近年来，深圳市大力发展GIS、建筑信息模型（building information model，BIM）和城市信息模型（city information modeling，CIM）等技术，持续推动城市级实景三维建模，全市域时空信息平台（CIM平台）建设，新建工程项目BIM正向建模，既有房屋建筑、市政基础设施、水务工程BIM逆向建模，将全市一半以上重点建筑及设施BIM导入CIM平台。目前，深圳市CIM平台汇聚的实景三维数据遵循深圳市城市级实景三维数据规范生产，数据格式统一，数据质量可控。平台汇聚的BIM来自设计、施工等单位，生产阶段有前期论证、规划设计、施工图设计和竣工验收等，涉及的专业有房建、市政交通、水务和轨道交通等。BIM产品存在来源广泛、专业种类繁杂、数据格式多样、标准规范差异和数据质量良莠不齐等情况。

促进实景三维数据与BIM的融合，实现地上下、室内外一体的多层次多粒度的三维模型构建、融合、组织、调度与表达，有助于促进建筑工程多领域协同，降低建设工程造价成本，提升建设效率和质量，提高城市规划、建设和管理过程中的精细化和智能化水平。然而，城市级实景三维与BIM的集成面临数据转换、坐标配准、轻量化、组织调度、语义集成以及海量数据存储等诸多技术挑战。

BIM与GIS的集成研究包括模式集成、本体集成、服务集成、过程集成和系统集成等多种研究路径^[1]，以及数据级别、应用级别和过程级别等集成方法^[2]。大量研究探索了BIM领域的工业基础类（industry foundation classes，IFC）标准与GIS领域的城市地理标记语言（city geography markup language，CityGML）的几何和语义的集成^[3-5]。发挥BIM、三维GIS和计算机图形学等体系的差异化技术优势^[6]，优化BIM和GIS集成方法，有望解决从微观到宏观的全空间三维空间数据的管理与可视化的难题^{[7, 8]}。

本文从工程实践角度出发，针对城市实景三维数据和BIM集成中面临的核心问题，探讨深圳市BIM标准、坐标转换，轻量化、组织调度、语义集成和数据存储等技术路线和策略。

1 集成关键技术 1.1 问题和难点分析

1）数据标准问题。BIM标准覆盖尚不完整，设计深度不一，组织结构各异，分类标准有差异，需要解决多领域BIM标准转换对接和数据统一分类存储等问题。

2）坐标转换问题。传统BIM内仅支持笛卡尔坐标系^[6]，在不同区域的项目中，拟合椭球参数会相应变化，需要解决BIM的椭球参考系、高程参考系和投影变换方式等坐标转换问题。

3）轻量化问题。城市级实景三维模型以及个别重大公共设施数据量达到TB级，部分原始BIM文件存在大量冗余，需要解决数据存储、传输和表达的轻量化难题。

4）数据组织问题。将城市级实景三维和巨大的BIM呈现在全空间三维场景，需要解决统一空间索引、高效组织调度和流式数据传输等技术难题。

5）语义集成问题。各领域对于城市的认知存在差异，城市管理属性难以与三维模型关联，需要面向多领域的共性管理需求，解决多领域城市实体语义集成问题。

6）数据存储问题。传统关系型数据库的存储方式无法适配实景三维和BIM等不同模态三维的存储，需要针对三维模型数据，提出解决海量和异构数据混合存储的新架构。

1.2 深圳市BIM标准与格式转换

国际IFC标准是建筑行业不受特定软件供应商控制的通用建筑信息交换标准，促进了不同BIM系统和软件的互联互通。然而，现行IFC标准在使用过程中存在软件导出信息丢失、可视化效果欠佳、信息冗余、商业转换工具缺乏、数据可信度有限等问题。深圳市面向工程报建审批和城市管理运行双重目标，推出《建筑信息模型数据存储标准》（简称SZ-IFC标准）。相对国际IFC标准，SZ-IFC标准在可用性方面约定了空间结构、构件关系对象类型、地理坐标、材质要求、颜色要求等强制性导出规范；在可看性方面，补充了材质、纹理、物理渲染方式；在轻量化方面，支持无损压缩、冗余剔除等方法；在可信度方面，增加了全过程确权、确责的存证机制，可对数据进行完整性校验、知识产权保护、模型中信息的责任划分与追溯。

SZ-IFC标准在国际IFC标准的基础上进行了扩充，现有BIM设计软件无法直接导出符合SZIFC标准的文件，需用BIM转换工具将不同BIM格式统一转换为SZ-IFC格式，降低多专业和多类型BIM集成难度。BIM转换工具在模型转换过程中，可设定属性定义、参数配置和字段校验，保证BIM信息的完整性、唯一性以及转换后的模型质量。

1.3 BIM坐标转换与配准

SZ-IFC标准强制规范BIM的大地基准、高程基准、投影方式和转换公式，加强了对大地坐标的支持。SZ-IFC标准定义IfcProjectedCRS和IfcMapConversion对象存储坐标系参数，规定大地基准应填写China_2000，即2000国家大地坐标系（China Geodetic Coordinate System 2000，CGCS2000）；高程基准应填写Yellow_Sea_1985，即1985国家高程基准；投影方式应填写高斯-克吕格投影，统一3°带平面直角坐标系统；定义模型的笛卡尔变化操作（IfcCartesianTransformationOperator），支持三维模型的平移、旋转、镜像和缩放；定义几何变换矩阵（IfcLocalPlacement），实现几何数据的复用及空间位置变换的继承。

大部分GIS软件缺乏精确的裁剪、挖洞、镶嵌、布尔运算及表面运算等不规则三角网（triangulated irregular network，TIN）编辑功能，对于涉及复杂场地设计的BIM，通过三维场景压平实现BIM与TIN结构的地形三维接边，效果不佳。将城市级实景三维作为设计项目的初始三维场地模型，面向设计单位、政府、研究机构提供云上的通用数据环境，支持设计团队在专业BIM软件中对不满足要求的设计方案进行多次“校验-修改”，在设计建模源头解决坐标参考、位置配准与地形衔接等问题，可有效提升设计方案与周边地理环境衔接的几何准确性^[9]。

1.4 模型轻量化

1）模型拆分和删减。针对模型内族类型复杂、对象过多及单一模型对象超长和超大的问题，通过拆分和切分子对象的方式将单个对象分解为多个小对象，删减数据量大且没有实际应用价值的BIM对象，降低模型三角面数量，提升局部模型调度效率。

2）模型实例化。解析BIM中存在的相同或相似的几何构件，检索BIM存储的映射关系，从模型中提取构件对应的几何信息，形成构件实例序号与引用的参考几何模型之间的多对一映射关系，并记录实例化构件的空间方位信息。通过模型实例化处理，减少模型存储和传输的几何数据。在实例化过程中，要通过人机交互的方式校核实体关系、语义描述和几何结构等可能存在的模型丢失和映射缺失问题，并对相关实例关系进行修复和重建。

3）参量化几何化简。对于采用体素构造表示（constructive solid geometry，CSG）法等参量化几何描述构建的几何结构，可通过近似拟合等方法得到用边界表示（boundary representation，B-Rep）法表达的三角网结构，通常拟合精度越高，三角网结构越复杂。参量化几何化简的目的是在满足特定应用场景的可视需求时，兼顾模型的精细程度和模型传输效率^[10]。可以采用建模软件的曲面拟合工具设定曲面拟合度、曲线拟合度及顶点法线偏离角度等参数，按需增加几何模型的适用程度，对于复杂三角网，也可通过顶点压缩和塌陷算法实现三角网结构的几何化简。

4）数据传输压缩。可压缩三维模型的顶点位置、法线、颜色、纹理，提高其网络传输效率和速度。压缩比例并没有理想的理论值，对于不同类型的BIM和实景三维模型，要通过调节误差比例、精简比例、空间优先和材质有限等不同轻量化参量，寻求效率和效果的平衡。对于一些特殊情况，如复杂曲面模型，压缩后易出现结构破面和纹理缺失，需要探索个性化的轻量化方法以寻求效率和效果平衡。

1.5 全空间组织调度优化

城市级实景三维和BIM统一组织调度的核心是遵循空间一致性原则，通过将不同类型的三维模型空间细分成具有统一空间索引的三维瓦片集，在不同层级显示不同分辨率的三维瓦片。传统的空间细分主要是建立k维树（k-dimensional tree，KDTree）、松散性四叉树或八叉树等灵活的空间数据结构阵列，定义三维瓦片的边界体积、内容和子瓦片，而子瓦片的内容在空间上处于父瓦片的边界体积内。在不同尺度下，模型的数据密度不同，实际空间细分策略不同。城市级实景三维因数据量和空间范围巨大，采用显性三维切片和树形空间索引时，需要解析三维切片索引文件，并从根结点到叶子结点实现递归查询，整体效率较低。

引入隐形三维切片和改进的空间索引算法有助于整体提升对显示和分析区域任意切片或任意数量切片的随机访问效率。隐形三维切片定义了简洁表达的三维切片空间数据结构，只需要在根结点定义细分方法、细分策略、边界体积和几何误差，对于后代的三维切片，为保证数值的稳定性，根据子结点的空间级别和几何误差数值自动计算边界体积。隐私索引机制利用Morton Z阶曲线将三维坐标映射为一维坐标代码，并将瓦片坐标代码表示为统一资源标识符（uniform resource identifier，URI），用于支持相邻三维瓦片的连续存储以及三维瓦片资源的直接远程调用。客户端访问三维切片时，无须采用传统显性方法遍历子结点，可根据隐式索引直接访问局部瓦片数据，从而大幅提升三维数据的传输效率。

三维瓦片实质是图形语言传输格式（graphics language transmission format，glTF）的三维内容。glTF因其高效、可扩展和互操作的特性已被GIS、BIM和计算机图形学等不同领域的三维软件广泛支持，成为包括BIM和实景三维在内的各类三维内容传输、加载和渲染的通用格式。客户端接收流式传输的三维瓦片后，可以通过各类渲染引擎实现渲染，进而实现全空间可视化。

1.6 多领域语义集成

住建部CIM基础平台标准体系（CIM1~CIM7）、BIM（LoD1.0~LoD4.0）、自然资源部实景三维（地形级、城市级、部件级）等不同标准规范的细节层次（level of detail，LoD）反映了城市或建筑中所包含的细节数量，其对应的级别有不同定义^{[11, 12]}。CIM数据加工技术标准规范了4D产品、实景三维和BIM等数据源，通过格式转换、位置配准、要素抽取、概括综合、补充建模等得到相应级别的CIM数据，例如，可基于BIM数据制作三维建筑模型，抽取建筑外围护系统后，生成CIM的外观模型单元，去除建筑外围护系统后，转换生成建筑模型的内部模型单元。

CIM数据加工技术有利于促进多源数据的融合，但并未阐述地理实体之间的关系。从城市管理视角来看，设计阶段的BIM数据中大量LoD仅适用于工程建设过程，需要将各种数据按照城市实体对象有机组织起来，通过城市实体对象建立起各种数据间的几何关系、拓扑关系和语义关系，从而构建平台一体化的数据组织逻辑体系。例如，以土地、建筑、房屋等实体为核心，通过不动产单元号、房屋编码和地址编码与BIM实体进行关联，实现基于BIM的不动产登记信息及实有人口信息的管理表达^[13]。

1.7 混合多态存储

城市级实景三维与BIM的统一存储、按需集成、高效调度和高速服务，需要在物理存储上建立关系型数据库、NoSQL数据库、时序数据库、索引数据库、图数据库及文档数据库系统的混合存储。混合多态存储的数据库选型与三维模型的几何特征、语义特征和时序特征相关。原始IFC模型的结构不固定，且可无损转换为JSON语义模型、MongoDB等文档型数据库。轻量化后的三维切片数据量巨大而数据结构单一，宜使用隐式索引和HBase等列式分布式存储数据库存储数据，依托云基础设施，可随用户访问量的增大实现存储和算力的横向扩展，实现海量数据的高效存储和大规模用户并发访问支持。将BIM的属性和几何模型分离，采用关系数据库存储模型自带属性和关联业务属性，采用内存数据库缓存三维瓦片等无状态几何数据，整体提升业务属性和几何模型的访问效率。

2 工程实践

目前，深圳市CIM平台已汇聚全市2 000 km²分辨率优于5 cm的实景三维Mesh模型，约300 km²全要素实景三维单体化模型，近万栋规划设计三维模型，约400个正向BIM项目，以及2 000余栋逆向BIM。组合本文中的不同策略进行实践，经测试，深圳市CIM平台实现了2 000 km²以上城市级实景三维，60万栋结构化素模、多专业BIM数据和各领域业务数据的高效集成，支持用户并发数约1 200个，支撑深圳市约70个市区应用。

城市级实景三维与BIM集成特别适用于城市要素地上地下关系复杂且建设密度高、方案实施效果难以评估的城市和建筑设计场景。深圳市CIM的规划设计数字化平台已集成千余个设计项目，可有效分析设计方案对城市空间形态和城市空间结构的影响，综合评价城市空间风貌保护、特色空间判定和方案适宜性，形成规划设计数字转译体系，实现人机交互的报建审批机制和设计指标全流程传导。

3 结束语

城市级实景三维模型与多类型BIM在几何、语义、纹理、拓扑和材质方面差异较大，本文探讨的各类技术方法在工程实践中存在局限性，难以采用一种通用技术流程或技术方法满足所有类型三维模型的数据集成。面向特定应用场景，建立多层次、多类型的三维数据治理体系，通过数据集成、服务集成和系统集成等相结合的方式，采用人机交互迭代尝试，平衡模型传输效率和可视化效果，兼顾BIM的LoD及城市管理实体语义特征，寻求模型集成的相对优选策略，是当前较为现实的工程解决方案。

城市级三维模型集成研究仍处于起步阶段，CIM与BIM协同建模、多源三维自动融合、面向并行计算的分布式空间索引及高逼真分布式可视化仍面临大量技术挑战。城市级三维研究尺度大，涉及的BIM类型多，因此要将基础研究、技术研发、系统研制、工程实践结合起来，以城市级实践为驱动，开展自主可控技术研究，促进实景三维与BIM技术协同发展，发挥三维技术在超大型城市治理方面的优势。