談到三維城市、數(shù)字城市，人們認(rèn)為城市三維 GIS 就是對城市里的建筑、道路等城市對象進(jìn)行三維建模，再把這些模型放到其對應(yīng)的地理位置上，與虛擬實(shí)景技術(shù)結(jié)合進(jìn)行城市空間場景漫游，如果僅是這個(gè)目的，那只能說這是一個(gè)帶有準(zhǔn)確地理位置的三維城市微縮模型。因?yàn)槟壳安捎玫臏y量手段對建筑內(nèi)部的墻壁、門窗、管線設(shè)施以及走廊空間建模難以實(shí)現(xiàn)，針對以上建模，傳統(tǒng)做法是以CAD 記錄建筑物的幾何形狀、空間關(guān)系等圖形化關(guān)系，其他如工作進(jìn)度、外在環(huán)境條件、材質(zhì)、費(fèi)用等非圖形化信息則是由其他信息系統(tǒng)處理。

　　幸好現(xiàn)在有了BIM，BIM 技術(shù)不但能整合上述建筑物的圖形以及非圖形信息，用虛擬三維實(shí)景的方式呈現(xiàn)，并建立信息流模型，減少信息在建筑各階段傳遞過程中的流失?？傮w上講，CAD 用來繪制建筑物，BIM 是用來整合和管理建筑物本身所有階段信息，GIS 則是整合及管理建筑外部環(huán)境信息。把微觀領(lǐng)域的 BIM 信息和宏觀領(lǐng)域的 GIS信息進(jìn)行交換和相互操作，滿足查詢與分析空間信息的功能，是未來城市 GIS 的發(fā)展方向。

　　為不同世界架橋

　　BIM和GIS整合已漸漸成為業(yè)內(nèi)的焦點(diǎn)，各大出版物和項(xiàng)目都對此一片叫好。然而現(xiàn)在這兩者到底能整合到什么程度呢?似乎在從業(yè)者的角度來看，BIMer和GISer依舊生活在兩個(gè)不同的“平行宇宙”中。雙方使用不同的技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)以及其他手段企圖想要將對方融合到己方。目前為止有兩種方向，一是GISer利用已開發(fā)的GIS技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)將建筑視為地理空間的一種數(shù)據(jù)，另一種是BIMer利用精細(xì)的建筑模型以及周邊的設(shè)施例如街道、地形、地下管道等，他們認(rèn)為這是GIS向BIM融合。很明顯的，這兩種事物根本沒有融合。BIM被GISer當(dāng)作了構(gòu)筑環(huán)境的基本數(shù)據(jù)源，而GIS僅被BIMer視為關(guān)鍵的空間數(shù)據(jù)源。在建筑領(lǐng)域，建筑從設(shè)計(jì)到施工產(chǎn)生大量的信息，特別是建筑設(shè)計(jì)三維模型，包含了建筑詳細(xì)的空間信息，但這些信息主要為建筑施工服務(wù);而在城市三維 GIS 領(lǐng)域，主要研究如何對城市建筑三維建模，這樣首先要獲得這些建筑詳細(xì)的空間信息。但是兩個(gè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)格式完全不同，沒法將建筑的空間信息直接搬過來為己所用。

　　因此，雖然雙方都很想打破界限，但是卻一直沒能找到可以連接“平行宇宙”的“橋梁”。這個(gè)“橋梁”將是一個(gè)出色的中央模型服務(wù)器角色，在其上通過標(biāo)準(zhǔn)語言使BIM和GIS雙方能夠共享數(shù)據(jù)，當(dāng)然，這個(gè)“橋梁”可能不是一方搭建就能完成的，需要雙方共同出力以期完成。因此有針對IFC和CityGML融合的研究來以助力BIM和GIS真正融合交匯。

　　BIM方的IFC

　　BIM(Building Information Modeling 建筑信息模型)是以建筑物的三維數(shù)字化為載體，以建筑物全生命周期(設(shè)計(jì)、施工建造、運(yùn)營、拆除)為主線，將建筑生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)所需要的信息關(guān)聯(lián)起來，所形成的建筑信息集。二維的圖紙只是用線條和符號表達(dá)建筑構(gòu)件的信息，BIM 則是以三維立體形式表達(dá)建筑構(gòu)件，并且可以展現(xiàn)構(gòu)件之間的互動性，反饋構(gòu)件相互作用信息。BIM 技術(shù)在歐洲使用的比較普遍，德國、挪威和芬蘭這三個(gè)國家的 BIM 軟件普及率已達(dá)到 60%以上。BIM 起始于美國，有相關(guān)調(diào)查顯示 2007 年時(shí)美國的 BIM 使用率大約為 28%，經(jīng)過這些年的發(fā)展，到 2011年就上升到了 81%，增長非?？?。但是現(xiàn)在國際上有上百種 BIM 軟件，這些軟件有的側(cè)重于建筑三維建模，有的側(cè)重于鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但各個(gè)軟件數(shù)據(jù)格式不同，無法整合，成為行業(yè)限制瓶頸，降低工作效率。

　　IFC(Industry Foundation Classes 工業(yè)基礎(chǔ)類)，建筑業(yè)界習(xí)慣稱為 IFC 標(biāo)準(zhǔn)，是 IAI(The International Alliance for Interoperability 國際協(xié)同聯(lián)盟)建立的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)名稱。IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件有很好的平臺無關(guān)性，它作為一種中性的數(shù)據(jù)文件具有良好的自描述能力，不會因?yàn)橄嚓P(guān)軟件系統(tǒng)的廢棄而造成信息流失。現(xiàn)在越來越多的 BIM 軟件宣布支持 IFC 標(biāo)準(zhǔn)，提供 IFC 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)交換接口，這些軟件的不同 BIM 模型信息可以轉(zhuǎn)換為 IFC 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)文件，這樣形成同一數(shù)據(jù)模型的建筑產(chǎn)品，以 IFC 標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)流通。

　　GIS方的City GML

　　CityGML(City Geography Markup Language，城市地理標(biāo)記語言)是一種用來表示和傳輸城市三維對象的通用信息模型，它是最新的城市建模開放標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)源自地理研究領(lǐng)域(GIS)，用來存儲和交換虛擬城市三維模型。

　　GML是由 OGC(開放式地理信息系統(tǒng)協(xié)會)于 1999 年提出的一種開放性的元語言，用于地理要素的空間幾何信息的建模以及非空間屬性信息的傳輸及存儲。隨著技術(shù)的發(fā)展以及行業(yè)的應(yīng)用訴求上升，GIS的研究對象從過去的二維到現(xiàn)在的三維甚至多維。GML 主要用來表現(xiàn)二維地理空間要素，而 CityGML 主要用來表現(xiàn)城市三維對象的通用信息。它對道路、建筑、水域、植被、綠地等的描述進(jìn)行了定義。但該標(biāo)準(zhǔn)對建筑的細(xì)節(jié)描述十分有限(遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及IFC的詳細(xì)程度)。因此需要在CityGML中兼容IFC提供的準(zhǔn)確、詳細(xì)的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。

　　若想真的搭建“橋梁”，IFC需要通過中央模型服務(wù)器實(shí)時(shí)在線，因此需要開源的BIMserver。這就意味著IFC的語義和關(guān)系應(yīng)在GIS環(huán)境中可用。因此CityGML被用來達(dá)成這一目的，但是直接將默認(rèn)的IFC的語言系統(tǒng)封裝進(jìn)CityGML是行不通的。為此，在2009年， CityGML的新擴(kuò)展——GeoBIM作為標(biāo)準(zhǔn)開始實(shí)行。通過它，IFC的數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入CityGML中。這樣就搭好了一做橋梁。

　　融合能做什么

　　這兩個(gè)系統(tǒng)的整合以后的應(yīng)用領(lǐng)域很廣闊，包含城市和景觀規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)、旅游和休閑活動、3D地籍圖、環(huán)境模擬、熱能傳導(dǎo)模擬、移動電信、災(zāi)害管理、國土安全、車輛和行人導(dǎo)航、訓(xùn)練模擬器、移動機(jī)器人、室內(nèi)導(dǎo)航等。雖然BIM在國內(nèi)應(yīng)用很少，但是行業(yè)內(nèi)應(yīng)該關(guān)注并展望BIM和GIS結(jié)合所帶來的思路的轉(zhuǎn)變、成本的降低以及效率的提高。

　　【國土安全】

　　在OGC的網(wǎng)站上有個(gè)以國土安全為目標(biāo)的“狙擊手行動”測試。其中設(shè)置了一個(gè)場景：一名重要的政客沿著特定的路線行進(jìn)，出于安全需要，需要事先找到所有能看到這條路線的窗子和建筑物，并通過計(jì)算得出狙擊手可能躲藏的位置。以往是在3D查看器中瀏覽沿線所有的建模模型，并以專業(yè)人員的經(jīng)驗(yàn)來判斷狙擊手可能選擇的位置。但是現(xiàn)在可以通過BIM和GIS共同生成的城市的模型數(shù)據(jù)來生成一個(gè)線路沿線上符合條件的窗子和建筑的列表報(bào)告。如果只是應(yīng)用其中一方作為分析手段都會產(chǎn)生局限性。例如CityGML不會儲存窗子的寬度和高度，而且要是通過幾何形狀去算的話將會非常復(fù)雜且費(fèi)時(shí)費(fèi)力;而且IFC中卻正好存儲了窗子的尺寸，兩者通過GeoBIM就達(dá)到了IFC數(shù)據(jù)與CityGML的有效融合。這個(gè)例子正是通過利用路線沿線的城市模型所附加的非常詳細(xì)的CityGML信息和IFC模型的數(shù)據(jù)，所以我們非常簡便并準(zhǔn)確地才能定位和識別窗子。

　　【室內(nèi)導(dǎo)航】

　　現(xiàn)在行業(yè)中都想解決室內(nèi)定位這一難題，但是大多關(guān)注的都是定位的手段，例如到底是Wi-Fi還是藍(lán)牙，是LFC還是NFC等等，但是室內(nèi)定位的地圖卻一般都是建筑的二維電子圖來生成的，甚至只是示意圖;室外的地圖導(dǎo)航都開始真三維化了，室內(nèi)導(dǎo)航還用二維線條，這著實(shí)有點(diǎn)跟不上節(jié)奏了!但是如果有BIM，那這一問題就能迎刃而解：通過BIM提供的建筑內(nèi)部模型配合定位技術(shù)可以進(jìn)行三維導(dǎo)航，例如有公司為央視新大樓開發(fā)的室內(nèi)導(dǎo)航系統(tǒng)，就是利用了BIM和GIS，可以為員工進(jìn)行跨樓層跨樓體的導(dǎo)航。

　　同時(shí)也可以在模擬突發(fā)事件時(shí)，事先規(guī)預(yù)演工的疏散路線等情況，這將極大降低因?yàn)?zāi)害引起的人員傷亡。

　　【三維城市建模】

　　城市建筑類型各具特色，外型尺寸不同，外部顏色紋理不同，以及障礙物阻擋等。如果是“航測+地面攝影”，后期需要人工做大量貼圖;如果是用價(jià)格昂貴的激光雷達(dá)掃描，成本太高而且生成的建筑模型都是“空殼”，沒有建筑室內(nèi)信息，同時(shí)室內(nèi)三維建模工作量也不小，并且無法進(jìn)行室內(nèi)空間信息的查詢和分析。而通過BIM，可以輕易得到建筑的精確高度、外觀尺寸以及內(nèi)部空間信息。因此，通過綜合BIM和GIS，先對建筑進(jìn)行建模，然后把建筑空間信息與其周圍地理環(huán)境共享，應(yīng)用到城市三維GIS分析中，就極大的降低了建筑空間信息的成本。當(dāng)然這個(gè)前提是建筑都應(yīng)用到BIM，現(xiàn)階段在我國還依舊很難實(shí)現(xiàn)。

　　【市政模擬】

　　通過BIM和GIS融合可以有效的進(jìn)行樓內(nèi)和地下管線的三維建模，并可以模擬冬季供暖時(shí)熱能傳導(dǎo)路線，以檢測熱能對其附近管線的影響。或是當(dāng)管線出現(xiàn)破裂時(shí)使用疏通引導(dǎo)方案可避免人員傷亡及能源浪費(fèi)。

　　【資產(chǎn)管理】

　　以BIM提供的精細(xì)建筑模型為載體，利用GIS來管理建筑內(nèi)部資產(chǎn)的位置等信息，可以提高資產(chǎn)管理的自動化水平和準(zhǔn)確性。不會出現(xiàn)資產(chǎn)管理不明，或是不在它該在的位置這種尷尬情況。

　　BIMer，GISer相向而行

　　BIM和GIS融合在國外已經(jīng)喊了很久了，大家也都在為此而努力著，無論是IFC還是CityGML都是進(jìn)步的表現(xiàn)。

　　同時(shí)，為了加速兩者融合，除了需要標(biāo)準(zhǔn)融合，也應(yīng)該盡快出臺相應(yīng)的從業(yè)資質(zhì)認(rèn)證，Esri 全球社區(qū)發(fā)展行業(yè)經(jīng)理兼“地理設(shè)計(jì)傳教士”的Shannon McElvaney也在采訪中呼吁“BIM和GIS的融合需要打破固有的、保守的文化壁壘。”他認(rèn)為因?yàn)闆]有工程認(rèn)證，部分GISer在建筑界“舉步維艱”。例如，經(jīng)常會聽到測量師說“GISer不懂準(zhǔn)確度、精確度”。同樣的GIS行業(yè)也有類似狀況。兩邊世界一方面呼吁融合，另一方面又有保守。如果BIM和GIS的融合之路繼續(xù)下去，這對BIMer和GISer來說，要面臨的除了是增加一門知識體系，更重要的是增加一種思維模式。未來所有行業(yè)界限都會漸漸模糊，除了深耕自己所在的行業(yè)，更需要偶爾抬頭向外看看。主動跨界也好，被動跨界也好，如果行業(yè)發(fā)展都是這個(gè)趨勢，就由不得你想還是不想了。

　　希望一部分BIMer和一部分GISer相向而行，走到同一個(gè)領(lǐng)域，做好同一件事。（文丨本刊編輯張鵬英）