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利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例

赵强 何陈照 杨世植 方廷勇 朱曙光

赵强, 何陈照, 杨世植, 方廷勇, 朱曙光. 利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
引用本文: 赵强, 何陈照, 杨世植, 方廷勇, 朱曙光. 利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
ZHAO Qiang, HE Chenzhao, YANG Shizhi, FANG Tingyong, ZHU Shuguang. Transformation of Underground Space Models Based on IFC and CityGML—A Case Study of Utility Tunnel[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
Citation: ZHAO Qiang, HE Chenzhao, YANG Shizhi, FANG Tingyong, ZHU Shuguang. Transformation of Underground Space Models Based on IFC and CityGML—A Case Study of Utility Tunnel[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409

利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例

doi: 10.13203/j.whugis20180409
基金项目: 

安徽省教育厅重大项目 KJ2017ZD41

国家重点研发计划 2017YFC0803300

安徽省科技重大专项 16030801118

详细信息
    作者简介:

    赵强, 博士, 副教授, 主要从事城市空间信息处理应用与环境遥感研究。rommel99@163.com

  • 中图分类号: P208

Transformation of Underground Space Models Based on IFC and CityGML—A Case Study of Utility Tunnel

Funds: 

The Research Major Project of Anhui Educational Committee KJ2017ZD41

the National Key Research and Development Program Program of China 2017YFC0803300

the Major Projects of Science and Technology in Anhui 16030801118

More Information
    Author Bio:

    ZHAO Qiang, PhD, associate professor, specializes in urban spatial information processing applications and environmental re-mote sensing research. E-mail: rommel99@163.com

  • 摘要: 分析了工业基础类(industry foundation classes,IFC)和城市地理标记语言(city geography markup lan‐ guage, CityGML)在几何表达、语义信息等方面的异同;以综合管廊为对象,建立IFC综合管廊模型转换为CityGML模型的流程和方法,进行语义提取、几何以及坐标系统的转换。通过六盘水城市综合管廊模型转换进行验证,结果表明,所建立的IFC管廊模型与CityGML管廊模型映射规则可实现IFC管廊模型向CityGML模型的转换,同时转换后的CityGML管廊模型包含由IFC模型提取的属性信息,可用于三维地理信息系统(three dimension geographical information system, 3DGIS)与建筑信息模型(building information modeling, BIM)的集成,有助于促进城市地下管廊全生命周期管理。
  • 图  1  面向管廊的IFC模型向CityGML模型转换流程

    Figure  1.  Workflow Diagram for Transforming IFC Utility Tunnel Model to CityGML Model

    图  2  管廊IFC模型包含的实体元素

    Figure  2.  Entities Contained in IFC Utility Tunnel Model

    图  3  IFC文件解析流程

    Figure  3.  Workflow Diagram for Parsing IFC File

    图  4  属性集引用方式

    Figure  4.  Using IfcRelDefinesByProperties to Link Entities and Property Sets

    图  5  综合管廊墙体内外表面区分

    Figure  5.  Distinguish Between Wallsurface and InteriorWallSurface

    图  6  扫描体构建

    Figure  6.  Scanning Body Construction

    图  7  内接多边形方式构建圆形断面模型

    Figure  7.  Using Inscribed Polygon to form Round Section Model

    图  8  两种内部设施模型转换前后对比

    Figure  8.  Comparison Between IFC Model and Transformed CityGML Model

    图  9  综合管廊标准管段CityGML模型生成不同细节层级模型

    Figure  9.  Different LODs of the Transformed CityGML Model of Utility Tunnel Standard Section

    表  1  IFC和CityGML比较

    Table  1.   Comparison Between IFC and CityGML

    内容 IFC CityGML
    文档形式 EXPRESS XML
    几何构建方式 边界表示法、扫描体、构造实体几何 边界表示法
    语义信息 丰富的属性、拓扑关系 不同细节层级语义信息
    表达尺度 建筑工程个体的呈现 城市、区域范围的呈现
    材质表现 根据构件类型的材质表现 自定义的贴图表现形式
    下载: 导出CSV

    表  2  管廊IFC元素向CityGML语义映射规则列表

    Table  2.   List for Mapping IFC Utility Tunnel Entities to CityGML Entites

    IFC元素 CityGML语义
    IfcWall WallSurface\InteriorWallSurface
    IfcSlab CeilingSurface\FloorSurface
    IfcBeam IntBuildingInstallations
    IfcColumn
    IfcStair
    IfcStairFlight
    IfcDoor Door
    IfcWindow Window
    IfcRoof RoofSurface
    IfcBuildingElementProxy Generic
    IfcDistributionChamberElement
    IfcEnergyConversionDevice
    IfcFlowController
    IfcFlowFitting
    IfcFlowSegment
    IfcFlowStorageDevice
    IfcFlowTerminal
    IfcFlowTreatmentDevice
    下载: 导出CSV

    表  3  管廊标准段转换前后数据量对比

    Table  3.   File Size Comparison of IFC Model and CityGML Model of Utility Tunnel Standard Section

    LOD IFC/MB CityGML
    LOD1 9.11 5 KB
    LOD2 23.9 KB
    LOD3 48 KB
    LOD4 10 MB
    下载: 导出CSV
  • [1] Zhu Q, Zhao J, Du Z, et al. Towards Semantic 3D City Modeling and Visual Explorations[M]// Kolbe T H, König G, Nagel C. Advances in 3D Geo-Information Sciences. Berlin: Springer, 2011: 275-294
    [2] Isikdag U, Zlatanova S. Towards Defining a Framework for Automatic Generation of Buildings in CityGML Using Building Information Models[M]//Lee Jiyeong, Zlatanova S. 3D Geo-Information Sciences. Berlin: Springer, 2009: 79-96
    [3] Laat R D, Berlo L V. Integration of BIM and GIS: The Development of the CityGML GeoBIM Extension[M]// Kolbe T H, König G, Nagel C. Advances in 3D Geo-Information Sciences. Berlin: Springer, 2011: 211-225
    [4] Donkers S. Automatic Generation of CityGML LOD3 Building Models from IFC Models[D]. Delft: Delft University of Technology, 2013
    [5] Donkers S, Ledoux H, Zhao J, et al. Automatic Conversion of IFC Datasets to Geometrically and Se mantically Correct CityGML LOD3 Buildings[J]. Transactions in GIS, 2016, 20(4):547-569 doi:  10.1111/tgis.12162
    [6] 汤圣君, 朱庆, 赵君峤, 等. BIM与GIS数据集成:IFC与CityGML建筑几何语义信息互操作技术[J].土木建筑工程信息技术, 2014, 6(4):11-17 doi:  10.3969/j.issn.1674-7461.2014.04.002

    Tang Shengjun, Zhu Qing, Zhao Junqiao, et al. Towards Interoperating of BIM and GIS Model:Geometric and Semantic Integration of CityGML and IFC Building Models[J]. Journal of Information Technology in Civil Engineering and Architecture, 2014, 6(4):11-17 doi:  10.3969/j.issn.1674-7461.2014.04.002
    [7] International Organization for Standardization. ISO 16739: 2013-Industry Foundation Classes(IFC)for Data Sharing in the Construction and Facility Mana gement Industries[S]. International Standard: sation Organisation, 2013
    [8] 邓雪原, 张之勇, 刘西拉.基于IFC标准的建筑结构模型的自动生成[J].土木工程学报, 2007, 40(2):6-12 doi:  10.3321/j.issn:1000-131X.2007.02.002

    Deng Xueyuan, Zhang Zhiyong, Liu Xila. Automatic Generation of Structural Model from IFC-Based Architectural Model[J]. China Civil Engineering Journal, 2007, 40(2):6-12 doi:  10.3321/j.issn:1000-131X.2007.02.002
    [9] 汤圣君, 张叶廷, 许伟平, 等.三维GIS中的参数化建模方法[J].武汉大学学报·信息科学版, 2014, 39(9): 1 086-1 090 doi:  10.13203/j.whugis20130027

    Tang Shengjun, Zhang Yeting, Xu Weiping, et al. Parametric Modeling Method in Three-Dimensional GIS[J]. Geomatics and Information Science of Wu han University, 2014, 39(9):1 086-1 090 doi:  10.13203/j.whugis20130027
    [10] 李佩瑶.从BIM实体模型自动提取多细节层次GIS表面模型的方法[D].成都: 西南交通大学, 2017

    Li Peiyao. Transformation Method for Automatic Generation of Building in CityGML LOD1-LOD4 Using IFC Models[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2017
    [11] 应申, 郭仁忠, 靳凤攒, 等.利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体[J].武汉大学学报·信息科学版, 2018, 43(5):732-738 doi:  10.13203/j.whugis20150556

    Ying Shen, Guo Renzhong, Jin Fengzan, et al. Auto-construction of 3D Closed Buildings from CityGML LoD3[J]. Geomatics and Information Science of Wu han University, 2018, 43(5):732-738 doi:  10.13203/j.whugis20150556
    [12] 周京春, 李清泉, 施昆.利用Sweep造型法进行管网精细化三维建模[J].武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(5):661-666 doi:  10.13203/j.whugis20140429

    Zhou Jingchun, Li Qingquan, Shi Kun. Refined 3D Modeling of Pipeline Based on Sweeping Method[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(5):661-666 doi:  10.13203/j.whugis20140429
  • [1] 刘坡, 王莹.  基于3DGIS的机动车尾气扩散模拟和体视化研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(6): 933-940. doi: 10.13203/j.whugis20180467
    [2] 应申, 郭仁忠, 靳凤攒, 朱利平, 李威阳.  利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
    [3] 王伟, 李鹏飞, 王鹏, 王超.  面向3DGIS渲染逼真度的方法研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2017, 42(8): 1090-1095. doi: 10.13203/j.whugis20160098
    [4] 王乐洋, 吴飞, 吴良才.  GPS高程转换的总体最小二乘拟合推估模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(9): 1259-1264. doi: 10.13203/j.whugis20140421
    [5] 姚宜斌, 郭健健, 张豹, 胡羽丰.  湿延迟与可降水量转换系数的全球经验模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2016, 41(1): 45-51. doi: 10.13203/j.whugis20140585
    [6] 李拥, 李朝奎, 吴柏燕, 殷智慧.  一种采用OpenMP技术的3DGIS并行绘制模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(12): 1495-1498.
    [7] 李德仁, 赵中元, 赵萍.  城市规划三维决策支持系统设计与实现 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(5): 505-509.
    [8] 成英燕, 程鹏飞, 顾旦生, 文汉江.  三维4参数模型实现地图到CGCS2000的转换 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(6): 747-751.
    [9] 巫兆聪, 欧阳群东, 李芳芳.  基于CityGML的遥感信息共享研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(4): 423-426.
    [10] 杨敏, 汪云甲.  ESDA支持下的GPS高程转换模型研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(5): 556-560.
    [11] 姚吉利.  三维坐标转换的静态滤波模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2005, 30(9): 825-828.
    [12] 魏占营, 王宝山, 李青元.  地下巷道的三维建模及C(++)实现 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2005, 30(7): 650-653.
    [13] 沈云中.  综合不同时期的GPS数据求解转换参数的方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(6): 728-731.
    [14] 曾文宪, 陶本藻.  三维坐标转换的非线性模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(5): 566-568.
    [15] 侯恩科, 吴立新.  面向地质建模的三维体元拓扑数据模型研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(5): 467-472.
    [16] 徐天河, 杨元喜.  坐标转换模型尺度参数的假设检验 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2001, 26(1): 70-74.
    [17] 张良培, 严晓晶.  地图设色系统中颜色转换模型的研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1993, 18(1): 94-98.
    [18] 周忠谟, 晁定波, 刘乃苓.  卫星网与地面网在高斯平面坐标系统中的转换模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1991, 16(1): 92-96.
    [19] 刘经南, 佘彬彬.  不同类三维空间定位网联合处理的坐标转换模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1990, 15(2): 48-57.
    [20] 刘经南.  卫星网与地面网联合平差坐标转换模型的等价性 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1983, 8(1): 37-50.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-02-12
  • 刊出日期:  2020-07-30

利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例

doi: 10.13203/j.whugis20180409
    基金项目:

    安徽省教育厅重大项目 KJ2017ZD41

    国家重点研发计划 2017YFC0803300

    安徽省科技重大专项 16030801118

    作者简介:

    赵强, 博士, 副教授, 主要从事城市空间信息处理应用与环境遥感研究。rommel99@163.com

  • 中图分类号: P208

摘要: 分析了工业基础类(industry foundation classes,IFC)和城市地理标记语言(city geography markup lan‐ guage, CityGML)在几何表达、语义信息等方面的异同;以综合管廊为对象,建立IFC综合管廊模型转换为CityGML模型的流程和方法,进行语义提取、几何以及坐标系统的转换。通过六盘水城市综合管廊模型转换进行验证,结果表明,所建立的IFC管廊模型与CityGML管廊模型映射规则可实现IFC管廊模型向CityGML模型的转换,同时转换后的CityGML管廊模型包含由IFC模型提取的属性信息,可用于三维地理信息系统(three dimension geographical information system, 3DGIS)与建筑信息模型(building information modeling, BIM)的集成,有助于促进城市地下管廊全生命周期管理。

English Abstract

赵强, 何陈照, 杨世植, 方廷勇, 朱曙光. 利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
引用本文: 赵强, 何陈照, 杨世植, 方廷勇, 朱曙光. 利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
ZHAO Qiang, HE Chenzhao, YANG Shizhi, FANG Tingyong, ZHU Shuguang. Transformation of Underground Space Models Based on IFC and CityGML—A Case Study of Utility Tunnel[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
Citation: ZHAO Qiang, HE Chenzhao, YANG Shizhi, FANG Tingyong, ZHU Shuguang. Transformation of Underground Space Models Based on IFC and CityGML—A Case Study of Utility Tunnel[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
  • 工业基础类(industry foundation classes,IFC)和城市地理标记语言(city geography markup language,CityGML)作为建筑信息模型(building information modeling,BIM)和三维地理信息系统(three dimension geographical information system,3DGIS)各自的行业交换标准,两者的集成是实现BIM与GIS集成以及后续应用的前提[1]。对于两者的集成转换,Isikday和Zlatanova[2]提出由IFC模型自动转换到不同细节层级(level of detail,LOD)CityGML模型的框架,为实现IFC建筑模型向CityGML模型的转换提供了基础。Laat等[3]通过采用建筑信息模型服务器以及IFC解析引擎实现IFC模型向CiyGML模型的转换,但是这种转换方式没有很好实现IFC模型中扫描体以及构造实体几何向边界表示的几何转化。Donkers等[4-5]提出一种IFC模型到CityGML LOD3模型的自动转化方法,包括语义映射和三维几何运算,通过对IFC模型进行语义筛选,利用形态学算法和布尔运算提取模型外壳,并与语义进行链接的方式实现IFC模型向CityGML模型的转换。汤圣君等[6]基于Donkers提出的方法,通过几何过滤以及语义映射,将IFC模型中的几何和语义信息分别进行转换和映射,得到CityGML的表达形式后再关联起来得到完整的CityGML模型。

    目前IFC与CityGML的转换主要集中在房屋建筑模型方面,本文针对综合管廊,提出IFC综合管廊模型向CityGML模型转换的框架以及映射规则,进行语义提取以及几何转换等操作,实现IFC管廊模型向CityGML管廊模型的转换,并以贵州省六盘水市天湖路综合管廊为例进行转换验证。

    • IFC由Building SMART为建筑信息模型领域内数据交换提出的开放数据标准,以实现建筑设施管理领域内的信息表达、交换及共享,作为通用交换标准,IFC模型文件包含了建筑模型的所有相关信息,例如几何、属性以及拓扑关系等,因此在BIM相关软件中被广泛应用[7-8]

      CityGML是基于地理标记语言的城市领域应用模式,采用可拓展标记语言(extensible markup language,XML)来实现虚拟3D城市模型数据的存储以及交换,其目标是实现三维城市模型基础实体、属性以及关系的共享定义,通过统一的模型交换标准实现三维城市模型数据在不同应用之间的交换,极大地方便了城市三维建模和数据共享。

      IFC与CityGML比较如表 1所示,IFC具有面向可视化表达和模型分析应用的多种几何形状构建方式和丰富的建筑构件、设施信息的特点,CityGML更加强调空间对象不同细节层级的表达以及对象的形状表示、拓扑关联和语义信息的一致性,以区域信息为重点,为GIS专业进行空间分析等操作提供基础[8-9]

      表 1  IFC和CityGML比较

      Table 1.  Comparison Between IFC and CityGML

      内容 IFC CityGML
      文档形式 EXPRESS XML
      几何构建方式 边界表示法、扫描体、构造实体几何 边界表示法
      语义信息 丰富的属性、拓扑关系 不同细节层级语义信息
      表达尺度 建筑工程个体的呈现 城市、区域范围的呈现
      材质表现 根据构件类型的材质表现 自定义的贴图表现形式
    • 以IFC实体继承、项目空间结构以及定义的元素类型为基础,采用树状解析方法对IFC文件进行解析,操作流程如图 1所示,首先对IFC文件进行解析,筛选出转换所需要的元素,然后将其按几何、语义进行分类,将几何元素进行几何转换以及坐标转换,形成用于构建CityGML几何形状重构的中间文件,对于语义信息,通过过滤提取出其中的属性信息,用于后续语义映射操作,实现属性与实体的关联,最后进行优化处理,生成CityGML模型文件。

      图  1  面向管廊的IFC模型向CityGML模型转换流程

      Figure 1.  Workflow Diagram for Transforming IFC Utility Tunnel Model to CityGML Model

      管廊IFC模型可分为外部廊体以及内部的设施,廊体由IfcWall以及IfcSlab构成,圆形或者异形横断面廊体采用IfcBuildingElementProxy表达;内部设施主要包括楼梯、电气设备、管道以及其他附件。对于IFC实体尚未覆盖到的构件或者未知类型的构件,同样用IfcBuildingElementProxy表示。同时IFC采用边界表示法、扫描体以及构造实体几何为描述物体体积形状的基本方式,无论是墙体、梁、柱,还是管道、管件,均采用以这3种构建形式为基础的方式进行表达,这使得基于构建形式的转换对所有管廊构件具有通用性。需要提取的IFC实体元素如图 2所示,分为管廊结构元素以及管廊构件的元素,前者主要为IfcBuildingElement,包括墙体、楼板以及门窗、楼梯等,后者主要为管道以及管道附件,例如阀门、管段、弯头等。

      图  2  管廊IFC模型包含的实体元素

      Figure 2.  Entities Contained in IFC Utility Tunnel Model

    • 语义提取主要是将所需的数据提取出来,转换为对应的CityGML语义。CityGML支持不同LOD,根据不同用途进行提取,可由LOD4进行剔除处理生成低LOD。语义提取过程中需要提取的信息主要有项目信息、管廊实体构件及其形状表示、属性信息、坐标数据等。通过对IFC文件进行解析,获取其中的IfcSharedBldgElements子类、IfcSharedBldgServiceElements子类用于管廊结构以及内部构件的几何表示及其相应的属性信息,经过转换后输出为中间文件,如图 3所示。

      图  3  IFC文件解析流程

      Figure 3.  Workflow Diagram for Parsing IFC File

      图 4所示,IFC中属性信息通过IfcRelDefinesByProperties与建筑构件进行关联,也可通过IsDefinedBy进行逆向关系获取[10]。同样也可以通过这种方式将同样的属性信息关联到多个实体,对于属性不同的实体,采用IfcRelOverridesProperties进行改写,这样的好处是实现属性的共享,减少冗余。解析出来的属性集通过链接的方式与转换后的CityGML文件进行映射,以实现项目信息、构件属性等内容的集成。

      图  4  属性集引用方式

      Figure 4.  Using IfcRelDefinesByProperties to Link Entities and Property Sets

    • 几何转换首先通过提取所需的IFC元素,对其进行解析,判断是否具备几何信息,如果是,则进行深入解析,提取其构造几何的形式以及具体的构建参数,再将参考坐标转换为绝对坐标后转换为CityGML语义信息,通过几何重建形成对应的模型。

      表 2列举了IFC模型向CityGML模型转换时的映射规则,IFC中的常规建筑构件如墙、门窗等都能在CityGML中找到对应的元素表示[11];对于IfcWall或者IfcWallStandardcase,映射到CityGML文件中时需要进行内外墙面的区分,包含在建筑空间内部构成Room空间边界的墙体为内墙,其余为外墙,首先提取墙体在地面或者楼板上的二维平面,例如以GroundSurface所在平面的Z轴平面对所有墙体进行截取,二楼则以FloorSurface进行截取,获取墙体平面图,以平面图为基础提取建筑墙体内外轮廓,再对照IFC文件中墙体形状构建的方式进行拉伸,由内轮廓拉伸形成的墙体为InteriorWallSurface,外轮廓拉伸形成墙体即为WallSurface,如图 5所示。

      表 2  管廊IFC元素向CityGML语义映射规则列表

      Table 2.  List for Mapping IFC Utility Tunnel Entities to CityGML Entites

      IFC元素 CityGML语义
      IfcWall WallSurface\InteriorWallSurface
      IfcSlab CeilingSurface\FloorSurface
      IfcBeam IntBuildingInstallations
      IfcColumn
      IfcStair
      IfcStairFlight
      IfcDoor Door
      IfcWindow Window
      IfcRoof RoofSurface
      IfcBuildingElementProxy Generic
      IfcDistributionChamberElement
      IfcEnergyConversionDevice
      IfcFlowController
      IfcFlowFitting
      IfcFlowSegment
      IfcFlowStorageDevice
      IfcFlowTerminal
      IfcFlowTreatmentDevice

      图  5  综合管廊墙体内外表面区分

      Figure 5.  Distinguish Between Wallsurface and InteriorWallSurface

      管廊IFC模型主要采用扫描体构建,扫描体是通过将二维图形按照特定的拉伸方向$\overrightarrow r $=(i,j,k)以及拉伸长度L进行拉伸,得到拉伸后的图形、原二维图形以及拉伸路径所形成的封闭三维形状,如图 6所示。原二维图形可为圆形、梯形、矩形、组合类型或者任意封闭图形,通过扫描体均可形成三维图形,用于IFC模型的几何搭建。

      图  6  扫描体构建

      Figure 6.  Scanning Body Construction

      扫描体中被拉伸的二维形状上的点坐标(x0y0z0)和拉伸后得到的新形状上的坐标(x1y1z1)可通过式(1)计算得到:

      $$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_1}}\\ {{y_1}}\\ {{z_1}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{x_0}}\\ {{y_0}}\\ {{z_0}} \end{array}} \right] + \frac{L}{{\sqrt {{{\rm{i}}^2} + {{\rm{j}}^2} + {{\rm{k}}^2}} }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\rm{i}}\\ {\rm{j}}\\ {\rm{k}} \end{array}} \right] $$ (1)

      对于圆形横断面廊体或者管道模型,通过简化圆形平面,建立圆内接多边形的方式,以直线代替弧线的方式进行构建,结合拉伸转换计算即可得到相应的廊体或管道各表面顶点坐标[12],如图 7所示。

      图  7  内接多边形方式构建圆形断面模型

      Figure 7.  Using Inscribed Polygon to form Round Section Model

    • IFC文件中建筑构件的坐标是基于相对坐标系统的,例如IfcSite以项目基点为原点的坐标系统作为整个模型文件的基准坐标系统,IfcBuilding的坐标系统以IfcSite坐标系下的点为坐标原点,而IfcBuildingStorey的坐标系统又以IfcBuilding所在坐标系的点为坐标原点,以IfcAxis2Placement3D、IfcLocalPlacement以及IfcCartesianPoint(初始笛卡尔坐标点)等元素为解析线索,如此递推,逐层深入,点的相对坐标要转换为以IfcSite的坐标系统为参考的绝对坐标,此过程可通过坐标迭代的方式完成。公式为:

      $$ \begin{array}{l} {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} x\\ y\\ z \end{array}} \right]_n} = {\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} a\\ b\\ c \end{array}} \right]_{n - 1}} + {\mathit{\boldsymbol{M}}_{n - 1}}{\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} x\\ y\\ z \end{array}} \right]_{n - 1}}\\ \mathit{\boldsymbol{M = }}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \gamma }&{\sin \gamma }&0\\ { - \sin \gamma }&{\cos \gamma }&0\\ 0&0&1 \end{array}} \right]\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \beta }&0&{ - \sin \beta }\\ 0&1&0\\ {\sin \beta }&0&{\cos \beta } \end{array}} \right] \times \\ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0\\ 0&{\cos \alpha }&{\sin \alpha }\\ 0&{ - \sin \alpha }&{\cos \alpha } \end{array}} \right] \end{array} $$ (2)

      式中,xyz为构件位于本地直角坐标系下的坐标,下标n=1,2…mm为构件的迭代次数,以Ifc Site为基准,根据不同构件而定,列如IfcBuilding次数为1,IfcBuildingStorey相对IfcSite为2次,以此类推,当下标n=m时,表示构件位于转换后统一以项目基点为原点的直角坐标系下的坐标;abc为坐标变换时的(IfcCartesianPoint),即平移量;αβγ分别为坐标系变换时绕x轴、y轴以及z轴旋转的角度,以逆时针方向为正。

      将IFC文件统一为绝对坐标系后,进行局部坐标系向地理坐标系的转换。以西安1980坐标系(XAS80)为例,首先测得3组或以上控制点的XAS80坐标(BLH),利用式(3)将控制点大地坐标转换为同椭球几何中心下的空间直角坐标系坐标。

      $$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} X\\ Y\\ Z \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\left( {N + H} \right)\cos B\cos L}\\ {\left( {N + H} \right)\cos B\sin L}\\ {\left[ {N\left( {1 - {e^2}} \right) + H} \right]\sin B} \end{array}} \right] $$ (3)

      式中,N为卯酉圈半径;e为椭球的第一偏心率。然后用Bursa七参数模型进行参数求解,IFC文件的局部坐标系所采用的长度单位可以通过IfcSIUnit获取,一般为“米”或者“毫米”。确定转换参数后,将IFC局部坐标转换为空间直角坐标系下的坐标,即可计算其对应的大地坐标系。对于大地经度L,可采用下式求解:

      $$ L = \arctan \frac{Y}{X} = \arcsin \frac{Y}{{{X^2} + {Y^2}}} = \arccos \frac{X}{{{X^2} + {Y^2}}} $$ (4)

      大地纬度B采用迭代法计算,初值选取为,$\tan {B_1} = 2/\sqrt {{X^2} + {Y^2}} $,按照式(5)进行迭代计算,直到所求B满足精度要求为止。大地高H由式(6)计算得到。

      $$ \tan {B_{n + 1}} = \frac{{Z + N{e^2}\sin {B_n}}}{{\sqrt {{X^2} + {Y^2}} }} $$ (5)
      $$ H = \frac{Z}{{\sin B}} - N\left( {1 - {e^2}} \right) $$ (6)

      通过上述方法可实现由IFC局部坐标向地理坐标的转换。

    • 本文以六盘水综合管廊天湖路段为例进行研究,该段管廊全长9.4 km,采用三舱室管廊结构,主要由管廊标准段和管廊节点构成,其中标准段高3.6 m,宽11.1 m,通过属性信息对管道类别加以区分,对管廊廊体、管道以及部分管廊设备进行模型转换。基于本文提出的转换流程以及方式,采用转换采用基于IfcOpenShell开源代码库进行C++编程的方式实现,根据映射规则中列出的元素对IFC模型进行解析,通过语义信息提取、映射以及几何过滤、转换,实现IFC向CityGML的转换。利用本文提出的转换方法,完成管廊IFC模型向CityGML模型的转换,并生成不同的细节层级模型,如图 8图 9所示。在进行地理信息分析时,可根据具体分析的需要采用不同细节层级模型进行分析,LOD1对应为管廊实体对象的外边界,通过提取其中心线可获取对应的管线对象。

      图  8  两种内部设施模型转换前后对比

      Figure 8.  Comparison Between IFC Model and Transformed CityGML Model

      图  9  综合管廊标准管段CityGML模型生成不同细节层级模型

      Figure 9.  Different LODs of the Transformed CityGML Model of Utility Tunnel Standard Section

      由于转换是基于特定的映射规则进行的,因此在语义方面,对次要信息如IFC文件图层信息等进行了过滤,后期可通过修改过滤条件对模型进行语义补充;在几何方面,转换主要是针对廊体以及管道进行,因此对于次要模型有所忽略,例如对某些复杂支架或者竖梯进行简化,这有助于减少数据冗余。数据量的变化见表 3,LOD1-LOD2主要由简单面构成,不含详细的内部设施模型,LOD3包含内部管道边界的简化模型,对应实体对象中管道区域,因此数据量较小,在LOD4,由于增加了内部设施精细模型,并且这些模型均由转换后的边界表示法进行构建,模型数据大小相对低细节层级增加明显。

      表 3  管廊标准段转换前后数据量对比

      Table 3.  File Size Comparison of IFC Model and CityGML Model of Utility Tunnel Standard Section

      LOD IFC/MB CityGML
      LOD1 9.11 5 KB
      LOD2 23.9 KB
      LOD3 48 KB
      LOD4 10 MB

      根据表 2,利用Generic类型表示管廊内部管道、管道附件等实体,转换后的模型包括CityGML标准的Core模块以及Generic模块,能够表示诸如弯头构件的类型、ID、尺寸以及几何坐标等信息。

    • 随着国内基建范围的不断扩大,BIM与GIS的集成技术在城市建设方面的应用需求日益凸显,两者的集成基础在于实现模型数据的交换共享,IFC和CityGML作为BIM和三维GIS各自的行业交换标准,基于不同的文档结构、模型构建方式以及细节程度等特点构建本行业应用模型,在各自行业的应用范围非常广泛。本文通过对IFC和CityGML进行分析比较,建立基于IFC和CityGML的城市综合管廊模型转换流程,确定需要提取转换的元素实体以及相应的几何转换方式,从模型层面进行BIM和GIS的集成;通过语义提取、几何转换以及属性映射方面的研究,实现基于IFC标准的综合管廊模型向CityGML转换;并通过实例验证了本方法的可行性,为后续GIS与BIM的集成提供基础。

参考文献 (12)

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