BIM技术在数字城市建模中的应用

1.引言

当前，在建筑行业中，BIM（建筑信息模型，Building Information Modeling）技术正在迅速发展，成为行业革命性质的信息化变革。BIM是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。而与此同时，国内数字城市建设也进行的如火如荼，由国家测绘地理信息局推动的数字城市地理空间框架建设已在全国29个省、自治区、直辖市的220个城市展开。由于数字城市建设工程是一项浩大、繁重的系统工程，要真正将城市中的实体进行数字化，还有很长的路要走。但是，BIM技术的出现，可以缩短城市实体数字化这一进程，并且可以提高城市模型的精度和质量。

2.数字城市

“数字城市”是未来城市的主要发展方向，“数字城市”即是在城市建设规划与日常管理以及城市常规生产与生活中，充分利用数字化的高科技信息处理技术和网络通信技术等，将城市的各种信息资源加以有效整合并充分利用，使海量的城市信息与相关数据发挥出更大的潜在功能和经济、社会等多方面的效益，从而不断提高政府相关决策的科学性、规范性和民主性，使城市的建设规划更合理、科学，并提高城市建设的时效性、城市管理的针对性。通过全方位的手段使城市资源得到合理配置和规划，可以有力提高城市的综合实力以及人民群众的工作、生活质量，促进城市的可持续发展。

但是，“数字城市”的建设是一项繁杂浩大的工程，要以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用遥感、全球定位系统、地理信息系统、遥测、仿真虚拟等技术，对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现。

“数字城市”的技术基础有3S（GPS、GIS、RS）、网络、数据仓库、知识挖掘、科学计算、可视化与虚拟仿真等技术，其中GIS技术是实现“数字城市”的基础，随着GIS从二维向三维发展，“数字城市”的模型也从二维向三维发展，近年来，三维城市模型（3DCM）的研究是近年来GIS领域内的一个研究热点，在交通、地质、矿山、测绘，尤其是在城市规划、建设、环保等方面有着十分重要的研究意义。

3.三维城市模型

随着“数字城市”的迅速发展，对城市环境中各种三维信息的表达与处理变得日益迫切，人们不仅需要表达单个建筑物或建筑物群体，还需要建立整个城市景观模型，并希望利用这个模型进行有关城市的规则设计、交通指挥、信号站布设等等工作。因此，需要处理的数据不再仅限于有限几个建筑物或一个城市小区，而是整个城市范围内所有需要表达的三维信息。相对于现有2DGIS而言，其数据量将增加100多倍，但GIS本身目前在三维数据建模及可视化方面功能较CAD和3DMax差很多。因此，有许多学者结合这两类系统的长处来构建整个城市的三维景观模型，并拟使用该模型进行整个城市三维信息的管理，这也就是三维城市模型（3DCM）研究的开始。

4.传统三维城市模型建模方法及其不足

4.1传统三维城市模型建模方法

三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，并可以在虚拟环境中进入城市，感受到与实地观察相似的体验感，能够真实、生动地表达三维空间信息。人们针对不同的应用目的，构建了各种具有不同功能的3DCM，具体分为以下几类：

（1）遥感影像与DEM结合方式

即直接利用DEM（数字高程模型，Digital Elevation Model）生成地形三维透视图，遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观，无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统（如ArcView、MapGuide）己经具有这种地形显示功能。

（2）基于2DGIS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法。

① 在二维GIS的基础上，直接添加一些信息（如房屋高度、墙面纹理等），使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差，对城市景观信息的表达少，且没有考虑到DEM。

② DEM和二维GIS结合的方式。这种方式用DEM作为建筑物的承载体，表达地表的起伏，然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象，比上一种方式更具真实感。

部分2DGIS系统（Arc/Info）发展了构建3DCM的功能模块，具有初步的量测功能，但缺乏对建筑物纹理的提取与处理，景观表达的真实感程度不够。

（2）纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异，纯三维构建3DCM方式分以下不同方法。

①利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建，这种方法每次采集数据范围受通视条件所限，在建筑群密集地区难以应用；

②利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建，该方法采集数据快，但获取的DEM精度不高；

③利用航空立体像对的方法，利用目标提取技术，实现航空影像房屋三维数据的半自动量测，进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上，实现建筑物可见表面纹理恢复，重建城市三维景观。

4.2传统三维城市模型建模方式存在的问题

传统三维城市模型建模存在的主要问题主要有是：

（1）工程量庞大

以上三种建模方式需要相关部门组织人力、物力去实现，工程量巨大，周期长。

（2）质量与效率不可兼得

如果对建模进行细化，提高模型信息精度及质量，势必带来更加巨大的工程量。如果要加快进度，减少工程量，势必造成模型质量的下降。

（3）缺少建筑物内部信息

一般，我们的三维城市建模只是建立建筑物及构筑物的外观模型，如果想进入内部漫游的话，是做不到的。如果用传统方法建立内部模型，那工程量将更加巨大。

5.BIM技术介绍

简单的说，BIM技术就是在计算机中为待建工程进行数字建模，这个模型不光具有三维外观，而且整合了建筑物所有对工程有用的信息，可以用于设计、建造、管理，可以使建筑工程在其整个进程中显著提高效率、大量减少风险。已经在发达国家进行了大量的应用，在国内也开始尝试性应用。

图1～6展示了BIM的部分应用。

美国国家BIM标准（NBIMS）对BIM的定义，定义由三部分组成：

①BIM是一个设施（建设项目）物理和功能特性的数字表达；

②BIM是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从建设到拆除的全生命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；

③在项目的不同阶段，不同利益相关方通过在BIM中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映其各自职责的协同作业。

6.利用BIM来构建三维城市模型的优点

将BIM技术应用于数字城市三维建模中，建筑物三维模型建立可以简化为BIM数据库建立，并且利用BIM技术建立的三维模型更精确，功能更强大。除此之外，还有以下优点：

（1）BIM模型易得

BIM模型有取代建筑设计图纸的趋势，也就是说，每个新建建筑以后可以必须建立BIM模型来指导工程的施工，这就为BIM模型的来源提供了有力保障，市政府可以建立专门的规章制度，命令新建建筑必须到相关部门提交BIM模型备案，此模型即可导入三维城市模型中去。

（2）模型信息丰富

BIM模型内包含及丰富的信息，包括建筑物集合外观、内部、材料、造价等等。如果需要，可以一并导入三维城市模型中，供使用者查询。

7.BIM数据与GIS数据的交换可行性

但是BIM技术与3DGIS技术的融合并不是简单的将两个技术中的功能直接组合，而是需要建立三维城市模型数据交换标准，可将BIM中的数据导入GIS系统，这样，BIM数据可作为地理信息系统重要的数据源，用来生成数字城市三维模型，而GIS系统中的数据作为空间数据源，可应用于新的建筑信息模型建立时的基本数据。

目前，建设工程领域普遍接受和应用的BIM数据标准化的标准是由国际协同联盟（International Alliance for Interoperability，IAI）所制定并管理的IFC标准（IndustryFoundationClass-IFC）。IFC标准是面向对象的三维建筑产品数据标准，目的是促成建筑业中不同专业以及同一专业中的不同软件可以共享同一个数据源，从而达到数据的共享和交互。将IFC中的数据转换到CityGML（虚拟三维城市模型数据交换与存储格式）中，进行语义信息转换和地理信息转换。成功执行一次数据转型，需要进行三个步骤：

①必须明确设置一组规则（规则库），以确定两种模式之间的类的语义映射。

②建立几何模型简化规则或算法。BIM模型视图有助于在这一阶段的模型简化。

① 将确定每个将要转化成CityGML的LOD对象的属性信息。

8.结语

通过将BIM数据与3DCM数据的融合来实现了三维城市模型的构建。不仅可以提高模型质量和进度，而且可以降低建模成本，缩短建模进度。

BIM技术应用于数字城市三维建模，是数字城市发展的新变革。大量的数据共享，精确的三维模型构建，实现了各专业各环节之间无缝信息沟通，为数字城市管理提供更快捷准确的数据支持。

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