圍繞二者的融合問題，國內外學者和組織開展了大量研究工作，其中OGC 開展了CAD/GIS /BIM 三種技術的集成嘗試。在全球范圍內，荷蘭、德國、韓國等歐亞國家在GIS 和BIM 融合方面做了大量工作，已成為該領域研究的前沿。到目前為止，GIS 與BIM 融合研究主要圍繞CityGML 和IFC 兩個標準開展，包括數據格式轉換和標準擴展兩個方面。

1.1 基于數據格式的GIS 與BIM 融合( 從BIM到GIS)

數據格式轉換是目前主流的GIS 與BIM 融合方式，數據格式的轉化研究絕大部分集中在從IFC 向CityGML的轉換，也有部分研究側重于CityGML 向IFC 的轉換。從BIM 數據到GIS 數據轉換是精細化數據進行粗化處理的過程。數據格式的轉換包括幾何和語義兩個方面，且均已開展了大量研究工作。

1) 多層次幾何信息提取和轉換

數據格式轉換最初只關注幾何信息的轉換，將IFC 格式的數據轉化為CityGML 格式，并在GIS 環境中進行顯示。針對IFC 和CityGML 的實體轉換規則，IFC 向CityGML 的自動轉換是主要方式，通過設計轉換規則為CityGML 的每個層次定義不同的IFC 實體轉化規則。除了CityGML 標準外，GML 標準也是IFC 標準轉換的方向，基于坐標變換實現了部分BIM 數據在GIS 環境中的可視化表達。針對CityGML 與IFC 之間的數據格式轉換，市場上已有一些軟件平臺提供支持，如IFCExplorer、BIMServer、FME 等均可實現IFC 向CityGML 的自動轉換。Autodesk Revit 和ArcGIS 等商業軟件已實現BIM 和GIS數據的轉化和同平臺顯示。目前，GIS 與BIM 融合研究的成果主要集中在BIM 數據在GIS 環境中的可視化表達，并進行一些簡單的基于空間信息的查詢檢索。數據格式轉化會出現幾何和語義信息的丟失，同時會出現數據量增加的情況。

2) 語義信息的映射

除了單純的幾何信息轉換外，語義信息的映射也是GIS 與BIM 融合的重要內容。單純的數據格式轉換并沒有實現GIS 與BIM 的融合，利用CityGML 和IFC 標準的結合形成新的數據模型，實現BIM 數據和GIS 數據的同平臺應用。CityGML 與IFC 之間存在交集，在IFC 的900 多個實體中有60—70 個可以在語義上直接與CityGML 匹配。在CityGML 與IFC 之間的數據格式轉換過程中，數據信息丟失基本是不可避免的。究其原因可以歸納為以下兩個方面: 一是幾何表達形式的差異， IFC 中有邊界描述、拉伸或旋轉形成的掃描體、構造實體幾何等3 種表達形式，而CityGML 僅有邊界描述一種幾何表達形式，在IFC 轉化為CityGML 后，利用拉伸或旋轉形成的掃描體和構造實體幾何方法表達的幾何信息只能用邊界描述方法表達，需要大量的坐標數據來表達多個面片信息，這必然會造成幾何信息的丟失和數據量的增加; 另一方面是對象語義的差異，由于IFC 和CityGML 對空間對象的表達和理解是不同的，也沒有相關的對象語義標準化研究工作，因此，在IFC 向CityGML 轉化的過程中，語義信息的丟失也是不可避免的。

CityGML 與IFC 之間數據格式轉換研究，主要集中在兩個標準融合方法的探討方面，實際應用的方向性并不強，不是針對特定的問題需求開展研究工作。從已有研究來看，CityGML 與IFC 之間數據格式轉換基本已達到瓶頸，數據轉換過程中的信息丟失基本是不可避免的，近期在CityGML 與IFC 之間的數據格式轉換研究方面取得突破性進展的可能性不大。

1.2 基于標準擴展的GIS 與BIM 融合

開展CityGML 和IFC 標準的擴展研究，在此基礎上形成新的數據交換標準，也是GIS 與BIM 融合研究的重要方向。該部分的研究工作大致分為兩部分: 一部分是以IFC 和CityGML 標準的并集操作為主的新數據模型建立;另一部分是基于CityGML ADE( Application Domain Extension)擴展機制的標準融合，CityGML 擴展相應的實體類型支持IFC 的實體構件。

1) IFC 和CityGML 結合形成新的數據模型。城市信息模型( City Information Model，CIM) 是其中一個比較有代表性的案例，將城市設施、建筑、交通、設備與管道和水體等信息通過模型進行表達， IFC 和CityGML 將各自定義的實體分別按照相應專題數據進行再分類，分類后的IFC和CityGML 進行集成形成新的數據模型。除了大尺度的城市模型外，室內信息模型也是一類重要的數據模型。室內信息模型可以用于室內精確定位、室內導航、室內外聯合火災逃生等方面。室內信息模型包含室內建筑信息、室內實時信息和室外信息等，對數據的準確性、實時性、敏感性等有較高要求。類似的新數據模型還有統一建筑模型( UBM) 、城市信息模型( UIM) 、校園信息模型( CIM) 等，本質上都是IFC 和CityGML 的并交集運算。

本文對相關文獻進行了整理，對于類似的幾類數據模型進行了比較( 見表2 ) ，這些數據模型與IFC 和CityGML 相比并沒有本質區別，都是兩個標準之間的交并集簡單運算，只是應用的側重點有所不同。

由表2 可知，以上信息模型最大特點在于IFC 與CityGML 的物理集成，并不進行數據格式的轉換，主要的應用方向是城市管理。這些信息模型重點不在于實現CityGML 和IFC 之間的數據格式轉換，而是在應用時抽取相應的CityGML 和IFC 信息，有效規避了數據轉換中的信息丟失問題，同時針對具體應用需求解決實際問題。

2) 基于CityGML ADE 擴展實現融合。CityGML 作為一個“開放的”城市三維模型建模標準，提供了基于Application Domain Extension ( ADE) 的擴展機制，可以從底層實現對CityGML 的擴展。目前，也有大量研究通過對CityGML 標準進行ADE 擴展，實現與IFC 標準的融合。這一融合方式的原理是根據IFC 實體的定義和分類方式，針對特定的應用需求對CityGML 進行ADE 機制的擴展，將特定的IFC 實體分類和定義結果融入CityGML 中，這一方面典型的研究成果當屬GeoBIM。除了理論層面的研究外，還有研究針對CityGML 和IFC 的具體應用領域進行擴展。

針對CityGML 和IFC 標準的擴展，大致有3 種擴展方式。一是底層開發，定義新的實體類型和屬性，也就是對Schema 文件進行修改。上述的CityGML ADE 機制擴展就屬于該種方式， IFC 標準也支持類似的擴展方式。這種方式的特點是可以準確、完整地表達待擴展信息，但需要對底層的Schema 文件進行修改，工作量大，且需要研發特定的平臺來支持擴展結果的可視化。二是基于通用類的擴展，CityGML 和IFC 都提供相應的擴展機制，分別基于Generic和Proxy 方式實現，該方式的特點是不用修改底層的Schema 文件，直接對CityGML 和IFC 的實例進行修改，但該類擴展的問題在于沒有對待擴展內容進行定義而造成語義歧義。三是通過引用外部分類的方式進行擴展，CityGML 可以通過自身的link 功能，通過UUID 調用IFC中定義的實體，也可以通過URL 調用待擴展實體的分類結果，既可以實現對實體的擴展，還可以獲得相應的屬性信息，這種方式的不足之處同樣是語義信息不一致。

1.3 基于本體的GIS 與BIM 融合

本體最初是哲學領域的概念，后來被引入人工智能和信息科學領域，隨后在地理信息領域也得到了廣泛的應用。本體建設的目標是形成人與計算機對結構化信息的共同理解，實現語義一致性基礎上的人機交互。CityGML 和IFC 標準在用戶、應用目的等方面存在差異，對同一實體在語義、時空表達、數據存儲、信息模型等方面的理解不一致。因此，以本體論為基礎構建適合CityGML 和IFC 標準的本體系統，消除不同標準對同一實體的語義理解偏差，是基于本體論實現GIS 和BIM 融合的關鍵，也是未來GIS 和BIM 融合研究的重要方向。CityGML 和IFC 都是復雜的本體系統，包含大量的空間對象和屬性信息，CityGML 和IFC 標準之間的本體信息匹配則是建立本體系統的基礎。根據語義信息特點將CityGML 和IFC 的語義信息進行分類，并基于統一資源標識符、WordNet 詞典等工具實現語義信息匹配是其中的基本方法[23]。除了簡單的語義信息匹配外，創建新的本體數據模型，定義新的語義信息，并根據語義信息的特點劃分不同的層次，實現語義信息的分類管理。在語義信息集成的基礎上，將空間結構要素和拓撲關系要素引入數據模型中，豐富本體信息的表達維度，有效增強CityGML和IFC 標準之間的本體信息的區分度。

雖然本體技術在地理信息領域已有廣泛應用，但作為GIS 和BIM 融合的新方法，其在CityGML 和IFC 標準融合研究中的應用還很有限，還存在一些技術問題需要解決，例如CityGML 和IFC 之間語義信息的映射，RDF、SPARQL、URIs 等相關技術的應用，本體系統分類架構研究等，都是本體理論在GIS 和BIM 融合中所要面對的基礎技術問題。

2 GIS 與BIM 的集成應用

相比于GIS 與BIM 融合的理論方法研究，GIS 與BIM在集成應用方面研究成果相對較多。GIS 與BIM 的集成應用往往是針對特定的應用領域，以實際問題為出發點，充分發揮GIS 和BIM 技術的優勢，二者相互配合共同解決實際問題。GIS 和BIM 的集成應用成果大致可以劃分為以下4 類。

1) 規劃設計中的GIS 與BIM 集成應用

GIS 和BIM 技術在規劃設計中的應用是最多的，也是最成熟的。BIM 技術優勢在于建筑的精細化模型創建，將設計成果進行可視化表達，在工程項目建設中實現建設成果的前置。GIS 的作用在于大場景地理信息的管理和分析，BIM 技術主要是依托模型進行一些諸如日照分析、陰影分析、視域分析等詳細的性能分析，評價規劃設計的合理性，達到改善和優化設計方案的目的。到目前為止，GIS 和BIM 技術已在軌道交通、公路交通、單體建筑、校園景觀等方面的規劃設計工作中得到應用。

鐵路勘察設計是GIS 和BIM 結合應用的重要方向，BIM 技術用于工程的模型設計和性能分析，GIS 數據提供大尺度的地理信息數據輔助線路設計，實現工點設計結果的整體表達。GIS 和BIM 技術不僅在軌道交通設計方面得到應用，在公路交通設計中也發揮了重要作用。BIM 技術主要用于一些交通設施實體的可視化表達，GIS 則用于大場景的交通流量分析，對高層建筑周邊交通狀況進行模擬和分析，合理規劃建筑周邊的停車、人行道、信號燈等交通設施的分布。針對建筑的規劃設計，GIS 和BIM 技術也發揮著重要作用。這類研究的特點是將建筑模型放置到GIS 環境中，利用GIS 中的地形和周邊地物信息，對建筑在特定時間的日照情況以及在建筑中特定位置所能看到的室外視域進行分析。在建筑選址、環境分析的基礎上，GIS 和BIM 技術在建筑節能、節水等綠色理念的實現上也發揮著重要作用。

在規劃設計中，GIS 和BIM 的分工是十分明確的。GIS 的應用重點是規劃，對大場景信息的管理和分析，從宏觀的角度對工程的空間分布進行定義。BIM 的應用重點是設計，在GIS 的大場景規劃完成后，BIM 技術對局部的工點工程進行詳細設計，并在GIS 的大環境中進行展現，以及進行一些基于地理信息的空間分析。

2) 工程建設管理中的GIS 與BIM 集成應用

BIM 技術本身是以三維模型為信息載體，以可視化和參數化為核心功能，集成了建筑工程項目各種相關信息，是工程項目建設管理的數據基礎。文中結合GIS 大場景地理信息管理的優勢，實現了工程建設從微觀到宏觀的多尺度精細化管理。在施工階段，GIS 和BIM 技術可以用于建筑供應鏈管理，從工程項目的整體角度對工程建設所需材料進行調度、跟蹤和管理，結合射頻識別( RFID) 、GPS、物聯網等多種技術，實現在GIS 的大環境下對建筑材料供應的可視化管理。不僅是施工建設階段應用，涵蓋規劃、設計、施工、竣工驗收、運營維護等全生命周期的GIS 與BIM 結合應用也已有相關成果。

總的來說，GIS 和BIM 的結合在工程項目管理中的應用還處于理論探索階段，特別是在施工和運維階段。GIS在工程項目管理中的作用更多的還是宏觀層面，大尺度的地理信息、經濟社會信息的管理和分析，真正的工程項目精細化管理還是依靠BIM 技術。在工程項目管理中，設計模型順利向施工階段沿用至關重要。因此，在充分考慮GIS 應用的基礎上，制定基于施工和運維階段實際需求的數據標準，是保障GIS 與BIM 技術在工程項目全生命周期發揮管理作用的基礎。

3) 市政設施管理中的GIS 與BIM 集成應用

市政設施是城市內各種具有基礎服務功能的建筑物、構筑物、設備等的總稱，是城市正常運轉的重要保障。以GIS 和BIM 為核心的信息化管理手段，可以優化傳統市政設施的管理方式，顯著提高市政設施的管理效率。目前，GIS 和BIM 技術已在電力、供水、道路、公共資產等多個方面的管理中得到應用。

管線是市政設施的重要組成部分，水暖電系統( MEP) 管理又是其中的重點，也是GIS 和BIM 技術應用的重點。將IFC 格式表達的電纜和管道數據轉化為CityGML 格式，并在GIS 環境中進行管理。在前面研究的基礎上，利用CityGML 的ADE 擴展機制對相應管線的IFC 實體信息進行擴展，并以BIM 數據存儲的管網信息在GIS 環境中的管理。市政設施的另一個重要組成部分就是城市建筑物和構筑物。一些城市模型概念的提出，集成了部分GIS 與BIM 數據，實現了城市建筑物和構筑物的全生命周期管理。除了城市尺度的市政設施管理外，建立一套覆蓋國家、區域、城市、社區、建筑等不同尺度的數字化建筑資產管理系統有重要的實際應用價值。除了具體的管理工作外，城市道路路徑規劃、建筑能耗評估等也是GIS 和BIM 結合應用的重要內容。

市政設施管理分為多個尺度，建筑尺度的電力、供水等市政設施管理以BIM 技術為主，社區、城市、區域、國家等尺度的市政設施管理依靠GIS 實現。GIS 與BIM 融合是多尺度市政設施管理的現實需求，對市政設施的合理、高效、科學管理具有重要的現實意義。

4) 火災應急處理中的GIS 與BIM 集成應用

隨著BIM 技術的興起，在城市火災應急管理中，管理者的需求不再局限于利用GIS 進行簡單的室外路徑規劃，對建筑內部的結構、資源分布、建筑內路線規劃等都提出了新的要求。GIS 和BIM 技術的集成應用確實能在火災響應時間、火災精細化處理、人員應急疏散等方面提供技術支持，國內外學者在這方面也做了大量研究工作。

相關的研究工作主要集中在理論探討和不同情景的模擬演練方面。在火災應急方面集成應用上，BIM 數據轉化為GIS 數據，并在GIS 環境中進行消防救援路徑規劃。利用GIS 與BIM 融合形成的數據模型，在GIS 環境中對室內的逃生路線和城市內的救援路線進行規劃。除了靜態規劃外，以建筑信息模型中的樓道信息為鏈，以具體的房屋為節點，形成建筑內部的幾何網絡模型，對火災發生一定時間內煙霧和火勢的擴展情況進行動態模擬，并對室內的逃生路徑進行動態規劃。在室內規劃的基礎上，建立室內外聯合應急空間模型，為多種情景下的室內外聯合路徑規劃和應急救災提供技術支持。

總的來看，這些研究工作基本都是將IFC 和CityGML進行集成形成新的數據模型， IFC 用于室內的信息管理和路徑規劃，CityGML 用于室外的路徑規劃和資源管理，最終形成室內外的聯合應急響應。對消防員來說主要作用是規劃合理的救援路線，快速定位建筑內樓梯、消防栓等救援設施的空間位置，減少應急響應時間。對室內人員來說主要是根據室內的火情變化實時規劃科學、合理的逃生路徑，增加逃生概率。針對未來GIS 和BIM 技術在城市消防中的應用，可以考慮在建筑內借助傳感器，使用物聯網、室內導航等新技術，提高火災應急響應能力。

3 結束語

GIS 與BIM 融合具有廣泛的應用價值，是城市精細化、智慧化管理的基礎。現有研究已實現GIS 與BIM 數據的初步融合，并在城市管理、工程規劃、應急預案等方面嘗試應用，并取得了一定的成果。

在GIS 與BIM 融合方法研究方面，當前研究重點集中在幾何信息和語義信息兩個維度的融合上。在幾何信息融合方面，主要通過CityGML 與IFC 的幾何信息轉化實現，且主要是從IFC 向CityGML 方向，也有部分研究實現CityGML 向IFC 的轉換。幾何信息層面的融合基本能夠實現BIM 數據與GIS 數據的同平臺表達，但存在信息丟失。在語義信息融合方面， IFC 標準和CityGML 標準的大部分專項內容能夠建立映射關系，形成統一的語義表達，但也有部分專項內容無法建立語義映射，導致語義歧義的產生。IFC 標準的語義表達內容主要是墻、梁、柱、板、門、窗等建筑實體構件，而CityGML 標準表達的則是城市范圍內的地物語義信息，如綠地、水體、道路、建筑等相對大尺度的語義信息。這就造成了IFC 與CityGML 數據在語義層面不對等的情況，這也是兩個標準融合過程中語義信息丟失的主要原因。雖然GIS 與BIM 數據融合取得了階段成果，能夠實現兩類數據之間相互轉化和同平臺展現，但融合過程中會產生幾何信息和語義信息丟失。

在GIS 和BIM 的集成應用方面，工程項目的規劃設計、工程項目的建設管理、市政設施管理、城市火災應急處理等方面都已有部分研究成果。通過GIS 和BIM 的集成應用，工程項目勘察設計、建設過程管理、材料跟蹤等方面的管理質量和效率得到了明顯的提升，為市政設計管理、火災應急處理等也提供了新的手段和方法。相對于傳統方法，GIS 和BIM 的集成應用可以極大地提升管理效率，節約人力、財力成本。結合物聯網、傳感器等技術的應用，更可以提供動態、實時的解決方案。

雖然GIS 與BIM 在融合方法和集成應用方面取得了一定的成果，但GIS 與BIM 融合整體上還處于起步階段，需要面對幾何信息丟失、語義信息丟失、應用范圍拓展等諸多問題。針對GIS 與BIM 融合研究現狀，以下幾點可能是下一階段研究的重點:

1) 針對幾何信息丟失問題，可以開展BIM 模型的多分辨率層次模型創建研究。利用輕量化模型實現不同比例尺細節下的信息表達，與CityGML 不同LOD 層級的可視化模型進行對接，是解決IFC 向CityGML 轉化過程中幾何信息丟失的一種潛在方法。另外，可以開展CityGML向IFC 轉化的探索研究，實現CityGML 與IFC 在幾何信息方面的相互轉化，減少轉化過程中幾何信息的丟失。

2) 針對融合過程中語義信息丟失，本體論是可行的解決方法，利用本體來規范IFC 和CityGML 中構件信息的唯一性，避免融合中產生專項信息歧義。因此，從IFC 與CityGML 融合的角度出發，開展城市建筑信息本體分類方法研究，并建立相應的本體系統，是未來研究的一個重要方向，最終利用語義網技術實現IFC 與CityGML 在語義方面的相互識別和融合。

3) 未來GIS 與BIM 集成應用的領域應該還是主要集中在工程項目的建設和管理、城市設施管理、城市公共安全( 大型活動安保、突發事件處理、火災應急救援、室內導航等) 等方面，但是應該在現有基礎上進行深化。未來GIS 與BIM 集成應用還可以與物聯網等先進技術結合，物聯網可以提供建筑內外的一些實時監測信息，借助GIS、BIM 以及物聯網技術的集成應用，相關管理工作在精確性、時效性等方面將得到極大的提高。

4) 發展新型數據模型，建立多維度的信息表達方式，優化信息表達形式，兼顧幾何實體表達和面向具體應用的語義知識表達需要，很可能是未來GIS 與BIM 融合的有效解決途徑。

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