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IFC向CityGML标准三维建筑模型转换方法及实现
李朝奎1，唐至娜1，谢梦愿1，
田沁2,3，陈建辉1，傅开鸿1
1. 湖南科技大学 测绘遥感信息工程湖南省重点实验室，湘潭 411201；
2. 自然资源部城市国土资源监测与仿真重点实验室，深圳 518034；
3. 深圳市规划和自然资源数据管理中心，深圳 518034
摘 要：三维城市模型是智慧城市与数字孪生城市的核心内容。IFC（industry foundation classes）标准构建的建筑信息模型（building information model，BIM）为城市空间规划和建筑设计提供了丰富而精细的城市三维模型数据。由于标准的差异，BIM无法与三维地理信息系统无缝集成和交互应用，极大地限制了IFC标准BIM的应用优势。本文挖掘IFC、CityGML（city geography markup language）标准三维建筑模型的语义表达差异，提出BIM源模型向不同细节层次（level of detail，LOD）层级模型的几何转换方法；构建一套完整的转换流程，实现IFC标准BIM向CityGML标准三维建筑模型的几何转换；设计并开发转换原型系统。研究表明：本方法及实现流程能够有效实现IFC-BIM模型向CityGML-BIM模型的不同LOD层级的转换，且对多数单体模型相当实用；转换后模型未见错误与偏差，视觉效果良好；具备灵活性，可根据不同模型的转换进行调整。研究成果为BIM与地理信息系统的集成应用提供了新思路，为智慧城市与数字孪生开辟了一种新的数据来源通道。
关键词：BIM；三维GIS模型；IFC；CityGML；自动转换；LOD
引用格式：李朝奎, 唐至娜, 谢梦愿, 田沁, 陈建辉, 傅开鸿.2024. IFC向CityGML标准三维建筑模型转换方法及实现. 时空信息学报, 31(5): 626-640
Li C K, Tang Z N, Xie M Y, Tian Q, Chen J H, Fu K H. 2024. A method for conversion of standard 3D building models from IFC to CityGML. Journal of Spatio-temporal Information, 31(5): 626-640, doi: 10.20117/j.jsti.202405003
1 引 言
城市的智慧化建设与精细管理对城市三维模型数据提出更高要求（朱庆，2014）。这些数据的收集、管理及运用需要依托建筑信息模型（building information model，BIM）和地理信息系统（geographic information system，GIS）等技术来实现（陈明娥等，2020）。城市三维建筑信息模型是实景三维城市、智慧城市及数字孪生城市非常重要的基础数据，为城市空间规划、建筑设计提供了精细的三维数据。但是现有城市数据管理模式下，不同部门、领域的数据之间存在着较大的隔阂和信息孤岛现象，数据难以整合与共享，极大限制了BIM和地理信息系统的交互与应用，迫切需要一种综合性的数据管理方法，将BIM与三维 GIS进行整合和共享（许娇龙等，2012）。作为建筑领域和空间分析领域的代表性技术，BIM和三维 GIS的模型转换与集成应用研究备受关注。BIM因其能够对建筑进行全生命周期管理而受到了广泛的关注，成为实现建筑工程全生命周期智能化和数字化管理的有力工具（Liu等，2021）。然而，BIM更注重对单一对象整体细节的建模和管理，能够详细展示建筑实体的构造和设施信息，但对于大规模城市建筑群的综合管理与空间分析存在较大的局限性；同时，BIM采用相对坐标而非绝对坐标，在进行大范围空间分析时，不能直接将BIM与周边环境的绝对坐标系统相统一。因此，在智慧城市建设与精细化城市管理中，BIM在实际场景中的应用效果和价值受到了极大限制（赖华辉等，2018）。针对BIM，国内外建筑业普遍采用IFC（industry foundation classes）标准。IFC标准是BIM领域中一种典型的数据交换标准，基于EXPRESS语言定义实体关系模型，用于在建筑、工程和施工中，通过数字化建模来支持项目的信息交流和协作（Geiger等，2014）。IFC标准的产生过程可以追溯到20世纪90年代初期，当时，建筑领域中的数字化建模工具越来越多地使用了专有的数据格式，导致不同软件之间的数据交流和协作变得非常困难，给建筑设计、施工、运营过程带来了阻碍。为此，研究开发了IFC标准，IFC标准逐渐成了一种通用、标准化的BIM文件格式，并被国际标准化组织认定为ISO 16739标准（Xu等，2016）。目前，IFC标准已成为全球范围内建筑行业的通用BIM标准，为建筑行业的数字化转型和智能化升级提供了重要的技术支持。三维GIS是基于二维GIS发展起来的，以空间数据为核心，旨在获取、存储、管理、分析和可视化海量的地理空间数据，具有更加优越的空间分析和展示能力，为智慧城市的建设和管理提供了强有力的支撑（张秋义等，2012 ；El-Mekawy等，2012）。运用三维GIS技术可以高效处理和融合各类城市数据，生成具备高精度、实时性和全面性的数字城市模型。然而，对于城市范围内的大规模三维空间分析而言，三维建筑模型数据BIM无法直接进入GIS进行数学分析，制约了GIS数据的来源和系统分析功能的发挥，限制了三维GIS在城市建筑空间分析领域的应用（欧阳群东等，2011）。综合评估BIM和三维GIS的特点及优劣势，实现二者的集成与协同应用是建设智慧城市的关键（Zhu等，2018；纪雨欣，2024）。BIM为三维GIS提供高质量、多样化、多维度的精细化数据支持，而三维GIS能够将BIM数据与地理空间信息结合进行空间定量分析，充分发挥BIM数据的价值，二者相互补充、融合，弥补各自的不足。因此，如何有效地实现不同标准下的BIM模型转换，并确保将IFC-BIM模型中的属性信息最大限度且完整准确地映射到CityGML（city geography markup language）三维GIS模型中，是实现BIM与三维GIS集成分析与应用的关键。IFC标准主要采用三种方式来构建三维实体模型，分别为边界表示法（boundary representation，B-Rep）、扫描表示法及构造实体表示法（constructive solid geometry，CSG）（李佩瑶，2017；赵静等，2022）。CityGML标准采用B-Rep表示三维实体模型，并定义了建筑物对象的几何表示，以及相关的语义和拓扑信息。例如，墙体由不同的面对象组成，每个面对象都具有不同的属性，如法线向量、材质和纹理等信息，这些面对象组合在一起形成了完整的墙体。梁和柱等立体结构的几何形状也是由定义其构造表面的属性定义。这些表面在IntBuilding Installation类中作为内部建筑进行几何组合，生成完整的梁或柱，并由一个或多个Beam和Column类表示。2.2 编码方式
在IFC标准中，模型采用EXPRESS语言表达，以图1中一面墙为例，共分为三大类别，即描述墙面的信息、墙面的位置及墙面的形状。
CityGML标准中模型采用XML语言进行表达，即先以标签分组描述属性信息，然后使用B-Rep将四个坐标构成一个平面，六个平面再构成长方体以组成一个墙面，如图2所示。
2.3 语义表达方式
IFC标准模型中存在两种层次结构，即用于管理IFC类的类层次结构和用于显示拓扑信息的空间结构。其决定了IFC标准模型中的语义信息。
（1）类层次结构在一个层次结构中管理所有IFC类，IFC标准中的所有内容都被视为特定类下的对象，除了根类和叶子类，每个类都有一个父类及一个或多个子类。一个类包含多个属性，子类往往比父类拥有更多属性；除了继承自父类的属性外，还可以定义自己的属性。
（2）空间结构使用四个空间结构元素定义了IFC标准建筑模型的拓扑结构，包括场地、建筑、建筑层和空间。这些空间结构元素是建筑元素的容器。图3展示了IFC标准数据的典型空间结构，通过这种空间结构，空间结构元素与建筑元素相互联系，形成了一个巨大的网络。CityGML作为表示虚拟三维城市模型的标准数据模型，为建筑物、水体、植被等地理特征提供了丰富的类别定义和语义信息。图4描述了CityGML标准的顶级类层次结构，所有类的基类都是抽象类CityObject，从gml::_Feature类继承了属性名称、描述和gml:id，并提供了额外的属性CreationDate和TerminationDate，以便在一段时间内反映不同的对象状态。每个CityObject都可以通过任意数量的ExternalReference链接到其他数据库或外部数据库中的对象，这些引用可能指向地籍、管理系统或其他特定应用程序数据集中的对象，有利于维护到原始对象的反向链接（Hong等，2012）。
3 IFC标准模型向CityGML标准模型自动转换3.1 几何转换
IFC标准采用多种表达形式描述实体对象的几何信息，其中包括基于边界面的B-Rep、基于横截面和扫描方向的扫描表示法，以及基于实体组合的CSG，使得IFC标准模型具有较高的灵活性和适用性。CityGML标准仅使用B-Rep表示实体对象，即所有实体对象都由面表示，在城市景观等领域得到了广泛应用；但在一些复杂几何结构的描述中可能存在限制。
在利用平面生成扫描体的过程中，二维平面和扫描向量是不可或缺的要素。首先，需要确定平面中相应线段AB的端点坐标
，
及扫描向量
；其次，利用扫描向量V对线段AB扫描生成A'B'，扫描的面则成为对应的边界表面AA'BB'，如图5所示。其中，扫描向量的选取对于生成扫描体有重要影响，为了获得高质量的边界表面，需要选择合适的扫描向量，并进行相应的参数调整和优化。端点A'、B'的坐标计算：
3.2 坐标转换
根据IFC标准，物体在模型中的位置是通过IfcLocalPlacement对象中的局部坐标系来定义的。物体的位置与世界坐标系无关，而是相关对象的局部坐标系。其可以由一个IfcAxis2Placement3d对象来定义，包括一个位置向量和两个方向向量，分别用于定义X、Y轴，Z轴则是通过向量叉积得到的。物体相对于这个局部坐标系的位置可以通过将物
体的局部坐标系转换到父级坐标系中实现，例如，墙体的坐标以所在建筑物为参照物，而建筑物的坐标以所在区域为参照物。上述这种方式确保了每个建筑组件都是唯一定义的，且易于复制信息。在大场景建模中，可以通过改变对象的局部坐标系统并保留其他信息快速生成多个对象的副本。利用定义局部坐标系的相对关系，获取场景中对象之间的正确位置关系，使得整个场景的建模过程更加方便和高效。
在CityGML标准中，所有对象都定义在具有绝对坐标的世界坐标系中，在进行IFC模型的处理和转换时，需要充分考虑物体的局部坐标系与世界坐标系之间的转换关系，确保转换过程坐标的准确性和一致性（Zhu和Mao，2015）。实验用式（2）、式（3）实现IFC模型相对坐标系统向CityGML标准世界坐标系统的转换：
式中，x，y，z为构件位于本地直角坐标系下的坐标；n=1，2，…，m，m为构件的迭代次数，以IfcSite为基准，根据不同构件而定，如IfcBuilding次数为1，IfcBuildingStorey相对IfcSite次数为2，以此类推，当n=j时表示构件位于转换后统一以项目基点为原点的直角坐标系下的坐标；a，b，c为坐标变换时的初始笛卡儿坐标点(IfcCartesianPoint)，即平移量；α、β、γ分别为坐标系变换时绕x轴、y轴及z轴旋转的角度，逆时针方向为正。在模型转换过程中，楼层信息对于建筑物的生成较为重要，需要采用一种方法来区分不同的楼板，如地板和屋顶（朱莉莉，2019）。根据IFC标准中的IfcSlab类，实验采用基于决策树算法区分不同的楼板，如图6所示。首先，筛选出所有IfcSlab类对象，并按照所属的建筑层进行分类；其次，针对每一层中的IfcSlab类对象，利用对象类别和预定义语义信息，通过决策树的分支结构判断该对象类型。
在模型转换过程中，建筑物的层高被用于定义转换后的模型高度，实验通过墙高（WallHeight）与地板厚度（FloorHeight）之和来计算建筑物的层高，确保生成的CityGML模型具有正确的高度信息。对于每个楼层，获取所有墙体高度并与IfcBuildingStorey对象中定义的楼层高度进行比较：若两者相等，层高即为楼层高度；否则，层高为墙高和地板厚度之和。其中， Hwall[i]与Hfloor[i]两个值获取流程如图7所示。对于IFC模型向CityGML标准细节层次（level of detail，LOD）模型，即LOD-1~LOD-4模型的转换，采用流程如图8所示。
1）IFC模型转换为CityGML 标准LOD-1模型在CityGML标准LOD-1层级模型中，建筑的立面被简化为一个或多个垂直于地面的面。其沿着水平方向被近似为简单多边形，在垂直方向上，被简化为顶部平坦的棱柱形体，几何形状通过外围边界面表示（Xu等，2014）。在CityGML标准中，建筑物的几何形状用gml:SolidType表示，是由多个面构成的体，可以是封闭或开放的；外表面由gml:MultiSurfaceType表示，是由多个面组成的表面集合。IFC模型向CityGML标准LOD-1层级模型转换时，有两种不同的途径。（1）从IfcWall实体（墙）和IfcSlab实体（顶层）中获取建筑的外表面。此时，外表面需要使用IFC模型视图进行简化，每面墙和屋顶只表示一个单一的平面，在此过程中，如阳台之类的建筑扩展部分将被忽略，若墙体和屋顶的几何形状上有任何曲面，也将被消除。（2）从IfcSlab实体（地面或顶层）获取建筑的占地面积。从IfcRoof实体（屋顶）获取建筑的高度，并利用占地面积、高度及坐标构建建筑物的B-Rep模型。2）IFC模型转换为CityGML 标准LOD-2模型建筑表面可被视为IFC模型的简化结果。在转换过程中，从IfcWall、IfcSlab实体获取主要资源，从柱（IfcColumn）、梁（IfcBeam）及幕墙（IfcCurtain Wall）类中获取辅助资源，建立建筑物表面模型。在这种情况下，CityGML模型中的WallSurface对象将通过从IfcWall类中提取外墙面来生成，接着进行模型简化，消除那些无法转换到CityGML模型中的墙和边。此外，来自IfcCurtainWall实体的几何信息也能够映射到CityGML标准的Wall Surface类中。IfcWall实体中的曲面可用WallSurface类表示；屋顶（RoofSurface）需要利用从IfcRoof引用的IfcSlab实体的几何结构简化处理后生成，简化过程可以消除一些无法转换到CityGML模型中的几何信息，确保生成的RoofSurface符合规范。在转换过程中，生成地板（GroundSurface）对象的方式有两种。一种是从IfcSlab实体的底部获取几何信息，并利用其创建GroundSurface对象；另一种是通过连接底部和外围墙面的中线，形成一个闭合多边形，并使用其创建GroundSurface对象。对于在建筑外部可见的IfcColumn、IfcBeam实体，可以通过表示为BuildingInstallation类中的gml:Solid或gml:MultiSurface来呈现其几何形状和位置信息。此外，BuildingInstallation类还可以用于表示建筑物内部的IfcStair实体，实现LOD-2模型中对于建筑物内部空间的准确建模。对于在IFC模型中没有明确语义定义的建筑元素，通过从IfcBuildingElementProxy实体中获取信息实现在CityGML模型中的表示。3）IFC模型转换为CityGML标准 LOD-3模型在CityGML标准 LOD-2层级模型的基础上，LOD-3模型为了更加准确地描述建筑物的外观，增加了门（Door）、窗（Window）等开口元素（Sani等，2022）。其被定义为抽象类Opening的子类，采用gml:MultiSurface Geometry表示几何形状。在IFC模型中，门（IfcDoor）和窗（IfcWindow）类通过引用IfcOpeningElement类来描述建筑物开口；与CityGML标准对象模型不同的是，IfcOpeningElement不是抽象类，IfcDoor、IfcWindow也不是IfcOpeningElement的子类。IfcOpeningElement类被用于描述建筑开口的几何形状和语义信息，可以包含多个IfcDoor、IfcWindow元素（武鹏飞等，2019）。CityGML标准中的Door和Window对象可以通过从IfcDoor和IfcWindow类中获取的信息生成。为了获取信息，IfcDoor、IfcWindow首先引用IfcRelFillsElement，IfcRelFillsElement再通过IfcOpeningElement、IfcRelVoidsElement从其空间容器IfcWall中提取信息，引用路径如
式中，IfcRelVoidsElement为一种在IFC模型中用于启用建筑元素与开口之间语义关系的元素，可以明确建筑元素与开口之间的相关性质；IfcRelFills Element为用于建立开口与填充该开口之间的语义关系的元素，可以描述开口与其填充物之间的关联性质。这两种元素的应用有助于完善IFC模型中建筑元素与开口之间的关系，提高建筑信息的准确性和可靠性（刘成堃等，2022）。4）IFC模型转换为CityGML标准 LOD-4模型
在CityGML标准的LOD-4层级，建筑物内部结构被加入模型中，CityGML标准中支持内部结构表示的类主要是Room和IntBuildingInstallation。其中，Room被描述为构建建筑物内部自由空间的语义对象，按照CityGML标准，Room的几何形状一般用gml:Solid表示，如果无法保证边界拓扑正确性，则可以使用gml:MultiSurface表示（El-Mekawy等，2010）。为了在LOD-4模型中保留内部房间的相关语义信息，房间的不同部分可在BoundarySurface聚合的类中表示，其可从语义上区分天花板、室内墙壁或地面。内部房间对象在拓扑上通过各自的表面相连接，如果其共享同一个开口或面，则被定义为相邻。此外，房间内部还包含了可移动的物体，如家具等，使用BuildingFurniture类来表示。
在向CityGML模型转换过程中，需要从相应的内部房间中获取信息，但IFC模型中没有特定的类来表示内部房间，只有一个相似类别IfcSpace类用来定义建筑物中的空间关系。IfcSpace类表示实际区域或物体边界，通常与建筑楼层（IfcBuilding Storey）或外部空间（IfcSite）相关联，其重要特征是一个IfcSpace类可以跨越多个相邻空间，提供了一种将多个空间包含在一个楼层中的方式。该类别也可被分解为多个部分，每个部分定义为一个局部空间。因此，在转换时，可从IfcSpace类中获取建筑物内部房间的信息，房间边界可从IfcWall、IfcSlab实体中获取。具体而言，位于建筑物第N层Room对象的FloorSurface、CeilSurface分别将由位于第N、N+1层的IfcSlab实体获取的信息生成，其中，第N层IfcSlab实体生成FloorSurface，第N+1层IfcSlab实体生成CeilingSurface；这可将IFC模型中的IfcWall、IfcSlab转换为CityGML模型中的Room。
此外，CityGML标准建筑模型还包括内、外墙面。内墙面InteriorWallSurface可由IFC模型中代表内墙的IfcWall实体获取的信息生成，外墙面WallSurface可由IFC模型中代表外墙的IfcWall实体获取的信息生成。
Door、Window对象可利用向LOD-3模型转换的方法，通过从IfcDoor、IfcWindow获取的信息生成。
实验采用三重图语法构建映射规则，将相关属性从IFC模型映射到CityGML模型中，如图9所示。根据IFC标准文件中的属性信息和CityGML标准文件所需信息，选择和组合来自每个模块的相关规则，创建生成所需输出的规则集。其中可为每个特定对象创建和修改每个规则，以不同的方式处理信息，包括组合多个属性或函数，使转换值符合CityGML标准。
4.1 直接属性转换为直接属性
这类映射规则直接从现有的IFC节点中提取值，作为属性直接添加到已经存在并连接的CityGML节点中。如果多个映射规则应用于相同CityGML节点上的相同属性，则后续的映射规则会覆盖已经映射完成的值。例如，从IFC模型向CityGML模型的ID传输，首先，提取IFC文件中的GlobalID属性；其次，按照guid函数中定义的约束进行转换，转换为符合ID格式的值；最后，将其插入到gmlObject类的ID属性中，如图10所示。
这类映射规则适用于所有IfcProduct类中的实体，对应于CityGM标准对象中的Abstract GMLType类。4.2 属性直接指向新节点
这类映射规则的实现过程涉及创建新的节点，并在初始IFC节点对应的已有CityGML节点与新节点之间建立关联边，将新节点添加到CityGML模型中。具体地，从现有的IFC节点中提取所需属性的值，将其用于创建新的节点，并将新节点插入到CityGML模型中。同时，还会建立一条边，将初始IFC节点对应的已有CityGML节点与新节点连接起来，保证新节点的正确插入。
图11展示了IFC节点的IfcSpace类和CityGML节点的AbstractSpace类之间，从IfcSpace类的Pset_SpaceCoveringRequirements属性集中提取名称为FloorCovering的属性值，作为一个新创建的IfcProperty节点。
在这种映射规则中，会沿着相应的IFC标准路径遍历，提取涉及属性的值，并直接添加到相应的现有CityGML节点中。如果多个规则应用于相同CityGML节点上的相同属性，则先映射的值将被后续映射值覆盖。其适用于不同类型的IFC标准实体，且相应的CityGML节点必须已经存在于CityGML模型中。图12展示了从IfcSpace类的Pset_SpaceCommon属性集中提取IsExternal属性，并确定相关房间的spaceType，然后将其分配给CityGML节点的AbstractSpace类中的gmlElem节点。
4.4 多属性向单个目标映射
在IFC模型中，属性的定义可能分布在不同的位置，而有些规则需要访问这些位置以获得必要的信息。由于这些位置可能距离较远，因此在应用其他规则时，需要将先前提取的信息存储在上下文中，以便调用。模型中，如门的高度是一个典型的例子，在IFC标准中，数值单位可以在属性中省略，使用默认单位在IfcProject节点上定义，因此，对门进行属性映射时需要两条规则。
规则1，用于从IfcProject节点中提取单位信息并存储到上下文中，从IfcProject中提取默认长度单位并存储在上下文变量lengthUnit中。
规则2，用于从门中提取高度值，使用上下文中存储的单位信息对其进行调整，并分配给CityGML标准中的新节点。
从IfcDoor中提取高度值，使用SlengthUnit变量将其转换为米，并设置为CityGML标准中名为DoorHeight的新IfcProperty节点，如图13所示。此时，映射规则的应用顺序非常重要，规则1在规则2之前应用才能生效；实验中通常将不同规则按照与其名称相关的字母数字顺序排序来实现。
4.5 单属性向多个目标映射
在某些情况下，CityGML模型中的多个属性可以源自相同的IFC节点或属性。对于这类情况，部分规则需要共享单个IFC节点，并由多个不同的父节点引用，如从IfcSpace中提取HandicapAccessible属性并设置为CityGML标准中一个新ifcProperty节点，如图14所示。
在转换算法中要确保每个对象只映射一次，避免创建重复节点。这可以通过在创建新节点之前进行检查，判断是否已经存在一个具有相同标识符的节点；如果节点已经存在，则不需要再创建新节点，可以将属性添加到现有节点中。
5 原型系统实现
5.1 系统架构设计与实现
原型系统采用浏览器-服务器（browser/server，B/S）架构，相较于客户-服务器（client/server，C/S）架构，其利用浏览器作为客户端访问服务器端应用程序，具备跨平台和跨设备的优势。同时，应用程序的数据都存储在服务器端，可避免数据泄露，保护数据安全。实验采用三层架构来设计系统，包括用户界面层、服务器层和数据库层。每一层都有相应的功能和职责，分别负责系统的不同功能模块，使得系统开发过程高效、结构清晰、耦合度低，有利于后期的维护升级。总体架构如图15所示。
在开发过程中采用了多种编程语言和技术，所使用的主要技术工具如图16所示。WebGL是一个基于OpenGL ES 2.0的Web图形库，是HTML5标准的一部分，可以在Web浏览器中呈现高性能、交互式的3D图形和动画（张涛等，2023）。JSDAI是一个用于实现面向对象数据存储和交换的Java工具包，提供了一组API来访问和操作EXPRESS格式的数据，可以对IFC文件进行解析、查询、过滤、转换和输出等操作，实验通过JSDAI来操作IFC文件。
原型系统主要功能集中于以下方面：①全面呈现建筑模型的宏观和微观信息，更好地展示建筑结构特征；②提供建筑模型结构查看和建筑构件信息的查询功能；③支持精准测量、路径漫游和模型转换导出等操作。系统通过浏览器端对IFC模型进行渲染，效果如图17（a）所示。建筑模型外观、结构及部件细节等均得到了较为全面的展示，凸显了IFC模型对建筑内部信息的准确表达。利用模型的剖切功能，可以观察到建筑内部的门、墙、家具等构件，实现了对建筑物的深度剖析和全面了解（de Laat和van Berlo，2010）。此外，还具有很好的扩展性和可移植性，能够灵活适用于不同的应用场景。当选中建筑体内部构件时，系统会在右侧立即呈现相关信息，并将选中部分在建筑模型中高亮显示，使用户能够轻松定位并对构件进一步分析。此外，除了支持建筑模型的展示和查询功能外，还提供了精准测量和剖面展示等进一步功能。通过对建筑体进行准确测量，评估建筑模型的精确性和质量；通过展示建筑物在不同剖面上的结构，帮助用户更深入地了解建筑模型的内部组成和构造。这些功能的开发极大增强了用户对建筑模型的理解和分析能力，提供了更多深入分析建筑模型的可能性，为相关研究和实践提供了一种高效便捷的工具。
系统提供了模型转换模块，可将IFC模型转换为LOD-1~LOD-4层级的CityGML模型，输出的模型可以直接在三维场景中查看使用，如图17（b）所示。此外，系统还支持对模型的切换，方便用户选择所需操作模型。
5.2 系统测试与分析
数据来源于IFC开放模型库网站（赵彬彬等，2023），实验数据模型如图18（a）所示。
图18（b）展示了利用本系统以IFC模型为原始模型生成的LOD-1~LOD-4层级的模型。在视觉效果上，LOD-1模型由建筑物简化的外部墙面表示，作为最低精细度的层级，数据量最小，主要用于标识建筑的外边界，通常情况下，只在简单空间分析中使用，在复杂分析中无法提供更为准确全面的信息。LOD-1、LOD-2模型进一步增加了建筑外部结构的表达精度，强化了细节表现能力，增强了模型视觉效果；虽然仍未涵盖内部构造，但用户可从中获取部分外部设施较为详细的信息。在LOD-2模型的基础上，LOD-3模型着眼于建筑物外表面的关键开口要素，突出门、窗等重点部位的细节表现，进一步还原了建筑物的几何形态。在LOD-3模型的基础上，LOD-4模型进一步提升了建筑模型的细节表现能力，准确地表达建筑物内部的各种细节，如室内空间、房间分布、墙体结构、门窗设施及家具等元素，实现了对建筑模型内外空间的全方位呈现。综上所述，本系统在模型转换方面具有较高的有效性和可行性，能够将IFC模型转换为符合CityGML标准的模型，并且转换后的模型具有良好的几何形态表达，达到了预期效果。不同模型转换前后数据量见表1。模型转换后，不同LOD层级的CityGML文件所占数据量呈现显著差异，随着LOD层级的提高，模型内部构件和细节愈加丰富，文件数据量也逐渐增大。LOD-1、LOD-2层级主要由简单面构成，仅表达建筑的外部轮廓，不包含内部设施的详细模型，数据量较小（Benner等，2005）。LOD-3层级在LOD-2层级的基础上增加了内部边界的简化模型，相对数据量有所增加。LOD-4层级涉及内部设施的细节建模，需要较高的模型精度，且基于转换后的B-Rep构建，进一步增加了模型复杂性和数据量（Deng等，2016）。因此，模型数据量大小与LOD层级密切相关，在进行模型转换时，应根据具体应用场景选择合适的LOD层级，通过在准确表达建筑物信息和数据存储与处理方面做出平衡，获得最佳性能和效果。
3）模型属性分析
利用FZKViewer查看转换后模型各个构件的属性。以图19中门、窗户、沙发、柜子为例，经转换生成的文件包括了CityGML标准的Generic Attributes、GML Attributes模块，根据属性栏展示的信息可以查看构件的名称、类型、ID、尺寸等相关属性。因此，本方法不仅确保了几何信息的精确性，还保证了属性信息的完整性和一致性，实用性得到了验证。
本文挖掘了IFC标准和CityGML标准下三维建筑模型的语义属性差异；提出了BIM源模型向不同LOD层级目标模型的几何转换方法，实现了IFC标准下BIM模型向CityGML标准下三维模型的几何转换；开发了转换原型系统并进行了测试分析。主要结论如下：（1）本方法能够有效实现IFC模型向多层级CityGML模型的转换，且对多数单体模型相当实用；转换后模型未见错误与偏差，视觉效果良好；（2）本方法具有相当的灵活性，可根据不同模型转换调整，可作为IFC模型转换的有力工具，为建筑信息建模领域提供了新的技术手段。BIM与三维GIS的集成应用促进了不同领域的数据交流与共享，为智慧城市建设与城市精细化管理提供更全面、更精确、更实用的城市数据和信息支持，提高了城市空间规划和城市管理的效率和质量。针对BIM与三维GIS集成应用的技术特点，后续应深入探索二者的集成应用的理论和方法，围绕实际需求和具体功能点开展更多实用性研究。如将BIM和三维GIS集成并应用于智能建筑、智慧城市等领域，实现建筑和城市的智能化管理，更好地满足社会需求；与数字孪生技术相结合，使得数字孪生技术更加精准和全面，为建筑和城市运营维护提供更好的决策依据。同时，加强学术界和产业界的合作与交流，共同推进BIM与三维GIS集成应用的发展与普及。陈明娥, 崔海福, 黄颖, 郭明强, 庄灿. 2020. BIM+GIS集成可视化性能优化技术. 地理信息世界, 27(5): 108-114[Chen M E, Cui H F, Huang Y, Guo M Q , Zhuang C. 2020. A performance optimization technique for BIM+GIS integrated visualization. Geomatics World, 27(5): 108-114 (in Chinese)]
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