CN105931294B - 一种将bim实体模型转换为多细节层次gis标准化模型的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地理空间信息系统技术领域，公开了一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法。通过所述将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，不但实现了从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的自动转换，可以便于计算机执行两者之间的几何语义信息互操作，还实现了IFC格式与CityGML格式之间的完整转换及映射，提高了转换质量。此外，所述转换方法还具有转换速度更快和转换准确率高的优点，便于实际推广和应用。
Description
技术领域
本发明涉及地理空间信息系统技术领域，具体地，涉及一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法。
背景技术
随着城市建设和管理日益复杂，其在精细化、规范化及科学化等方面提出了更高的要求，在工程技术和科学研究上面临来自不同领域的挑战，依靠单一的技术手段已经难以满足现有的需求。多领域信息交换，信息共享及协同工作将成为智慧城市发展建设的重要推动力。建筑信息建模(Building Information Modeling，BIM)为建筑/工程/结构行业(Architecture,Engineering and Construction，AEC)最具有发展前景的技术之一。通过BIM技术手段，可将现实世界中的建筑物以精确的数字化虚拟建筑模型的形式呈现出来，其中包括几何、物理、规则等丰富的建筑空间和语义信息，可实现对建造工程全生命周期的数字化管理。而三维地理信息系统(3D Geographic Information System或3D Geo－Information system，3D GIS)则是基于空间数据库技术，面向从微观到宏观的海量三维地理空间数据的存储、管理和可视化分析应用，支持大范围的空间数据集，从而可以用于支撑对大规模工程的协同分析和共享应用。
若将建筑信息建模技术与三维地理信息系统进行集成,一方面可使原有的三维模型得到极大地重用，大量高精度的BIM模型可作为3D GIS(下文简称为GIS)的重要数据来源，同时另一方面可深化多领域的协同应用，为建造分析、城市规划、公共安全、室内逃生等各种应用带来强大的潜力及技术支持。然而由于在系统设计初期，BIM和GIS面向的是不同领域的应用，因此两者采用了截然不同的数据标准和技术，在几何表达及语义描述上具有重大差别，实现两者标准数据几何语义信息互操作成为BIM与GIS集成的首要任务。因此实现从BIM实体模型到多层次细节的GIS标准化模型的自动转换是一项非常重要的技术。
IFC(Industry Foundation Classes,建筑业国际工业标准)和CityGML(CityGeography Markup Language,城市地理学标记语言)分别作为BIM领域和GIS领域最为通用的数据模型标准，前者具有面向设计和分析应用的多种几何表达方式和丰富的建筑构造、设施语义信息；而后者更加强调空间对象的多尺度表达，以及空间对象的几何、拓扑和语义的表达的一致性。
目前，实现从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的自动转换方法主要有如下两种。
一是BIM实体模型到CityGML模型的转换方法：即建立IFC模型到CityGML之间的几何转换及语义映射关系，通过建立IFC模型到不同LOD(Levels of Detail，多细节层次)层次的CityGML的映射表格，重新对CityGML中的每个LOD层次提出一种映射方法。但大部分研究都在理论阶段，未用IFC实际模型进行验证，同时由于不同领域在空间对象的表达和理解上差异，并且对象语义的标准化尚待进一步研究，因此目前数据模型的融合还难以实现，并且也未得到不同领域的认同。
二是现有数据格式的集成：有人提供了一种格式转换工具，以实现IFC格式模型到CityGML格式LOD1模型的自动转换。此外，虽然IFCExplorer、BIMServer和FeatureManipulation Engine(FME)等软件产品也开发了将IFC模型转换到多种层次的CityGML模型的功能，但是其都只提取了建筑室内全部信息，未考虑按楼层、房间对室内要素信息进行筛选分类，难以实现IFC格式与CityGML格式之间的完整转换及映射。
发明内容
针对上述目前在实现从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的自动转换中难以实现的问题，本发明提供了一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，不但实现了从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的自动转换，可以便于计算机执行两者之间的几何语义信息互操作，还实现了IFC格式与CityGML格式之间的完整转换及映射，提高了转换质量。此外，所述转换方法还具有转换速度更快和转换准确率高的优点，便于实际推广和应用。
本发明采用的技术方案,提供了一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，包括如下步骤：S101.解析BIM实体模型的IFC格式文件，获取各个对象实体的IFC几何信息和IFC语义信息，并剔除缺乏IFC几何信息的对象实体；S102.确定在多细节层次GIS标准化模型中LOD层次转换所需的目标实体类型，并根据所述目标实体类型筛选出对应LOD层次转换所需的目标对象实体；S103.遍历所述目标对象实体的IFC几何信息，并根据对象实体间的相对位置关系得到基于同一笛卡尔坐标系的IFC简化模型；S104.根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换，得到与LOD层次对应的CityGML几何信息；S105.根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC语义信息/和IFC几何信息进行语义映射，得到与LOD层次对应的CityGML语义信息；S106.将与LOD层次对应的CityGML几何信息和CityGML语义信息按照对应的CityGML标准格式进行输出，得到与所述BIM实体模型对应的多细节层次GIS标准化模型。
具体的，在所述确定在多细节层次GIS标准化模型中LOD层次转换所需的目标实体类型的步骤中包括如下步骤：根据LOD1层次的几何及语义特征，确定LOD1层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型和墙体实体类型；和/或，根据LOD2层次的几何及语义特征，确定LOD2层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型，楼梯实体类型和栏杆实体类型；和/或，根据LOD3层次的几何及语义特征，确定LOD3层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型和窗实体类型；和/或，根据LOD4层次的几何及语义特征，确定LOD4层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型。
进一步具体的，在确定LOD1层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型和墙体实体类型的情况下，或者在确定LOD2层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型，楼梯实体类型和栏杆实体类型的情况下，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中包括如下步骤：S201.将在所述IFC简化模型中的各个楼板实体和墙体实体按照不同的楼层投影到XY平面中，得到各个楼层对应的二维多边形；S202.针对各个楼层，对同层的所述二维多边形进行二维布尔运算，合并同层二维多边形，并移除处于所述二维多边形内部的几何元素，得到对应楼层的二维外轮廓；S203.按照各个楼层的高度将对应楼层的所述二维外轮廓拉伸为三维实体，获取与LOD层次对应的CityGML几何信息。
进一步具体的，在确定LOD3层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型和窗实体类型的情况下，或者在确定LOD4层次转换所需的构件要素类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型的情况下，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中包括如下步骤：S301.对在所述IFC简化模型中的各个对象实体进行三维布尔运算，合并三维几何表达，若三维几何表达合并成功，则移除处于所述IFC简化模型内部的几何元素，得到外壳几何信息，然后执行步骤S303，若三维几何表达合并失败，则执行步骤S302；S302.采用形态学的膨胀及腐蚀方法得到外壳几何信息，然后执行步骤S303；S303.从在所述IFC简化模型中的门实体和/或窗实体的IFC几何信息中提取对应洞口实体的IFC几何信息，然后对所述洞口实体的IFC几何信息与所述外壳几何信息进行整合，获取与LOD层次对应的CityGML几何信息。
详细的，在所述采用形态学的膨胀及腐蚀方法得到外壳几何信息的步骤中包括如下步骤：S401.设定在膨胀算法中所需体结构元素的大小；S402.根据所述体结构元素的大小运行膨胀算法，对在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行膨胀运算，得到膨胀几何表达；S403.剔除处于所述膨胀几何表达内部的几何元素，得到膨胀几何表达外壳；S404.根据所述体结构元素的大小运行腐蚀算法，对所述膨胀几何表达外壳进行腐蚀运算，得到所述外壳几何信息。
详细的，在确定LOD4层次转换所需的构件要素类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型的情况下，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中还包括如下步骤：S304.从在所述IFC简化模型中的家具实体的IFC几何信息中获取室内装饰几何信息，从在所述IFC简化模型中的空间实体的IFC几何信息中获取室内房间几何信息；S305.将所述室内装饰几何信息和所述室内房间几何信息整合在所述CityGML几何信息中。
进一步详细的，在所述从在所述IFC简化模型中的空间实体的IFC几何信息中获取室内房间几何信息的步骤中包括如下步骤：S501.从所述空间实体的IFC几何信息中提取各个面片的IFC几何信息，进而从各个面片的IFC几何信息中获取所述室内房间几何信息；S502.根据所述空间实体的IFC几何信息查找到与所述空间实体相关联的室内门实体和/或室内窗实体，然后从所述室内门实体和/或所述室内窗实体的IFC几何信息中提取对应室内洞口实体的IFC几何信息；S503.将所述室内洞口实体的IFC几何信息整合在所述室内房间几何信息中。
具体的，在所述根据所述目标实体类型筛选出对应LOD层次转换所需的目标对象实体的步骤中包括如下步骤：遍历各个对象实体，若对象实体的IFC语义信息指示的实体类型与所述目标实体类型匹配，则该对象实体即为对应LOD层次转换所需的目标对象实体。
具体的，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射的步骤中包括如下步骤：S601.获取与LOD层次对应的且在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息；S602.针对各个对象实体，根据对应的IFC几何信息计算几何法线，并确定所述几何法线的朝向；S603.针对各个对象实体，根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射，转译得到对应CityGML特征的CityGML语义信息；S604.对所有CityGML特征的CityGML语义信息进行整合，得到与LOD层次对应的CityGML语义信息。
进一步具体的，在所述根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射的步骤中，按照表1所述的IFC对象与CityGML特征关于语义信息映射的映射表进行语义映射：
表1IFC对象与CityGML特征关于语义信息映射的映射表
在表1中，打勾符号“√”表示对应LOD层次所涉及到的语义映射。
综上，采用本发明所提供的将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，具有如下有益效果：(1)在对比IFC模型与CityGML模型并总结两者在几何、语义两个层面的异同点的基础上，由于将从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的转换过程分为了几何转换和语义映射两个阶段，并针对不同的LOD层次进行了相应的转换，因此可以实现从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的自动转换，便于计算机执行两者之间的几何语义信息互操作；(2)可以将从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型之间的转换延伸至LOD4层次，同时由于在转换过程中进行了几何转换及语义映射，实现了IFC格式与CityGML格式之间的完整转换及映射，提高了转换质量；(3)所述转换方法还具有转换速度更快和转换准确率高的优点，便于实际推广和应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法流程图。
图2是本发明提供的对IFC简化模型进行LOD1或LOD2层次的几何转换流程示意图。
图3是本发明提供的对IFC简化模型进行LOD3层次的几何转换流程示意图。
图4是本发明提供的对IFC简化模型进行LOD4层次的几何转换流程示意图。
图5是本发明提供的根据各个对象实体的IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射的流程示意图。
图6是现有在IFC格式中主要IFC对象实体的语义信息结构示意图。
图7是现有在CityGML格式中主要CityGML特征的语义信息结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。
本文中描述的各种技术可以用于但不限于地理空间信息系统技术领域，还可以用于其它类似领域。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B三种情况，本文中术语“/和”是描述另一种关联对象关系，表示可以存在两种关系，例如，A/和B，可以表示：单独存在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”关系。
实施例一
图1示出了本发明提供的将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法流程图，图2示出了本发明提供的对IFC简化模型进行LOD1或LOD2层次的几何转换流程示意图，图3示出了本发明提供的对IFC简化模型进行LOD3层次的几何转换流程示意图，图4示出了本发明提供的对IFC简化模型进行LOD4层次的几何转换流程示意图，图5示出了本发明提供的根据各个对象实体的IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射的流程示意图，图6示出了现有在IFC格式中主要IFC对象实体的语义信息结构示意图，图7示出了现有在CityGML格式中主要CityGML特征的语义信息结构示意图。本实施例提供的所述将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，包括如下步骤。
S101.解析BIM实体模型的IFC格式文件，获取各个对象实体的IFC几何信息和IFC语义信息，并剔除缺乏IFC几何信息的对象实体。
在步骤S101中，由于现行的IFC标准中已经建立了完整的建筑构件模型描述体系，可以描述柱、梁、板、墙、楼梯等结构构件，这些结构构件均派生自IFC标准中的对象实体，因此BIM实体模型的IFC格式文件由大量的对象实体构成，每个实体对象包含有几何表达(即IFC几何信息)、语义信息(即IFC语义信息)、模型外观和表现尺度等任意一种或它们的任意组合，其中，几何表达通常有三种形式：边界描述、扫描体以及构造实体几何，在边界描述中，一个实体由多个边界面片的组合来呈现；扫描体可通过线性的拉升或者旋转拉升形成，拉升的路径用轴和角度来进行定义；构造实体几何可以由多个基础几何体(例如球或立方体等)经过布尔运算生成；语义信息用于对对象实体进行细节描述以及描述不同对象实体间的空间关系。在IFC标准中具体有600多个对建筑实体(对象实体的其中一种下位层次概念)的定义和300多个对建筑类型的定义，因此并非每一个对象实体均具有IFC几何信息，将不具有IFC几何信息的对象实体删除，可以有效减少后续遍历处理的对象实体，提高转换处理速度。
S102.确定在多细节层次GIS标准化模型中LOD层次转换所需的目标实体类型，并根据所述目标实体类型筛选出对应LOD层次转换所需的目标对象实体。
在步骤S102中，由于在多细节层次GIS标准化模型的CityGML格式应用了5个LOD层次来对建筑物、建筑物部件以及建筑物附属设施进行由简到繁的表达，其中，LOD0层次表达了建筑物的地面平面以及屋顶平面；LOD1层次则是简单表达建筑物体量的块状结构；LOD2层次在LOD1层次的基础上加入了对房屋的附属结构和屋顶的描述；LOD3在LOD2的基础上进一步增加了详细的几何外观以及对“开口”的描述；LOD4增加了对室内信息的表达，例如室内楼梯、房间和家具等，具有最详细的几何信息和语义信息。在从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的转换过程中，由于LOD1层次内容最少，可以直接提取外，还可以对LOD1层次、LOD2层次、LOD3层次和LOD4层次中的任意一种或它们的任何组合进行对应LOD层次的转换，因此具体的，在所述确定在多细节层次GIS标准化模型中LOD层次转换所需的目标实体类型的步骤中包括如下步骤：根据LOD1层次的几何及语义特征，确定LOD1层次转换所需的目标实体类型可以但不限于为楼板实体类型和墙体实体类型；和/或，根据LOD2层次的几何及语义特征，确定LOD2层次转换所需的目标实体类型可以但不限于为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型，楼梯实体类型和栏杆实体类型；和/或，根据LOD3层次的几何及语义特征，确定LOD3层次转换所需的目标实体类型可以但不限于为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型和窗实体类型；和/或，根据LOD4层次的几何及语义特征，确定LOD4层次转换所需的目标实体类型可以但不限于为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型。
根据LOD1层次的几何及语义特征，由于其简单表达的是建筑物体量的块状结构，因此所需的水平建筑实体类型是楼板实体类型(IfcSlab类型)，所需的竖直建筑实体类型是墙体实体类型(IfcWall类型)。而根据LOD2层次的几何及语义特征，由于需要精确地对屋顶信息和每个建筑物面片进行语义区分，因此需要在LOD1层次的筛选类型基础上增加针对屋顶实体类型(IfcRoof类型)、梁实体类型(IfcBeam类型)、柱实体类型(IfcColumn类型)、楼梯实体类型(IfcStair类型)和栏杆实体类型(IfcRailing类型)的筛选。而根据LOD3层次的几何及语义特征，需要在LOD2层次的筛选基础上增加针对门实体类型(IfcDoor类型)和窗实体类型(IfcWindow类型)的筛选。而根据LOD4层次的几何级语义特征，由于要增加室内信息(主要体现在室内房间、室内家具、室内装饰信息等)，因此需要在LOD3层次的筛选基础上增加针对空间实体类型(IfcSpace类型)和家具实体类型(Ifc FurnishingElements类型)。
在步骤S102中，具体的，在所述根据所述目标实体类型筛选出对应LOD层次转换所需的目标对象实体的步骤中包括如下步骤：遍历各个对象实体，若对象实体的IFC语义信息指示的实体类型与所述目标实体类型匹配，则该对象实体即为对应LOD层次转换所需的目标对象实体。
S103.遍历所述目标对象实体的IFC几何信息，并根据对象实体间的相对位置关系得到基于同一笛卡尔坐标系的IFC简化模型。
在步骤S103中，需要针对各个对应的LOD层次来遍历筛选得到的目标对象实体，从而得到基于同一笛卡尔坐标系的且可对应LOD层次的几何及语义特征的实体简化模型，亦即IFC简化模型。
S104.根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换，得到与LOD层次对应的CityGML几何信息。
在步骤S104中，由于各个LOD层次所筛选的目标对象实体不一样，因此进行几何转换的方式略有不同，下面将对LOD1～LOD4层次进行的几何转换做分开说明。
如图2所示，针对LOD1层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)和墙体实体(IfcWall)构成，因此在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中包括如下步骤：S201.将在所述IFC简化模型中的各个楼板实体和墙体实体按照不同的楼层投影到XY平面中，得到各个楼层对应的二维多边形；S202.针对各个楼层，对同层的所述二维多边形进行二维布尔运算，合并同层二维多边形，并移除处于所述二维多边形内部的几何元素，得到对应楼层的二维外轮廓；S203.按照各个楼层的高度将对应楼层的所述二维外轮廓拉伸为三维实体，获取与LOD层次对应的CityGML几何信息。其中，所述CityGML几何信息中包含有每个楼层的边界描述(B_Rep)，符合CityGML格式下的几何信息。由于LOD1层次只需简单表达建筑物体量的块状结构，不必表示顶及屋顶的细节，因此只需按照楼层的高度，将与屋顶对接楼层的楼板实体(IfcSlab)拉伸即可，即可完成对LOD1层次对应的几何转换过程。
针对LOD2层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)、墙体实体(IfcWall)、屋顶实体(IfcRoof)、梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)和栏杆实体(Railing)构成，因此在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中包括如下步骤：按照S201至S203的步骤进行几何转换，然后将从屋顶实体的IFC几何中准确获取的屋顶几何信息和将从梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)和栏杆实体(Railing)等实体的IFC几何信息中获取的建筑物外部几何信息整合到所述CityGML几何信息中，即可得到与LOD2层次对应的CityGML几何信息。
针对LOD3层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)、墙体实体(IfcWall)、屋顶实体(IfcRoof)、梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)、栏杆实体(Railing)、门实体(IfcDoor)和窗实体(IfcWindow)构成，由于LOD3层次的CityGML几何信息需要包含门、窗构件的几何信息，因此步骤S201至S203所述的几何转换方法无法在LOD3层次的几何转换中应用，于是本实施例提出了另一种几何转换方法，即在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中包括如下步骤：S301.对在所述IFC简化模型中的各个对象实体进行三维布尔运算，合并三维几何表达，若三维几何表达合并成功，则移除处于所述IFC简化模型内部的几何元素，得到外壳几何信息，然后执行步骤S303，若三维几何表达合并失败，则执行步骤S302；S302.采用形态学的膨胀及腐蚀方法得到外壳几何信息，然后执行步骤S303；S303.从在所述IFC简化模型中的门实体和/或窗实体的IFC几何信息中提取对应洞口实体的IFC几何信息，然后对所述洞口实体的IFC几何信息与所述外壳几何信息进行整合，获取与LOD层次对应的CityGML几何信息。
在步骤S302中，在所述采用形态学的膨胀及腐蚀方法得到外壳几何信息的步骤中包括如下步骤：S401.设定在膨胀算法中所需体结构元素的大小；S402.根据所述体结构元素的大小运行膨胀算法，对在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行膨胀运算，得到膨胀几何表达；S403.剔除处于所述膨胀几何表达内部的几何元素，得到膨胀几何表达外壳；S404.根据所述体结构元素的大小运行腐蚀算法，对所述膨胀几何表达外壳进行腐蚀运算，得到所述外壳几何信息。
在步骤S301至S302以及步骤S401至S404中，需要涉及到多种算法，其可以但不限于采用CGAL(Computational Geometry Algorithms Library，计算几何算法库)库来实现，即采用CGAL库中提供的三维布尔算法、膨胀算法和腐蚀算法，其步骤实现的流程如下：(1)首先解析所述IFC简化模型的IFC格式文件，将解析到的IFC几何信息和IFC语义信息输出为OFF格式文件(对应IFC几何信息)和OFFx格式文件(对应IFC语义信息)；(2)将所述OFF格式文件和所述OFFx格式文件读取到配置有CGAL库的环境中，使用CGAL库中的并集布尔算法(即三维布尔算法)合并所述IFC简化模型的三维几何表达，若三维几何表达合并成功，则移除处于所述三维几何表达中的内部几何元素，得到外壳几何信息，若三维几何表达合并失败，则使用Minkowski Sum算法(一种在CGAL库中实现膨胀及腐蚀运算的现有算法)对所述IFC简化模型进行形态学的膨胀和腐蚀操作，最终得到外壳几何信息。
在步骤S303中，由于所述门实体(IfcDoor)和所述窗实体(IfcWindow)的IFC几何信息会描述门、窗表面的许多细节部分，其信息内容较为复杂，而在CityGML格式标准中只需简单的使用一个面表示门或窗即可，因此在提取门窗的几何信息时必须考虑进行几何简化。由于所述门实体(IfcDoor)和所述窗实体(IfcWindow)的IFC几何信息中均会关联一个处于下位层次状态的洞口实体(IfcOpeningElement)，该洞口实体的IFC几何信息能够对门或窗进行信息量更少的描述，因此可将与所述门实体(IfcDoor)或所述窗实体(IfcWindow)对应的洞口实体(IfcOpeningElement)的IFC几何信息作为符合CityGML标准的门窗几何信息。最后对所述洞口实体(IfcOpeningElement)的IFC几何信息与所述外壳几何信息进行整合，可得到与LOD层次对应的CityGML几何信息。
针对LOD4层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)、墙体实体(IfcWall)、屋顶实体(IfcRoof)、梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)、栏杆实体(Railing)、门实体(IfcDoor)、窗实体(IfcWindow)、空间实体(IfcSpace)和家具实体(IfcBuildingFurniture)构成。由于LOD4层次的CityGML几何信息需要在LOD3的基础上添加室内房间几何信息和室内装饰几何信息，因此在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中还包括如下步骤：S304.从在所述IFC简化模型中的家具实体的IFC几何信息中获取室内装饰几何信息，从在所述IFC简化模型中的空间实体的IFC几何信息中获取室内房间几何信息；S305.将所述室内装饰几何信息和所述室内房间几何信息整合在所述CityGML几何信息中。
在步骤S304中，在所述从在所述IFC简化模型中的空间实体的IFC几何信息中获取室内房间几何信息的步骤中包括如下步骤：S501.从所述空间实体的IFC几何信息中提取各个面片的IFC几何信息，进而从各个面片的IFC几何信息中获取所述室内房间几何信息；S502.根据所述空间实体的IFC几何信息查找到与所述空间实体相关联的室内门实体和/或室内窗实体，然后从所述室内门实体和/或所述室内窗实体的IFC几何信息中提取对应室内洞口实体的IFC几何信息；S503.将所述室内洞口实体的IFC几何信息整合在所述室内房间几何信息中。
在步骤S501中，由于组成空间实体(IfcSpace)的每个面都会关联有不同类型的且处于下一层次状态的对象实体(例如室内门实体、室内窗实体或室内家具实体等)，因此室内房间中内墙面CityGML几何信息(InteriorwallSurface)、天花板CityGML几何信息(CeilingSurface)和地板CityGML几何信息(FloorSurface)可以从这些面对应的IFC几何信息中直接获取。在步骤S502中，由于每个空间实体(IfcSpace)会通过相对空间边界实体(IfcRelSpaceBoundary)关联处于下一层次的多个建筑构件实体(IfcBuildingElement)，例如处于下一层次状态的墙体实体(IfcWall)、墙体主体数据实体(IfcWallStandardcase)、门实体(IfcDoor)、窗实体(IfcWindow)、洞口实体(IfcOpeningElement)和楼板实体(IfcSlab)等，因此通过所述相对空间边界实体(IfcRelSpaceBoundary)的IFC几何信息，可找到与所述空间实体(IfcSpace)相关联的且处于下一次层次状态的室内门实体和/或室内窗实体，再根据这些室内门实体和/或室内窗实体的IFC几何信息中获取对应的室内洞口实体，这些室内洞口实体的IFC几何信息即可作为符合CityGML标准的室内门窗几何信息，最后将所述室内洞口实体的IFC几何信息整合在所述室内房间几何信息中。此外，对于多个空间实体(IfcSpace)公用一个虚拟面的情况，处理方式是将相互关联的空间实体(IfcSpace)合并为一个更大的空间实体，进而得到更大的室内房间几何信息。最后将所有的几何信息进行整合，即可得到与LOD4层次对应的CityGML几何信息。
S105.根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC语义信息/和IFC几何信息进行语义映射，得到与LOD层次对应的CityGML语义信息。
在步骤S105中，可以直接根据IFC语义信息进行语义映射，例如将预定义属性为着陆板(Landing的楼板实体(IfcSlab))的IFC语义信息直接映射为在多细节层次GIS标准化模型中建筑装饰特征的CityGML语义信息；也可以IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射，不同的LOD层次中CityGML特征与IFC对象关于语义信息映射的映射表可以参见表2、表3、表4及表5，例如表3中的楼板实体(IfcSlab)可根据几何法线方向将其IFC语义信息映射为CityGML格式标准中的外楼层面特征CityGML几何信息(OuterFloorSurface)、墙面特征CityGML几何信息(WallSurface)和外天花板面特征CityGML几何信息(OuterCeilingSurface)。
图6示出了现有在IFC格式中主要IFC对象实体的语义信息结构示意图，图7示出了现有在CityGML格式中主要CityGML特征的语义信息结构示意图，因此在步骤S105中，可以根据所述IFC简化模型中各个目标对象实体的IFC语义信息直接进行语义映射，也可以根据所述IFC简化模型中各个目标对象实体的IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射。其中，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射的步骤中包括如下步骤：S601.获取与LOD层次对应的且在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息；S602.针对各个对象实体，根据对应的IFC几何信息计算几何法线，并确定所述几何法线的朝向；S603.针对各个对象实体，根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射，转译得到对应CityGML特征的CityGML语义信息；S604.对所有CityGML特征的CityGML语义信息进行整合，得到与LOD层次对应的CityGML语义信息。
由于各个LOD层次所筛选的目标对象实体不一样，因此进行语义映射的方式略有不同，下面将对LOD1～LOD4层次进行的语义映射做分开说明。
对于LOD1层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)和墙体实体(IfcWall)构成，而LOD1层次的CityGML语义信息包含有墙面特征CityGML语义信息(WallSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterFloorSurface)和外天花板面特征CityGML语义信息(OuterCeilingSurface)等，则在所述根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射的步骤中，按照表2所述的IFC对象与CityGML特征关于语义信息映射的映射表进行语义映射。
表2IFC对象与LOD1层次中CityGML特征关于语义信息映射的映射表
在CityGML格式标准中，由于LOD1层次的语义主要是SoLOD，即采用语言<bldg:Lod1SoLOD>表示LOD1层次语义信息，而与SoLOD对应的目标对象实体是楼板实体(IfcSlab)和墙体实体(IfcWall)，因此将楼板实体(IfcSlab)和墙体实体(IfcWall)的IFC语义信息输出到<gml:SoLOD>下即可完成语义映射，得到对应CityGML特征的CityGML语义信息，最后综合得到与LOD1层次对应的CityGML语义信息。
针对LOD2层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)、墙体实体(IfcWall)、屋顶实体(IfcRoof)、梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)和栏杆实体(Railing)构成,而LOD2层次的CityGML语义信息包含有墙面特征CityGML语义信息(WallSurface)、屋顶面特征CityGML语义信息(RoofSurfac)、地面特征CityGML语义信息(GroundSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterFloorSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterCeilingSurface)和建筑装饰特征CityGML语义信息(BuildingInstallation)，则在所述根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射的步骤中，按照表3所述的IFC对象与CityGML特征关于语义信息映射的映射表进行语义映射。
表3IFC对象与LOD2层次中CityGML特征关于语义信息映射的映射表
下面以楼板实体(IfcSlab)为例描述语义映射过程：首先根据楼板实体(IfcSlab)的IFC语义信息确定对应的预定义属性：即表中的地板(FLOOR)、屋顶(ROOF)、着陆面(LANDING)、平低板(BASESLAB)、自定义(USEREFINED)，例如获取到的预定义属性为BASESLAB，然后计算每个楼板实体(IfcSlab)的几何法线，判断几何法线的朝向，如果几何法线的朝向朝上(UP)，则对应的CityGML特征为外楼层面特征(OuterFloorSurface)，如果几何法线方向的朝向水平(Horizontal)，则对应的CityGML特征为墙面特征(WallSurface)，如果几何法线方向的朝向朝下(Down)，则对应的CityGML特征为地面特征(GroundSurface)。对于处于建筑物外部的梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcStair)和栏杆实体(IfcRailing)，无论几何法向朝向如何，其对应的CityGML特征均为建筑装饰特征(BuildingInstallation)。在按照表3所示的映射关系进行映射后，然后按照与LOD1层次相同的转译方式将对象实体的IFC语义信息输出到<gml:SoLOD>下即可完成语义映射，得到对应CityGML特征的CityGML语义信息，最后综合得到与LOD2层次对应的CityGML语义信息。
针对LOD3层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)、墙体实体(IfcWall)、屋顶实体(IfcRoof)、梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)、栏杆实体(Railing)、门实体(IfcDoor)和窗实体(IfcWindow)构成，而LOD3层次的CityGML语义信息包含有墙面特征CityGML语义信息(WallSurface)、屋顶面特征CityGML语义信息(RoofSurfac)、地面特征CityGML语义信息(GroundSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterFloorSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterCeilingSurface)、建筑装饰特征CityGML语义信息(BuildingInstallation)、门特征CityGML语义信息(Door)、窗特征CityGML语义信息(Window)。则在所述根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射的步骤中，按照表4所述的IFC对象与CityGML特征关于语义信息映射的映射表进行语义映射。
表4IFC对象与LOD3层次中CityGML特征关于语义信息映射的映射表
LOD3层次按照与LOD2层次相同的映射方式进行语义映射，此外，将门实体(IfcDoor)的IFC语义信息输出到<bldg:opening>下即可完成语义映射，得到对应门特征(Door)的CityGML语义信息，将窗实体(IfcWindow)的IFC语义信息输出到<bldg:opening>下即可完成语义映射，得到对应窗特征(Door)的CityGML语义信息，最后综合得到与LOD3层次对应的CityGML语义信息。
针对LOD4层次，其对应的所述IFC简化模型可以但不限于由若干个楼板实体(IfcSlab)、墙体实体(IfcWall)、屋顶实体(IfcRoof)、梁实体(IfcBeam)、柱实体(IfcColumn)、楼梯实体(IfcRamp)、栏杆实体(Railing)、门实体(IfcDoor)、窗实体(IfcWindow)、空间实体(IfcSpace)和家具实体(IfcBuildingFurniture)构成，而LOD4层次的CityGML语义信息包含有墙面特征CityGML语义信息(WallSurface)、屋顶面特征CityGML语义信息(RoofSurfac)、地面特征CityGML语义信息(GroundSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterFloorSurface)、外天花板面特征CityGML语义信息(OuterCeilingSurface)、建筑装饰特征CityGML语义信息(BuildingInstallation)、门特征CityGML语义信息(Door)、窗特征CityGML语义信息(Window)、室内建筑装饰特征CityGML语义信息(IntBuildingInstallation)、内墙面特征CityGML语义信息(interiorWallSurface)和天花板面特征CityGML语义信息(CeilingSurface)。则在所述根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射的步骤中，按照表5所述的IFC对象与CityGML特征关于语义信息映射的映射表进行语义映射。
表5IFC对象与LOD4层次中CityGML特征关于语义信息映射的映射表
根据表5所示的映射方式，按照与LOD3层次相同的映射方式进行LOD4层次的语义映射。下面以空间实体(IfcSpace)为例说明映射关系：(1)首先计算每个空间实体(IfcSpace)的各个面的几何法线，然后根据几何法线的朝向执行语义映射，如果几何法线的朝向朝上，则对应的CityGML特征为楼层面特征(FloorSurface)，如果几何法线的朝向朝下，则对应的CityGML特征是天花板面特征(CeilingSurface)，其他请情况时(即法线方向水平)对应的CityGML特征是内墙面特征(InteriorWallSurface)。此外，在进行LOD4层次的语义映射时，还需要考虑目标对象实体是外部还是内部，例如，对于楼梯实体(IfcStair)，如果是外部楼梯，则其对应的CityGML特征是建筑装饰特征(BuildingInstallation)，如果是室内楼梯，那么其对应的CityGML特征是室内建筑装饰特征(IntBuildingInstallation)。对于家具实体(IfcFurnishingElements)，对应的CityGML特征为建筑装饰特征(BuildingFurniture)。
S106.将与LOD层次对应的CityGML几何信息和CityGML语义信息按照对应的CityGML标准格式进行输出，得到与所述BIM实体模型对应的多细节层次GIS标准化模型。
本实施例提供的所述将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，具有如下技术效果：(1)在对比IFC模型与CityGML模型并总结两者在几何、语义两个层面的异同点的基础上，由于将从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的转换过程分为了几何转换和语义映射两个阶段，并针对不同的LOD层次进行了相应的转换，因此可以实现从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型的自动转换，便于计算机执行两者之间的几何语义信息互操作；(2)可以将从BIM实体模型到多细节层次GIS标准化模型之间的转换延伸至LOD4层次，同时由于在转换过程中进行了几何转换及语义映射，实现了IFC格式与CityGML格式之间的完整转换及映射，提高了转换质量；(3)所述转换方法还具有转换速度更快和转换准确率高的优点，便于实际推广和应用。
如上所述，可较好的实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教导，设计出不同形式的将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S101.解析BIM实体模型的IFC格式文件，获取各个对象实体的IFC几何信息和IFC语义信息，并剔除缺乏IFC几何信息的对象实体；
S102.确定在多细节层次GIS标准化模型中LOD层次转换所需的目标实体类型，并根据所述目标实体类型筛选出对应LOD层次转换所需的目标对象实体；
在步骤S102中，按照如下方式(1)～(4)中任意一种确定在多细节层次GIS标准化模型中LOD层次转换所需的目标实体类型：
(1)根据LOD1层次的几何及语义特征，确定LOD1层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型和墙体实体类型；
(2)根据LOD2层次的几何及语义特征，确定LOD2层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型和栏杆实体类型；
(3)根据LOD3层次的几何及语义特征，确定LOD3层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型和窗实体类型；
(4)根据LOD4层次的几何及语义特征，确定LOD4层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型；
S103.遍历所述目标对象实体的IFC几何信息，并根据对象实体间的相对位置关系得到基于同一笛卡尔坐标系的IFC简化模型；
S104.根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换，得到与LOD层次对应的CityGML几何信息；
在步骤S104中，在确定LOD1层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型和墙体实体类型的情况下，或者在确定LOD2层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型和栏杆实体类型的情况下，按照由如下步骤S201～S203所描述的方式进行几何转换：
S201.将在所述IFC简化模型中的各个楼板实体和墙体实体按照不同的楼层投影到XY平面中，得到各个楼层对应的二维多边形；
S202.针对各个楼层，对同层的所述二维多边形进行二维布尔运算，合并同层二维多边形，并移除处于所述二维多边形内部的几何元素，得到对应楼层的二维外轮廓；
S203.按照各个楼层的高度将对应楼层的所述二维外轮廓拉伸为三维实体，获取与LOD层次对应的CityGML几何信息；
在步骤S104中，在确定LOD3层次转换所需的目标实体类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型和窗实体类型的情况下，或者在确定LOD4层次转换所需的构件要素类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型的情况下，按照由如下步骤S301～S303所描述的方式进行几何转换：
S301.对在所述IFC简化模型中的各个对象实体进行三维布尔运算，合并三维几何表达，若三维几何表达合并成功，则移除处于所述IFC简化模型内部的几何元素，得到外壳几何信息，然后执行步骤S303，若三维几何表达合并失败，则执行步骤S302；
S302.采用形态学的膨胀及腐蚀方法得到外壳几何信息，然后执行步骤S303；
S303.从在所述IFC简化模型中的门实体和/或窗实体的IFC几何信息中提取对应洞口实体的IFC几何信息，然后对所述洞口实体的IFC几何信息与所述外壳几何信息进行整合，获取与LOD层次对应的CityGML几何信息；
S105.根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC语义信息/和IFC几何信息进行语义映射，得到与LOD层次对应的CityGML语义信息；
S106.将与LOD层次对应的CityGML几何信息和CityGML语义信息按照对应的CityGML标准格式进行输出，得到与所述BIM实体模型对应的多细节层次GIS标准化模型。
2.如权利要求1所述的一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，其特征在于，在所述根据所述目标实体类型筛选出对应LOD层次转换所需的目标对象实体的步骤中包括如下步骤：
遍历各个对象实体，若对象实体的IFC语义信息指示的实体类型与所述目标实体类型匹配，则该对象实体即为对应LOD层次转换所需的目标对象实体。
3.如权利要求1所述的一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，其特征在于，在所述采用形态学的膨胀及腐蚀方法得到外壳几何信息的步骤中包括如下步骤：
S401.设定在膨胀算法中所需体结构元素的大小；
S402.根据所述体结构元素的大小运行膨胀算法，对在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行膨胀运算，得到膨胀几何表达；
S403.剔除处于所述膨胀几何表达内部的几何元素，得到膨胀几何表达外壳；
S404.根据所述体结构元素的大小运行腐蚀算法，对所述膨胀几何表达外壳进行腐蚀运算，得到所述外壳几何信息。
4.如权利要求1所述的一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，其特征在于，在确定LOD4层次转换所需的构件要素类型为楼板实体类型、墙体实体类型、屋顶实体类型、梁实体类型、柱实体类型、楼梯实体类型、栏杆实体类型、门实体类型、窗实体类型、空间实体类型和家具实体类型的情况下，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息进行几何转换的步骤中还包括如下步骤：
S304.从在所述IFC简化模型中的家具实体的IFC几何信息中获取室内装饰几何信息，从在所述IFC简化模型中的空间实体的IFC几何信息中获取室内房间几何信息；
S305.将所述室内装饰几何信息和所述室内房间几何信息整合在所述CityGML几何信息中。
5.如权利要求4所述的一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，其特征在于，在所述从在所述IFC简化模型中的空间实体的IFC几何信息中获取室内房间几何信息的步骤中包括如下步骤：
S501.从所述空间实体的IFC几何信息中提取各个面片的IFC几何信息，进而从各个面片的IFC几何信息中获取所述室内房间几何信息；
S502.根据所述空间实体的IFC几何信息查找到与所述空间实体相关联的室内门实体和/或室内窗实体，然后从所述室内门实体和/或所述室内窗实体的IFC几何信息中提取对应室内洞口实体的IFC几何信息；
S503.将所述室内洞口实体的IFC几何信息整合在所述室内房间几何信息中。
6.如权利要求1所述的一种将BIM实体模型转换为多细节层次GIS标准化模型的方法，其特征在于，在所述根据在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC语义信息和IFC几何信息进行语义映射的步骤中包括如下步骤：
S601.获取与LOD层次对应的且在所述IFC简化模型中的各个对象实体的IFC几何信息；
S602.针对各个对象实体，根据对应的IFC几何信息计算几何法线，并确定所述几何法线的朝向；
S603.针对各个对象实体，根据对应的几何法线的朝向/和在对应的IFC语义信息中指示的预定义属性进行语义映射，转译得到对应CityGML特征的CityGML语义信息；
S604.对所有CityGML特征的CityGML语义信息进行整合，得到与LOD层次对应的CityGML语义信息。
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