技术 | BIM+GIS应用的八大挑战
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导读
BIM与GIS的跨界融合，使微观领域的BIM信息与宏观领域的GIS信息实现交换和互操作，提升了BIM应用深度，将BIM的应用从单体延伸到建筑群甚至城市级，为GIS行业发展带来了新的契机，同时也带来了一些新的挑战。面对挑战，GIS基础平台要具备哪些能力？本文将剖析BIM+GIS应用过程中遇到的难点以及应对方法。
在GIS平台中加载立交桥的BIM数据（左），并叠加在影像数据上（右）
挑战一：将BIM数据接入到GIS平台
国内外BIM建模软件种类繁多，不同的软件有各自的存储方式。这些数据格式彼此不同，且相对比较封闭没有公开文件结构，给BIM数据接入到GIS平台带来了最直接的挑战。
BIM数据依赖于BIM软件，比如Revit的rvt文件本身是不带贴图的，是存在于Revit安装目录的材质库中，要读取Revit数据的完整信息，包括属性、材质、几何等，离不开Revit软件本身。实现读取BIM数据目前最务实的方法就是基于BIM到GIS数据格式转换工具或插件，也就是基于BIM软件库的原生支撑，将BIM数据转换到GIS数据库。
SuperMap先后提供了多款BIM主流设计软件的转换插件和工具，如Autodesk旗下的Revit、AutoCAD以及Civil3D软件，以及Bentley的MicroStation CONNECT Edition、达索的CATIA软件，将数据的顶点和属性信息一次性导出，并且按类型或图层进行分类。导出数据不仅保留了BIM数据实例化的特点，还生成了多细节层次(Levels of Detail)，提升数据在三维GIS平台中加载和浏览的性能。SuperMap也为某些行业的标准格式-IFC提供了对应的转换工具。
挑战二：实现BIM模型轻量化
BIM建模软件注重的是单一体建筑，但GIS需要管理一个区域或整个城市的BIM数据，并且GIS终端可能是配置不高的PC，甚至是Pad或手机，因此GIS面对的数据量挑战更大。所以我们不仅要解决数据格式转换，更要进行适当的数据轻量化和优化，SuperMap对外提供的插件已经内嵌了智能轻量化的能力。
实现BIM轻量化需要以下关键技术：
原生LOD（Level of Detail）技术。BIM软件中的三维对象是参数化的，比如圆柱体，用圆心、半径、高度来描述，但导入GIS系统要三角化成三角网，在三角化时，利用此技术可生成多个不同细节层次的模型，即将BIM模型解析出不同的显示精度和显示层级。
不同细节层次（左为LOD-0，右为LOD-2）的风管模型
实例化技术，即对BIM模型中存在的大量共用对象只存储一份。如在建造阶段，会存在大量的螺丝钉对象，它们的顶点和材质等都是一样的，只是位置不同，通过存储一个螺丝钉和多个位置的方式实现复用模型。在显卡也支持这样的实例化渲染，从而提升渲染效率。
挑战三：在GIS平台表示BIM模型
对象模型是一类GIS空间数据模型，用来描述离散空间的要素，包括二/三维点、线、面以及三维体对象模型。其中，三维体对象是通过拓扑闭合、高精度的三角网来表示的。三维体对象模型可以表示现实对象，如建筑、桥梁等。
GIS要从室外走向室内，室内数据需要BIM来获取。要实现BIM模型支持查询、统计及分析等功能，首先需要解决如何在GIS平台表示BIM模型的难题。与3ds Max模型相比，BIM模型不是一张皮的表面模型，它是体对象，具备完善的拓扑完整性及闭合性，因此可以用三维体对象模型来表达这样的建筑。
BIM模型进行三角化后，统一到三维体对象模型，可以做三维空间关系判断（包含、相交、相离）、三维空间运算（交、并、差），还支持计算表面积和体积，支持多种三维空间分析如控高分析、构建三维缓冲区等，为灵活定制城市设计规则提供技术支撑。
城市设计-控高分析
挑战四：BIM单体之间链接网络表示
网络模型是另一类GIS空间数据模型，包括二维网络数据模型以及三维网络数据模型。三维网络模型数据可以表示道路、管廊、管线等数据之间的拓扑连接关系。BIM的应用对象往往是单体建筑，但如何实现如地下管线、铁路、隧道、港口等大规模区域性对象的管理，则需要集成GIS来实现，用三维网络模型数据来表示BIM单体之间的链接网络，比如道路数据，可以提取出带拓扑连接关系的三维点、线对象，然后构建三维网络数据模型。
这样就可以将BIM模型应用于各种复杂的实际工程领域中，例如爆管网络分析，若某一处市政水网/供热管网/天然气管道的地下管线发生了爆裂，我们可以基于三维网络数据模型的拓扑关系知道关闭哪些阀门，哪些管线受到了影响，从而及时、快速的解决问题。
三维设施网络分析-爆管分析
BIM通常采用独立的坐标系统，如地方坐标系，GIS数据来源众多，采集方式各异，所采用的坐标系也存在一定的差异性。BIM与GIS集成应用面临着各自坐标系不同，无法匹配的问题。GIS最基本的能力就是坐标转换，点线面的坐标转换已经十分成熟，但转换能力是否能应用到三维模型数据中，对GIS平台也是一个挑战。
SuperMap已实现支持三维模型的逐顶点坐标转换能力，支持BIM模型和GIS数据在平面坐标系和地理坐标系之间的转换，实现在地球曲率影响下的BIM模型和GIS数据精确匹配，避免渲染时的裂缝和漏洞等问题，满足众多行业，如桥梁、道路、水利大坝等，在建设、运营、管理过程中对数据的精度需求。
地方坐标系下的BIM模型转换到地理坐标系下，再叠加到天地图上的显示效果
挑战六：BIM与多源数据融合匹配
GIS有一个很重要的特性，就是集成了海量多源数据，比如地形影像、倾斜摄影模型、激光点云、精细模型、水面、地下管线以及场数据等。如何实现BIM与多源数据融合匹配，从而提高数据的利用价值，这是对BIM+GIS应用的又一挑战。
要进行融合匹配，首先需要进行坐标转换和数据配准，将BIM模型与倾斜摄影模型、地形等多源数据统一到一个坐标系，实现各种信息对齐；然后再对数据进行操作和处理，进行诸如镶嵌压平裁剪等操作，实现数据平滑衔接、纹理拼接自然。
BIM模型与多源数据融合
挑战七：三维空间数据标准缺乏
三维空间数据的高效发布、数据共享和数据标准是三维GIS应用热点之一。BIM+GIS得到了越来越广泛的应用，但缺乏统一的三维空间数据标准和规范，三维空间数据的互操作和开放共享成为难点，这在一定程度上制约了BIM+GIS更加深入的应用。
目前，国内外已经推出了众多数据标准和格式，如S3M、I3S、3D Tiles等。这些标准与格式的推出，推动了三维数据标准化和三维数据的开放共享。
SuperMap推出的S3M（Spatial 3D Model）标准，适用于网络环境和离线环境下海量多源三维空间数据的数据传输、交换、高性能可视化，实现了在B/S下发布和共享海量BIM与GIS数据，也实现了海量BIM与GIS数据在桌面端、浏览器端、移动端的相关应用。
挑战八：多终端支持BIM+GIS应用
IT技术的飞速迅猛发展，深刻而长远地影响了BIM与GIS两个领域。其中，VR/AR以及WebGL等IT新技术，为BIM+GIS应用注入了强劲的动力。为了实现这些IT新技术与BIM、GIS的集成应用，需要多终端支持BIM+GIS应用。
SuperMap基于HTML5 WebGL技术，推出了轻量级三维客户端，这样无须安装软件、无须安装插件、无须下载数据，就可以在浏览器上高效浏览三维服务，并通过开源的S3M规范支持实用的三维空间查询、量算以及空间分析等功能。SuperMap将AR与BIM、GIS结合，在GIS移动端平台上将数字化的BIM投放到任何场景中。如在施工现场，将设计方案与实际施工现场进行比对，可以及时发现问题并进行修正。
Cross裁剪
BIM+GIS+AR
软硬件实力的不断提升，以及数字化社会的建设需求，为BIM和GIS技术的跨界融合创造了机会。BIM+GIS的应用价值不可限量，需要大家不断深入探索与挖掘。
紧跟技术发展，SuperMap期待与更多的用户与合作伙伴一起推进BIM+GIS集成应用，最终形成快速高效、完善实用的行业解决方案。
来源：超图集团
作者：王博 李濛 何倩