多分辨率層次模型支持下的BIM-GIS集成可視化

陳玉龍

(1.北京建筑大學，北京 100044；2.城市空間信息工程北京市重點實驗室，北京 100038)

建筑信息模型(BIM)作為一種全新的理念及技術手段，憑借其特征參數化、設施的物理和功能特征的數字化，成為設施信息資源共享、全生命周期決策的可靠基礎[1]。三維GIS作為GIS發展的方向之一，基于空間數據庫技術，面向海量三維地理空間數據，在可視化基礎上，實現三維模型與地形、地貌的無縫集成，同時滿足空間查詢、空間分析及符號化渲染功能[2]。其強大的三維可視化能力及空間查詢分析能力，恰好可以彌補BIM周邊宏觀環境處理及可視化能力的不足，使BIM從單體精細化模型設計應用上升到多維數據應用層面。

目前，BIM與三維GIS集成主要研究集中在兩個方面：一是工業基礎類(IFC)與城市地理標記語言(CityGML)數據的共享機制和語義傳遞方向。國外學者利用CityGML ADE擴展機制、GeoBIM擴展模型、UBM模型實現了數據共享[3-5]；呂慧玲等提出了一種BIM模型到多細節層次GIS模型的轉換方法，優化了BIM-GIS模型可視化效果[6]。二是BIM與GIS集成應用方面。Yamamura提出了一種以GIS-BIM為基礎的城市能源規劃系統訪問優化技術綜合分析調整城市基礎設施的政策思路[7]；Lrizarry等利用GIS-BIM模型的視覺表現能力，實現建筑材料的流程管理可視化[8]；李佩瑤等提出一種面向導航的IFC模型室內空間信息提取的方法，實現了建筑內部空間通達性一體化的語義描述[9]。

截至目前，大部分研究主要集中在兩種模型間的轉換原型設計上，局限于單體BIM信息在三維GIS地理空間中的展示，在數據結構、可視化性能上未進行更深一步的探討，很難滿足不同行業對空間信息完整空間表達和管理的需求，存在以下幾點不足：

(1) 語義信息映射不完整，未能將BIM屬性及功能信息全部繼承。

(2) 大尺度BIM-GIS數據缺乏良好的數據組織模式和空間索引結構，真實質感的三維圖形可視化效率低。

1 BIM-GIS集成可視化框架總體思路

BIM-GIS集成可分為3個層次：一是建筑設施外輪廓幾何信息的集成，主要應用于城市建模；二是建筑物設施構件信息及其內屬性(與構件實體本身相關的屬性)的集成，實現建筑設施內外環境的統一管理；三是BIM-GIS模型內建筑構件的幾何、語義、內屬性、外屬性(建筑構件非實體屬性，描述構件的功能信息)能夠進行完整的描述和表達，同時運用GIS大范圍空間數據分析、數據管理功能，實現建筑設施全生命周期可視化表達與分析[10]。

不同層次的BIM-GIS集成本質區別為BIM數據挖掘的深度不同，但每個層次的應用都離不開整合模型可視化關鍵技術。因此，本文以典型BIM(RVT)數據為例，設計一種基于金字塔結構的BIM-GIS可視化方法，在滿足各層次數據融合的基礎上，提高三維場景的可視化效率，同時滿足空間查詢分析功能，總體框架如圖1所示。

圖1 BIM-GIS集成可視化總體框架

框架主要包括3個環節：

(1) 通過RVT數據格式解析，要素幾何信息判斷，針對不同層次的應用需求建立語義過濾條件，將實體模型轉換為表面模型，同時關聯建筑構件的屬性信息及材質信息。

(2) 基于LOD技術的金字塔多分辨率層次模型，將集成的BIM-GIS模型按照八叉樹邏輯結構分割為多層次的網格模型，應用多分辨率LOD技術，距視點距離不同的網格內采取不同的模型表面細節。

(3) 過濾清洗表面模型原始數據的材質和紋理信息，使之成為透明不可見但包括幾何信息及屬性的模型，然后根據坐標重疊放置在模型場景中，通過空間三維坐標的定位，獲取構件ID，實現查詢分析功能。

2 RVT模型數據解析及幾何轉換

BIM采用的幾何表達方式多為構造實體幾何模型(CSG)和掃描體[11]，屬于體模型的空間構模方法，GIS中地物三維模型幾何表達方式多為邊界表示模型(B-rep)[12]。BIM-GIS集成的關鍵在于體模型向面模型的轉換，實現BIM與GIS在數據格式與空間位置的統一。具體過程如下：

首先解析RVT數據的數據庫構成，對其中與構筑物相關的幾何模型數據進行提取，并獲取與幾何數據相對性的語義信息，并以幾何語義信息作為約束條件，以ElementID為構件元素的關鍵字段標識，關聯其幾何信息和屬性信息。

其次對過濾后的RVT模型進行幾何轉換，即實體模型轉換為表面模型，獲取每個構件的三維數據，包括頂點坐標及法線信息。

最后提取構件的材質信息。RVT數據中，材質信息以獨立元素的形式進行存儲和管理，在RVT文檔中每個材質元素都用唯一的ID進行標識。通過ElementID關聯Model Elements中所包含材質參數，并從中獲取其材質信息，包括填充圖案、顏色、渲染等信息。

2.1 RVT數據解析

RVT模型是BIM全生命周期過程中設計階段的典型數據，同時在施工與運維階段中的結構分析、綜合碰撞檢查、造價管理及運行管理中得到繼承，以RVT模型作為本文的BIM數據來源，具有代表性意義。RVT模型數據庫由模型元素、基準元素、特定視圖元素3部分構成，如圖2所示。

圖2 RVT模型數據庫

模型元素(model elements)中存儲了RVT模型所有的三維幾何信息及與幾何相關的語義信息描述。從操作層面上，RVT模型包含了建筑設計、建筑結構、暖通、給排水、電氣等多方面建筑相關構件幾何信息，從結構層面定義了從室外到室內各種類型的建筑及其附屬設施的構件名稱，即語義信息。同時，模型元素中的幾何構件還包含建筑階段化信息、光熱傳導、標識數據等屬性信息。因此，在對RVT模型轉換為GIS表面模型的過程中，可根據實際需求構建幾何或語義過濾器，從而滿足不同層次的模型轉換需求。

2.2 幾何信息轉換

GeometryObject基類是描述所有Model Element幾何類的基類，其子類包括GeometryElement、GeometryInstance、Curve、Edge、Face、Mesh、Point、Polyline、Profile、Solid。其中，GeometryElement是描述一個構件幾何信息的集合，可包含嵌套層次的多個幾何結構，而GeometryInstance則多數用于表達Revit中的族文件，是布置在項目中的具體構件，相當于經幾何變換的SymbolGoemetry，即加載到項目中的族文件，這二者涵蓋了RVT模型中最主要的構件幾何信息，Solid是RVT模型中描述三維數據最主要的方法，其他的子類基本不作為獨立的構件三維幾何信息存在。具體的幾何信息轉換為：

(1) 根據不同層次的應用需求，構件語義過濾器，篩選出符合要求的構件類型。

(2) 獲取Model Elements幾何類的圖元信息。首先為避免模型轉換過程中構件幾何信息丟失問題，RVT模型精度指定為精細模型，然后歷遍過濾后的Model Elements的Geometry，若不為空，得到Geometry-Object子類類型，獲取構件幾何信息表達方式。

(3) 獲取頂點坐標及法線向量。歷遍Geometry- Object子類類型，①若是GeometryElement，則需要進行強制類型轉換，獲取可能的幾何類型，用遞歸循環函數解析其全部的幾何數據；②若是Geometry Instance，需要通過GetInstance Geometry函數遞歸循環來獲取其真實的幾何數據；③若是其他幾何結構，都是直接的幾何表達方式，不涉及遞歸循環處理。以Solid舉例，可直接通過Solid中的Face進行解析，獲取三角面數據，通過設置其精細程度，控制弧面的顯示效果，也可以利用Revit工具類SolidUtils來解析。

(4) 關聯材質信息與屬性信息。在RVT模型中，只有Model Elements包含材質信息，通過實體(solid)獲取與實體相關的所有材質ID，根據材質ID獲取材質對象，與實體幾何信息關聯。ElementID作為Element唯一標識符，可將其作為關鍵字段將Model Elements中的屬性信息與幾何信息關聯。

3 基于多分辨率層次模型的BIM-GIS數據模型

BIM-GIS原始模型的海量數據特征，使應用系統無法提供場景實施繪制的能力。采用多細節層次(LOD)技術對BIM-GIS模型進行多尺度表達是目前主流的可視化研究內容，在BIM模型向GIS表面模型轉換的過程中，對其幾何結構進行簡化，以實現不同細節的幾何重構[13]。該方法在模型可視化角度進行了優化，本文在此基礎上，采用八叉樹空間索引機制，構建多分辨率層次模型，能夠在保證BIM建筑構件信息幾何、語義屬性信息完整繼承表達的基礎上，增強大尺度BIM-GIS場景實時繪制能力，提高模型顯示速度。

3.1 多分辨率層次的BIM-GIS可視化

多分辨率層次(multi-resolution hierarchy)模型，通常采用倍率的方法構建金字塔，形成多個分辨率層次。通過構建金字塔多分辨率模型，可為BIM-GIS可視化系統提供不同精度的三維數據。多分辨率層次模型采用八叉樹空間索引機制，經遞歸劃分后，在保證模型原始精度的基礎上，將分割的模型體元化，以子節點為起點，自下而上逐層進行模型表面簡化重建，生成模型LOD數據，從而構建多分辨率層次模型，其流程及文件組織結構如圖3所示。

圖3 多分辨率層次BIM-GIS數據構建流程及文件組織結構

在大尺度高細節三維數據可視化處理過程中，八叉樹是效果較好的數據結構[14]，能夠滿足三維視椎體剪裁算法的要求。采用規則的空間八叉樹將BIM-GIS模型數據包圍盒八等分(如圖4所示)，節點收斂條件取決于用戶指定深度閾值或多邊形數量閾值，經遞歸劃分后，特征復雜區域分割為較小的體元，簡單區域分割體為較大體元。

圖4 三維模型八叉樹劃分

分割后的原始精度表面模型存儲在子節點中，過渡節點則存儲逐級簡化重建的LOD數據。為提高簡化效率、保持簡化模型表面特征，文本采用模型最小Q值頂點對(pair contraction)收縮方法[15]，判斷兩個頂點距離是否小于設定閾值，將小于閾值的頂點進行收縮操作，依次反復迭代，直至重建的表面模型滿足簡化要求，進而從底層到頂層逐層生成多分辨率LOD模型。同時，為了實現紋理映射，將降低分辨率的紋理貼圖坐標與幾何多邊形頂點的三維空間坐標進行統一。多分辨率層次LOD模型展示效果如圖5所示。

圖5 多分辨率層次LOD模型

3.2 BIM-GIS數據組織管理

在八叉樹結構中，只有子節點存儲的為原始精度幾何模型，為滿足BIM-GIS模型可視化效果，過程節點中存儲的為經過幾何重構的模型，建筑構件精細幾何形態經過簡化會出現不同程度的刪減。當觀察視點位于父節點以下、子節點以上時，系統繪制的BIM-GIS模型細節丟失，在進行建筑構件屬性信息查詢時，難免因此出現查詢錯誤或失敗的情況發生。因此本文設計了一種方法，將承載屬性信息的原始精度模型進行材質紋理清洗，生成透明不可見，但以實體存在并繼承了BIM全部的幾何、屬性信息的模型，然后空間重疊放置于BIM-GIS場景中。由于該模型不包含材質與紋理等圖像信息，不影響計算機模型繪制速度，可一次性裝載到三維場景中。在實際操作時，通過窗口空間三維坐標的拾取，獲取構件ID，關聯該構件相關的屬性信息，從而實現建筑構件屬性查詢分析功能。

BIM-GIS模型中實體對象除屬性對象以外，還包括空間對象及符號對象，如圖6所示。為實現BIM-GIS模型數據的快速加載與前端顯示，需要對BIM-GIS模型中柵格、矢量、三維模型、材質貼圖、屬性數據進行一體化管理。其中三維模型及材質貼圖作為符號對象管理，以滿足三維場景快速實時加載與顯示；空間對象幾何信息則從不同維度描述實體對象的地理空間特征，采用網絡索引技術，在邏輯上按照空間對象的位置和大小，把該空間對象轉為兩個列的值存儲起來，在關系數據庫層次可構建包含這兩個列和其他位置相關的列的B-Tree索引，能極大提高空間對象的聚簇效果及查詢效率。

圖6 BIM-GIS實體對象組織結構

4 試驗與分析

本文采用Autodesk提供的標準RVT模型作為試驗數據，基于語義信息將RVT模型轉換為表面模型，實現建筑構件細節的無損輸出，保證了構件幾何語義信息的完整描述。圖7(a)是轉換前的RVT原始模型，包括建筑、HVAC、管道3種構件類型；圖7(b)為轉換完成的表面模型；圖7(c)為風管構件轉換完成的表面模型。對比RVT原始模型與轉換后的表面模型，本文提出的模型轉換方法能夠完整繼承RVT模型的幾何、紋理、材質信息。然后采用深度為3的八叉樹數據結構，將原始精度表面模型逐層構建多分辨率LOD模型，以符號的形式代替原有的矢量模型，如圖8所示。在同樣操作環境下對原始精度表面模型和多分辨層次LOD模型作比較分析試驗(見表1)，模型加載顯示效率上，多分辨率層次LOD模型要高于原始精度表面模型。

圖7 RVT模型與轉換后的表面模型對比

圖8 多分辨率層次模型-建筑

表1原始精度模型與多分辨率層次LOD模型數據加載顯示比較

模型類型模型加載時間/s加載時內存消耗/MB漫游時內存消耗/MB顯示幀率/FPS原始精度模型7.832.0633.6129多分辨率層次LDO模型2.37.768.3834

5 結 語

本文提出的基于多分辨率層次模型的BIM-GIS集成可視化方法，能夠在完整繼承BIM建筑構件信息幾何、語義屬性信息的基礎上，實現BIM模型與GIS模型的集成；并通過對原始精度模型的處理與數據組織管理，在滿足建筑構件屬性信息完成描述與表達的基礎上，提高BIM-GIS可視化效率。BIM與GIS之間并無可替代性，更傾向于一種互補的關系。BIM是用來整合和管理設施本身全生命周期各個階段的信息，GIS則是整合和管理設施外部環境信息，把二者信息進行共享和互操作，以滿足查詢、空間分析及可視化的功能，是未來GIS的發展方向之一，也是BIM多維應用的一個重要途徑。