【摘要】研究数字地球与BIM模型的融合技术，将BIM“全生命周期管理”的理念，与GIS“构建全要素、多时空、真实数字虚拟世界”的理念深度地融合在一起，最终研究成果融入云河数字地球平台；研究分析Revit、CATIA等主流BIM软件的核心设计思路，对其数据存储格式进行解析，并实现从BIM数据到云河地球数据的一键式自动转换功能，实现GIS与BIM融合。
【关键词】BIM模型；融合技术；云河地球；三维GIS
1 引言
随着智慧城市、智慧水利等概念的不断深化，需要能够实现宏观信息和微观信息的一体化展示、管理和查询分析，而单独的三维GIS或BIM都不能满足这些要求，于是GIS与BIM融合技术成为当前公认的最佳技术解决方案，也成为近年来人们研究的热点。三维GIS提供的多种空间数据为BIM应用提供了坚实的地理环境基础，可满足大场景与室内精细场景完美结合的应用需求，并且GIS宏观尺度的管理功能可将BIM应用扩展至城市规划、城市交通分析、室内导航、资产管理、市政管网管理、数字防灾、应急救援、建筑改造等诸多领域，极大地拓展了BIM行业应用的广度和深度，其应用前景不可估量。
伴随着GIS技术和BIM技术的不断成熟，BIM+GIS融合技术成为近年来快速发展的新领域。目前，国内研究三维GIS技术的企业较多，整体技术水平在世界范围内也较为领先，而BIM应用则相对落后一些。从总体上看，国内外研究BIM+GIS融合技术的水平基本相当，尚未形成明显差距，仍有较多发展空间。
尽管国内外研发BIM+GIS技术的公司很多，但产品还远不够成熟，实用性差，在BIM导入流程、平台兼容性、产品稳定性、渲染效果、性能优化等方面都存在一定的问题，智能化不足，多数功能仍然只能依靠非常专业的技术人员进行手工处理。此外，三维GIS技术虽然经过多年发展，但仍有很多未知领域，在实际应用时需要根据需求进行定制开发，而市场上三维GIS平台多以开源产品进行封装，缺少底层核心技术，功能接口封装不完善，第三方很难进行功能拓展，遇到问题时难以解决，也很难实现真正的多源数据融合。
2 技术实现路径
2.1 研究基础
云河地球历时10余年研发，在渲染效果、运行性能、开发效率等方面处于国内领先水平，在底层技术上采用GPU与CPU混合编程技术，充分发挥GPU在并行计算及CPU在线性控制方面的性能，从底层开发搭建了具有VR及三维GIS功能的全球三维数字地球环境。平台采用数字地球的方式组织管理水利大数据资源，可在普通计算机上流畅加载TB级别的影像、地形或矢量数据，形成一个分布式水利大数据应用管理平台，所有底层架构均为自主设计和开发，在功能拓展方面拥有诸多可能性，具有集成BIM技术或其它任意功能的先天性优势。
2.2 实施路径
采用理论研究与技术实践相结合，技术研究与产品研发相结合的方式。主要技术路线如图1所示。
图1 技术路线图
首先在已有技术的基础上，结合GIS与BIM技术的应用特点，研究分析GIS与BIM之间的相似与不同之处，进而提出GIS+BIM融合的技术解决方案，实现宏观地理信息和微观建筑信息的一体化管理。
根据主流BIM软件的设计理念、软件功能以及相关开发文档，进行BIM一键导入模块研发与测试。
通过研究对象实例化、遮挡剔除、动态批处理等BIM轻量化技术，提高BIM的渲染性能，并基于云河地球高效的海量数据调度模块，设计实现一种基于数字地球的高性能BIM数据管理架构。
通过对BIM模型智能生成贴图坐标，使其能够添加纹理贴图，并且可以设置透明度、反光度、凹凸贴图等高级材质参数，实现BIM模型的材质编辑功能，从而使BIM模型具有逼真的渲染效果。
最后将上述导入、编辑、加载功能融入云河数字地球平台，成为云河地球的核心功能之一，满足实际应用需求。
3 基于云河地球的GIS+BIM研究
3.1 BIM数据结构解译与管理
根据Revit、CATIA等主流BIM软件的设计理念、软件功能以及相关开发文档，对其数据存储格式进行解析，由平台自动实现相关数据标准的转换，从而隐藏不同BIM产品之间在概念、逻辑、规范上的差异。
3.1.1 Revit格式解译
Revit具体格式信息官方没有公开，通过逆向分析二进制编码规则获取格式信息。.rvt是一个OLE（Object Linking and Embedding）格式的复合文档，包含以下内容，结构如图2所示：
ProjectInformation zip压缩的xml文档；
TransmissionData xml文档，记录外部链接文件；
RevitPreview4.0 png图片
BasicFileInfo txt文本
Contents
Formats/Latest
图2 Revit文件rvt格式基础结构
3.1.2 3dxml文件解译
3DXML为ZIP压缩包，编码格式具有官方规范，具体内容与示意如图3所示
图3 3DXML文件格式解译示意与程序解译
经研究，分析出了Revit、CATIA等主流BIM软件的核心设计思路，对其数据存储格式进行解析，实现从BIM软件数据到云河地球BIM数据的一键式自动转换，可以一键式导入rvt（Revit项目文件）、rfa（Revit族文件）、CATProduct（CATIA产品文件）、CATPart（CATIA零件文件）等格式。
3.1.3 结构树管理
开展BIM模型的树形结构管理研究，能够完整显示BIM数据的内部组织结构，按要素或按类别进行显示和隐藏，与此同时，实现BIM的属性管理技术研究，研究读取BIM模型各部件的属性信息，例如类型、材料、颜色、用途、费用、计划建设周期等，构建属性数据库，对属性信息进行规范管理，便于进行属性查询，实现BIM模型的精细化管理，示例结果与如4所示。
图4 结构树解译成果
3.2 算法研究
3.2.1 一键式导入算法
根据各BIM软件的数据文件结构，实现相关数据格式的转换，将Revit、CATIA等主流BIM软件的数据转换为云河地球统一的内部格式，从而消除不同BIM产品之间在概念、逻辑、规范上的差异，与云河地球平台GIS环境有机融合，实现从导入-数据转换-解译-展示的算法研究，如图5所示。
图5 云河地球编辑器中的BIM导入-数据转换-解译-展示
3.2.2 BIM轻量化算法研究
研究开发对象实例化、遮挡剔除、动态批处理、多细节层次等BIM轻量化技术，采用几何转换、分层调度、渲染优化等思路尽可能缩小BIM模型的体量，降低BIM的系统资源占用，使其能够在Web、移动端等各种低性能环境下流畅运行。
3.2.3 BIM高性能调度算法研究
进行BIM高性能调度算法研究，基于云河地球高效的海量数据调度模块，采用分块分级相结合的流式渲染技术优化模型调度，设计实现一种基于数字地球的高性能BIM数据管理架构。
3.3 BIM材质研究
3.3.1 BIM材质定义
基于物理渲染PBR（Physically Based Rendering）的材质定义方案，实现BIM的真实感渲染，主要参考Fliament的光照模型，它是在参考主流引擎的基础上进行设计的，对Unity、Unreal、Substance Designer 、Marmoset Toolbag等引擎都具有良好的兼容性，有助于平台对主流引擎的互操作。通过定义材质的纹理、透明度、光滑度、法线、高光等一系列属性来模拟真实世界的光照物理模型，达到更真实的渲染效果，可以通过修改物理参数来直观地调节渲染效果。
3.3.2 BIM材质转换算法
进行BIM模型的材质转换算法研究，针对Revit、CATIA等不同软件的材质定义方式，设计一套标准的材质转换标准与流程，实现不同BIM软件到云河地球平台渲染材质的自动转换，最终将BIM模型的材质转换算法集成至云河地球平台，实现BIM材质的自动转换。同时，优化平台的光照模型，针对BIM材质设计进行渲染优化。
3.3.3 BIM材质编辑
进行BIM模型的材质编辑功能设计研究，通过对BIM模型智能生成贴图坐标，使其能够添加纹理贴图，设计实现BIM模型的材质编辑功能，通过可视化的方式编辑BIM材质的纹理、透明度、光滑度、法线、高光等属性，功能如图6所示。
图6 BIM材质编辑
3.4 图像序列时空数据管理
云河地球的四维时空数据管理，在系统中创建时间控制组件，对场景时间进行动态控制，进而驱动时空动态数据随时间动态变化，实现数字孪生场景的时空数据可视化表现；时间控制组件支持自动播放、暂停、快放、慢放等功能。
与此同时，开展已有时空数据的标准化管理研究，将洪水演进三维仿真由二次开发功能集成为平台功能，实现洪水演进模型的标准化管理，支持真实水面、流向示意图、最大淹没水深、洪水到达时间、淹没历时、最大流速等多种渲染模式，功能如图7所示。
图7 左：基于网格模型的洪水演进模型展示；右：基于材质的洪水演进模型
4 结语
本文立足于云河地球的研发基础，提出了基于云河地球的GIS+BIM融合技术，并在部分工程里开展相关的实际应用。
本文所研究的融合技术，采用底层解译与研发的方式，将多格式的BIM数据进行解译，可解译出结构树、属性等多类别信息，针对不同类型、格式的BIM数据，采用统一的导入方式进行数据的导入，并对融合后的数据模型进行轻量化处理。在轻量化处理后，采用基于物理的材质设计方案，研发了BIM材质转换算法，使得云河地球可以解译多类别BIM模型的材质信息，并实现材质的可视化编辑功能，最终完成GIS+BIM场景的打造。基于平台的时空数据管理功能，实现了BIM的全生命周期管理。
基于云河地球的GIS+BIM研究，是实现数字孪生环境下进行工程规划、设计、施工进度、运营维护等全生命周期管理的重要基础，为云河地球数字孪生平台的进一步扩展研发提供核心支撑。