MicroStation三維模型導(dǎo)出ArcGIS SLPK格式探討

金波

摘要：Bentley公司基于MicroStation平臺的系列軟件能進(jìn)行多專業(yè)、多行業(yè)三維建模，但其模型不能直接的導(dǎo)出到ArcGIS平臺中使用。SceneLayer Package（SLPK）是ArcGIS支持的基于OGC I3S規(guī)范的國際三維標(biāo)準(zhǔn)格式，通過研究SLPK格式和MicroStation三維模型，基于MicroStation進(jìn)行MDL二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在MicroStation中三維模型直接導(dǎo)出成SLPK格式，以便在GIS平臺中更好的應(yīng)用和展示BIM模型。

關(guān)鍵詞：MicroStation；SLPK；ArcGIS Pro；MDL二次開發(fā)；BIM+GIS

1 引言

MicroStation是一款工程領(lǐng)域常用的二維、三維一體化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，Bentley公司基于MicroStation研發(fā)了一系列軟件用于土木、工廠、建筑和地理信息行業(yè)，可用于創(chuàng)建各個(gè)專業(yè)和行業(yè)的三維模型，并附加屬性信息，提供了一套廣泛應(yīng)用的BIM解決方案。另外MicroStation提供了SDK，用于用戶二次開發(fā)以實(shí)現(xiàn)更多的功能。

為了更好地將BIM三維模型與GIS結(jié)合起來，ESRI公司發(fā)起了I3S規(guī)范；該規(guī)范被開放地理空間聯(lián)盟（OGC）采納為新的國際三維標(biāo)準(zhǔn)?；贗3S規(guī)范ESRI提出了三維數(shù)據(jù)格式SLPK（場景圖層包）。SLPK格式能夠在ESRI公司的ArcGIS Pro以及ArcGIS online中使用，發(fā)布為服務(wù)后可用ArcGIS API for JavaScript調(diào)用應(yīng)用于Web。

MicroStation三維模型目前不支持直接導(dǎo)出SLPK格式供ArcGIS使用，通過研究SLPK格式和MicroStation模型，基于MicroStation MDL二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在 MicroStation中將模型直接導(dǎo)出為SLPK格式；同時(shí)為了更方便地在GIS系統(tǒng)中使用SLPK，在導(dǎo)出時(shí)添加了坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的功能，可以將模型導(dǎo)出為經(jīng)緯度坐標(biāo)或者Web墨卡托坐標(biāo)等。其轉(zhuǎn)換流程如圖1所示。

2 MicroStation三維模型簡介

在MicroStation中，元素種類很多，主要分為線、面和體幾類。三維模型通常屬于體，極少數(shù)屬于網(wǎng)格面。三維模型常見的元素種類見表1。

針對不同類型的三維模型，需要進(jìn)行不同類型的處理。在程序中，首先需要判斷三維模型的類型，主要用到的函數(shù)包括mdlElement_getType（）、mdlTFElmdscr_ getApplicationType（）和mdlKISolid_isSolidElement（）等。

mdlElement_getType（）可用于判斷三維模型是否是網(wǎng)格或?qū)嶓w。

mdlKISolid_isSolidElement（）可用于判斷三維模型是否是實(shí)體或智能實(shí)體。

mdlTFElmdscr_getApplicationType（）可用于判斷三維模型是否屬于建筑模型單元或者復(fù)合單元。

3 模型面三角形化

三維模型幾何信息由若干個(gè)面組成，MicroStation中三維模型可能包含曲面、含圓弧的面或者多邊形面，但是在SLPK格式中，三維模型目前只支持三角形面，因此需要將MicroStation中三維模型進(jìn)行三角形化，這樣就能滿足SLPK的要求。針對不同類型的三維模型需要進(jìn)行不同的處理。

（1）網(wǎng)格三角形化：網(wǎng)格可能全部由三角形面組成，也可能包含四邊形面或多邊形面，可以使用mdlMesh_ copyTriangulated（）函數(shù)將網(wǎng)格復(fù)制并三角形化，得到的新網(wǎng)格中只包含三角形面。接著使用mdlMesh_ getPolyfaceArrays（）函數(shù)即可獲得網(wǎng)格各個(gè)三角形面的頂點(diǎn)坐標(biāo)。圖2中左邊為原始網(wǎng)格，右邊為三角形化的網(wǎng)格。

（2）單元、實(shí)體和智能實(shí)體三角形化：單元、實(shí)體和智能實(shí)體都只包含單個(gè)的體，首先使用mdlKISolid_ elementToBody2（）函數(shù)將元素轉(zhuǎn)換成內(nèi)部KISolid，再使用mdlKISolid_facetBody（）函數(shù)進(jìn)行三角形化。將含曲線和圓弧的面轉(zhuǎn)換成三角形面會(huì)有精度丟失，主要依據(jù)弦公差和角度公差兩個(gè)參數(shù)來保證精度。圖3中展示的是轉(zhuǎn)換前后的變化。

（3）復(fù)合單元：復(fù)合單元由多個(gè)單元或智能實(shí)體組成，應(yīng)使用mdlKISolid_elementToBodyList（）來將元素轉(zhuǎn)換成多個(gè)KISolid，對于每個(gè)KISolid使用單元、實(shí)體和智能實(shí)體的方法來進(jìn)行三角形化，最后把三角形化的面合并起來存儲即可。圖4中左邊的窗戶包含6個(gè)部分，右邊是三角形化之后的效果。

在完成三角形化的同時(shí)，也獲得了模型在當(dāng)前坐標(biāo)系的頂點(diǎn)坐標(biāo)。

4 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、法線計(jì)算

SLPK的主要使用場合是Web，WebGIS系統(tǒng)常用的坐標(biāo)系是網(wǎng)絡(luò)墨卡托坐標(biāo)系（EPSG：3 857）和WGS84經(jīng)緯度坐標(biāo)系（EPSG：4 326），而MicroStation建模結(jié)合地形模型總裝后的坐標(biāo)系通常為Beijing54、Xian80或CGCS2000的三度分帶投影坐標(biāo)系，因此在模型輸出成SLPK格式時(shí)提供坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換功能很有必要。

基于GDAL和Proj.4開源庫，根據(jù)源坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系的EPSG代碼，實(shí)現(xiàn)對坐標(biāo)進(jìn)行批量轉(zhuǎn)換。

當(dāng)不涉及到網(wǎng)絡(luò)墨卡托坐標(biāo)系時(shí)，主要代碼如下：bool coordTranform（int count，int srcEpsg，int destEpsg，double* px，double* py）

當(dāng)輸入坐標(biāo)系和輸出坐標(biāo)系橢球不一樣時(shí)，通常坐標(biāo)轉(zhuǎn)換需要七參數(shù)或四參數(shù)等才能精確轉(zhuǎn)換，否則轉(zhuǎn)換結(jié)果平面誤差可達(dá)數(shù)十米甚至上百米。但在實(shí)際試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，proj.4和GDAL中已內(nèi)置了相關(guān)轉(zhuǎn)換參數(shù)，不同橢球的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的結(jié)果精度較高，與網(wǎng)絡(luò)地圖套和較好，故可直接使用。假如出現(xiàn)了偏差較大的情況，只需對模型進(jìn)行相應(yīng)的移動(dòng)即可。

除了頂點(diǎn)坐標(biāo)外，三維模型的顯示和渲染還需要每個(gè)面的法線向量，法線的計(jì)算方式為向量叉乘。如一個(gè)三角形面三個(gè)頂點(diǎn)依次分別為P1、P2和P3，則這個(gè)面的法線為，一般還需要進(jìn)行歸一化使法線向量的模為1。在計(jì)算法線時(shí)需要注意，經(jīng)緯度坐標(biāo)不能直接拿來進(jìn)行法線的計(jì)算，如果輸出坐標(biāo)系是WGS84經(jīng)緯度，則應(yīng)先計(jì)算法線，再進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

5 模型屬性提取

BIM模型除了幾何信息之外屬性信息也非常重要，基于MicroStation的建筑建模相關(guān)軟件的SDK中提供了一些提取屬性信息的方法。

首先設(shè)計(jì)了相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲屬性，如下：

（1）面積：模型的表面積，類型為雙精度浮點(diǎn)數(shù)，直接使用mdlMeasure_AreaProperties（）函數(shù)獲得。

（2）體積：模型的體積，類型為雙精度浮點(diǎn)數(shù)，直接使用mdlMeasure_volumeProperties（）函數(shù)獲得。

（3）位置：模型的中心坐標(biāo)，因?yàn)橛腥齻€(gè)浮點(diǎn)數(shù)（X，Y，Z），簡化使用字符串來存儲，從MicroStation元素的元素頭中range變量中能獲取模型坐標(biāo)值的最大值和最小值，取其平均數(shù)即為近似的模型中心坐標(biāo)。

（4）圖層：模型所在的圖層名稱，使用mdlElement_ getProperties（）函數(shù)可獲得圖層ID，再使用mdlLevel_ getName（）函數(shù)即可獲得圖層名稱，類型為字符串。

（5）顏色：模型頂點(diǎn)顏色，類型為字符串，在MicroStation中一個(gè)元素只能有一種顏色，使用mdlElement_getSymbology（）函數(shù)獲取顏色索引號，如果獲得的索引號是“按層”，則需要根據(jù)圖層ID獲得顏色索引號，即使用mdlLevel_getElementColor（）函數(shù)。得到顏色索引號后，通過調(diào)色板來查詢索引號對應(yīng)的顏色RGB值，用到的函數(shù)是mdlColorPal_getColorDescr（）和mdlColorDescr_ getRgb（），最后將RGB值轉(zhuǎn)成字符串。

（6）類別和樣式：類別和樣式是MicroStation建筑模型最重要的屬性之一，類型為字符串，涵蓋模型材料、圖樣、工程量、渲染特性、切圖和結(jié)構(gòu)分析等一系列屬性的定義，知道了樣式名稱，即可在庫中查詢到該樣式的這些屬性，如磚外墻的類別為“Wall_Ext”，樣式為“Brick wall”。使用mdlTFPartRef_getPart（）函數(shù)獲得樣式，再使用mdlTFPartRef_getPartName（）函數(shù)和mdlTFPartRef_ getPartFamilyName（）函數(shù)即可分別獲得樣式和類別。

（7）材質(zhì)：建筑模型的材質(zhì)定義了模型的紋理和貼圖信息，從樣式定義中能獲取到材質(zhì)信息的定義，如“Concrete_3”表示貼圖為混凝土。

除了這些屬性，還能夠根據(jù)不同專業(yè)和行業(yè)來獲取所需的屬性，但是具體需要配置各專業(yè)的工作環(huán)境和約定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，目前還未深入研究。

6 輸出SLPK

完成了上述處理后，即可開始創(chuàng)建SLPK格式的場景圖層包了。

（1）格式簡介：SLPK文件是由一系列JSON文件和二進(jìn)制文件按照嚴(yán)格的文件組織再打包成ZIP格式的壓縮包，其主要文件夾結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根目錄下有metaData.json、3DSceneLayer.json兩個(gè)文件和nodes文件夾；nodes文件夾中存儲有各個(gè)節(jié)點(diǎn)文件夾；root文件夾下存儲的是根節(jié)點(diǎn)信息，只有一個(gè)文件3dNodeIndexDocument.json；其他每個(gè)節(jié)點(diǎn)文件夾下可存儲模型的一個(gè)部分，每部分的屬性可以不同，包括3dNodeIndexDocument.json文件和若干個(gè)子文件夾（attributes，features，geometries和shared文件夾）；attirbutes文件夾下存儲的是各個(gè)屬性的值；features文件夾下有0.json文件；geometries文件夾下存儲的是0.bin文件，以二進(jìn)制格式存儲頂點(diǎn)坐標(biāo)、法線坐標(biāo)、紋理坐標(biāo)和頂點(diǎn)顏色值；shared文件夾中存儲的是sharedResource.json，主要存儲紋理貼圖信息；如果存在紋理貼圖，還會(huì)有textures文件夾，里面存儲的是dds或者jpeg格式的紋理圖片。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的3dNodeIndexDocument.json文件中會(huì)存有父節(jié)點(diǎn)的信息和子節(jié)點(diǎn)的信息，所有節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系是一種樹狀關(guān)系，這對于大數(shù)據(jù)量的模型有利于實(shí)現(xiàn)LOD。

（2）創(chuàng)建JSON文件：JSON文件是JavaScript Object Notation的縮寫，是一種用來存儲和表示數(shù)據(jù)的文本格式，使用cJson庫能夠很方便地進(jìn)行JSON文件的讀寫。對于SLPK包內(nèi)的所有json格式的文件，都可以用cJson庫進(jìn)行創(chuàng)建，各個(gè)文件具體內(nèi)容參見OGC SLPK官方文檔。metaData.json文件的創(chuàng)建代碼如下：

在0.bin中依次存儲的是頂點(diǎn)數(shù)組、法線數(shù)組、紋理坐標(biāo)數(shù)據(jù)和顏色數(shù)組，寫入文件可使用ofstream，ofstream：：write（）函數(shù)能夠快速批量將數(shù)組寫入到文件中。

屬性值也可存儲在名為0.bin的二進(jìn)制文件中，對于不同屬性類型的屬性值，寫入方法有所差別，其代碼如下：

要注意將字符串轉(zhuǎn)成UTF-8編碼，否則漢字顯示為亂碼。

（4）文件壓縮：完成創(chuàng)建所有文件后，需要將除了metaData.json外的所有文件先壓縮成gz格式，在程序中使用ShellExecute（）函數(shù)調(diào)用開源的壓縮軟件7z.exe，給定參數(shù)“a <文件名>.gz <文件名>”即可完成壓縮，壓縮的同時(shí)刪除掉原文件；接著使用ShellExecute（）調(diào)用7z.exe，給定參數(shù)“a <模型文件夾><模型名>.zip -ir！<模型文件夾>*.* -mx0”，即可將所有文件打包成zip格式；最后將zip文件名稱中后綴名“.zip”修改成“.slpk”即完成的場景圖層包的創(chuàng)建。

7 運(yùn)行結(jié)果

在MicroStation中運(yùn)行MDL程序，界面如圖6所示。

選中要導(dǎo)出的一個(gè)或者多個(gè)模型（多個(gè)模型時(shí)，每個(gè)模型會(huì)導(dǎo)出成場景圖層包的一個(gè)節(jié)點(diǎn)），設(shè)置相應(yīng)路徑、名稱和坐標(biāo)系等參數(shù)，在視圖中單擊左鍵即開始導(dǎo)出。導(dǎo)出完成后，在ArcGIS online中，直接即可將SLPK文件上傳并發(fā)布成Scene Layer。圖7、圖8分別是大壩原始三維模型和在網(wǎng)頁中展示的效果。圖9、圖10是房屋原始三維模型和在網(wǎng)頁中展示的效果。

圖11為在網(wǎng)頁中可以查詢模型每一個(gè)部分的屬性。

使用ArcGIS API for JS調(diào)用SLPK場景圖層的示例代碼如下：

8 結(jié)語

通過研發(fā)和實(shí)踐，解決了MicroStation三維建筑模型直接導(dǎo)出成SLPK場景圖層包的問題，為BIM模型和GIS系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)合打下了一些基礎(chǔ)。

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