CN110704928B

CN110704928B - 一种从bim模型到gis模型的转换方法

Info

Publication number: CN110704928B
Application number: CN201910932811.8A
Authority: CN
Inventors: 郭涛; 宋成果; 余青容; 杨建东; 王鹏; 顾粲; 刘俊伟; 黄栋; 须琼辉
Original assignee: Terra It Technology Beijing Co ltd; Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute
Current assignee: Terra It Technology Beijing Co ltd; Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute
Priority date: 2019-09-29
Filing date: 2019-09-29
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2039-09-29
Also published as: CN110704928A

Abstract

本发明公开了一种从BIM模型到GIS模型的转换方法。他通过直接在BIM原生软件内部进行格式转换，同时将属性信息提取为Excel文件，属性信息和几何结构通过唯一ID关联，同时创建每个模型部件中心点位置文件，最终实现将BIM模型几何结构、属性、相对关系都正确的GIS模型输出。同时对模型进行双重优化之后，再进入GIS平台，实现BIM模型在GIS平台中的高效浏览和完整属性保留。该方法能够将BIM标准实体模型数据自动转换为GIS模型，不仅保证了BIM模型几何信息的完整性，同时还保证几何拓扑关系的正确性以及属性属性信息的正确映射，可为BIM与GIS集成应用提供良好的数据保障，为BIM模型深入智慧城市应用，提供了基础。

Description

一种从BIM模型到GIS模型的转换方法

技术领域

本发明属于工程数据处理技术，具体涉及一种工程设计过程中不同数据模型之间的转换适配技术，特别是在利用BIM和GIS进行工程应用时，从BIM模型到GIS模型的转换方法。

背景技术

从数字城市到智慧城市升级的基本标志之一就是城市管理的精细化，因此对城市空间室内、室外、地上、地下的一体化表达提出了前所未有的要求。由于城市立体环境很复杂，目前的测绘手段包括倾斜摄影测量、激光扫描、传统测绘等都很难精准有效获取建筑物内部的立体结构。因此对于三维维地理信息系统(Three Dimensional GeographicInformation System，3DGIS)来说，室内信息相比室外信息仍然极度匿乏，难以满足日益增长的应用需求。建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)核心是通过建立虚拟的建筑工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的建筑工程信息库。BIM模型精细程度高，特征参数化，属性信息丰富，对室内信息的描述十分精细，BIM模型精确的室内信息可作为三维GIS室内表达的重要数据源，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。

城市建设和管理已成为目前BIM与GIS融合应用的主战场，BIM与GIS融合将为城市的建设和管理带来新的思路和方法。但是BIM与GIS融合至关重要的问题是实现数据共享，只有实现了数据共享，才能谈进一步的应用。然而由于BIM模型最初设计是面向工程应用的，因此在应用场景、几何结构定义、属性描述的组织上与GIS模型均不相同，这种差异导致了BIM与GIS集成应用过程中存在模型读取渲染效率低下，属性信息错误丢失等问题。

目前市面上已有的BIM到GIS的转换方法，主要包含两部分：一部分工作是轻量化处理，采用3DMAX等建模软件将BIM模型进行面减少以及体合并等工作，把小场景数据量巨大的BIM模型精简以期保证进入GIS大场景后的读取效率；一部分是工作将原来BIM模型的属性信息进行导出，并检查与模型几何体的一致性，确保每条记录对应唯一一个几何模型。在第一步过程中，由于需要建模人员手动来删除BIM模型多余面，并无统一标准，因此作业效果主要取决于建模人员水平和经验，且每个GIS平台对模型面数的要求也不尽相同，因此无法控制最终导入GIS平台的模型读取和渲染效率。在属性录入阶段，由于需要人工或者半自动和第一步的模型对象一一对应，因此容易存在BIM模型属性丢失、错误等问题。

CN105931294B公告的《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》，通过基于IFC几何信息中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；再根据在所述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；该方法基于IFC几何信息进行几何转换，不能满足基于Skyline平台的应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种从BIM模型到GIS模型的转换方法，实现在Skyline三维平台中显示应用。

为实现本发明的目的：本发明的技术方案为：从BIM模型到GIS模型的转换方法，步骤是：

S101.格式转换：取到BIM模型图层工程目录结构，对每个对象结构进行对象类化后，根据对象属性获取图层三角面动态列表，并按照DircetX格式定义进行标准模型格式*.X输出；抓取纹理；按照生成.X可识别的数据规范结构进行组织存储；

S102.属性提取：获取模型属性，并将其输出成Excel文件；获取图层三角网格对象，遍历出该对象的属性目录，将它输出成与模型对象的id一一对应的Excel属性文件；

S103.初步优化：将S101导出的.X模型进行面数的精简，同时对纹理尺寸进行缩减，实现对BIM模型的初步轻量化；

S104.再次优化：将所有的.X模型通过属性信息中的相对位置进行组织，形成一个模型；利用八叉树的原理其进行LOD优化，最终得到具有LOD的3DML模型。

S105.实现GIS查询的逻辑切割：将.X模型为.XPL2，并将模型的位置信息处理为CenterOffset.shp文件，.XPL2文件的位置信息清零，中心点重置为模型的几何中心点。

进一步地，S101中所述对象属性获取图层三角面动态列表是：利用civil3d二次开发接口，利用模型空间信息，经过模型细化操作后，得到模型的不规则三角网，将不规则三角网信息按照.X文件的生成规则。

进一步地，所述利用模型空间信息，经过模型细化操作是:据模型空间界限中的最大点、最小点，计算出一个空间距离；根据空间距离、法向量、比例等参数，定义civil3d细分模型的标准；调用civil3d中，空间细化的接口，传入单个模型对象和模型细分标准，进行模型细化操作。

进一步地，所述利用八叉树的原理其进行LOD优化是:

S401.设定最大递归深度；

S402.找出场景的最大尺寸，并以此尺寸建立第一个立方体；

S403.依序将单位元元素丢入能被包含且没有子节点的立方体；

S404.若没有达到最大递归深度，就进行细分八等份，再将该立方体所装的单位元元素全部分担给八个子立方体；

S405.若发现子立方体所分配到的单位元元素数量不为零且跟父立方体是一样的，则该子立方体停止细分；

S406.重复S403.，直到达到最大递归深度。

进一步地，S103中所述对纹理尺寸进行缩减是：将纹理文件批量导入Photoshop，通过批处理动作对纹理进行精简。

本发明实质上是

(1)从civil3d中，将模型数据输出为.x模型+excel属性表

(2)再将.x模型处理为.xpl2+CenterOffset.shp

(3)最终处理excel属性表+.xpl2+CenterOffset.shp，生成.3dml模型。

本发明首先通过计算机编程语言可以直接在BIM原生软件内部进行格式转换，同时将属性信息提取为Excel文件，属性信息和几何结构通过唯一ID关联，同时创建每个模型部件中心点位置文件，最终实现将BIM模型几何结构、属性、相对关系都正确的GIS模型输出。同时对模型进行双重优化之后，再进入GIS平台，实现BIM模型在GIS平台中的高效浏览和完整属性保留。

具体来说，通过编程语言可以直接在BIM软件中自动的、完整的将BIM模型的几何对象和属性信息提取出来：将BIM模型中的几何对象存为若干通用的模型格式DirectX的*.X格式；将BIM模型中的属性信息存储为一个Excel的Attr.xls格式；将BIM模型中各个几何对象的相对位置(x，y)存入Attr.xls文件中。最终通过唯一的ID将Attr.xls关联每个几何体*.X，即可导入GIS平台。整个过程没有人工操作，从而实现从BIM到GIS的完整无误的转换。

在轻量化方面，先将转换出来的*.X模型通过建模软件进行面精简，同时对纹理进行像素精简。之后再将整个模型通过线性八叉树的LOD层次细节技术进行二次优化，在八叉树基础上,以细节层次及视相关提高了模型三维可视化的速度,又能实现细节观察的需求。最终实现了BIM模型的高效渲染。

该方法能够将BIM标准实体模型数据自动转换为GIS模型，不仅保证了BIM模型几何信息的完整性，同时还保证几何拓扑关系的正确性以及属性属性信息的正确映射，可为BIM与GIS集成应用提供良好的数据保障，为BIM模型深入智慧城市应用，提供了基础。使用本发明所述方法，可以实现BIM模型属性无丢失无错误、模型精简满足GIS平台所需等。

附图说明

图1本发明流程图。

具体实施方式

如图1所示，S101.格式转换：取到BIM模型图层工程目录结构，对每个对象结构进行对象类化后，根据对象属性获取图层三角面动态列表，并按照DircetX格式定义进行标准模型格式*.X输出；抓取纹理；按照生成.X可识别的数据规范结构进行组织存储；

具体的已有BIM模型，通过编程语言(C#)遍历获取到图层工程目录结构，对每个对象结构进行对象类化，通过civil3d二次开发，根据模型空间界限(Bounds)中的最大点、最小点，计算出一个空间距离；根据空间距离、法向量、比例等参数，定义一个civil3d细分模型的标准(MeshFaceterData)；调用civil3d中，空间细化的接口(SubDMesh.GetObjectMesh)，传入单个模型对象和模型细分标准，进行模型细化操作；空间细化后的模型，数据多为三角形和四边形，进行简单的处理后，我们就获得到了模型的不规则三角网；将不规则三角网的顶点坐标、三角网构成顺序、贴图文件和顶点贴图UV，按照.X文件的生成规则，并且按照DircetX格式定义进行标准模型格式*.X输出。另外，通过civil3d二次开发，可以根据模型对象(Solid3d)，获取到该对象的材质(Material)，材质中会包含该模型贴图的文件路径，根据贴图文件的长宽像素，模型空间界限计算后的空间距离，计算出模型平铺的贴图数量，并为每个不规则三角网的顶点赋值UV，就可以将贴图贴到.X模型上，完成对每个纹理的抓取工作，最后按照生成.X可识别的数据规范结构进行组织存储。此步骤完成后，得到的成果为若干.X模型和对应的纹理文件(图片形式)，每个.X模型都以其唯一的ID号命名。

具体的获取模型属性包括模型颜色(无贴图时有效)、模型构造线类型、线宽度等业务属性。业务属性是在二次开发中，根据模型(Solid3d)和模型所在的图层(LayerTableRecord)中的属性获取的，对应的是civil3d软件中，选中模型后右键属性所看到的内容。通过civil3d的二次开发，根据模型(Solid3d)和模型所在的图层(LayerTableRecord)，获取该对象的属性，并且根据模型的ID，将提取的属性表和.X模型关联起来。

具体的：将S101导出的.X模型利用第三方建模软件如3DMAX对模型的面数进行精简，要求符合中华人民共和国住房和城乡建设部于2010推行的《城市三维建模技术规范》，同时对纹理尺寸进行缩减，压缩成最佳级别纹理，将贴图打包成一个简单的贴图文件，实现对BIM模型的初步轻量化；

具体的将所有的.X模型通过属性信息中的相对位置进行组织，形成一个模型。

利用八叉树的原理优化模型：

S401.设定最大递归深度；

S402.找出场景的最大尺寸，并以此尺寸建立第一个立方体；

S405.若发现子立方体所分配到的单位元元素数量不为零且跟父立方体是一样的，则该子立方体停止细分，因为跟据空间分割理论，细分的空间所得到的分配必定较少，若是一样数目，则再怎么切数目还是一样，会造成无穷切割的情形；

S406.重复S403，直到达到最大递归深度。最后创建LOD，实现轻量化和GIS平台友好。

所有的模型变成了一个模型，不能满足GIS查询等需求。

S105.实现逻辑切割：将.X模型为.XPL2，并将模型的位置信息处理为CenterOffset.shp文件，.XPL2文件的位置信息清零，中心点重置为模型的几何中心点。当查询时，可以拾取鼠标点击位置，开始查询中心点以一定缓冲半径内搜到最近的几何对象并高亮显示，实现查询。

需要说明的是：

1.x模型的结构说明

.x文件格式最初是为传统的Direct3D保留模式而设计的，在DirectX 6.0问世后，针对立即模式对它作过一次扩展。.x文件是由模板(template)驱动的，模板定义了如何存储一个数据对象，这样用户便可以自己定义具体的格式。我们用到的.x模板并不复杂，主要的模板和内容进行说明。

Mesh表示.X模型的几何信息，包括顶点坐标Vector和面片顶点索引MeshFace。

Vector模板，表示一个结构点的坐标信息，X,Y,Z；

MeshFace模板，表示的是.x文件的单个面片结构，nFaceVertexIndices表示单个面片的顶点数量，faceVertexIndices数组，表示面片构成的顶点在Mesh中的索引。

MeshTextureCoords模板，描述了.X模型的材质信息，nTextureCoords表示模型的材质面片，textureCoords表示每个面片的贴图法向；

MeshTextureCoords描述了贴图的法向u,v；

MeshMaterialList表示材质列表，nMaterials表示共有几种材质，nFaceIndexes表示有多少面片使用了这种材质，faceIndexes对应之前的面片集合MeshFace，存储每个面片使用的贴图材质，Material则用来定义贴图。

template TextureFilename{

<a42790e1-7810-11cf-8f52-0040333594a3>

STRING filename；

}

TextureFilename用来在Material节点中，定义贴图的路径信息。

2.Civil3d模型数据到.x模型的处理

从上面对.x模型的描述可以看出，把civil3d模型导出为.x模型，需要将civil3d模型做面片化处理，同时要获取到civil3d模型的材质信息，以及材质的贴图方式；

(1)面片化模型：

通过civil3d二次开发，根据模型空间界限(Bounds)中的最大点、最小点，计算出一个空间距离；根据空间距离、法向量、比例等参数，定义一个civil3d细分模型的标准(MeshFaceterData)；调用civil3d中，空间细化的接口(SubDMesh.GetObjectMesh)，传入单个模型对象和模型细分标准，进行模型细化操作；空间细化后的数据，就是面片集合，循环处理后，可以获得面片的顶点坐标X,Y,Z，该数据作为.X模型的Mesh使用。

(2)获取材质贴图：

通过civil3d二次开发，可以根据模型对象(Solid3d)，获取到该对象的材质(Material)，材质中会包含该模型贴图的文件路径，该数据作为.X模型的Material-TextureFilename使用。

(3)处理贴图法向：

根据贴图文件的长宽像素，模型空间界限计算后的空间距离，计算出模型平铺的贴图数量，并为每个不规则三角网的顶点赋值UV，该数据作为.X模型的MeshTextureCoords使用。

(4)综合上面的三中信息，可以将civil3d中的模型，处理成为一个.x文件；通过循环civil3d项目(Database)的块表记录(BlockTableId)，可以获取到项目中的所有模型(Solid3d)，并全部处理成.X模型；

3..x到.xpl2模型的处理

.X模型中的几何信息，采用平面坐标系，因此本身就具有三维位置信息，需要处理一次。Skyline三维平台中包含.X转.XPL2的二次开发接口，调用该接口，处理.X模型为.XPL2，并将模型的位置信息处理为CenterOffset.shp文件，.XPL2文件的位置信息清零，中心点重置为模型的几何中心点。

4..xpl2，CenterOffset.shp和excel属性表的融合

CenterOffset.shp+XPL2文件，已经可以加载到Skyline三维平台中显示，但读取数据的效率不佳，模型加载速度缓慢，因此需要再进一步的处理，生成3dml模型，同样，Skyline也提供了生成3dml的二次开发接口。

首先，读取CenterOffset.shp，向该shp中添加excel属性表的内容，用户3DML模型的查询功能；处理后的新shp，和XPL2放在相同路径下，调用Skyline二次开发接口，即可生成3DML模型，在平台中展示。

3DML优势

(1)可分类

①3DML格式存储了网格分类信息，将网格转换成了空间数据。可分类的3DML支持读取属性

②信息和一系列矢量图层操作，包括：

③空间查询和属性查询

④快速读取数据

⑤可以使用属性数据进行网格分类渲染和作为提示信息

⑥根据属性值进行筛选显示对应的网格数据

⑦根据空间查询或属性查询的结果创建新的图层

(2)地面层

①3DML文件格式可以单独读取网格图层的地面信息。这使得网格图层可以替换3DML范围内

②的影像和高程，这样让类似道路线等贴地表的对象可以直接贴在3DML地面层上，可能有一点随

③机的网格地面误差。

(3)压缩存储优化

3DML格式是基于SQLite数据库和它的SpatialLite扩展，用于存储海量的三维空间数据集，可以用在移动端、网页端和桌面端。3DML是一个单独的二进制文件，存储了所有关于3DML数据集的信息，包括包络框、坐标系、网格模型块以及用于分类的面图层，这样的存储形式非常方便存储和管理。

(4)数据流优化

网格数据存储在多级文件数据库中，这样在加载的时候可以先加载低精度级别的数据，当用户放大浏览到高精度的区域的时候再动态加载高精度的数据。从文件中读取数据时不需要一定是连续的数据，可以是不连续的数据。

Claims

1.一种从BIM模型到GIS模型的转换方法，其特征步骤是：

S101中所述对象属性获取图层三角面动态列表是：利用civil3d二次开发接口，利用模型空间信息，经过模型细化操作后，得到模型的不规则三角网，将不规则三角网信息按照.X文件的生成规则；

所述利用模型空间信息，经过模型细化操作是:据模型空间界限中的最大点、最小点，计算出一个空间距离；根据空间距离、法向量、比例参数，定义civil3d细分模型的标准；调用civil3d中，空间细化的接口，传入单个模型对象和模型细分标准，进行模型细化操作；

S104.再次优化：将所有的.X模型通过属性信息中的相对位置进行组织，形成一个模型；利用八叉树的原理其进行LOD优化，最终得到具有LOD的3DML模型；

所述利用八叉树的原理其进行LOD优化是:

S401.设定最大递归深度；

S402.找出场景的最大尺寸，并以此尺寸建立第一个立方体；

S406.重复S403，直到达到最大递归深度；

2.如权利要求1所述从BIM模型到GIS模型的转换方法，其特征步骤是：S103中所述对纹理尺寸进行缩减是：将纹理文件批量导入Photoshop，通过批处理动作对纹理进行精简。