基于IFC的室內地圖模型構建研究

黃楠鑫，王 佳，李 智，周小平,3，張 純，宋冰玉

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基于IFC的室內地圖模型構建研究

黃楠鑫1，王 佳1，李 智2，周小平1,3，張 純4，宋冰玉4

(1. 北京建筑大學電氣與信息工程學院，北京 100044；2. 北京市首都公路發展集團有限公司，北京 100161；3. 中國人民大學信息學院，北京 100872；4. 盈嘉互聯(北京)科技有限公司，北京 100041)

室內地圖構建屬于一項基礎性研究，可為導航、疏散等建筑室內智能化應用提供數據與技術支持。室內環境的復雜性，存在信息提取耗時且成本高，提取的室內信息不完整等問題，而已有的室內地圖模型通常體量龐大，數據復雜且冗余嚴重，實用性較低。為此，將BIM技術與室內地圖研究相結合，以BIM通用交互格式工業基礎類(IFC)文件為數據源，提取幾何與語義信息，提出一種室內地圖模型的構建方法。內分類定義地圖節點，完成對建筑室內信息的抽象表達；通過設置閾值來簡化地圖中節點數量以達到模型的優化。該模型中可導入經典尋路算法生成最短路徑，并且設計路徑優化方法。

工業基礎類；室內地圖；節點選??；路徑優化

隨著城市發展，建筑越來越密集精細，人們的移動范圍從室外平面向建筑內縱向深入，對于空間信息技術的需求也日益提高。但室內區域通常是封閉或半封閉空間，且相比于戶外要復雜得多，由于傳統測繪技術的局限，室內信息的收集是高成本且耗時的，收集到的信息也通常是不完整的[1]。對此人們需要構建室內地圖模型，完成對建筑室內的信息化集成。室內地圖的幾何坐標精確性、層次關系清晰性以及數據信息的豐富性，對于像室內導航、機器人服務、無人駕駛自動泊車、應急疏散等場景是至關重要的。與GIS為基礎的室外路網系統相比，室內地圖不僅有很高的研究前景，而且具有巨大的應用價值。

隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術的日益發展和國家政策推進，BIM模型在設計和施工過程中已得到大規模應用，使之成為建筑信息的重要來源[2]。BIM模型強調微觀空間信息描述，包含大量建筑內部結構信息，其完整的幾何及語義信息是可以作為室內地圖的重要信息來源。

目前，國內外學者對于將BIM應用與室內空間分析進行了許多研究，其主要有網格法與幾何圖法。LIN等[3]提出運用網格方法處理3D室內空間路徑規劃，但其地圖模型存在數據復雜、實用性低的問題。在幾何圖研究中，文獻[4]從BIM中進行圖形構建和路線尋找，從而解決救援和撤離等應急決策相應問題；文獻[5]構建室內地圖模型并完成與室外GIS路網的集成并進行路徑規劃；但由于地圖模型忽略構件的語義信息，易造成模型數據不準確。本文提出以工業基礎類(industry foundation classes，IFC)為數據源，提取與構圖相關室內構件的建筑信息，設計包含室內信息的關鍵節點選取，構建地圖模型并對節點進行優化，最后在構建好的地圖模型上，任意輸入起始位置，利用經典尋路算法，即可生成最短路徑并優化。研究基本框架如圖1所示。

圖1 室內地圖模型構建研究框架

1 BIM與室內信息

BIM是建設項目的物理特性與功能特性的數字化表示，且是從建設項目的最初概念設計開始的整個生命周期里做出任何決策的可靠共享信息資源。在BIM領域中，IFC是建筑信息資源傳輸與交互的重要組成部分[6]。

1.1 IFC概述

IFC是國際協同聯盟為實現建筑信息的共享與交換建立的標準[7]。IFC作為開放的國際標準，具有完善的信息分類和數據結構，易于信息的提取和相關應用的開發，是數據交換和信息共享的良好媒介[8]。該標準自1997年以來共更新發布了十多個版本，本文提出的室內路網構建數據源均為目前市場較通用的IFC 2×3標準文件。

1.2 源文件解析

為獲取IFC文件中的建筑數據，需對IFC標準使用的形式化的數據規范語言EXPRESS進行解析。本文使用開源軟件IfcOpenShell作為解析器，首先將IFC的實體類型進行映射對象化[9]，解析后的數據，以JSON對象的形式進行存儲。JSON格式輕量、自我描述性強且獨立于編程語言，之后的研究也將在此格式的IFC數據之上進行。圖2為一個門構件解析前后的幾何信息表達。接下來面向室內路徑規劃需求，提取IFC模型內建筑構件的室內信息。

圖2 某門構件解析前(左)與解析后(右)幾何表達對比圖

1.3 面向室內構件的信息提取

IFC中定義了600多個建筑實體與300多個建筑類型，以及定義了建筑構件間的連接關系。在IFC標準規范中，實體類型是數據模型的核心，所有對象實體都繼承于父類IfcObject[10]。整個IFC模型通過樹狀結構層層遞進，從而囊括不同種類的建筑構件要素。表1為本文構建室內路網需要的建筑構件，以及構件對應的IFC中實體名稱。

表1 室內地圖相關的建筑構件與IFC實體對應表

1.3.1 語義信息提取

語義信息主要提取構件的屬性信息與樓層信息，IFC文件通過自身的屬性機制能夠對實體對象關聯的所有屬性進行抽象性概括。IfcProperty定義IFC文件中實體對象的屬性信息，包含簡單屬性 IfcSimpleProperty、復雜屬性IfcComplexPro-perty以及屬性關系IfcPropertyDependencyRelatio-nship。其中IfcSimpleProperty類型表示單一屬性對象的泛化，其各種子類型建立了各種屬性值設置的方式；IfcComplexProperty用于定義屬性集內復雜屬性，通過定義屬性列表使復雜信息能在不同屬性集中復用；IfcPropertyDependencyR-elationship描述了兩個屬性值之間的一種確定的依賴關系。

實體中IfcBuildingStorey類型表示建筑物的層，其始終與一個IfcBuilding (建筑或建筑物)相關聯。建筑樓層包括對屬于該樓層空間的引用，所有建筑構件都被分配到其所在的建筑物層。如果建筑元素(或空間)跨越許多樓層，且與其他連接元件(例如開口或門窗)分別直接分配給所在層。通過對IfcBuildingStorey的信息提取，可得到整個建筑物的樓層信息。

1.3.2 幾何信息提取

幾何信息方面，IFC內與室內地圖相關的建筑室內構件都繼承于IfcProduct，其定義的子類型中包含幾何信息的實體類為IfcProductRepresentation與IfcObjectPlacement。其中IfcProductRepresentation定義構件的形狀、輪廓等幾何表示；IfcObjectPlacement定義構件的位置與坐標系，包括絕對坐標與相對坐標[11]。

IFC內采用計算幾何實體表達方法，其中定義了精確幾何描述、構造實體幾何模型(constructive solid geometry，CSG)、半空間定義、掃掠實體(SweptSolid)、邊界表達模型(B-rep)、表面模型和幾何集等7種表達形式。這些機制構建了IFC中實體模型的精確表達，但是不利于計算機數據處理與可視化顯示[12]。IFC解析器，可以將IFC內實體幾何表達轉換為三角網格(triangle mesh)數據。三角網格結構簡單清晰，易于讀取，是目前在圖形研究上較通用的幾何表達格式。

室內地圖對構件的幾何要求為其基本輪廓與位置布局，因此構件中有許多幾何數據是多余的，同時過大的數據量也會影響地圖構建的效率，本文引入OBB包圍盒算法，遍歷表達構件幾何的三角網格頂點，通過主成分分析獲得始終沿構件主體方向的OBB主軸。主成分分析中引入協方差矩陣概念(如式(1))，與為構件內任意三角網格點，通過計算其，，值的協方差表達2個三角網格點相關性，協方差矩陣的特征向量即為構件主體方向。由包圍盒提取到建筑構件的外輪廓坐標信息，將作為路網構建的幾何數據源，即

2 地圖模型構建

本文構建的室內地圖模型以幾何圖網模型為基礎，建筑室內空間中的三維對象和其關聯關系將被轉換為對偶空間內的節點與邊。轉換后，整體建筑信息變成節點邊連接的關系結構。其結構簡單，已被廣泛應用于室內外空間網絡分析。結合經典圖論，本文提出一種包含節點選取與節點優化的多層次、輕量化路網模型構建方法。圖3(a)為一簡單單層辦公樓IFC模型。

首先進行平面地圖構建，根據樓層信息篩選同層的建筑構件，將同層內的墻、柱、窗、門等構件的幾何信息平面二維化，投影在樓層平面上。然后提取本層中建筑外墻的幾何數據，將其作為地圖外邊界。

2.1 節點選取

對于室內平面地圖的節點選取，根據室內構件的特點，將節點定義為3大類，以便于節點的簡化。

在第一類節點選取中，篩選門、落地窗和墻上門洞等含出入口屬性的建筑構件，將其平面幾何中心抽象為節點，定義為門點，如圖3(b)中三角形點。在第二類節點中，篩選內墻等含大型建筑構件，將這些構件投影外輪廓相交線的中點抽象為節點，定義為拐點，如圖3(b)中方形點，若遇到墻柱相連的情況，直接定義柱的幾何中心為拐點，拐點的定義完成路網中障礙信息的儲存。在最后一類節點中，結合圖論知識，沿門等出入口構件連通方向，取門等出口前對面墻距離一半位置的點為門前點，過門前點做其對應墻面的水平線與中垂線，線的交點抽象為節點，定義為連接點，如圖3(b)中圓點。連接點作為門點與拐點的中介，定義了連通兩點間的最短距離，避免了繞路的產生。選取的節點間通過邊連接，兩點間直線距離抽象為邊的權值，生成平面拓撲路網模型，如圖3(c)所示。

圖3 平面室內地圖構建

2.2 節點簡化

由于IFC標準定義的多樣性與廣泛性，一些模型在通過計算機技術進行節點選取處理后，可能會產生體量龐大的節點數據，容易形成數據冗余。在實際生產生活中，對于路網模型的精度是有需求的，過大的數據量將影響空間分析效率。不利于路網模型應用的展開。對平面地圖的節點進行簡化，是對IFC中室內信息輸出智能控制的體現。本文提出了一種地圖節點簡化算法，其基礎是節點歸一化思想，具體流程如圖4所示。

圖4 節點簡化流程圖

本算法引入閾值(單位為mm)。閾值的下限應大于地圖內移動體的基本尺寸，如移動體為人則應高于1 000 mm；上不設限，若大于平面地圖內最大邊，則默認平面內所有節點進入分類簡化。值的具體設置將取決于用戶對地圖模型輸出要求的高低，這也是對模型精度控制的體現。將與平面地圖內兩節點間的最短距離，即邊的權值進行對比，若邊權值小于，則兩端節點需要進行分類簡化。在對單層平面模型內的邊數據進行遍歷，選取滿足條件的節點后，進入分類節點簡化。

節點簡化分為4類：①如果邊兩端為門點與拐點，將兩點歸一為拐點，并將該點加入門點集，即一點雙屬性；②如果邊兩端為門點與連接點，將兩點歸一為門點；③如果邊兩端為拐點與連接點，將兩點歸一為拐點；④如果邊兩端都是連接點，則將兩點歸一化為邊上中點，4類情況外的兩端節點將保留，最后對簡化之后的3類點集重新進行點邊連接與權值計算。圖5為某單層路網模型節點簡化前后對比，其=3 500 mm。

圖5 節點簡化前后模型拓撲網絡對比

2.3 多層構建

完成平面地圖后需將模型內的節點網絡拓展到多層，需要建立樓層地圖。本文將樓梯口或電梯口抽象為單層平面地圖的終點節點，根據層數，建立縱向的建筑層關聯，樓梯口作為建筑樓層過渡元素將抽象為節點，相互連接，形成室內地圖模型從水平到垂直的拓撲關系。樓梯的節點提取較為復雜，由于樓梯類型多樣，以及可能出現的錯位和分層現象，需要對樓梯的起點和終點進行樓層劃分。樓梯的類型主要分為2類：

(1) 上層和下層樓板之間樓梯是相連的，為一個聯通的整體。層間的樓梯部分只需選取2個節點，即樓梯口的中點(如圖6中As，Ae)。邊連接先通過對樓梯正面、側面與頂面三方向投影，然后提取外輪廓的幾何中心線為邊。

(2) 層與層之間的樓梯中存在隔斷樓板(如圖6中藍框部分)。該樓板信息可以在IfcSlab中提取，但其不屬于上下任一個樓層。這種情況需要添加中間節點，選取樓梯與隔斷樓板界面為中間節點(如圖6中Bs，Be)，邊連接方法與第一類相同。最后將平面與樓層的地圖相連接，完成立體化的多層建筑室內地圖模型構建(圖7)。

圖6 樓梯在點邊選取時的正側頂三視圖

圖7 多層室內地圖模型

3 模型應用

完成室內地圖模型構建后對模型進行應用試驗，可以根據實際設置需求，選定相應的空間點作為路徑規劃的起點與終點，運用迪杰斯特拉算法(Dijkstra)進行計算，生成最短路徑。該過程可任意計算一個節點到其他任意節點的最短路徑，該算法快捷有效且拓展性強。

在生成最短路徑的過程中，由于起點和終點的隨機性，首先需搜索最近范圍內地圖節點作為地圖模型內起點與終點，再進行路徑計算。最后生成連接路徑時，在起點和終點位置會存在部分的轉折，并不是從起點到終點的最短路徑。因此，需要對當前層生成的路徑進行優化。

對于當前層生成路徑上的所有點，按照路徑順序依次與起點直線相連，若連線不穿過任何墻體時，說明起點可以直接到達當前路徑點而不經過查找出的最鄰近節點，則可以優化起點至當前路徑點處，終點算法相同。

以圖8為例，為起點，為終點，路徑為----?？梢钥闯?，-路徑為冗余路徑，因此分別連接-與-后，判斷是否與墻體相交?？砂l現，-未與墻體相交，因此可優化--至-，新的路徑為---。將該優化算法應用至多層地圖模型中，最終生成立體化的最優路徑。路徑的可視化展示如圖9所示，以圖中4層辦公樓IFC模型為源文件，構建室內地圖模型后輸入隨機跨樓層起點與終點，運用算法生成最優路徑(折線)。

圖8 辦公室平面內路徑優化圖

圖9 模型內路徑展示

4 總結與展望

面對室內空間分析研究中對于信息高精度需求與傳統室內信息提取困難、信息不完整等現狀、本文以BIM模型為數據來源，通用數據標準IFC為數據基礎，提出了一種多層次、立體化的建筑室內地圖模型的構建方法與地圖模型的簡化方法，并通過實驗得以驗證，可實現對數據模型的精度控制，提高計算效率。本文構建的室內地圖模型，能為應急疏散、室內導航、機器人等智能應用提供技術與數據支持。未來豐富路網信息多樣性和路網模型交互等都將是研究重點。本文的室內地圖模型構建思路，同樣適用于室內外管網、交通工程和道路橋梁建設管理領域。

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Research on the Construction of Indoor Map Model Based on IFC

HUANG Nan-xin1, WANG Jia1, LI Zhi2, ZHOU Xiao-ping1,3, ZHANG Chun4, SONG Bing-yu4

(1. School of Electrical and Information Engineering, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044, China; 2. Beijing Capital Highway Development Group Co. Ltd., Beijing 100161, China; 3. School of Information, Renmin University of China, Beijing 100872, China; 4. BIM Winner (Beijing) Technologies Co. Ltd., Beijing 100041, China)

Indoor map model construction is a basic research, which can provide data and technical support for indoor intelligent applications such as indoor navigation, emergency evacuation, and robot services. Traditional indoor information extraction methods are time-consuming and costly, and the extracted indoor information is usually incomplete. In the existing indoor map research, the model usually has a large volume, the data is complex and the redundancy is serious, and the application rate is low. With the development of BIM technology and the advancement of national policies, this study provides new ideas for indoor map model research. The paper combines BIM technology with indoor map model research, using BIM universal interactive format (industry foundation classes) IFC file as data source to extract geometric and semantic information and puts forward a new construction method of indoor map model. By defining three types of nodes in the model, the abstract expression of the internal information of the building monolayer is completed. Using the idea of node normalization, set the threshold to simplify the number of nodes in the indoor topology network and achieve the purpose of optimizing the indoor map model. In the indoor map model, the shortest path can be generated by the classic path finding algorithm, and the design algorithm will realize the path optimization.

industry foundation classes (IFC); indoor map; node selection; path optimization

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2019010186

A

2095-302X(2019)01-0186-07

2018-06-11；

2018-07-09

國家自然科學基金項目(71601013)；北京市自然科學基金項目(4174087)；北京市教委面上項目(SQKM201710016002)；北京市建筑大學建大英才項目

黃楠鑫(1994-)，男，福建龍巖人，碩士研究生。主要研究方向為BIM技術在空間分析領域應用研究。 E-mail：nanxinhuangkodo@foxmail.com

王 佳(1969-)，女，北京人，教授，博士，碩士生導師。主要研究方向為BIM技術、建筑消防等。E-mail：wangjia@bucea.edu.cn