技术摘要：
本发明公开了一种无损地由BIM模型构建空间语义数据库的方法，属于空间地理信息数据转换方法的技术领域。包括新建表，定义表结构字段，定义表之间关系，将BIM对象按照定义的数据库结构进行表记录整理；最终建库得到无损的BIM空间语义数据库步骤；本发明具有可直接将BIM  全部
背景技术：
随着科学技术的发展，人类所处物理世界中的对象及业务正在通过一系列的技术 手段，在电脑世界里进行重新组织再现：从早期的设计图纸、二维电子地图，到现在的三维 设计模型、三维数字地图，多种技术都旨在通过越来越真实、准确的三维数字世界，实现对 物理世界的映射、模拟、监控和指导。 在将物理世界还原到数字世界的这个过程中，有两种典型的技术成为主流：一种 是面向建筑工程领域的BIM（Building  Information  Modeling，BIM，建筑信息模型）技术， 因为模型精细程度高、语义信息丰富，包括几何、物理、规则等丰富的建筑空间和语义信息， 主要应用于对工程或建筑工程全生命周期的数字化管理，并在各类建筑工程领域得到了大 量应用。一种是面向地理空间领域的GIS（Geographic  Information  System，地理信息系 统）技术，它基于地理空间信息，可以支持从微观到宏观进行大范围、多尺度、海量二三维地 理空间数据的存储管理分析和应用。 由于早期的BIM和GIS面向的是不同领域的应用，因此两者采用了截然不同的数据 标准和技术，无论在几何表达及语义描述上都具有重大差别。但是随着智慧城市的发展，二 者融合的需求越来越强烈：一方面GIS技术因为其先天性优势被选为了构建智慧城市的主 要技术，而BIM数据是城市可视化、精细化、精准化管理的重要数据源；一方面BIM领域用户 越来越需要了解模型周边的环境以及多个BIM模型之间的关联关系，这又需要GIS的支撑。 BIM进入GIS领域，可以减少重复建模，激发出新的应用，为城市基础建设、城市规划管理、公 安应急、室内外一体化导航等各种应用提供基础数据保障。 目前已有的BIM进入GIS领域的方法一般是进行数据转换，主要围绕IFC和CityGML 两个通用数据标准开展，包括数据级别和应用级别（如图1所示）。 数据级别的集成方法主要是对现有数据格式的转换，即IFC到CityGML的转换，通 过相关的算法完成几何信息的提取、坐标系和几何表达的转换以及语义信息的映射；工作 集中在比较BIM标准和CityGML两种不同行业标准的数据模型在表达机制上的区别，研究精 细化模型到表面模型的转换；从BIM模型提取多细节层次（LOD）GIS模型的方法。 应用级别的集成方法是指仅在应用程序级别，在BIM中提取出需要的信息，转化为 特定的数据格式，再被GIS的分析软件读取；基于可视化编程处理软件（Feature  Manipulation  Engine ,  FME），设计了一种语义信息过滤和几何信息提取的方法，以实现 BIM模型到LOD2以及LOD3细节层次下的CityGML模型的转换。 已有的BIM进入GIS领域的数据转换方法存在如下问题： 1、数据级别的融合存在数据丢失；首先从任何一款BIM软件转换为IFC，就已经丢失了 4 CN 111597170 A 说　明　书 2/8 页 一部分数据；另外一方面，包括由于两种数据格式之间的几何表达和对象语义的差异，而且 IFC模型包含的语义信息远远超过CityGML模型，因此导致这种转换方法不可避免的会产生 错误和信息丢失的问题。 2、应用级别的融合仅面向某个具体的应用提取转换数据，局限性非常大，并且只 能解决某个特定问题，可拓展性不强。 诸如已公开的中国专利文献“一种面向规划管理的BIM与3DGIS融合方法（申请号 201910206369  .0）”中，提出了一种面向规划管理的BIM与3DGIS融合方法。该方法提到了利 用BIM构建城市规划信息数据库。但是在构建库之前，他对BIM信息进行了提取和转化，且其 构建的语义数据库内容为“语义与BIM分类信息的映射关系”，不包含几何结构信息。 诸如已公开的另一篇中国专利文献“BIM数据轻量化方法及装置（申请号 201710058771.X）”中，提出了一种BIM数据轻量化的方法。该方法对于BIM数据中任意构件 类型确定所述BIM数据中任意构件类型对应的所有构件，遍历所述所有构件对应的构件属 性，为相同构件属性的构件设置相同的构件标识，对于任意构件标识将所述任意构件标识 对应的构件属性作为一个构建模型存储至构件模型数据库。该技术方案中并无利用语义关 联的概念来管理数据库，在该方案中，通过将属性相同的模型进行分类，实现精简的同时， 也损失了原来BIM的树状结构，无法看到部件和部件之间的关系。也就是说，其并没有完全 按照BIM的组织架构，完整保留BIM所有对象的所有几何信息和属性信息，并且对BIM  对象 进行了额外分类。 还诸如已发表的文章“扩展BIM至空间数据库的做法与应用”（作者：朱峻平中央大 学土木工程学系）中则提出了一种结合空间数据库的BIM扩展做法与应用案例，着眼于利用 原本数据库技术擅长的栏位扩充、档案处理、简单空间关系之大量资料快速查询能力，使得 更多软件应用程序可重用BIM资料与功能。但是该方法仅提到地理空间的概念，没有涉及到 用语义关联的概念来管理数据库。 还诸如ESRI公司提出了将一个或多个  BIM  文件工作空间的内容导入地理数据库 要素数据集的工具，可以将BIM创建为地理要素。该工具也仅考虑了地理空间概念，并没有 考虑语义关联。 还诸如中国专利文献CN109918751A公开了一种基于CityGML扩展的建筑物三维语 义建模方法，对建筑物及其构件分类，提炼出基本语义实体对象；并确定实体对象的类型和 属性；构建基于CityGML的建筑物三维语义模型；基于语义映射和几何变换，实现建筑物IFC 模型到CityGML扩展模型的高质量转换，快速获取几何、语义和拓扑均正确的CityGML扩展 模型，从而实现GIS环境下建筑物高精度CityGML扩展模型数据的快速生成；通过描述对象 的面、边缘、顶点及它们之间的关系来表达三维对象的形状细节。然而，在该技术方案中，把 BIM中的三个对象IFCSpace、ifcBuildingStore、ifcCovering转换成了一个CityGML对象 Room。这个合并操作，一方面涉及到BIM对象种类的减少，一方面涉及到BIM记录的减少or增 多，也就是说在数据转换中数据得到修改。 总之，现有技术的方法均无法做到无损的数据转换和存储。 然而，随着空间信息领域的纵深发展，越来越多的应用场景中亟需一种能够实现 无损的数据转换和存储的技术。 5 CN 111597170 A 说　明　书 3/8 页
技术实现要素：
鉴于现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种无损地由BIM模型构建空间 语义数据库的方法，以实现直接将BIM的几何信息、属性信息、纹理信息通过数据库的组织 来表达实体间的语义关系，使其BIM的属性结构与几何结构数据完整保留，以空间语义数据 库方式管理BIM模型，从可视化应用领域到智能分析领域，从而将BIM模型无损引入空间信 息领域应用的目的。 具体而言，为达到所述目的，本发明采用的技术方案和方法是： 一种无损地由BIM模型构建空间语义数据库的方法，其步骤如下： 初始设置，选择关系型数据库； 步骤一：数据库表个数与BIM对象的种类对齐，BIM中有多少类对象，就建立多少张表 格； 新建表：根据国际BIM专业化组织buildingSMART提出并被ISO等国际标准化组织采纳 的BIM数据的组织规范IFC2x  Edition  3，为BIM中的所有对象类别，都建立一个表，表名称 和BIM中种类名称保持一致；实现将BIM中所有的对象种类的涵盖； 步骤二：数据库表结构与BIM对象的属性对齐； 定义表结构字段：根据每类BIM对象的属性描述字段，构建数据库表的字段：字段名称、 类型均和BIM对象保持一致；将BIM对象的属性设置为表的字段名； 步骤三：数据库表关系与BIM对象间关系对齐； 定义表之间关系：将BIM对象的唯一ID，设置为每个表的主键。将BIM对象的父节点ID， 设置为表的外键。通过主键、外键配合，实现用关系型数据库描述BIM树状结构； 步骤四：数据库表记录与BIM对象的记录对齐，将BIM对象进行入库，将所有BIM对象按 照分类存入对应的表中，形成表的记录； 将BIM对象按照如上定义的数据库结构进行表记录整理； 步骤五：执行建库脚本，进行建库得到无损的BIM空间语义数据库； 形成将BIM中每类对象、每个属性都入库，每类对象的关系也通过表之间的关系清晰表 达，所有BIM对象属性完整保留，所有BIM对象关系完整保留，BIM的几何表达转换为空间表 达，得到同BIM组织架构一样的空间语义数据库的结构。 该步骤四中的表记录整理为分别执行几何转换操作和语义保留操作。 该语义保留操作具体为按照已经定义好的表结构，将BIM数据的语义属性，直接作 为表结构中对应的字段的值进行输入，实现BIM语义数据的完整保留。 该几何转换操作为将BIM数据的几何信息进行坐标转换，包括几何表达方式的转 换和坐标转换得到地理空间的几何信息。 该几何表达方式的转换是指将BIM对象的模型表达，该模型表达通常是将三角网 转换成地理表达，主要是点、线、面的地理几何要素；BIM模型的几何对象采用模型几何表达 方式，用三角网来无限逼近几何形状，需要对BIM模型的几何表达方式进行转变，转换为地 理要素点、线、面的表达。 该坐标转换是指将BIM采用的局部坐标系转换为地理空间坐标。 该几何表达方式的转换步骤为： 首先选取法向量平行的相邻三角形进行三角网合并；通过去掉两个相邻三角形的共用 6 CN 111597170 A 说　明　书 4/8 页 边，将三角网进行合并；合并后判断顶点是否在同一个平面：如果顶点在同一个平面，则继 续合并，直到没有三角形进行合并为止；此时得到一个顶点连续、闭合的多边形polygon，该 多边形polygon可以用顺序的点序列组合来描述，如P={p1，p2，p3……pn}，n=1,2,3,4，…… 的自然数；该步骤并不会对BIM的几何对象结构、数量进行修改，仅是进行了几何表达的改 变，使原来通过三角网表达，现在通过多边形坐标串来表达。 该坐标转换的步骤为： 将BIM采用的局部坐标系，此时多边形的点的坐标也是局部坐标一般用（X,Y,Z）表示， 将其转换为地理空间坐标系，一般用（B,L,H）表示，两者之间的转换公式如下： 其中：B为大地纬度，L为大地经度，H为大地高，N为常数，e为自然常数。 采用本发明的技术方案和方法的有益效果是： 解决BIM数据丢失问题：本发明可以将BIM数据完整保留并入库，解决传统语义映射和 几何结构精简等传统方法导致的BIM几何数据缺失、语义映射错误等问题。 解决BIM数据空间查询检索问题：BIM数据一般采用局部坐标，无法进行空间检索； 通过将BIM数据构建空间语义数据库，可以让BIM模型之间具有空间拓扑关系表达，可以对 BIM数据实现空间检索、空间拓扑分析，比如查询距离当前视角30米的所有墙面对象。 解决多个BIM数据之间联合检索：原有BIM数据是单独的文件存在，无法进行多个 BIM之间的联合检索。通过本发明的方法可以将多个BIM入库，实现联合查询检索，比如对城 市中所有BIM中的消防栓进行查找定位。 解决语义检索和扩展：目前市面上已有的GIS方法表达的BIM，都是基于表达或者 可视化的，是某种属性的可视化的参数，比如窗户是通过一个中心点坐标挂接了一些属性 来表达，查询的并不是窗户的对象，而是窗户的几何中心 挂接的属性。此类方法表达的都 不是现实世界的信息。而语义空间数据库的特点在于语义信息的存在，通过语义化的描述 方法，可以用语义对象来集成不同领域的知识，该对象不仅包含了其属性和能力，也具有空 间属性、时态信息，还可以便利的拓展进行其他信息的融合。语义对象之间还具有关联，从 而将扁平化的数据结构变为立体化的数据结构，产生数据与数据间的价值。同时语义化的 数据结构化描述，是BIM数据进入智能分析的重要途径。 解决室内外坐标参考统一问题：GIS表达的室外环境和BIM表达的室内环境都采用 了不同的坐标参考。通过本发明的方法可以将BIM的坐标参考转换为GIS可识别的地理空间 参考，实现了室内外坐标参考的统一，为室内外一体化导航提出了新的解决方案/解决思 路/数据支撑。 解决BIM数据编辑难问题：BIM数据编辑，一般需要借助专业的BIM软件，通过本发 明的方法可以解决BIM在GIS领域难编辑的问题，也可实现对BIM模型的批量增、删、改、查。 7 CN 111597170 A 说　明　书 5/8 页 比如：两个房间的门，原来都是2.1米宽，现在其中一个要改成1.8米，只需要在表单里批量 修改，再刷新，模型也就会跟着修改。同时，因为是语义化的描述，如果有后期有新增的信 息，比如楼里新装了烟感传感器，可以按规则在数据库中拓展即可，无需重新编辑BIM数据。 附图说明 图1为利用传统方法进行数据转换的立体结构示意图； 图2为本发明方法数据转换的立体结构示意图； 图3为本发明方法数据转换的整体结构示意图； 图4为本发明方法数据转换的结构示意图； 图5a 为图4几何转换方法结构框图； 图5b 为图5a几何表达转换方法结构框图； 图5c 为图5b几何表达转换前后比较示意图； 图6为本发明实施例在BIM中的表达方式示意图； 图7为本发明实施例几何表达转换方法结构框图； 图8为本发明实施例构建的空间语义数据库数据结构示意图。