BIM(建筑信息模型)包含了几何、物理、规则等丰富的建筑空间和语义信息，但由于精细程度高、模型数据量大等特点，目前仅应用于单个桥梁、建筑物等小范围综合体。相比较而言，3D GIS基于空间数据库技术，侧重于大范围、宏观的数据^[1]。由此可见，3D GIS与BIM存在着一种互补关系，将宏观领域的3D GIS与微观领域的BIM集成起来，是连接室内与室外、建设彻底的数字化城市的最佳方案。

1 BIM与3D GIS的集成现状

针对BIM与3D GIS的集成，目前业界有两种方法，一是BIM将地下管网、地形等基础设施附加到建立的建筑物模型周边;另一种是GIS利用已开发的3D GIS技术和标准将精细的建筑物模型作为地理空间的一种数据源。由于采用的是完全不同的技术和标准，BIM中包含GIS与GIS中包含BIM两种路线得到的结果完全不一样，达不到真正的融合。更关键的是，BIM与3D GIS领域的数据格式完全不一样，3D GIS不能无缝获取BIM信息，反之亦然。由此可知，要解决BIM与3D GIS集成的问题，必须先实现两个领域的数据格式的集成。 IFC(industry foundation classes)和 CityGML(city geography markup language) 作为目前BIM 和3D GIS 领域通用的数据格式标准^[2,3]，对这两种数据模型融合的研究可以作为两方集成的数据基础，助力BIM和3D GIS真正融合。

2 IFC与CityGML 2.1 IFC与CityGML格式

IFC(工程基础类)标准由国际协作联盟(international alliance for interoperability，IAI)于1997年发布，是针对建筑工程领域的产品模型标准，用来实现系统集成、数据交换与共享而定义的一种建筑业的公共语言。IFC 模型中包含4个不同的层次，包括资源层、核心层、信息交换层以及专业领域层，其中信息交换层定义了建筑设计、施工管理以及大量的建筑元素等，用于各项目间的信息交换^[4]。

CityGM(城市地理标记语言)包括了城市区域内大部分的地形与地理对象模型及其几何、拓扑、语义与外观属性，还包括不同主题之间的泛化结构、聚合结构、所含对象之间的关系与空间属性^[5]。

2.2 IFC与CityGML的差异

IFC与CityGML主要有以下几个大的差别：

1) 两个模型对语义对象的定义不一样。IFC关注建筑物的建造和设计，并且提供了板、梁和墙等房屋构件，这些构件通常是多个房间的边界，同时也是建筑物外边界的一部分。CityGML的定义则描述了建筑物如何观察或使用，因此，房间、墙壁或者天花板等对象定义了一个房间。

2) CityGML关注建筑是如何使用和观察的，因此它使用了边界描述来定义空间属性。根据CAAD(computer aided architecture design，计算机辅助建筑设计)/AEC的建设性质，IFC还另外使用了CSG(constructive solid geometry，实体几何构造图形)和扫描几何图形。

3) IFC关注建筑，而并不解决其他对象，比如交通、水体等，这有别于CityGML。

4) IFC的对象仅仅用一个LOD表示，不能像CityGML那样多分辨率显示。

总的来说，IFC具有面向设计和分析应用的多种几何表达方式和丰富的建筑构造、设施几何语义信息，CityGML更加强调空间对象的多尺度表达，以及对象的几何、拓扑和语义表达的一致性。

3 IFC与CityGML的集成方法 3.1 IFC与CityGML数据集成研究现状

IFC和CityGML使用了不同的对象几何表达方式，包含的语义信息也有区别，两者的集成方式比较多样化，很难一概而论。目前业界有基于模式、服务、实体、过程、系统等5种技术路线，各个方法的特性如表 1所示。

按表 1可以把IFC与CityGML的集成再划分成两个大类，即基础数据模型的融合和现有数据格式的集成。

基础数据模型的融合是要建立BIM和3D GIS模型的统一表达模型。Mekawy等人提出一种统一的数据模型用于整合IFC和CityGML中的语义类型^[6] 。Laat等人定义了一种CityGML的扩展集GeoBIM，与IFC中的Psets类似，GeoBIM可在CityGML的建筑中添加IFC数据^[7]。

IFCExplorer、BIMServer、FME等商业软件都开发了将IFC模型与多层LOD级别的CityGML模型的双向转换功能。其中，IFCExplorer目前已能够实现对IFC模型和CityGML模型的导入、场景整合、模型规范验证，但仍停留在对IFC模型到较低细节层次(LOD2) 的CityGML模型的转换研究上;BIMServer能够在线分析IFC模型并进行版本管理，还支持导出成CityGML、KML等格式，但功能仍显单一，且到CityGML的转换精度不够; FME是目前业界最为流行的格式转换软件，本文设计了一个基于FME的IFC到CityGML(LOD3) 的工作流，并使用BIM主流软件Autodesk Revit制作的IFC格式模型进行测试。 测试结果如图 1所示。

可以看出，虽然模型主体结构得到了保留，但原IFC文件中非常详细的墙、板等分类信息和模型的玻璃幕墙材质全部丢失了。为了实现更好的转换效果，本文进一步设计了一种基于语义映射的转换方法。

3.2 基于语义映射的IFC与CityGML转换方法

IFC中含有较丰富的语义信息,图 2为IFC与CityGML语义信息比较的一个示例。

在模型外观上，CityGML 具有更加丰富的纹理贴图和材质信息，而 IFC 模型中以材质贴图为主，几乎没有纹理贴图。所以从 IFC 与 CityGML 集成的角度讲，模型外观以 CityGML 的数据结构进行表达具有更大的优势。通过语义信息映射的方法，先对IFC的语义信息通过筛选过滤进行提取，再以此为两者的几何信息提供转换条件，将IFC的几何信息转换为CityGML的表达形式，最后将IFC中与几何信息相关联的语义信息映射到CityGML中，IFC与CityGML的集成就能较好地实现。 方法示意图如图 3所示。

图 3中，W代表墙，D代表门，F代表地板，R代表天花板。外部数据集的数据包括日期、标记、代码、序列号等。

1) 语义信息提取及映射

IFC的信息交换层定义了建筑设计、施工管理以及大量的建筑元素等，用于各项目间的信息交换。IFC转换为CityGML的语义映射可从信息交换层中的实体信息映射开始。建筑元素例如地板、天花板、墙面等，都包括了预定义类型、实体、详细表等属性信息，每一个实体又包含几何表达方式和空间位置等信息。而在CityGML中，不同LOD级别包含的语义信息都不相同，需要详加区别。 因此，根据映射对象的特性，IFC到CityGML的语义映射可分为1对1映射、1对多映射和间接映射三种类型。

1对1映射。 1个IFC类型直接映射为1个CityGML类型。1对1的部分映射规则如表 2所示。

在CityGML LOD4 中没有对室内物体进行单独的语义描述，大部分室内实体都可用 [Inner|Outer]BuildingInstallation 来表示，这时在映射的名称前可以加上具体属性，例如用“TYPE_Beam”表示梁，这样1对1映射中IFC类型的语义信息就能够完整保留。

1对多映射。 1个IFC类型映射为多个CityGML类型。由于IfcBeam等对象对应的CityGML类型[Inner|Outer]BuildingInstallation有内外面的区分，所以还需要通过内外面区分算法将建筑室内与室外对象区分开来。

间接映射。某些使用场景当中，IFC类型无法直接由1对1或者1对多映射到CityGML中，这时就必须使用特定算法(比如空间提取算法)去获取传统方法无法获取的信息，再进行1对1或者1对多的语义信息映射。

2) 几何信息转换

IFC到CityGML几何转换的流程为：解析IFC数据，遍历所有IFC对象，筛选须转换的IFC对象，输出其几何信息和相应的属性数据。由于IFC没有LOD表达机制，所以还必须设置一个LOD映射算法，例如根据IFC建筑物的高度和轮廓生成LOD1的CityGML数据，提取建筑物表面生成LOD2和LOD3，提取室内信息生成LOD4。LOD4的映射中还需要区分内外墙面、内外天花板等。

LOD映射流程如图 4所示。

IFC到CityGML的几何信息转换还包括坐标系的转换，大部分IFC模型都是基于本模型的几何坐标系，还需要转换成CityGML中的世界坐标系。坐标转换矩阵T_M可以由下式计算：

${{T}_{M}}={{R}_{Z}}R{}_{Y}{{R}_{X}}{{T}_{P}}$

(1)

式中，

$\begin{align} & {{T}_{P}}=\left[ \begin{matrix} {{S}_{X}} & 0 & 0 & 0 \\ 0 & {{S}_{Y}} & 0 & 0 \\ 0 & 0 & {{S}_{Z}} & 0 \\ {{P}_{X}} & {{P}_{G}} & {{P}_{A}} & 1 \\ \end{matrix} \right],{{R}_{Z}}(\alpha )=\left[ \begin{matrix} \cos \alpha & -\sin \alpha & 0 & 0 \\ \sin \alpha & \cos \alpha & 0 & 0 \\ 0 & 0 & 1 & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{matrix} \right], \\ & {{R}_{Y}}(\beta )=\left[ \begin{matrix} \cos \beta & 0 & \sin \beta & 0 \\ 0 & 1 & 0 & 0 \\ -\sin \beta & 0 & \cos \beta & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{matrix} \right],{{R}_{X}}(\gamma )=\left[ \begin{matrix} 1 & 0 & 0 & 0 \\ 0 & \cos \gamma & -\sin \gamma & 0 \\ 1 & \sin \gamma & \cos \gamma & 0 \\ 0 & 0 & 0 & 1 \\ \end{matrix} \right] \\ \end{align}$

(2)

P_L=CoordinateSystemPosition::Latitude

S_X=CoordinateSystemScale::ScaleX

α=CoordinateSystemOrientation::Tilt

P_G=CoordinateSystemPosition::Longitude

S_Y=CoordinateSystemScale::ScaleY

β=CoordinateSystemOrientation::Roll

P_A=CoordinateSystemPosition::Altitude

S_Z=CoordinateSystemScale::ScaleZ

γ=CoordinateSystemOrientation::Heading

3.3 方法测试

利用本文的方法(自动，CPU-i7，8 G内存，64 bit)，以某标准IFC模型进行测试，成功将IFC模型转换成CityGML模型。如图 5所示。

从图 5可以看出，模型的几何结构与大部分的语义信息都得到了较好的保留，选取其他的IFC模型进行测试，效果类似。由此可知，转换方法整体上是正确的。但由图 5也可以看出，纹理映射规则还是有些问题，个别模型会出现纹理丢失的情况。室内信息提取算法也需要继续改进，一些复杂的室内模型比较难提取。利用本文方法与现有的手工操作方法进行测试效率对比，结果如表 3所示。

可以看出，利用本文的方法的效率比手动操作要高得多，数据映射时间也短很多。

4 结束语

BIM与3D GIS的集成给智慧城市的建设带来了新的思路和方法。而IFC与CityGML格式的集成则是BIM与3D GIS集成的数据基础。本文提出了一种基于语义映射的BIM与3D GIS集成方法，可以初步地将IFC和CityGML两种格式集成、融合起来，对BIM与3D GIS的有效集成起到了推动作用。当然该方法在转换精度、规则设计等方面还有很多问题，包括语义简化、几何信息过滤等，都需要进行更进一步的研究。