基于WorldWind平台的建筑信息模型在GIS中的应用

1 引言   　　随着BIM（Building Information Modeling）的不断发展，建筑信息建模的理念贯穿着建筑、结构、施工、运行维护以及拆迁再规划的整个建筑的生命周期，这种理念不仅使得各个阶段的信息得以共享，同时也绑定了各个专业的协同工作，使得各个专业不再是一个相对独立的个体。但是BIM所阐述的理念覆盖的范围仅仅是独立的建筑个体，对于在BIM的整个流程中对于同周围环境的相互影响有着很大的局限性。   　　地理信息系统（Geographic Information System,GIS），在维基百科中的解释为，它是一门综合性学科，它结合了地理学与地图学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。但是自从BIM的提出，地理信息系统把数字化的建筑信息融入进来已经是不可避免。在BIM整个流程中的规划、施工、运行及维护和拆迁再规划的过程都需要考虑周围的环境，这就需要数字城市的辅助；在地理信息系统发展过程中，仅建筑外轮廓已经不再满足我们越来越多的需求，为建筑增加血肉才能让数字城市、数字地球有了灵魂。   　　地理信息只是一堆数字纪录，需要有合适的软件去把它表示出来，与此同时，地理信息数据库的建立，亦有赖合适软件的帮助来把地理数据信息化。目前阅览GIS资料的工具有 GoogleEarth或微软的VirtualEarth等系统。开源的工具有GRASS、gvSIG、WorldWind等。本文中我们以开源的WorldWind工具来研究GIS与BIM的结合应用。   　　2 WorldWind二次开发平台   　　2.1 WorldWind简介   　　WorldWind，中文译为世界风，是NASA（美国宇航局）发布的一个开放源代码的地理科普软件，它是一个可视化地球仪，将NASA、USGS以及其他WMS服务商提供的图形通过一个三维的地球模型展现，如“Figure1 WorldWind主界面”所示。   　　与GoogleEarth相比，WorldWind是一个开源的系统，开发者可以根据需求进行更大程度的二次开发，这也是WorldWind优于GoogleEarth的主要方面，同时作为和美国FBI齐名的NASA旗下产品，拥有正统的美国宇航局的血统，它的地位也是可见一斑。   　　NASA在2004发布了首个WorldWind的免费开源的版本，目前WorldWind有两个版本：C#版本和Java版本。早期的WorldWind是基于。NET框架的，它仅在微软平台中运行，近期NASA发布了Java版本，支持跨多个平台。不同于。NET版本的是，Java版本是一个完全面向开发人员的版本，在它的SDK开发包中增加了许多开发范例，可供开发者参考。最新的Java版本（1.5）发布于2013年1月。 　　Figure1WorldWind主界面

2.2 WorldWind二次开发   　　◆插件机制   　　插件机制支持多种语言的插件形式，并有较高的运行效率。添加插件有两种方式来进行：   　　Ⅰ外部插件   　　在WorldWind安装文件下的Plugins文件夹中直接添加插件源文件或者编译好的程序集，此种方式为WorldWind二次开发的常规方式。   　　Ⅱ内部插件   　　由于WorldWind为开源的项目，因此在WorldWind项目中添加插件文件代码，在项目生成时直接编译到程序集中。   　　◆运行机制   　　主程序调用PluginCompiler来搜索\Plugins目录及其子目录，将插件文件（包含。cs, .vb, .js, .dll格式）读入内存，如果需要编译则进行编译，然后查找已编译的程序集。在运行过程中可以用插件管理器来管理插件。   　　◆插件代码的书写格式   　　Ⅰ插件信息头   　　在源文件开头以上书写插件信息，这些信息可以被PluginInfo类读取。信息头是可选的，同时信息头的格式可以自定义。   　　Ⅱ源文件   　　包含插件加在类（PluginLoader）和应用类（功能实现类）。   　　3 数字化建筑信息模型   　　3.1 IFC   　　作为BIM的数字化表现形式以及行业标准，IFC（Industry FoundationClasses）用数字化、面向对象的方式描述了在整个规划、建筑设计、结构设计、施工、运维以及拆迁流程中的数据存储以及数据交换的方式。   　　IFC中组成建筑模型的主要实体对象有IfcSite, IfcBuilding, IfcBuildingStorey, IfcColumn, IfcBeam,IfcSlab, IfcWall，其相互关系如“Figure2 IFC模型中主要实体关系”所示。 　　Figure2IFC模型中主要实体关系

 

 

3.2 数字化建筑信息模型与数字城市   　　数字地球是美国副总统戈尔于1998年1月31日在加利福尼亚科学中心所做的“数字地球—认识21世纪我们这颗星球”的演讲中首次提出来的，其可以用一个公式进行简单的加以概括：数字地球=全球网络+数字化+虚拟现实。   　　城市作为数字地球的基本单元，城市数字化的普及是通往数字地球的必由之路。而建筑作为数字城市中的重要组成部分，数字化建筑成为数字城市的核心之一。   　　在IFC描述的建筑信息模型中，已经为数字化建筑融入数字城市做好了接口，在IFC模型的IfcSite对象中有描述当前Site所在的地球坐标系下的经纬度，该对象中有这样三个属性来描述坐标信息：   　　RefLatitude – 地理坐标中的纬度   　　RelLongitude – 地理坐标中的经度   　　RefElevation – 相对于海平面的高度   　　4 建筑信息模型在WorldWind二次开发平台上的应用   　　4.1 数字建筑与WorldWind平台的结合   　　Ⅰ 核心机制   　　WorldWind三维浏览引擎主要是通过加载高程数据和纹理贴图的方式来实现地形的起伏变化，它虽然可以通过某种方式加载建筑模型，但是也仅仅是加载了其外轮廓，要想在建筑内部漫游，需要应用到另外一个平台– 三维建筑漫游系统，这就需要两个平台间的无缝衔接。   　　平台的无缝衔接就是把三维建筑漫游系统作为WorldWind的一个独立的启动项或者插件，在建筑放大到某一比例时自动进入到三维建筑漫游系统中，而不会让用户感觉到平台的切换，这样就实现了建筑在宏观和微观下的交换显示。   　　Ⅱ平台数据交流   　　两平台间的数据交流基于地理空间位置的共享，也就是在三维建筑漫游系统中的任何一个位置都可以在WorldWind平台找到与某一地理空间位置对应的位置。基于此位置在三维建筑漫游系统中可以获取WorldWind平台中当前位置的日照、水平距离、海拔、气候、地震信息等数据。   　　4.2 在WorldWind平台中的应用   　　以WorldWind平台为基础的二次开发，不仅可以应用到建筑规划中，还可以体现它在运营维护阶段的价值，同时也可以应用到结构设计、施工以及拆迁阶段。

4.2.1 光照分析（光污染）   　　某一地理空间位置的光照分析除了太阳光照射、物体遮挡、大气折射等因素之外，还有一个因素，那就是物体的反射（建筑物的反射）。   　　假设某一学校周围要建几栋玻璃幕墙的高楼，要量化这几栋楼的反射光对教学楼内部和操场上的光照，分析建筑物建成之后对学校的光污染是否超标，就必须要模拟建筑物建成之后的光照分析。   　　通过在WorldWind平台导入规划中的建筑，增加各建筑物中的反射材料（玻璃幕墙），通过计算建筑物玻璃幕墙反射之后对学校的光污染增量，判断光污染是否超标，如果超标，此时需要选择新的玻璃幕墙的材质，降低其反射率，减少到达学校周围的反射光。 　　Figure 3 WorldWind平台24小时内的光照分时效果   　　4.2.2 噪声污染   　　人们对噪声污染最敏感的地区有学校、居民区、办公区以及医院，以这些地方为中心辐射一定的范围，对于道路、车站、机场以及娱乐场所的规划要有一定的限制。   　　如果在某一居民区周围规划一条道路，在规划时需要考虑如何优化到可以把对居民区的噪声污染降到最低，此时可以在距离规划道路最近的居民楼中的几个采样位置分析道路上行车的噪声给当前位置带来的噪声增量。   　　声音的传播的主要因素有距离、空气阻力、空间上物体遮挡（建筑物、绿化带隔离等）等，根据这些因素计算某一距离外到达居民楼内所采样的几个位置的噪声量化指标，分析是否超标。   　　4.2.3 反恐   　　对于逃窜在城市中的恐怖分子或者闹市区的恐怖挟持，快速定位恐怖分子的位置和控制恐怖分子的活动范围，迅速隔离、制服恐怖分子，是保证人员安全和降低损失的有效途径。对于建筑林立的城市，如何实现快速机动，这就需要数字城市的支持。   　　以发生在某一大楼中的恐怖劫持为例，狙击手需要对这栋大楼进行监视，并在危机时刻击毙恐怖分子，他需要确认的是：在周围哪个建筑中的哪个位置距离最近、视线最好、狙击影响因素最少（风速、光影响）。   　　扩展之后的WorldWind平台中可以精确获取建筑与建筑之间某一位置的距离，同时可以通过实时更新WorldWind平台中当前区域的环境、气候等，就可以实现在短时间内分析出最优狙击位置，因此可以快速、准确的控制整个局面。

 

 

　4.2.4 地震逃生

 

　　在城市中，由于地震持续时间短，造成的破坏大，在地震发生时快速撤离是增加地震生存的关键因素。通过建立某一区域（数字小区、数字城市）的数字化系统，可以在最短时间内提供逃生的最优路径。

 

　　比如要从某个人流量很大的大型商场逃生到地震发生时的安全区域。首先系统要确定的是最近的安全区域，安全区域的定义，就是在某一区域范围内，当所有的建筑都向以此区域中心的方向倾倒时，仍可以保证此区域的安全；其次要对大厦各楼层、各区域的人员进行有效分流撤离出当前大厦，原则就是以最快、最短路径，同时保证各条逃生通道都不会拥堵；再次确定逃离到安全区域的路线，从大厦的各个出口逃离到最近的安全区域，要保证逃离路线最短、周围建筑物倒塌影响对撤离人员生命威胁最小、人流量控制（不至于发生踩踏事故）。

 

　　因此在地震发生时，以最短时间做出最快决断，选择最安全的生命通道是减少地震中人员伤亡的有效路径。

 

　　5 结论

 

　　GIS与BIM的结合应用，就像给有生命的数字建筑插上了飞翔的翅膀，可以在更大的平台发挥BIM更广的应用。未来的数字城市、数字地球必将会走进每一个城市、每一个小区、每一个家庭以及每一个人的视野。

 

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