Research on Fusion Application of BIM Technology and GIS Technology
史艾嘉 SHI Ai-jia
（江苏城乡建设职业学院，常州 213000）
（Jiangsu Urban and Rural Construction College，Changzhou 213000，China）
摘要：BIM和GIS源自不同的领域，并根据各自特定的需求进行开发。BIM系统是基于三维信息（3D）的技术，侧重于生成对象最大细节的表达，GIS则侧重于分析我们周围存在的对象。然而，两个领域的信息交流越来越紧密，本文着重介绍GIS与BIM技术，分析探讨BIM技术与GIS技术融合应用，以使城市可视化，让城市未建先见。
Abstract: BIM and GIS originate from different fields and are developed according to their specific needs. The BIM system is based on three-dimensional information (3D) technology, focusing on the expression of the largest detail of the object, while the GIS focuses on analyzing the objects that exist around us. However, the information exchange between the two fields is getting closer and closer. This paper focuses on GIS and BIM technology, and analyzes the application of BIM technology and GIS technology to visualize the city before construction.
关键词：数字城市；BIM；GIS；融合应用
Key words: digital city；BIM；GIS；fusion application
中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）21-0179-03
0 引言
伴随我国经济的迅猛发展，城市建设更新速度加快，智慧化需求越来越高，我国智慧城市行业概念企业已经发展近千家。未来，基于国家发展“建设智慧城市”的要求，智慧城市行业概念企业数量将会迅速突破千家。可见，城市建设对资源和信息化的依赖程度也越来越高，传统的二维数据模型已经无法满足三维空间分析需求，精细化、标准化、智能化已然成为城市建设管理的核心要求。GIS与BIM的融合技术为城市建设管理提供一种新的方法，以弥补单一技术在城市建设管理中的短板。
1 GIS与BIM概述
地理空间信息可以定义为一种使用特定地理参考系统，与现有地形和地形相关的信息。GIS（地理信息系统）被开发用于管理和分析基于地理信息技术的空间数据，是地理空间的三维表达，提供了一种使用特定位置访问详细空间信息的方法。GIS在计算机硬、软件系统支持下能够在大空间尺度上基于室外环境的功能和物理空间关系实现空间分析，数据的采集、管理、运算等功能，在资源和环境领域发挥着技术先导的作用。我们生活中使用的智能导航系统便是基于GIS系统。GIS侧重于室外的信息表达，为城市的建设提供基础框架。
BIM（建筑信息模型）是目前建筑行业兴起的技术，侧重于单体建筑的精细化表达，具有可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性五大特点。它可以帮助实现建筑信息的集成，从建筑的设计至运营全过程管理，各种信息始终整合到一个三维模型中，各参与建设的单位人员均可从模型中输入或者调取自己所需信息（几何信息、专业属性、状态信息等），即协同工作。BIM的数据库是动态变化的，在应用中不断修改、更新、完善。此技术能有效提高工作效率，降低工程成本，实现建筑的可持续发展[1]。
基于GIS的传统三维模型，没有参数化的建模，而仅仅用于展示，缺乏详细而全面的建筑信息数据库，例如城市规划部门不仅对建筑规划信息和建筑环境感兴趣，而且还对建筑单体信息感兴趣，这在传统地理空间数据库中不可用，但存储在BIM中。而BIM专注于建筑相关信息的表达，包括来自几何、视图等非常丰富和详细的构造信息。但BIM相比于GIS也有其软肋，即它不包括周围的信息，在建筑空间规划上有其局限性，BIM系统有时需要空间信息进行环境评估、资源安排和安全分析，只能在GIS中访问。而GIS强项恰恰在于此。因此将GIS与BIM技术融合，利用GIS的地理宏观空间表现与BIM的微观精细室内布局相结合，充分发挥管理与分析结合的功能优势，非常适合城市管理任务的需要和建筑的各种生命周期。
2 GIS与BIM数据融合
GIS与BIM从本质上看是两种输出数据格式不同的技术，在各个方面存在不兼容性，因此将两者融合有一定的难度，不是简单的捏合，还处于起步阶段。GIS与BIM融合不是将传统的三维模型直接导入GIS，本质上两者还是孤立开来。两者的真正融合应该考虑不同数据中几何信息的转换、属性信息的保留及空间的尺度变化等问题。围绕两者的融合问题，国内外学者展开了大量的研究工作，全球范围内，有多个国家如德国、韩国、荷兰等欧亚国家研究此项工作，并已经成为该研究领域的前沿。
目前GIS与BIM的融合方法有三种，即数据格式转换、数据标准扩展、本体论。其中数据格式转换是最主流，最适用的一种方法。
BIM的数据格式采用IFC标准，作为一种开放格式，IFC已成为跨不同平台交换信息的最成功的工具之一[2]。GIS的主要标准是CityGML。IFC和CityGML有一些相似之处。比如，两者都是基于对象的，并且他们定义了一些类似的实体。一些遵循CityGML的模型很大程度上与几何学方面的IFC一致。但这两种格式在不同的细节中包含不同类型的信息，IFC包含比CityGML更详细的信息，其中在涉及到数据之间的转换时，往往会导致IFC和CityGML之间的完整映射并不容易。尽管存在这些不兼容性，但研究人员已经尝试了各种方法克服GIS与BIM的个体弱点，以开发出更稳定、可接受的解决方案。
目前，IFC和CityGML之间的转换主要有两种方法：手动转换和半自动转换，没有方法可以实现完全自动化转换过程。手动转换通常包括以下步骤：①语义过滤；②外壳计算；③建筑物安装；④几何细化；⑤语义细化。这是目前IFC和CityGML转换/翻译的经典框架之一。最近，通过数据仓库技术（ETL）可以实现BIM和GIS数据半自动转换，该过程从源系统中提取同类型数据，并将数据转换为适当的格式将数据加载到数据仓库中。ETL期间的映射过程可以灵活实现BIM和GIS数据之间的完整和自定义转换。因此，ETL工具适合批量数据转换，可以批量转换大量数据。但这种数据转换方式也存在缺点，从已有的研究来看，ICFC与CityGML数据转换仍不可避免产生数据的丢失，因此未来的重点仍将是解决如何避免数据转换过程中的信息丢失问题。
3 REVIT三维建模与GIS软件
3.1 REVIT概述
Revit是由Autodesk公司开发的一款国际通用的三维建模软件，是目前最主流的BIM软件。它的主要功能是建筑外观及内部的设计或设备的规划，可以从多个角度观看建筑外部景观和内部景观。由于它界面类似CAD操作易上手，建模方式独特、简洁，并且可以导出多种格式与其它软件进行对接，深受广大用户的喜爱。
3.2 某建筑BIM三维建模
为达到BIM技术与GIS技术的融合，首先需要通过Revit软件进行三维建模，将三维模型数据作为基础数据，步骤如下：①选择建筑样板；②建立标高；③导入CAD图纸，依据图纸快速建立轴网和墙体；④建立门、窗、幕墙、楼梯、屋顶、地形与场地等各个构件；⑤模型检查，导出其它格式并与其它软件进行对接。
Revit软件中虽提供多种系统族供我们建模，但是由于每个建筑都有其特殊性，例如门、窗都有特定的参数要求，那么单靠自带的族库显然无法满足模型多元化的要求，这就要求我们学会自己创建所需要的族，通过拉伸、放样、旋转等多种族命令创建相应的族元素，再载入到项目中便可使用。
建立的建筑三维模型效如图1，图2所示。
3.3 GIS软件—GoogleEarth
谷歌地球是美国谷歌公司开发的一款三维虚拟地球软件，它将卫星照片、航拍照片和GIS照片布置在地球上，支持三维模型的加载、查询、编辑等功能。依托美国高分辨率影像，用户可登陆电脑端或手机端浏览地理图像。目前，谷歌地球中的“3D建筑图层”功能正是BIM与GIS融合的最典型的例子之一。
4 GIS与BIM融合应用
4.1 室内导航
BIM与GIS融合的应用之一是能实现室内空间的导航。众所周知，目前的智能导航系统主要是针对室外导航，而室内三维导航系统却很少，大多数是二维线条导航。主要原因在于导航系统是基于GIS系统，而GIS系统缺乏室内信息，如果将建筑BIM模型数据进行转换添加到GIS数据中，便可实现建筑物内部的导航，对于大型商场游客游玩或者火灾发生逃生都是极为有用的。在这里，IFC数据主要是用于室内路径规划与信息管理，而GIS数据则负责室外的资源管理及逃生路线规划。最终两者结合使室内人员和消防员能快速找到逃生路线及营救路线，减少了应急救援时间，增加逃生几率。如央视新大楼利用BIM与GIS技术开发的室内导航系统，可以为员工跨楼层跨楼体导航。
4.2 BIM+GIS倾斜摄影应用
倾斜摄影技术是近十几年来发展起来的一项高新技术，它不同于以往的正摄影像只能从垂直角度拍摄物体。通过多镜头无人机从多角度采集图像信息，获取丰富的建筑物顶面及立面的高分辨纹理等航测数据建立三维GIS模型，结合BIM在室内空间的精细化表现以及倾斜摄影室外快速建模优势，可以实现建造大范围室内外一体化的模型。基于GIS的三维实景模型可以更好的服务智慧城市建设，在国土、规划、水利、旅游等领域也有重大的应用价值。
4.3 场地选择与布置
项目规划人员运用BIM技术可以沉浸在施工现场的真实视图中，并通过使用BIM三维模型信息来评估潜在的危险，以此帮助规划人员在场地规划阶段做出决策。相比之下，GIS能提供环境影响的定量评估与场地的空间背景视图，以及支持建筑工地材料布局的时空冲突检测与现场材料的可达性评估[3]。
4.4 公共设施管理应用
目前，BIM技术主要应用于设计与施工阶段，而在运维管理阶段的使用尚处于初步阶段。若将BIM与GIS技术二者集成应用可解决市政、基础设施及大型公共建筑的BIM运维管理，可提高BIM技术的应用范围。如，昆明新机场项目，结合BIM技术与GIS技术开发机场航站楼运维管理系统，实现航站楼机电、库存、物业、报修与巡检等运维管理和信息的动态查询。
5 结语
由于IFC与CityGML数据仍无法实现完全的转换，在转换过程中仍会不可避免的出现信息的丢失，因此BIM和GIS融合仍然存在许多障碍和挑战。未来的城市智慧化管理与快速发展迫切需要BIM与GIS的深度融合，因此开放与协作将是BIM与GIS成功融合的关键，这不仅适用于新标准或者本体的开发，同样是各领域为之奋斗的人们的心态。相信GIS与BIM的融合将会为城市的可持续发展推力。
参考文献：
[1]武鹏飞.GIS与BIM融合的研究进展与发展趋势[J].测绘与空间地理信息，2019，42（1）：1-6.
[2]汤圣君，朱庆，赵君峤.BIM与GIS数据集成：IFC与CityGML建筑几何语义信息互操技术[J].土木建筑工程信息技术，2014，6（4）：11-17.
[3]张邻.基于BIM与GIS技术在场地分析上的应用研究[J].四川建筑科学研究，2014（5）：80-82.
[4]郭瑞阳.BIM模型和3D GIS的融合技术研究及其实现[D].西安科技大学，2018.
[5]朱庆.三维GIS及其在智慧城市中的应用[J].地球信息科学学报，2014，16（2）：151-157. |
