多源BIM模型在GIS平臺(tái)的輕量化關(guān)鍵技術(shù)研究

貢金鵬 馬瑩

摘? 要：隨著B(niǎo)IM技術(shù)、GIS技術(shù)和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，越來(lái)越多的城市開(kāi)始搭建信息化的數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)。數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)可以把城市在規(guī)劃建設(shè)過(guò)程中產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)通過(guò)信息化的手段進(jìn)行匯集和管理，將多源數(shù)據(jù)通過(guò)科學(xué)、高效、全面的信息管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)和展示，為城市管理和運(yùn)營(yíng)提供全面的數(shù)據(jù)支撐。本文以數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)項(xiàng)目為基礎(chǔ)，探索性地研究多源BIM模型通過(guò)輕量化處理在GIS平臺(tái)高質(zhì)高效進(jìn)行管理和展示的方法，在此基礎(chǔ)上搭建了數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)。

關(guān)鍵詞：多源BIM模型;輕量化;GIS平臺(tái);數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)

引言 隨著B(niǎo)IM技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，在城市規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段，政府部門(mén)積極推進(jìn)“多規(guī)合一”，實(shí)現(xiàn)“一張藍(lán)圖干到底”的發(fā)展理念。在城市建設(shè)過(guò)程中，越來(lái)越多的政府部門(mén)要求設(shè)計(jì)單位進(jìn)行BIM設(shè)計(jì)，施工單位采用BIM施工，將所有的設(shè)計(jì)和施工數(shù)據(jù)與三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)。城市規(guī)劃和建設(shè)涉及到多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，不同的專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域使用的BIM建模軟件也不盡相同，如何將這些種類(lèi)繁雜的BIM模型以統(tǒng)一的形式融入GIS平臺(tái)進(jìn)行管理，已經(jīng)成為數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)領(lǐng)域的一個(gè)重大難題，受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

1.多源BIM+GIS與數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)

1.1多源BIM模型

目前，我國(guó)設(shè)計(jì)和施工單位在城市規(guī)劃建設(shè)中已經(jīng)探索出較為成熟的技術(shù)路線，將規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工的各個(gè)方面進(jìn)行細(xì)分，形成了較多的專(zhuān)業(yè)方向，不同的專(zhuān)業(yè)采用各自的BIM設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，如道路交通設(shè)計(jì)采用Bentley的Open Road，市政建筑設(shè)計(jì)采用Autodesk的Revit，市政設(shè)施設(shè)計(jì)采用Solidworks或CATIA，景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)采用Sketchup等軟件，各個(gè)軟件設(shè)計(jì)的BIM模型均以特定結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)，在各個(gè)設(shè)計(jì)單位進(jìn)行成果交付時(shí)，政府部門(mén)收集的交付成果種類(lèi)繁多，最終形成多源BIM模型數(shù)據(jù)。

1.2 GIS平臺(tái)

在城市規(guī)劃和建設(shè)階段，涉及到的區(qū)域較為廣闊，通常以整個(gè)城市或多個(gè)城市為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)和建設(shè)，需要實(shí)現(xiàn)大范圍空間領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，GIS平臺(tái)已經(jīng)形成較為完整的空間信息管理模式，能夠快速定位空間位置，實(shí)現(xiàn)整個(gè)地球空間范圍內(nèi)的所有位置的快速訪問(wèn)，可以很方便地實(shí)現(xiàn)大區(qū)域數(shù)據(jù)承載和展示的功能。GIS平臺(tái)提供了程序化的自動(dòng)切割和數(shù)據(jù)分析功能，在城市規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域可以發(fā)揮極大地作用。

1.3數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)

數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)主要包含數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、規(guī)劃綜合展示系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)服務(wù)系統(tǒng)、建設(shè)工程管理系統(tǒng)及運(yùn)維管理系統(tǒng)，通過(guò)將多源BIM模型和GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和建庫(kù)，搭建完善的數(shù)據(jù)支撐平臺(tái)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)城市規(guī)劃建設(shè)數(shù)據(jù)的匯集和管理。隨著數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)的上線運(yùn)行，城市規(guī)劃數(shù)據(jù)陸續(xù)進(jìn)入平臺(tái)，有利于促進(jìn)城市規(guī)劃和建設(shè)信息的匯聚和存檔，同時(shí)也隨著數(shù)據(jù)的完善，可以為城市規(guī)劃建設(shè)提供更加精準(zhǔn)和科學(xué)的數(shù)據(jù)參考，為城市的規(guī)劃建設(shè)以及后期運(yùn)營(yíng)搭建了一套完備的智能管理平臺(tái)。

1.4多源BIM+GIS成為數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)的重要技術(shù)支撐

通過(guò)將多源BIM模型與GIS平臺(tái)進(jìn)行融合，在城市規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊，多源BIM模型可以為城市規(guī)劃和建設(shè)管理者提供1：1的模型以及詳細(xì)的模型信息，通過(guò)GIS平臺(tái)進(jìn)行定位、加載和展示，管理人員可以利用GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理和分析功能對(duì)BIM模型相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)和匯總，從而達(dá)到BIM和GIS的深度融合，為數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)提供技術(shù)支撐。

BIM輕量化主要包括兩個(gè)主要方面，分別是模型輕量化和數(shù)據(jù)輕量化，因此在進(jìn)行輕量化之前，需要做數(shù)模分離，將數(shù)據(jù)與模型以相同的編碼進(jìn)行標(biāo)注，隨后分離到不同的系統(tǒng)中，對(duì)模型和數(shù)據(jù)分別做輕量化處理后進(jìn)行重新關(guān)聯(lián)，從而提高模型輕量化的效率和效果，防止因?yàn)槟Ｐ偷淖兓绊懙綌?shù)據(jù)的完整性。目前階段BIM數(shù)據(jù)由于對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行流暢度影響較小，加載數(shù)據(jù)方便快捷，一般采用對(duì)BIM模型的數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行檢查和篩選，按照全部數(shù)據(jù)入庫(kù)，重要數(shù)據(jù)入平臺(tái)做展示的原則進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和優(yōu)化，從而提高數(shù)據(jù)抽取的效率。

2多源BIM模型輕量化方法

本文涉及到的三維建模軟件主要包括Sketchup、Revit、Bentley、CAD、Solidworks、3DsMax等，其中主要的模型類(lèi)型分為總體規(guī)劃模型、單體建筑設(shè)計(jì)模型、路網(wǎng)設(shè)計(jì)模型、管廊設(shè)計(jì)模型、單體設(shè)備模型等內(nèi)容，這些模型體量龐大，總體模型和資料量達(dá)到TB級(jí)別。如何對(duì)這些三維模型和資料進(jìn)行輕量化并快速展示成為系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容。本文主要從三個(gè)方面對(duì)多源BIM模型在GIS平臺(tái)的展示進(jìn)行輕量化處理，分別是模型輕量化處理、傳輸輕量化處理和加載輕量化處理。其中模型輕量化主要解決復(fù)雜三維模型在屏幕展示過(guò)程中三角面片多導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行卡頓的問(wèn)題、傳輸輕量化主要解決大量模型文件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)加載傳輸時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題、加載輕量化主要解決大量物體在加載展示過(guò)程中模型加載速度慢的問(wèn)題。

2.1模型輕量化處理

模型輕量化處理過(guò)程中，BIM模型相對(duì)較為精細(xì)，同時(shí)模型的圖元ID和屬性ID是相互關(guān)聯(lián)的，通常情況下只能對(duì)模型的頂點(diǎn)和三角面片進(jìn)行優(yōu)化，無(wú)法進(jìn)行圖形的合并。因此在模型輕量化過(guò)程中，本文主要通過(guò)網(wǎng)格聚合的算法進(jìn)行輕量化。

第一步：將BIM模型輸入輕量化中間件中，獲取模型的所有頂點(diǎn)、線段和三角面信息。并對(duì)三角面信息按照一定的規(guī)則進(jìn)行分類(lèi)。

第二步：將相似類(lèi)型的三角面進(jìn)行分析和處理，根據(jù)三角面和模型的集合特征進(jìn)行相似性判斷，對(duì)相似性達(dá)到一定閾值的三角面片進(jìn)行聚合。

第三步：對(duì)聚合完成后的模型通過(guò)QEM算法進(jìn)行全部邊的簡(jiǎn)化誤差計(jì)算，同時(shí)對(duì)相關(guān)紋理坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，根據(jù)聚合的結(jié)果將原始紋理對(duì)應(yīng)到聚合完成后的圖形上。

第四步：根據(jù)邊線的簡(jiǎn)化誤差計(jì)算結(jié)果，選擇誤差最小的邊進(jìn)行半邊折疊簡(jiǎn)化，根據(jù)簡(jiǎn)化后的拓?fù)潢P(guān)系重新計(jì)算簡(jiǎn)化誤差。

第五步：當(dāng)模型的整體檢查率達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，完成簡(jiǎn)化操作。

通過(guò)以上簡(jiǎn)化操作，可以大幅度減少模型的三角面片數(shù)量，同時(shí)保證模型的整體形狀，從而為模型的加載和展示提供基礎(chǔ)。

2.2傳輸輕量化

多源BIM模型經(jīng)過(guò)模型輕量化處理后，將原始的圖元模型轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格模型，文件的體積會(huì)增大，不利于模型的存儲(chǔ)和傳輸。目前階段進(jìn)行網(wǎng)格壓縮的方式較多，本文中主要通過(guò)模型轉(zhuǎn)換中間件將模型從原始模型轉(zhuǎn)換為平臺(tái)特有的中間格式進(jìn)行存儲(chǔ)的模型，平臺(tái)特有的中間格式存儲(chǔ)模型將原始模型的點(diǎn)、線、面、材質(zhì)、節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)、著色器、動(dòng)畫(huà)等相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為方便讀取和解析的JSON文件，通過(guò)文本壓縮技術(shù)中在JSON壓縮方面較為高效的Brotli算法來(lái)實(shí)現(xiàn)快速和高壓縮比的文件壓縮，通過(guò)傳輸輕量化的處理，模型文件一般可以壓縮為原始文件的1/10左右，可以壓縮為模型輕量化處理后的網(wǎng)格模型文件的1/100左右。

2.3加載輕量化

在模型加載過(guò)程中，如果將全部模型同時(shí)加載進(jìn)入內(nèi)存，會(huì)導(dǎo)致瀏覽器占用內(nèi)存過(guò)大而崩潰的情況，各個(gè)模型通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)角岸藶g覽器服務(wù)程序，平臺(tái)解析模型并將結(jié)果加入瀏覽器緩存中。

通過(guò)多重LOD技術(shù)對(duì)模型進(jìn)行不同精細(xì)度的處理，當(dāng)視角距離物體在一定距離范圍內(nèi)時(shí)，加載相關(guān)精度的模型。本文中將模型主要分為5個(gè)LOD等級(jí)，隨著視角與物體距離的不斷縮進(jìn)，平臺(tái)會(huì)自動(dòng)根據(jù)距離關(guān)系來(lái)加載更小等級(jí)的模型。LOD5為不同角度的投影圖片，通過(guò)判斷相機(jī)與模型的位置關(guān)系來(lái)加載不同角度的圖片;LOD4等級(jí)為模型在上下左右前后六個(gè)方向所呈現(xiàn)視圖效果在立方體上的投影，將各個(gè)角度的視角圖片作為立方體每個(gè)面的貼圖進(jìn)行展示;LOD3等級(jí)為模型的簡(jiǎn)單輪廓模型，通過(guò)提取模型的輪廓，將貼圖賦予模型輪廓來(lái)查看整體模型效果;LOD2等級(jí)為模型的外部詳細(xì)結(jié)構(gòu);LOD1為精細(xì)模型，可以進(jìn)入到模型內(nèi)部查看所有細(xì)節(jié)。通過(guò)LOD動(dòng)態(tài)加載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同距離下動(dòng)態(tài)查看不同精細(xì)度的模型功能。

通過(guò)遮擋剔除技術(shù)，可以將一些視角范圍內(nèi)看不到模型進(jìn)行不加載處理，從而提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3總結(jié)

針對(duì)多源BIM模型在GIS平臺(tái)瀏覽器端的加載和展示過(guò)程中的實(shí)際需求，本文考慮將BIM模型進(jìn)行多維度的輕量化處理，通過(guò)模型輕量化、傳輸輕量化和加載輕量化實(shí)現(xiàn)高效快速的城市級(jí)BIM模型快速加載和瀏覽，通過(guò)實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行方法驗(yàn)證，獲得了較好的效果。該方法為數(shù)字城市三維可視化平臺(tái)中城市級(jí)BIM模型的快速加載和管理提供了技術(shù)支撐，同時(shí)也為城市級(jí)BIM模型的輕量化處理和加載提供了處理的方法和思路。

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作者簡(jiǎn)介：貢金鵬，出生日期：1992.06;性別：男;學(xué)歷：碩士;研究方向：三維數(shù)字化工廠、智慧城市;工作單位：中冶京城工程技術(shù)有限公司

馬瑩，性別：女;研究方向：智慧城市建設(shè);工作單位：北京新航城智慧生態(tài)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司