CityGML与IFC三维空间构模分析与比较

陈祥葱，苏 贝

（哈尔滨市勘察测绘研究院，黑龙江 哈尔滨150010）

随着三维地理信息（3DGIS）技术的快速发展，建筑信息模型（BIM）与3DGIS融合逐渐受到建筑工程、地理信息等领域专家学者的重视:一方面，大量高精度的BIM模型可作为3DGIS的重要数据源；另一方面，BIM与GIS的集成可以深化多领域的协同应用，如建筑分析、城市规划、轨道交通建设等。无论是BIM还是3DGIS，在多年的发展中都形成了多种数据模型或数据结构，如Revit、Archi－CAD、MicroStation等BIM软件均有相应数据格式，3DGIS领域也提出了3DFDS、SSM、OO3D等诸多模型。为便于信息共享交换，BIM领域和3D GIS领域分别定义了各自的通用数据标准——IFC（Industry Foundation Classes）和 CityGML（City Geography Markup Language）。3DGIS与BIM 的融合研究逐渐转向CityGML与IFC的相互转换，且现阶段已在一定程度上实现了二者融合。但由于IFC与CityGM分别适用于不同领域，其几何构模、语义结构、逻辑层次均存在较大差异。

1 CityGML与IFC几何构模简介

CityGML是一种基于XML的开放编码，用来表示和传输城市三维对象的通用信息模型。自2002年开始，柏林大学的Kolbe、Gröger等人致力于CityGML的建立与完善；2008年8月，CityGML 1.0.0正式成为 OGC标准；2012年4月，CityGML 2.0正式发布。CityGML 2.0在 GML 3的几何表达基础上，融合了纹理、语义、拓扑等多方面信息，并采用5级细节层次（LOD）进行多尺度城市三维表达。在三维几何构模上，CityGML采用面模型，通过表面模拟（B－rep）的方式表现三维空间对象 。

IFC是一种采用EXPRSS语言，用于BIM领域信息共享与交换的通用数据格式。IFC定义了四个层次:资源层（Resource Layer）、核心层（Core Layer）、信息交换层（Interperability Layer）和领域层（Domain Layer）。其中三维几何构模部分由资源层的几何资源（Geometry Resource）定义。IFC几何构模充分利用工程设计思想，支持表面模拟（B－rep）、几何构造（CSG）、拉伸、旋转等多种构模方式，根据构件的几何特征采用混合模型方式进行三维表达。

由于CityGML是面向结果的三维建模，而IFC是面向过程的三维建模，二者从空间参考、构模粒度、表达方式等方面存在较大差异。为实现二者信息的无损融合，有必要对几何构模进行深入探讨。

2 空间定位

空间参考系直接决定CityGML和IFC表达的几何模型能否正确定位地球或局部三维空间中。首先讨论CityGML与IFC的空间参考系定义。

CityGML支持两种空间参考系:一类是通过引用国际权威组织（如EPSG）定义的空间参考系名称或ID，适于全球或较大范围三维场景的构建；另一类是自定义的工程空间参考系，适于小范围内、可忽略地球曲率影响三维场景的构建。CityGML对上述两种空间参考系均使用基准的定义模式，通过基准变换即可实现不同空间坐标系的转换，能够在更广泛的空间甚至全球范畴实现三维空间信息共享与交换。

建筑工程领域常采用预制构件的思想进行设计，且工程通常限定在一个有限的区域，通常无须考虑地球曲率影响，因此将工程基准面认为是一个平面。为反映建筑工程的这个特点，IFC采用工程坐标系与构件坐标系组合定位的方式:

2.1 工程坐标系

IFC工程坐标系由IfcProject:Representation－Contexts属性描述，定义方式如图1所示。坐标系定义参数包括:坐标原点（O（X1，Y1，Z1）），X轴方向（x，0，0），Z轴方向（Z（0，0，z））。Y轴根据右手定则（或左手定则）进行定位；真北方向记录了当前坐标系下真北方向的矢量坐标，反映当前工程坐标系相对于真北方向的旋转角度。真北方向在一定程度上建立了工程坐标系与其他坐标系的转换关系。

2.2 构件坐标系

工程设计中，经常用相对位置来描述构件的空间位置，如梁距中轴线距离、墙与承重柱距离等。因此，IFC中的每一个几何形状均可以其他构件为参照建立构件的局部坐标系，且支持这类坐标系的多层引用或嵌套。

由于CityGML与IFC采用不同空间参考定义方法，给二者融合带来了如下问题:

1）建筑工程施工中应根据工程实际情况，建立符合工程需要的工程坐标系，而随着越来越多的BIM数据融入到3DGIS中，工程坐标系与3DGIS的空间参考系的转换将会成为一项庞杂、艰巨的任务。因此，虽然IFC定义了真北方向，但缺失了重要的坐标基准信息，将成为为CityGML与IFC融合的瓶颈；

2）CityGML通常采用一个或几个坐标系，而IFC包括工程坐标和构件坐标多种坐标表达方式，且坐标系之间存在参照，必须将IFC多层引用坐标解析为CityGML的统一坐标表达。

图1 工程坐标定义

3 几何构模

3.1 空间剖分

从语义上来看，CityGML将建筑分为外部边界、外部设施、房间、内部设施、门窗等功能结构，且每一类设施在不同的细节层次有着不同的表达。CityGML按照细节层次、结构类型、几何表达的层级进行三维空间表达，因此可认为CityGML是基于功能语义的空间剖分。同时，CityGML在不同的表达尺度上空间剖分的方式是不一样的:LOD0仅表达建筑边界投影，LOD1表达矩形包围体，而LOD4则表达所有结构，在这个角度上，CityGML根据空间尺度不同采用不同的空间剖分方法。因此，CityGML采用的是兼顾空间尺度与功能语义的空间剖分。

IFC采用层次空间构成方法（见图2），从上到下分为工程（IfcProject）、场地（IfcSite）、建筑（Ifc－Building）、楼层（IfcBuildingStorey）和建筑部件（IfcElement）。IFC不仅定义了各类建筑部件的几何形状、空间位置，还定义了各类部件的连接关系及空间组合关系。BIM模型的目标是指导工程施工，IFC是一种真实模拟的三维构模方法，因此不能为了显示需要而进行细节层次过滤。所以，IFC的空间剖分方法更符合建筑施工和人类认知过程，是一种过程重构式的空间剖分。

图2 IFC空间剖分层次

3.2 几何表达

如前所述，CityGML采用表面模拟（B－rep）的表达方法，其几何表达采用点、环、面、体的三维几何表达方式。下例的编码文件描述了一个房间的几何形状，点坐标记录于＜posList＞标签内，通过环（LinearRing）构建面（Polygon），并通过面的编号引用构建体（lod3Solid）。由于通过编号引用已定义的面，CityGML对体的描述是一种面拓扑描述方法。

相比于CityGML，IFC的几何表达更为复杂，包括了三角面片（Tessellation）、表面模拟（B－rep）、旋转、拉伸、体素构造（CSG）、体切割、映射等多种方式，其几何构模方法如表1所示。

在上表的几何构模中，三角面片和表面模拟通过坐标显式构模，体素构造、扫略体、体切割和映射等属于参数化构模。其中，扫略体中的拉伸构模是通过XY平面定义的基准平面立体拉伸构成，然后通过定位点和姿态放置构模部件，这种构模思想充分反映了建筑工程预制构件的思想。映射通过重用已有模型，可极大减少建模工作量和数据存储量，符合工程设计和软件工程思想，目前BIM领域已通过拓展该思想形成了良好的信息共享模式（如Revit中族）。

表1 IFC几何构模方法表

由于CityGML和IFC构模方式的差异，在IFC和CityGML融合中必须解决IFC参数化三维模型离散化的问题。从目前的研究来看，IFC参数化模型离散化已解决，但CityGML离散表达的模型无法转换为IFC中的参数化模型，即二者的无损相互转换有待进一步研究。

4 试验与结果分析

为有效比较CityGML和IFC的建模效率，本文选择了若干典型几何体进行建模效率比较。为剔除由于文本表述方式导致文件长度影响，这里参照C99标准，将文字常量变更为枚举类型，其长度为4字节；编号或名称引用定义为引用类型，占4个字节；其他整型占4个字节，双精度占8个字节。本文选取六面体、球体以及简单建筑（见图3），分别比较CityGML与IFC的空间构模效率，如表2所示。

图3 试验数据示意图

表2 三维构模数据量比较表

从上述结果可看出，由于IFC使用了多种预定义结构，其几何表达效率远高于CityGML，特别是对于球体、椭球等几何体。同时，试验表明对球体、椭球体、扫略体等的离散化处理，不仅会极大地增加数据量，而且会带来较大的数据精度损失。

5 结束语

三维几何模型转换是IFC与CityGML融合的第一步，本文从空间定位、空间剖分和几何表达等方面对比分析了二者实现的思想与机制，对二者几何转换中存在的问题进行了初步探讨。总体来看，空间定位方式的差异在理论上是可以解决的，但由于现阶段的BIM数据空间参考信息缺失，大批量的数据处理将面临因资料缺失而造成的融合障碍；在三维几何构模上，IFC与CityGML转换是一种信息有损转换，且现阶段研究限于IFC向CityGML的单向转换，无损双向转换有待进一步研究。本文最后通过试验对二者的建模效率进行了对比，IFC的建模效率远高于CityGML的建模效率。

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