BIM技術(shù)在數(shù)字城市建模中的應(yīng)用
1.引言
當(dāng)前，在建筑行業(yè)中，BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技術(shù)正在迅速發(fā)展，成為行業(yè)革命性質(zhì)的信息化變革。BIM是以建筑工程項目的各項相關(guān)信息數(shù)據(jù)作為模型的基礎(chǔ)，進行建筑模型的建立，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物所具有的真實信息。而與此同時，國內(nèi)數(shù)字城市建設(shè)也進行的如火如荼，由國家測繪地理信息局推動的數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)已在全國29個省、自治區(qū)、直轄市的220個城市展開。由于數(shù)字城市建設(shè)工程是一項浩大、繁重的系統(tǒng)工程，要真正將城市中的實體進行數(shù)字化，還有很長的路要走。但是，BIM技術(shù)的出現(xiàn)，可以縮短城市實體數(shù)字化這一進程，并且可以提高城市模型的精度和質(zhì)量。
2.數(shù)字城市
“數(shù)字城市”是未來城市的主要發(fā)展方向，“數(shù)字城市”即是在城市建設(shè)規(guī)劃與日常管理以及城市常規(guī)生產(chǎn)與生活中，充分利用數(shù)字化的高科技信息處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)等，將城市的各種信息資源加以有效整合并充分利用，使海量的城市信息與相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)揮出更大的潛在功能和經(jīng)濟、社會等多方面的效益，從而不斷提高政府相關(guān)決策的科學(xué)性、規(guī)范性和民主性，使城市的建設(shè)規(guī)劃更合理、科學(xué)，并提高城市建設(shè)的時效性、城市管理的針對性。通過全方位的手段使城市資源得到合理配置和規(guī)劃，可以有力提高城市的綜合實力以及人民群眾的工作、生活質(zhì)量，促進城市的可持續(xù)發(fā)展。
但是，“數(shù)字城市”的建設(shè)是一項繁雜浩大的工程，要以計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和大規(guī)模存儲技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)絡(luò)為紐帶，運用遙感、全球定位系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、遙測、仿真虛擬等技術(shù)，對城市進行多分辨率、多尺度、多時空和多種類的三維描述，即利用信息技術(shù)手段把城市的過去、現(xiàn)狀和未來的全部內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)上進行數(shù)字化虛擬實現(xiàn)。
“數(shù)字城市”的技術(shù)基礎(chǔ)有3S（GPS、GIS、RS）、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)倉庫、知識挖掘、科學(xué)計算、可視化與虛擬仿真等技術(shù)，其中GIS技術(shù)是實現(xiàn)“數(shù)字城市”的基礎(chǔ)，隨著GIS從二維向三維發(fā)展，“數(shù)字城市”的模型也從二維向三維發(fā)展，近年來，三維城市模型（3DCM）的研究是近年來GIS領(lǐng)域內(nèi)的一個研究熱點，在交通、地質(zhì)、礦山、測繪，尤其是在城市規(guī)劃、建設(shè)、環(huán)保等方面有著十分重要的研究意義。
3.三維城市模型
隨著“數(shù)字城市”的迅速發(fā)展，對城市環(huán)境中各種三維信息的表達與處理變得日益迫切，人們不僅需要表達單個建筑物或建筑物群體，還需要建立整個城市景觀模型，并希望利用這個模型進行有關(guān)城市的規(guī)則設(shè)計、交通指揮、信號站布設(shè)等等工作。因此，需要處理的數(shù)據(jù)不再僅限于有限幾個建筑物或一個城市小區(qū)，而是整個城市范圍內(nèi)所有需要表達的三維信息。相對于現(xiàn)有2DGIS而言，其數(shù)據(jù)量將增加100多倍，但GIS本身目前在三維數(shù)據(jù)建模及可視化方面功能較CAD和3DMax差很多。因此，有許多學(xué)者結(jié)合這兩類系統(tǒng)的長處來構(gòu)建整個城市的三維景觀模型，并擬使用該模型進行整個城市三維信息的管理，這也就是三維城市模型（3DCM）研究的開始。
4.傳統(tǒng)三維城市模型建模方法及其不足
4.1傳統(tǒng)三維城市模型建模方法
三維城市的建立能夠全方位地、直觀地給人們提供有關(guān)城市的各種具有真實感的場景信息，并可以在虛擬環(huán)境中進入城市，感受到與實地觀察相似的體驗感，能夠真實、生動地表達三維空間信息。人們針對不同的應(yīng)用目的，構(gòu)建了各種具有不同功能的3DCM，具體分為以下幾類：
（1）遙感影像與DEM結(jié)合方式
即直接利用DEM（數(shù)字高程模型，Digital Elevation Model）生成地形三維透視圖，遙感影像作為紋理映射到地形表面。這種方式只是一種地形景觀，無法對地表實體對象進行三維顯示、空間信息查詢和分層管理。大多數(shù)成熟的商品化GIS系統(tǒng)（如ArcView、MapGuide）己經(jīng)具有這種地形顯示功能。
（2）基于2DGIS的構(gòu)建方式
即利用現(xiàn)有2DGIS數(shù)據(jù)及其三維屬性信息建立3DCM。該方式包括以下具有代表性的構(gòu)建方法。
① 在二維GIS的基礎(chǔ)上，直接添加一些信息（如房屋高度、墻面紋理等），使用假定高度和模擬紋理來構(gòu)建建筑物對象。這種方法的缺點在于模型真實感差，對城市景觀信息的表達少，且沒有考慮到DEM。
② DEM和二維GIS結(jié)合的方式。這種方式用DEM作為建筑物的承載體，表達地表的起伏，然后使用假定高度和模擬紋理來構(gòu)建建筑物對象，比上一種方式更具真實感。
部分2DGIS系統(tǒng)（Arc/Info）發(fā)展了構(gòu)建3DCM的功能模塊，具有初步的量測功能，但缺乏對建筑物紋理的提取與處理，景觀表達的真實感程度不夠。
（2）純?nèi)S的構(gòu)建方式
針對數(shù)據(jù)獲取方式的差異，純?nèi)S構(gòu)建3DCM方式分以下不同方法。
①利用地面攝影影像與地面激光掃描儀來構(gòu)建，這種方法每次采集數(shù)據(jù)范圍受通視條件所限，在建筑群密集地區(qū)難以應(yīng)用；
②利用衛(wèi)星影像與機載激光掃描儀來構(gòu)建，該方法采集數(shù)據(jù)快，但獲取的DEM精度不高；
③利用航空立體像對的方法，利用目標(biāo)提取技術(shù)，實現(xiàn)航空影像房屋三維數(shù)據(jù)的半自動量測，進而在地面與建筑物表面二維半不規(guī)則三角網(wǎng)和原始數(shù)字影像的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)建筑物可見表面紋理恢復(fù)，重建城市三維景觀。
4.2傳統(tǒng)三維城市模型建模方式存在的問題
傳統(tǒng)三維城市模型建模存在的主要問題主要有是：
（1）工程量龐大
以上三種建模方式需要相關(guān)部門組織人力、物力去實現(xiàn)，工程量巨大，周期長。
（2）質(zhì)量與效率不可兼得
如果對建模進行細化，提高模型信息精度及質(zhì)量，勢必帶來更加巨大的工程量。如果要加快進度，減少工程量，勢必造成模型質(zhì)量的下降。
（3）缺少建筑物內(nèi)部信息
一般，我們的三維城市建模只是建立建筑物及構(gòu)筑物的外觀模型，如果想進入內(nèi)部漫游的話，是做不到的。如果用傳統(tǒng)方法建立內(nèi)部模型，那工程量將更加巨大。
5.BIM技術(shù)介紹
簡單的說，BIM技術(shù)就是在計算機中為待建工程進行數(shù)字建模，這個模型不光具有三維外觀，而且整合了建筑物所有對工程有用的信息，可以用于設(shè)計、建造、管理，可以使建筑工程在其整個進程中顯著提高效率、大量減少風(fēng)險。已經(jīng)在發(fā)達國家進行了大量的應(yīng)用，在國內(nèi)也開始嘗試性應(yīng)用。
圖1～6展示了BIM的部分應(yīng)用。
美國國家BIM標(biāo)準(zhǔn)（NBIMS）對BIM的定義，定義由三部分組成：
①BIM是一個設(shè)施（建設(shè)項目）物理和功能特性的數(shù)字表達；
②BIM是一個共享的知識資源，是一個分享有關(guān)這個設(shè)施的信息，為該設(shè)施從建設(shè)到拆除的全生命周期中的所有決策提供可靠依據(jù)的過程；
③在項目的不同階段，不同利益相關(guān)方通過在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自職責(zé)的協(xié)同作業(yè)。
6.利用BIM來構(gòu)建三維城市模型的優(yōu)點
將BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市三維建模中，建筑物三維模型建立可以簡化為BIM數(shù)據(jù)庫建立，并且利用BIM技術(shù)建立的三維模型更精確，功能更強大。除此之外，還有以下優(yōu)點：
（1）BIM模型易得
BIM模型有取代建筑設(shè)計圖紙的趨勢，也就是說，每個新建建筑以后可以必須建立BIM模型來指導(dǎo)工程的施工，這就為BIM模型的來源提供了有力保障，市政府可以建立專門的規(guī)章制度，命令新建建筑必須到相關(guān)部門提交BIM模型備案，此模型即可導(dǎo)入三維城市模型中去。
（2）模型信息豐富
BIM模型內(nèi)包含及豐富的信息，包括建筑物集合外觀、內(nèi)部、材料、造價等等。如果需要，可以一并導(dǎo)入三維城市模型中，供使用者查詢。
7.BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的交換可行性
但是BIM技術(shù)與3DGIS技術(shù)的融合并不是簡單的將兩個技術(shù)中的功能直接組合，而是需要建立三維城市模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，可將BIM中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入GIS系統(tǒng)，這樣，BIM數(shù)據(jù)可作為地理信息系統(tǒng)重要的數(shù)據(jù)源，用來生成數(shù)字城市三維模型，而GIS系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)作為空間數(shù)據(jù)源，可應(yīng)用于新的建筑信息模型建立時的基本數(shù)據(jù)。
目前，建設(shè)工程領(lǐng)域普遍接受和應(yīng)用的BIM數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)準(zhǔn)是由國際協(xié)同聯(lián)盟（International Alliance for Interoperability，IAI）所制定并管理的IFC標(biāo)準(zhǔn)（IndustryFoundationClass-IFC）。IFC標(biāo)準(zhǔn)是面向?qū)ο蟮娜S建筑產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，目的是促成建筑業(yè)中不同專業(yè)以及同一專業(yè)中的不同軟件可以共享同一個數(shù)據(jù)源，從而達到數(shù)據(jù)的共享和交互。將IFC中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到CityGML（虛擬三維城市模型數(shù)據(jù)交換與存儲格式）中，進行語義信息轉(zhuǎn)換和地理信息轉(zhuǎn)換。成功執(zhí)行一次數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)型，需要進行三個步驟：
①必須明確設(shè)置一組規(guī)則（規(guī)則庫），以確定兩種模式之間的類的語義映射。
②建立幾何模型簡化規(guī)則或算法。BIM模型視圖有助于在這一階段的模型簡化。
① 將確定每個將要轉(zhuǎn)化成CityGML的LOD對象的屬性信息。
8.結(jié)語
通過將BIM數(shù)據(jù)與3DCM數(shù)據(jù)的融合來實現(xiàn)了三維城市模型的構(gòu)建。不僅可以提高模型質(zhì)量和進度，而且可以降低建模成本，縮短建模進度。
BIM技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字城市三維建模，是數(shù)字城市發(fā)展的新變革。大量的數(shù)據(jù)共享，精確的三維模型構(gòu)建，實現(xiàn)了各專業(yè)各環(huán)節(jié)之間無縫信息溝通，為數(shù)字城市管理提供更快捷準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
參考文獻
[1] 李永泉，韓文泉，黃志洲。 數(shù)字城市三維建模方法比較分析[J]. 現(xiàn)代測繪。 2010.（2）
[2]崔良強，劉春峰。 面向數(shù)字城市的3維GIS關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 測繪與空間地理信息。 2010（4）
[3]肖樂斌， 鐘耳順， 劉紀(jì)遠， 宋關(guān)福。 三維GIS的基本問題探討[J]. 中國圖象圖形學(xué)報。 2001（9）
[4]馮琰， 郭容寰， 汪旻琦， 顧星燁。 三維城市模型數(shù)據(jù)組織與管理方法研究[J]. 測繪科學(xué)。 2011（1）
[5]梁振興， 郭超， 郭昕。 探討GIS技術(shù)在數(shù)字城市建設(shè)中的應(yīng)用[J]. 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用。 2013（5）
[6]柳翠明。 三維城市模型CityGML初探[J]. 城市勘測。 2010（1）
[7]李德超， 張瑞芝。 BIM技術(shù)在數(shù)字城市三維建模中的應(yīng)用研究[J]. 土木建筑工程信息技術(shù)。 2012（1）
[8]孫敏， 馬藹乃， 陳軍。 三維城市模型的研究現(xiàn)狀評述[J]. 遙感學(xué)報。 2002（2）
文章來源：bim建筑網(wǎng)＜https://www.uibim.com/12558.html＞
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