一种单数据库的BIM与GIS数据的融合方案

摘要：多年来，使用地理信息系统 （GIS） 技术创建空间数据库的目的是提供大范围空间和建筑区域外的信息;而建筑信息模型 （BIM） 技術主要针对室内和室外的小空间，所针对的用户和开发的应用程序都有所不同。一方面，GIS技术的发展，包括新型的空间数据采集工具（例如激光扫描仪）的重大推广使用，使越来越多的用户开始在地理信息数据的基础上附加建筑细节数据。另一方面，BIM技术也开始在建筑之外的空间进行延伸。数据处理和开发人员注意到需要将两种不同的技术结合起来，从而避免重复的处理工作。本文提出了一种将GIS数据和BIM模型融合的方案，以一种统一的数据库存储方式，兼容BIM/GIS的数据存储和使用环境。BIM系统能够同时访问BIM和GIS数据，满足分析建筑物及其周围环境的需求;GIS系统可以获取空间分析所需的最新建筑数据，满足空间分析、建筑管理或路线规划等需求。本文中提出的方法使用集成BIM-GIS模式（称为 BIGI-S），基于工业基础类 （IFC） 和CityGML Schema，以单数据库的形式集成给其他应用调用。本文介绍了该解决方案的技术方案，包括具体的数据结构、数据转换算法以及技术路线。

关键词：BIM;GIS; CityGML; IFC;数据库

1.引言

将GIS（地理信息系统）和BIM（建筑信息模型）系统的数据库进行集成的研究仅有10年历史，而GIS系统可以追溯到上世纪60年代初，BIM系统可以追溯到上世纪80年代初。然而，就BIM而言，和“建筑信息模型”（包括BIM的缩写）这个术语在 1990 年代开始被广泛使用[1]。 2002 年，Autodesk Inc. 发表了题为“建筑信息模型”[2] 的文件，普及了 BIM 的思想。

多年来，使用 GIS 技术创建的空间数据库的目标是提供有关建筑物之外的空间信息。 21 世纪初，此类技术的重大发展、快速数据采集的新工具（例如激光扫描）以及不断增长的用户需求，促使了GIS领域开始向建筑物内部空间发展。有关的数据标准，例如建筑内部空间数据模型 （BISDM）和后来的CityGML，也有助于相关程序的发展。与此同时，BIM相关的应用也在快速发展。然而，技术开发人员开始注意到，尽管在两个领域有很多数据处理工作是重复的，但将两种不同的技术结合起来并不简单。许多应用程序需要连续（在空间意义上）访问建筑物内外的信息（例如，导航应用程序）。这种需求的重要性在两个分支机构之间的协议（即ESRI和Autodesk于2017年11月15日的公告[3]）中以及建立一个关于 BIM-GIS 概念映射的ISO 19166标准（B2GM）的工作组中，是显而易见的[4]。

从BIM和GIS的实践中得出结论，需要在GIS系统中展示和分析来自BIM模型的数据，而无需在每次更新BIM数据集后重复导入此类数据，因此需要一个可统一环境，可以从中处理 BIM 和 GIS 数据。开发一个通用的数据模型和一种格式是一件耗时的工作，所以本文的解决方案专供软件开发人员使用，主要是在BIM-GIS的通用标准被开发和接受之前的过渡时期使用。该技术路线需要以原始形式使用先前创建的数据资源。本文展示了融合BIM和 GIS领域的研究成果，即为BIM和GIS系统使用单个数据库，同时保留它们典型的 IFC（工业基础类）和CityGML源数据模型。

2.BIM/GIS集成数据库方案设计

开发新的BIM和GIS数据模型需要对市场上现有应用程序进行彻底的变革，考虑到实际成本问题，本文通过在单个数据库（后面称为集成BIM-GIS数据库 （BIGI-D））中以原始形式提供IFC和CityGML数据，集成数据库并不意味着模型概念上的单一数据库，而是一个连贯的技术环境，允许各种应用程序使用两种格式的数据并通过统一接口进行数据交换。在应用阶段，IFC Schema保存的BIM数据，使用模型中的表、属性和存储过程进行数据处理;CityGML Schema的GIS数据使用CityGML数据中的表、属性和存储过程进行处理。这种体系在这里有两个用处——作为数据结构和作为在数据库中存储表和过程。存储过程是一组具有名称的SQL（结构化查询语言）语句，它们作为块存储在数据库管理系统中。此外，增加BIM-GIS Schema（BIGI-S），用于联合存储IFC和CityGML的数据，以方便BIM和GIS之间的转换和数据共享。以上三种方案都在一个数据库中实现。

基于动态数据转换的模型基于另一种方法实现：数据仅存储在BIGI-S中，专用于单个 BIM和GIS应用程序（以及其他应用程序）的数据结构，通过数据库视图和存储过程实现。专用于BIM应用程序的数据结构是基于从BIGI-S转换数据的存储过程即时生成的;生成CityGML数据结构的方法相同。该解决方案的主要优点是消除了数据冗余，每个对象都保存在数据库中一次，但可以使用CityGML和IFC视图查看。

数据库可以基于BIM和GIS数据进行扩展，对接相应的应用系统，从而每一个应用系统都可以访问集成的BIM/GIS数据。图1展示了BIGI-D架构，它在允许GIS和BIM系统使用统一的数据库配置。

实际应用中，对于选定的建筑物，可能存在GIS、BIM或在GIS和BIM中三种情况。 本文的方案中，假设只有当没有可用的原始BIM模型时，才应将建筑模型从CityGML模式转换为集成数据库。因为BIM模型有丰富细节以及后期对该模型构建的BIM流程的数据更新的，BIM模型是最理想和最完整的建筑数据来源。

3.数据融合实施方案

使用BIGI-D数据库的第一阶段是数据存储。对于来自BIM应用的数据，该阶段将数据导出为IFC文件并将其保存在专用于存储IFC数据的数据库模式中（IFC Schema），它包含对每个表进行操作的存储过程，支持写入、读取、更新和删除数据。保存整个模型后，执行从IFC到BIGI-S的数据转换过程。数据由存储过程转换为BIGI-S中的表。该过程完成后，将删除IFC中的数据，避免了数据冗余。

在下一阶段，BIM和GIS应用程序可以调用保存在BIGI-D中的建筑模型数据。BIM应用程序调用将所选建筑模型的数据从BIGI-S传输到IFC Schema的存储过程。使用完成后，数据从IFC Schema中删除。GIS应用的调用过程与此相同。如果BIM应用更新了BIM模型数据，IFC Schema中存储的数据将被转换为BIGI-S，数据库中的触发器开始更新CityGML Schema中数据过程，GIS系统接收有关对象的新数据。同样，由GIS系统保存的建筑数据可自动用于BIM应用程序。如果建筑物内部的数据仅从IFC模型中获取，则整个模型的数据将保存在BIGI-S中，仅从CityGML获取有关建筑物的数据的情况也相同。如果建筑数据是从BIM和GIS同时获得的，几何和描述数据取自IFC数据，并附加来自CityGML的空间描述数据。数据库中的每个建筑物都有一个全局唯一标识符 （GUID），IFC和CityGML Schema中的同一建筑物将具有相同的GUID，允许BIGI-D在获取数据的过程中识别建筑物。

保持三份数据一致性的方法是进行实时转换。IFC和 CityGML数据库模式不包含表，而只包含存储过程。在IFC Schema中写入数据的过程是将IFC数据直接转换为BIGI-S。读取数据是从BIGI-S获取源数据并将其转换为IFC格式，而不使用IFC Schema作为中间表。GIS应用程序处理数据的过程相同，数据通过CityGML Schema中的存储过程在BIGI-S之间进行转换。

3.1.IFC数据存储结构

IFC数据库模型与IFC模型的数据结构完全对应，为了能够对保存在关系数据库中的BIM数据进行编辑操作，应用了存储过程机制。对于每一类IFC对象，都为写、读、更新和删除操作准备了四个存储过程。为了实验的目的，为100多种IFC对象准备了能够写入、读取、修改和删除IFC对象数据的存储过程。这些过程是在PostgreSQL平台上以SQL和PL/pgSQL（过程语言/PostgreSQL）语言实现的。为了进行比较，还为 Oracle 数据库中的 PL/SQL（SQL程序语言）和Microsoft SQL Server数据库中的T-SQL（Transact SQL）中的几个选定IFC 对象准备了存储过程。这部分实验的目的是检查是否可以创建无论使用哪个数据库平台都可以以类似方式触发的存储过程。实验结果证实，对PostgreSQL、Oracle和SQL Server数据库中的表操作的预准备存储过程的触发非常相似。因此，所提出的解决方案可以与任何上述关系数据库管理系统一起使用。

3.2.IFC数据自动导入

将数据从IFC文件重写为数据库中的IFC Schema的过程包括三个步骤：从IFC文件读取数据，将数据以可读的形式保存数据库管理系统（创建SQL脚本），通过执行数据库中的脚本将数据加载到数据库中。因此，数据传输操作是一项多步骤任务，包括将数据从BIM程序导出为IFC格式，然后将数据从IFC文件导入到集成 BIM/GIS空间数据库中的BIGI-S。数据过程如图2所示。

3.3.统一IFC数据和CityGML数据

解决方案的架构是在单个数据库中使用多个Schema。单独的IFC Schema和CityGML Schema分别专用于存储BIM和GIS数据。GIS应用程序只能通过CityGML Schema使用数据，而BIM应用程序可以通过IFC Schema访问数据。IFC和CityGML Schema被视为临时数据集。存储在IFC Schema中的数据被转换为BIGI-S，允许无损保存来自IFC模型的数据。同样，GIS应用程序保存在CityGML Schema中的数据也转换为BIGI-S。集成数据Schema以位于BIGI-S中的一组表和存储过程的形式表示。在构建集成数据Schema时，要考虑GIS和BIM数据模型的差异。表1显示了选定的示例，以及在CityGML和IFC Schema中存储建筑数据的方法之间的差异。它需要许多数据转换才能通过中间模型在这些模型之间转换数据。BIGI-S中实现的存储过程可以在CityGML和IFC Schema与集成Schema之间保存和读取数据。数据存储在BIGI-S中的公共表中，并使用GIS系统中通常使用的几何数据类型。

BIGI-S中的存储过程允许数据从IFC Schema到BIGI-S的即时转换，反之亦然。CityGML Schema和BIGI-S之间的双向数据转换数据模型如表1。对于继承自IfcProduct类的对象，将数据从IFC Schema转换为BIGI-S的过程包括几个步骤：重写对象的基本属性，转换对象的几何形状到全局坐标系，根据TrueNorth属性考虑坐标系的旋转，保存分配给对象的各个属性，保存分配给对象的属性集（图3）。

对于从IfcObjectDefinition类继承的每个对象类，对象数据从IFC Schema到BIGI-S的转换过程的算法是相同的。

逆向转换包括在BIGI-S表中存储的数据的基础上，创建分配给对象的属性集、分配给对象的单个属性以及从BIGI-S中获得的对象局部坐标系中的几何图形。在全局系统中表示的几何，考虑到宿主对象的所有局部坐标系。最后一步是创建对象本身及其基本属性（图4）。

从CityGML模式到BIGI-S的转换要简单得多。转换过程涉及重寫有关对象、几何数据和属性的基本数据（图5）。

数据从BIGI-S到CityGML Schema的逆转换是类似的。它包括基本对象数据、对象几何和属性（图6）。

4.结论

本文对相关文献和当前BIM解决方案进行深入研究后，提出了一种新的BIM和GIS数据集成方法，该方法使用了一个集成空间数据库，该数据库由三种不同的模式（在结构和独立位置层面）组成。数据库作为IFC数据的存储允许GIS系统使用当前的BIM数据，而无需将IFC文件导入，这为开发跨专业系统提供了便利性。本文提出的BIM/GIS空间数据集成数据库使存储GIS 和BIM数据成为可能，从而使不同类型的系统能够以一致的方式同时调用相同的数据。BIM系统能够在分析建筑物的同时分析其周围环境;GIS系统可以获取空间分析、建筑管理或导航应用所需的最新建筑数据。

实现这种解决方案的条件是在BIM工具中加入数据库访问机制。这种机制可以取代现有的BIM应用程序功能，即处理自己的二进制格式数据文件。这是一种简单的解决方案，只需要进行技术修改，而创建新的模型格式。就GIS而言，只要软件支持CityGML格式，几乎不需要进行重大修改。

参考文献：

[1]Ruffle， S. Architectural design exposed： From computer-aided drawing to computer-aided design. Environ. Plan. B Plan. Des. 1986， 13， 385-389. [CrossRef]

[2]Autodesk， Inc. Building Information Modeling， Autodesk Whitepaper; Autodesk， Inc.： San Rafael， CA， USA， 2002.

[3]Schrock， G. Esri-Autodesk Partnership， Esri. 21 January 2019. Available online： https：//www.esri.com/about/ newsroom/arcnews/esri-autodesk-partnership/ （accessed on 17 February 2020）.

[4]ISOTechnicalCommittee.ISO/TC211GeographicInformation/Geomatics. ISO/CDTS19166; ISO：Geneva，Switzerland， 2020.

[5]Wyszomirski， M. The concept of an integrated spatial database for BIM and GIS systems. In Koncepcja Zintegrowanej Bazy Danych Przestrzennych Dla Systemów BIM i GIS; Politechnika Warszawska： Warszawa， Poland， 2019.

[6]Döllner， J.; Hagedorn， B. Integrating Urban GIS， CAD and BIM Data by Service-Based Virtual 3D City Models; Taylor & Francis Group： London， UK， 2007.

作者簡介：张铎（1991-），男，汉族，河北省邢台市，助理工程师，硕士研究生，上海勘测设计研究院有限公司，研究方向：地理与建筑信息化

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