[轉]基於WorldWind平台的建築信息模型在GIS中的應用


1 引言
 
  隨着BIM(Building Information Modeling)的不斷發展,建築信息建模的理念貫穿着建築、結構、施工、運行維護以及拆遷再規划的整個建築的生命周期,這種理念不僅使得各個階段的信息得以共享,同時也綁定了各個專業的協同工作,使得各個專業不再是一個相對獨立的個體。但是BIM所闡述的理念覆蓋的范圍僅僅是獨立的建築個體,對於在BIM的整個流程中對於同周圍環境的相互影響有着很大的局限性。
 
  地理信息系統(Geographic Information System,GIS),在維基百科中的解釋為,它是一門綜合性學科,它結合了地理學與地圖學,已經廣泛的應用在不同的領域,是用於輸入、存儲、查詢、分析和顯示地理數據的計算機系統。但是自從BIM的提出,地理信息系統把數字化的建築信息融入進來已經是不可避免。在BIM整個流程中的規划、施工、運行及維護和拆遷再規划的過程都需要考慮周圍的環境,這就需要數字城市的輔助;在地理信息系統發展過程中,僅建築外輪廓已經不再滿足我們越來越多的需求,為建築增加血肉才能讓數字城市、數字地球有了靈魂。
 
  地理信息只是一堆數字紀錄,需要有合適的軟件去把它表示出來,與此同時,地理信息數據庫的建立,亦有賴合適軟件的幫助來把地理數據信息化。目前閱覽GIS資料的工具有 GoogleEarth或微軟的VirtualEarth等系統。開源的工具有GRASS、gvSIG、WorldWind等。本文中我們以開源的WorldWind工具來研究GIS與BIM的結合應用。
 
  2 WorldWind二次開發平台
 
  2.1 WorldWind簡介
 
  WorldWind,中文譯為世界風,是NASA(美國宇航局)發布的一個開放源代碼的地理科普軟件,它是一個可視化地球儀,將NASA、USGS以及其他WMS服務商提供的圖形通過一個三維的地球模型展現,如“Figure1 WorldWind主界面”所示。
 
  與GoogleEarth相比,WorldWind是一個開源的系統,開發者可以根據需求進行更大程度的二次開發,這也是WorldWind優於GoogleEarth的主要方面,同時作為和美國FBI齊名的NASA旗下產品,擁有正統的美國宇航局的血統,它的地位也是可見一斑。
 
  NASA在2004發布了首個WorldWind的免費開源的版本,目前WorldWind有兩個版本:C#版本和Java版本。早期的WorldWind是基於。NET框架的,它僅在微軟平台中運行,近期NASA發布了Java版本,支持跨多個平台。不同於。NET版本的是,Java版本是一個完全面向開發人員的版本,在它的SDK開發包中增加了許多開發范例,可供開發者參考。最新的Java版本(1.5)發布於2013年1月。
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  Figure1WorldWind主界面
 
 2.2 WorldWind二次開發
 
  ◆插件機制
 
  插件機制支持多種語言的插件形式,並有較高的運行效率。添加插件有兩種方式來進行:
 
  Ⅰ外部插件
 
  在WorldWind安裝文件下的Plugins文件夾中直接添加插件源文件或者編譯好的程序集,此種方式為WorldWind二次開發的常規方式。
 
  Ⅱ內部插件
 
  由於WorldWind為開源的項目,因此在WorldWind項目中添加插件文件代碼,在項目生成時直接編譯到程序集中。
 
  ◆運行機制
 
  主程序調用PluginCompiler來搜索\Plugins目錄及其子目錄,將插件文件(包含。cs, .vb, .js, .dll格式)讀入內存,如果需要編譯則進行編譯,然后查找已編譯的程序集。在運行過程中可以用插件管理器來管理插件。
 
  ◆插件代碼的書寫格式
 
  Ⅰ插件信息頭
 
  在源文件開頭以上書寫插件信息,這些信息可以被PluginInfo類讀取。信息頭是可選的,同時信息頭的格式可以自定義。
 
  Ⅱ源文件
 
  包含插件加在類(PluginLoader)和應用類(功能實現類)。
 
  3 數字化建築信息模型
 
  3.1 IFC
 
  作為BIM的數字化表現形式以及行業標准,IFC(Industry FoundationClasses)用數字化、面向對象的方式描述了在整個規划、建築設計、結構設計、施工、運維以及拆遷流程中的數據存儲以及數據交換的方式。
 
  IFC中組成建築模型的主要實體對象有IfcSite, IfcBuilding, IfcBuildingStorey, IfcColumn, IfcBeam,IfcSlab, IfcWall,其相互關系如“Figure2 IFC模型中主要實體關系”所示。
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  Figure2IFC模型中主要實體關系
 
 
 
3.2 數字化建築信息模型與數字城市
 
  數字地球是美國副總統戈爾於1998年1月31日在加利福尼亞科學中心所做的“數字地球—認識21世紀我們這顆星球”的演講中首次提出來的,其可以用一個公式進行簡單的加以概括:數字地球=全球網絡+數字化+虛擬現實。
 
  城市作為數字地球的基本單元,城市數字化的普及是通往數字地球的必由之路。而建築作為數字城市中的重要組成部分,數字化建築成為數字城市的核心之一。
 
  在IFC描述的建築信息模型中,已經為數字化建築融入數字城市做好了接口,在IFC模型的IfcSite對象中有描述當前Site所在的地球坐標系下的經緯度,該對象中有這樣三個屬性來描述坐標信息:
 
  RefLatitude – 地理坐標中的緯度
 
  RelLongitude – 地理坐標中的經度
 
  RefElevation – 相對於海平面的高度
 
  4 建築信息模型在WorldWind二次開發平台上的應用
 
  4.1 數字建築與WorldWind平台的結合
 
  Ⅰ 核心機制
 
  WorldWind三維瀏覽引擎主要是通過加載高程數據和紋理貼圖的方式來實現地形的起伏變化,它雖然可以通過某種方式加載建築模型,但是也僅僅是加載了其外輪廓,要想在建築內部漫游,需要應用到另外一個平台– 三維建築漫游系統,這就需要兩個平台間的無縫銜接。
 
  平台的無縫銜接就是把三維建築漫游系統作為WorldWind的一個獨立的啟動項或者插件,在建築放大到某一比例時自動進入到三維建築漫游系統中,而不會讓用戶感覺到平台的切換,這樣就實現了建築在宏觀和微觀下的交換顯示。
 
  Ⅱ平台數據交流
 
  兩平台間的數據交流基於地理空間位置的共享,也就是在三維建築漫游系統中的任何一個位置都可以在WorldWind平台找到與某一地理空間位置對應的位置。基於此位置在三維建築漫游系統中可以獲取WorldWind平台中當前位置的日照、水平距離、海拔、氣候、地震信息等數據。
 
  4.2 在WorldWind平台中的應用
 
  以WorldWind平台為基礎的二次開發,不僅可以應用到建築規划中,還可以體現它在運營維護階段的價值,同時也可以應用到結構設計、施工以及拆遷階段。
 
 4.2.1 光照分析(光污染)
 
  某一地理空間位置的光照分析除了太陽光照射、物體遮擋、大氣折射等因素之外,還有一個因素,那就是物體的反射(建築物的反射)。
 
  假設某一學校周圍要建幾棟玻璃幕牆的高樓,要量化這幾棟樓的反射光對教學樓內部和操場上的光照,分析建築物建成之后對學校的光污染是否超標,就必須要模擬建築物建成之后的光照分析。
 
  通過在WorldWind平台導入規划中的建築,增加各建築物中的反射材料(玻璃幕牆),通過計算建築物玻璃幕牆反射之后對學校的光污染增量,判斷光污染是否超標,如果超標,此時需要選擇新的玻璃幕牆的材質,降低其反射率,減少到達學校周圍的反射光。
3.png
  Figure 3 WorldWind平台24小時內的光照分時效果
 
  4.2.2 噪聲污染
 
  人們對噪聲污染最敏感的地區有學校、居民區、辦公區以及醫院,以這些地方為中心輻射一定的范圍,對於道路、車站、機場以及娛樂場所的規划要有一定的限制。
 
  如果在某一居民區周圍規划一條道路,在規划時需要考慮如何優化到可以把對居民區的噪聲污染降到最低,此時可以在距離規划道路最近的居民樓中的幾個采樣位置分析道路上行車的噪聲給當前位置帶來的噪聲增量。
 
  聲音的傳播的主要因素有距離、空氣阻力、空間上物體遮擋(建築物、綠化帶隔離等)等,根據這些因素計算某一距離外到達居民樓內所采樣的幾個位置的噪聲量化指標,分析是否超標。
 
  4.2.3 反恐
 
  對於逃竄在城市中的恐怖分子或者鬧市區的恐怖挾持,快速定位恐怖分子的位置和控制恐怖分子的活動范圍,迅速隔離、制服恐怖分子,是保證人員安全和降低損失的有效途徑。對於建築林立的城市,如何實現快速機動,這就需要數字城市的支持。
 
  以發生在某一大樓中的恐怖劫持為例,狙擊手需要對這棟大樓進行監視,並在危機時刻擊斃恐怖分子,他需要確認的是:在周圍哪個建築中的哪個位置距離最近、視線最好、狙擊影響因素最少(風速、光影響)。
 
  擴展之后的WorldWind平台中可以精確獲取建築與建築之間某一位置的距離,同時可以通過實時更新WorldWind平台中當前區域的環境、氣候等,就可以實現在短時間內分析出最優狙擊位置,因此可以快速、准確的控制整個局面。
 
 
 
 4.2.4 地震逃生
 
  在城市中,由於地震持續時間短,造成的破壞大,在地震發生時快速撤離是增加地震生存的關鍵因素。通過建立某一區域(數字小區、數字城市)的數字化系統,可以在最短時間內提供逃生的最優路徑。
 
  比如要從某個人流量很大的大型商場逃生到地震發生時的安全區域。首先系統要確定的是最近的安全區域,安全區域的定義,就是在某一區域范圍內,當所有的建築都向以此區域中心的方向傾倒時,仍可以保證此區域的安全;其次要對大廈各樓層、各區域的人員進行有效分流撤離出當前大廈,原則就是以最快、最短路徑,同時保證各條逃生通道都不會擁堵;再次確定逃離到安全區域的路線,從大廈的各個出口逃離到最近的安全區域,要保證逃離路線最短、周圍建築物倒塌影響對撤離人員生命威脅最小、人流量控制(不至於發生踩踏事故)。
 
  因此在地震發生時,以最短時間做出最快決斷,選擇最安全的生命通道是減少地震中人員傷亡的有效路徑。
 
  5 結論
 
  GIS與BIM的結合應用,就像給有生命的數字建築插上了飛翔的翅膀,可以在更大的平台發揮BIM更廣的應用。未來的數字城市、數字地球必將會走進每一個城市、每一個小區、每一個家庭以及每一個人的視野。
 
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