CN113268531B - 一种基于bim与gis技术的cim系统工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种使用BIM与GIS技术相结合进行CIM系统开发实现的方法。通过在BIM模型的设计阶段应用城市级的标准化编码，将含有GIS信息的数据编码至BIM模型中,在BIM建模交付时通过数据解析的方式将模型构件集合信息通过网络上传到在线存储平台上的各类数据存储接口中，通过数据库存储的方式按BIM模型的唯一标识、GIS网格坐标等信息分地区类型进行存储，同时向GIS软件系统提供查询服务接口。通过使用数据库的方法将拆分得到的工程数据进行分门别类地存储，可提供给第三方CIM系统进行基于地理位置信息的工程可视化呈现和数据再利用，打通GIS与BIM之间的技术壁垒，降低行业技术门槛。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于BIM与GIS技术实现CIM系统的方法。
背景技术
目前，CIM技术在国内乃至国际上普遍得到发展，但其技术实现门槛较高且行业氛围相对单一封闭，对CIM系统在可视化和敏捷开发实现等方面难度相对较高。行业内对CIM系统的基础实现仍然停留于GIS与数据统计分析呈现上。且对工程可视化领域中的BIM模型利用仍然停留在使用业内市场占有率较大的Autodesk公司以及其他零星的软件公司旗下的软件体系中，且学习环境较为封闭，利用途径较单一。近些年国内基建行业发展较为迅速，在基础设施建设上国家一直提倡在基建各环节和其广泛的生命周期中实施BIM技术，并出台相关政策予以支持，可见三维可视化在基建行业中的重要之处。同时GIS领域方面因其基于轻量化环境、并发数据容量较小等特征仍然停留在地图定位、导航等领域，对大范围内多个实际工程的精细化管理中相对粗旷，且三维可视化工程环境仿真表现能力相对有限。
现有各类CIM系统多是基于GIS系统，仅能够将多个实际基建工程中的各类统计数据以地图坐标和相关图报表的形式展示于显示设备上，缺少对于单个的基建工程进行高度仿真的可视效果以及精细化管理，管理工作不能深入到具体工程中进行细致化业务流程的决策把控。而BIM技术则多应用于单个工程从设计到实施再到运营运维阶段的各类三维可视化应用，缺少对大范围整体基建项目的连续性管理和技术标准的连贯性实施。在不同的技术领域中，GIS与BIM均在各自领域内发挥着不可或缺的重要作用，但随着我国城市建设进程的发展和加快，更多更广泛的基础设施建设需要进行统一性的综合与精细化管理，CIM系统也不仅仅停留在广泛的数据统计分析应用之上，更需要深入到实际基建工程进行更加细致化的可视、业务与实时数据管理。若能够同时结合GIS与BIM技术之所长，形成一个从整体到局部面面俱到的CIM系统，则能够更加便捷、精细、高效地对广泛的基建工程进行更为有效地管理决策的实施，极大提高智慧城市的建设质量。
发明内容
基于上述背景存在的技术问题，本发明提出了一种基于BIM与GIS技术的CIM系统实现的方法。
本发明提出的一种基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，具体步骤如下：
步骤一：在现有体系下的BIM工程建模中，对该BIM工程建模将工程唯一标识、工程地理信息坐标、工程登记信息等写入到BIM工程模型，同时将该工程唯一标识信息写入到BIM工程模型的构件信息中，形成构件级标识信息。
步骤二：在BIM模型建模完成并交付后，在现有体系下的BIM工程建模环境中，通过使用合法合规的技术手段，在BIM工程建模中以构件为单位提取建筑工程信息数据，其中包括步骤一所提及的工程唯一标识和构件级标识信息。
步骤三：将步骤二中提取的建筑工程信息数据以可持久化存储的形式序列化为数据文件，通过网络上传至在线存储平台上的各类数据库中。
步骤四：在线存储平台接收到步骤三中所提及的数据文件后，通过按工程唯一标识、地理信息坐标等方式的数据方法分门别类地将这些BIM工程数据存储于数据库存储模块中，并按照以单个工程、地理信息坐标等作为查询条件，向CIM系统提供查询服务接口。
步骤五：CIM系统在构建GIS地理信息位置数据图层时，调取在存储平台中的所有工程地理坐标、工程基础数据等信息，作为其工程点位图层的基础元数据并标记相应工程标识，形成CIM系统中GIS地理位置上的基建工程群落。
步骤六：CIM系统在执行数据统计分析算法时，调取在存储平台中的对应工程或所有工程的对应工程构件数据，作为其统计分析算法的数据源，形成CIM系统中各项统计分析结果数据。
步骤七：CIM系统在由用户选择单一工程地理信息坐标时，调取在存储平台中对应工程标识的所有构件信息，包括其三维点、面数据和其业务信息，借由计算机三维绘图技术重新在CIM系统中将所有构件重组为可视化的工程结构信息。
步骤八：CIM系统中调取单个工程的单个构件信息时，仅需要将步骤一种所提及的工程唯一标识和构件级标识信息提交到存储平台进行查询，存储平台使用数据库查询方法即可将工程中的该构件信息的所有数据调取出来。
优选地，在步骤二中，建筑工程信息数据包括工程专项信息数据、构件几何网格顶点坐标集合、几何网格绘面绘制索引集合、几何网格顶点法线向量集合、几何纹理贴图、材质集合、UV坐标集合、几何变换矩阵和三维交换数据格式OBJ。
优选地，所述构件几何网格顶点坐标集合，是一系列由三维空间坐标点组成的数据数组集合。
优选地，所述几何网格绘面绘制索引集合，是计算机三维绘图技术中在绘制单个几何三角面时使用的索引整型数，并由之构成一个工程构件的全部索引整型数的数据数组集合。
优选地，所述几何网格顶点法线向量集合，是一个构件顶点的三维空间坐标点所朝向的三维空间矢量值。
优选地，所述几何网格纹理贴图，是计算机三维绘图技术中网格对象所使用的贴图图片。
优选地，所述材质集合是材质颜色、其Alpha通道值，以及其所使用的几何网格纹理所组成的多组数据数组集合。
优选地，所述UV坐标集合，是计算机三维绘图技术中用于将二维图片敷设于三维坐标空间中所使用的顶点贴图坐标的多组数据数组集合。
优选地，所述集合变换矩阵，是该构件的几何数据在三维空间坐标下基于原构件各顶点坐标到目标位置和方向上进行变换的计算公式的多组数据数组集合。
优选地，步骤二中的建筑工程信息数据存储在任何适合保存信息的存储装置中，如服务器的缓存、存储磁盘等。
优选地，在步骤六、七、八中，均可以通过在步骤一种所提及写入的工程唯一标识和构件级标识信息，调取任一对应工程的所有可视化与业务信息数据。
优选地，在步骤七中CIM系统可通过计算机三维绘图编程的技术手段，在获取到上述建筑工程信息数据后，可将数据化的模型信息重组为可视的工程模型。
优选地，在步骤一中，通过预先将工程的GIS经度、纬度及高程数据经过实际勘测得到结果后写入到BIM工程模型中，再基于该BIM工程模型中各项构件的工程内坐标位置数据，即可借由其几何变换矩阵数据换算出每个构件对应的实际GIS经度、纬度及高程数据。
优选地，在步骤二中，通过使用现有建模体系环境(如Autodesk的Revit软件环境)提供的二次开发应用程序接口，遍历工程建模文档中所有构件的数据结构，提取得到其在步骤二中所提及的建筑工程信息数据。
优选地，在步骤三中，数据文件为通过现有建模体系环境(如Autodesk的Revit软件环境)提供的二次开发应用程序接口获得的当次工程提取记录的存档文件、该工程提取记录中所提取到的所有构件的清单数据文件、每个工程构件的几何网格顶点数据文件、几何网格绘面绘制索引集合数据文件、几何网格所使用的材质和纹理贴图集合文件、集合网格UV坐标数据文件、几何变换矩阵数据文件，以及导出三维可视化数据交换格式OBJ文件。
优选地，在提取到每个工程构件的几何网格顶点数据集合和几何变换矩阵数据后，使用步骤一中所提及的写入到BIM模型中的工程地理信息坐标，将构件的几何网格顶点数据集合基于工程地理信息坐标经几何变换矩阵数据，变换计算后得到其新的基于GIS地理坐标(经度、纬度及高程数据)，作为该构件新的几何网格顶点数据集合进行序列化存储和提交到存储平台。
采用本发明的技术方案，具有一下技术效果：
1、本发明基于计算机三维绘图的基础数学原理，在BIM建模过程中标记工程基础信息，并通过对现有体系BIM模型进行数据拆分处理，结合几何变换算法将其转换为实际GIS地理信息坐标，并通过数据库存储的方法将拆分后的数据保存于合适的存储装置中，极大降低CIM系统对工程模型的实时计算量，同时极大降低CIM系统对精细化工程构件信息管理的数据来源的获取成本。
2、本发明通过将工程地理信息写入到BIM工程模型，并使用现有软件体系架构中合法合规的技术手段使用计算机编程的方式提取工程构件信息，并借助工程地理信息经过几何变换得到实际工程构件级的GIS地理信息数据，同时分门别类地存储于CIM系统可以调取的存储装置上，通过CIM系统有序地加载存储装置中的数据，使CIM系统同时具备GIS与BIM的核心技术特征，既能够在CIM系统中发挥GIS技术带来的广泛地理信息标记和综合数据统计分析的优点，又能够在CIM系统中按需进行具体工程可视化及精细化、统一性管理的优势。举例来说，通常在现有CIM技术架构下的各类城市管理级IOC应用中，仅能够基于GIS技术提供综合性的数据统计分析及辅助决策的功能，但对于具体单一工程的管理则由于未能结合BIM技术而将其另行单独的应用进行管理，两套系统之间的屏障致使不能通过CIM系统进行及时有效细致到具体工程级别的精细化管理操作，仅能粗放管理通过人为下达行政指令等方式进行延迟管控，即便是通过一定程度的自动化实施手段，也难以对一些响应要求较高的事件和措施实施正确、及时和有效的管理操作。使用本发明在打破GIS与BIM技术壁垒，为新型CIM系统提供各方技术优势，能够在广泛城市区域级的统筹管理基础之上，提供深入到单一工程中的可视化与精细化管理手段和措施，可快速从广泛的地理位置级直接切换至单一工程区域级空间，在消防、救护、反恐、容灾等众多管理领域的技术应用上有较为关键的实用意义。
3、本发明通过结合GIS地理信息位置信息将拆分后的BIM构件级信息进行几何空间坐标转换，形成基于GIS地理信息的BIM工程模型，通过合适的存储装置进行存储并提供给CIM系统进行可视化与业务利用，打破GIS与BIM技术壁垒，提高CIM系统的统筹与精细化管理能力，降低CIM系统整体建设成本，拓展和增强了传统CIM系统的实用功能。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并构成说明书的一部分，与发明的实施例一起解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明提出的技术方案详细阐述图；
图2为本发明的具体实施步骤图。
具体实施方式
实施例一
一种基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，具体步骤如下：
步骤一：通过现场勘测的方法记录工程基础地理信息，包括经度、纬度及高程数据。对CIM实施的标准进行规划，拟定工程编码表，同时建立工程群落清单，给与单个规划工程分配工程唯一标识信息。同时采集工程建设登记信息，整理为以键值对形式的数据结构。
步骤二：在单一工程进行BIM模型(以Autodesk Revit软件环境中)建模时，在BIM模型的项目信息中录入包括工程地理坐标信息(经度、纬度及高程数据)、工程建设登记信息等数据。
步骤三：通过Revit提供的应用程序开发接口，遍历已存在于建筑建模工程文档中的所有构件(包括但不限于基础结构、机电管线和末端设备等工程构件)，提取其所有构件的清单数据，以及每个构件自身的包括几何网格顶点数据、几何网格绘面绘制索引集合数据、几何网格所使用的材质和纹理贴图集合、几何网格UV坐标数据、几何变换矩阵数据，以及构件自身的业务数据。
步骤四：将步骤三中所有提取的数据导出到OBJ数据格式文件中，在导出构件几何网格顶点数据时，将其所有顶点数据结合在项目信息中录入的工程地理坐标信息(经度、纬度及高程数据)经其几何变换矩阵数据的计算，得出最终该构件基于实际GIS地理信息的顶点坐标数据，一并导出到OBJ数据格式文件中。
步骤五：将OBJ文件通过网络上传至在线存储平台上的各类数据存储接口，在线存储平台在接收到该工程BIM模型提取并导出OBJ文件后，解析出包括项目信息、工程GIS地理坐标信息、工程构件清单信息，以及每个构件自身的包括几何网格顶点数据、几何网格绘面绘制索引集合数据、几何网格所使用的材质和纹理贴图集合、几何网格UV坐标数据、几何变换矩阵数据和其业务数据。通过数据库存储的方法，将这些数据按照其关系表结构分门别类地建立相应存储数据，并通过计算机编程的方式开放对应的数据查询接口。
步骤六：CIM系统在构建地图数据时，调取步骤五中所提及的查询所有工程项目信息中写入的GIS地理坐标信息和建筑工程登记信息，包括经度、纬度和高程数据，单独形成一层工程项目信息层，标示各个工程的地理位置和基础项目信息，并将对应的工程唯一标识信息写入到其对应的GIS坐标点位上。
步骤七：用户在CIM系统中GIS地图上点击其关注的对应工程的GIS坐标点位时，将会显示出该工程的基础登记信息，同时根据该GIS坐标点位上写入的工程唯一标识信息作为查询条件，向步骤五中提及的对应数据查询接口发起工程构件清单和构件详细数据(包括步骤五中提及的各类几何数据)的查询，在获取到构件清单及详细数据后，在GIS地图上通过计算机三维绘图技术，以构件自身的几何数据、贴图渲染数据重新将整个工程的三维可视化BIM模型绘制还原出来，同时能够通过该构件级标识数据再次向数据接口发起业务信息的查询请求，以获取该构件的所有业务数据并加以显示利用。
步骤八：在CIM系统中实时运行的各类建筑工程群落的统计分析数据计算策略时，能够根据在存储平台中的所有工程唯一标识信息，查询每一个工程中的所有工程构件数据，包括每一个工程构件的几何数据和业务数据，为对应的CIM系统中的统计分析算法提供基础运算数据。
本发明通过将GIS技术中涉及到的地理信息坐标经纬度及高程数据，通过在现有软件体系架构下的计算机编程技术提取BIM建模的几何数据，通过计算机三维绘图原理结合BIM建模中的三维可视化数据，通过几何坐标变换运算获得BIM工程构件在GIS坐标中的实际位置数据，并通过将所有提取和变换后数据化保存于适用的存储设备中，通过提供简易化的一般性技术手段访问，为CIM系统提供基于GIS与BIM技术的工程可视化与精细化数据，能够结合GIS与BIM技术各自之所长，为CIM系统提供广泛且丰富的应用数据。并且可以通过计算机编程的技术手段和特征信息数据将数据化的BIM模型直接在GIS地理信息图层中重组还原为可视化的BIM模型，减少CIM系统在广泛的地理信息应用中构建精细化数据的运算难度，增强CIM系统在深入到单一工程进行细致化管理的应用途径和技术手段，以低成本的方式和技术门槛向最终用户提供基于GIS地理数据与BIM工程可视化数据的CIM系统信息服务，增强CIM系统对单一工程的及时且有效管理，同时在CIM领域中扩展了GIS与BIM技术的应用范围，打通GIS与BIM技术之间的壁垒，改善了原先GIS技术仅用于广泛地理信息管理，BIM技术仅用于特定工程细致化管理的单一模式，改观为在CIM领域中拓展技术应用领域和范围，增强GIS与BIM技术的应用价值，在计算机信息科技行业、基建工程行业、工程制造行业、医疗行业、救灾抢险事业等多个行业领域中提供更具有建设性意义的数据基础设施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，包括以下步骤如下：
步骤一：在BIM工程建模中，对该BIM工程建模将工程唯一标识、工程地理信息坐标、工程登记信息写入到BIM工程模型，同时将该工程唯一标识信息写入到BIM工程模型的构件信息中，形成构件级标识信息；
步骤二：在BIM模型建模完成并交付后，在BIM工程建模环境中，在BIM工程建模中以构件为单位提取建筑工程信息数据，其中包括步骤一的工程唯一标识和构件级标识信息；
步骤三：将步骤二中提取的建筑工程信息数据以可持久化存储的形式序列化为数据文件，通过网络上传至在线存储平台上的各类数据库中；
步骤四：在线存储平台接收到步骤三中所提及的数据文件后，通过按工程唯一标识、地理信息坐标方式的数据方法分门别类地将这些BIM工程数据存储于数据库存储模块中，并按照以单个工程、地理信息坐标作为查询条件，向CIM系统提供查询服务接口；
步骤五：CIM系统在构建GIS地理信息位置数据图层时，调取在存储平台中的所有工程地理坐标、工程基础数据信息，作为其工程点位图层的基础元数据并标记相应工程标识，形成CIM系统中GIS地理位置上的基建工程群落；
步骤六：CIM系统在执行数据统计分析算法时，调取在存储平台中的对应工程或所有工程的对应工程构件数据，作为其统计分析算法的数据源，形成CIM系统中各项统计分析结果数据；
步骤七：CIM系统在由用户选择单一工程地理信息坐标时，调取在存储平台中对应工程标识的所有构件信息，包括其三维点、面数据和其业务信息，借由计算机三维绘图技术重新在CIM系统中将所有构件重组为可视化的工程结构信息；
步骤八：CIM系统中调取单个工程的单个构件信息时，仅需要将步骤一种所提及的工程唯一标识和构件级标识信息提交到存储平台进行查询，存储平台使用数据库查询方法即可将工程中的该构件信息的所有数据调取出来。
2.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，所述步骤二中，建筑工程信息数据包括工程专项信息数据、构件几何网格顶点坐标集合、几何网格绘面绘制索引集合、几何网格顶点法线向量集合、几何纹理贴图、材质集合、UV坐标集合、几何变换矩阵和三维交换数据格式OBJ。
3.根据权利要求2所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，所述几何网格顶点法线向量集合，是一个构件顶点的三维空间坐标点所朝向的三维空间矢量值。
4.根据权利要求2所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，所述集合变换矩阵，是该构件的几何数据在三维空间坐标下基于原构件各顶点坐标到目标位置和方向上进行变换的计算公式的多组数据数组集合。
5.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，所述步骤六、七、八中，均可以通过在步骤一中写入的工程唯一标识和构件级标识信息，调取任一对应工程的所有可视化与业务信息数据。
6.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，在步骤七中CIM系统可通过计算机三维绘图编程的技术手段，在获取到上述建筑工程信息数据后，将数据化的模型信息重组为可视的工程模型。
7.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，在步骤一中，通过预先将工程的GIS经度、纬度及高程数据经过实际勘测得到结果后写入到BIM工程模型中，再基于该BIM工程模型中各项构件的工程内坐标位置数据，即可借由其几何变换矩阵数据换算出每个构件对应的实际GIS经度、纬度及高程数据。
8.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，在步骤二中，通过使用现有建模体系环境提供的二次开发应用程序接口，遍历工程建模文档中所有构件的数据结构，提取得到其在步骤二中所提及的建筑工程信息数据。
9.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，在步骤三中，数据文件为通过现有建模体系环境提供的二次开发应用程序接口获得的当次工程提取记录的存档文件、该工程提取记录中所提取到的所有构件的清单数据文件、每个工程构件的几何网格顶点数据文件、几何网格绘面绘制索引集合数据文件、几何网格所使用的材质和纹理贴图集合文件、集合网格UV坐标数据文件、几何变换矩阵数据文件，以及导出三维可视化数据交换格式OBJ 文件。
10.根据权利要求1所述的基于BIM与GIS技术的CIM系统工作方法，其特征在于，在提取到每个工程构件的几何网格顶点数据集合和几何变换矩阵数据后，使用步骤一中所提及的写入到BIM模型中的工程地理信息坐标，将构件的几何网格顶点数据集合基于工程地理信息坐标经几何变换矩阵数据，变换计算后得到其新的基于GIS地理坐标，作为该构件新的几何网格顶点数据集合进行序列化存储和提交到存储平台。
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