從BIM程序導出為IFC格式，然后將數據從IFC文件導入到集成 BIM/GIS空間數據庫中的BIGI-S。數據過程如圖2所示。

3.3.統一IFC數據和CityGML數據

解決方案的架構是在單個數據庫中使用多個Schema。單獨的IFC Schema和CityGML Schema分別專用于存儲BIM和GIS數據。GIS應用程序只能通過CityGML Schema使用數據，而BIM應用程序可以通過IFC Schema訪問數據。IFC和CityGML Schema被視為臨時數據集。存儲在IFC Schema中的數據被轉換為BIGI-S，允許無損保存來自IFC模型的數據。同樣，GIS應用程序保存在CityGML Schema中的數據也轉換為BIGI-S。集成數據Schema以位于BIGI-S中的一組表和存儲過程的形式表示。在構建集成數據Schema時，要考慮GIS和BIM數據模型的差異。表1顯示了選定的示例，以及在CityGML和IFC Schema中存儲建筑數據的方法之間的差異。它需要許多數據轉換才能通過中間模型在這些模型之間轉換數據。BIGI-S中實現的存儲過程可以在CityGML和IFC Schema與集成Schema之間保存和讀取數據。數據存儲在BIGI-S中的公共表中，并使用GIS系統中通常使用的幾何數據類型。

BIGI-S中的存儲過程允許數據從IFC Schema到BIGI-S的即時轉換，反之亦然。CityGML Schema和BIGI-S之間的雙向數據轉換數據模型如表1。對于繼承自IfcProduct類的對象，將數據從IFC Schema轉換為BIGI-S的過程包括幾個步驟：重寫對象的基本屬性，轉換對象的幾何形狀到全局坐標系，根據TrueNorth屬性考慮坐標系的旋轉，保存分配給對象的各個屬性，保存分配給對象的屬性集（圖3）。

對于從IfcObjectDefinition類繼承的每個對象類，對象數據從IFC Schema到BIGI-S的轉換過程的算法是相同的。

逆向轉換包括在BIGI-S表中存儲的數據的基礎上，創建分配給對象的屬性集、分配給對象的單個屬性以及從BIGI-S中獲得的對象局部坐標系中的幾何圖形。在全局系統中表示的幾何，考慮到宿主對象的所有局部坐標系。最后一步是創建對象本身及其基本屬性（圖4）。

從CityGML模式到BIGI-S的轉換要簡單得多。轉換過程涉及重寫有關對象、幾何數據和屬性的基本數據（圖5）。

數據從BIGI-S到CityGML Schema的逆轉換是類似的。它包括基本對象數據、對象幾何和屬性（圖6）。

4.結論

本文對相關文獻和當前BIM解決方案進行深入研究后，提出了一種新的BIM和GIS數據集成方法，該方法使用了一個集成空間數據庫，該數據庫由三種不同的模式（在結構和獨立位置層面）組成。數據庫作為IFC數據的存儲允許GIS系統使用當前的BIM數據，而無需將IFC文件導入，這為開發跨專業系統提供了便利性。本文提出的BIM/GIS空間數據集成數據庫使存儲GIS 和BIM數據成為可能，從而使不同類型的系統能夠以一致的方式同時調用相同的數據。BIM系統能夠在分析建筑物的同時分析其周圍環境;GIS系統可以獲取空間分析、建筑管理或導航應用所需的最新建筑數據。

實現這種解決方案的條件是在BIM工具中加入數據庫訪問機制。這種機制可以取代現有的BIM應用程序功能，即處理自己的二進制格式數據文件。這是一種簡單的解決方案，只需要進行技術修改，而創建新的模型格式。就GIS而言，只要軟件支持CityGML格式，幾乎不需要進行重大修改。

參考文獻：

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作者簡介：張鐸（1991-），男，漢族，河北省邢臺市，助理工程師，碩士研究生，上海勘測設計研究院有限公司，研究方向：地理與建筑信息化

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