淺析基于3DTiles 的BIM 模型網(wǎng)絡(luò)共享方案

王占軍 王 鵬 呂 婧 劉 榮

（1、成都金隧自動(dòng)化工程有限責(zé)任公司，四川 成都610031 2、內(nèi)蒙古交通設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特010010）

建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM）是以計(jì)算機(jī)信息技術(shù)表達(dá)建筑物幾何、材質(zhì)、地理等特性的方式。地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System，GIS）是一種具有信息系統(tǒng)空間專業(yè)形式的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，能集中、存儲(chǔ)、操作和顯示地理空間信息。在基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)維管理中，GIS 可用于設(shè)施外部環(huán)境宏觀尺度的管理，BIM 用于設(shè)施內(nèi)部微觀尺度精細(xì)化的管理。建立BIM+3D GIS 信息管理平臺(tái)是土木工程行業(yè)信息化發(fā)展的趨勢(shì)。首先，BIM模型的建模軟件用于創(chuàng)建復(fù)雜的3D 場(chǎng)景和模型，根據(jù)創(chuàng)建軟件系列的不同而采用不同的文件格式，這些數(shù)據(jù)格式的解析依賴專業(yè)軟件，很難直接在網(wǎng)絡(luò)中渲染顯示。其次，大多數(shù)BIM應(yīng)用場(chǎng)景都是建筑群或特大高復(fù)雜度模型，模型體量非常大，以城市三維空間數(shù)據(jù)為例，其三維空間數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量就可高達(dá)幾個(gè)Tb。大體量的BIM數(shù)據(jù)與3D GIS 數(shù)據(jù)在Web 端集成會(huì)受限于網(wǎng)絡(luò)寬帶和服務(wù)器性能，當(dāng)計(jì)算機(jī)處理海量的三維數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)出現(xiàn)加載時(shí)間過長(zhǎng)、系統(tǒng)崩壞等問題[1]。

本文針對(duì)BIM+3D GIS 在網(wǎng)絡(luò)端集成所面臨的技術(shù)問題和海量BIM 數(shù)據(jù)在Web 瀏覽器端的高效加載顯示的技術(shù)要求，提出一種可以直接應(yīng)用于應(yīng)用程序界面，解析時(shí)間短，重量輕，開放性和統(tǒng)一性高的3D 數(shù)據(jù)格式，最終實(shí)現(xiàn)海量BIM模型在web 端快速加載和高效渲染。

1 總體實(shí)施流程

1.1 需求定義。本文通過BIM+3D GIS 在Web 端集成顯示作為主要功能性需求，旨在利用WebGL 技術(shù)實(shí)現(xiàn)3D模型在瀏覽器的動(dòng)態(tài)瀏覽和交互。所設(shè)計(jì)的展示平臺(tái)需要具有如下功能：

（1）實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)和GIS 數(shù)據(jù)在Web 端的渲染和展示。解除BIM模型文件的解析對(duì)專業(yè)建模軟件的依賴，可使用電腦、平板、手機(jī)端等通用設(shè)備進(jìn)行模型顯示。

（2）實(shí)現(xiàn)瀏覽器端BIM數(shù)據(jù)和GIS 數(shù)據(jù)兩種不同構(gòu)造的數(shù)據(jù)類型融合。BIM+3D GIS 的融合是一種互補(bǔ)的關(guān)系，對(duì)實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)發(fā)揮了不可替代的作用。

（3）實(shí)現(xiàn)瀏覽器端海量BIM數(shù)據(jù)的高效傳輸與渲染。BIM三維模型數(shù)據(jù)量大，通常僅一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)景的三維模型數(shù)據(jù)量就可達(dá)數(shù)百兆，需要占用大量的寬帶資源進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與圖形渲染展示。

1.2 實(shí)施流程。綜合上述需求，現(xiàn)階段GIS 數(shù)據(jù)已經(jīng)廣泛地被部署在Web 網(wǎng)絡(luò)端，可在瀏覽器中直接顯示，本文主要考慮含有BIM 模型的GIS 數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)端的集成與高速渲染的流程。GIS 和BIM 數(shù)據(jù)可以通過轉(zhuǎn)換或直接整合兩種手段集成，而BIM 與傳統(tǒng)的3D GIS 數(shù)據(jù)格式有很大差別，無法直接與3D GIS 信息進(jìn)行無縫融合，目前可行的方案采是將BIM數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為可解析、易融合的數(shù)據(jù)文件格式。BIM在網(wǎng)絡(luò)端共享流程如圖1 所示。

圖1 BIM 從桌面端到瀏覽器端的共享流程

該流程主要由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分和數(shù)據(jù)傳輸部分組成：數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換部分完成由專業(yè)建模軟件建立的精細(xì)化三維模型數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒┚W(wǎng)絡(luò)傳輸和解析的中間數(shù)據(jù)格式；數(shù)據(jù)傳輸部分完成從中間數(shù)據(jù)格式出發(fā)，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸在客戶端進(jìn)行模型加載重構(gòu)與渲染顯示工作。在流程中通過考慮BIM輕量化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將BIM 模型從桌面端顯示傳輸?shù)綖g覽器端高效顯示的功能。

2 BIM 模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

BIM模型大部分以特有的數(shù)據(jù)格式存儲(chǔ)，需要在桌面客戶端以專有的軟件完成模型的渲染顯示，加之三維數(shù)據(jù)格式文件體量大的特點(diǎn)，其在網(wǎng)路中傳輸和加載的難度大。要實(shí)現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)端應(yīng)用需要采用高效輕量可解析的傳輸數(shù)據(jù)格式。JSON（JavaScript Object Notation，JavaScript 對(duì)象標(biāo)記語(yǔ)言）是JavaScript 輕量級(jí)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式，可以同時(shí)存儲(chǔ)三維模型文件的模型信息和屬性信息，適合做Web 端的數(shù)據(jù)交換（三維建筑模型WebGL 顯示及優(yōu)化）。glTF (GL Transmission Format) 是面向?qū)崟r(shí)渲染應(yīng)用的一種3D 內(nèi)容的格式標(biāo)準(zhǔn)，以JSON 文本文件作為整個(gè)數(shù)據(jù)的核心，描述場(chǎng)景結(jié)構(gòu)，通過提供一種高效，易擴(kuò)展，可協(xié)作的格式，填補(bǔ)了3D 建模工具和現(xiàn)代GL 應(yīng)用之間的空白，可以被選為中間數(shù)據(jù)格式。

glTF 的核心是一個(gè)JSON 文件，如圖2 所示。該文件描述了3D 場(chǎng)景的全部?jī)?nèi)容。它由場(chǎng)景結(jié)構(gòu)本身的描述組成，由定義場(chǎng)景圖的節(jié)點(diǎn)層次結(jié)構(gòu)組成。scene 是存儲(chǔ)在glTF 的場(chǎng)景描述的入口點(diǎn)；node 是在場(chǎng)景圖層次中的一個(gè)可包含幾何變換的節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)可以引用其他節(jié)點(diǎn)；攝像機(jī)（camera）描述渲染器的視圖配置；accessor 被用作任意數(shù)據(jù)的抽象源，用于訪問其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)源本身；material 包含定義對(duì)象在呈現(xiàn)時(shí)的外觀的參數(shù)，用于模型的渲染。

圖2 gltf JSON 結(jié)構(gòu)元素之間的概念關(guān)系

通用的3D 模型格式（如obj 等）都可以用對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換工具轉(zhuǎn)換為glTF，對(duì)于BIM軟件創(chuàng)建的三維格式文件，借助BIM 系列產(chǎn)品提供API（Application Programming Interface）進(jìn)行二次開發(fā)，自定義轉(zhuǎn)換器將BIM模型進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并導(dǎo)出為glTF 格式。在轉(zhuǎn)換插件設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過考慮參數(shù)化幾何描述、減面優(yōu)化、實(shí)例化圖元描述、數(shù)據(jù)壓縮等輕量化技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在保證三維數(shù)據(jù)格式glTF 完整的情況下，減少數(shù)據(jù)量，提高后續(xù)傳輸和解析的速度。

glTF 3D 模型格式有兩種：*.gltf 是一個(gè)基于JSON 的文本文件，通常引用外部文件，如紋理貼圖和二進(jìn)制網(wǎng)格數(shù)據(jù)。*.glb是二進(jìn)制版本，將*.gltf、*.bin、*png、*.jpg 整合封裝在一起，是對(duì)*.gltf 格式文件的進(jìn)一步壓縮，通常較小且獨(dú)立，如圖3 所示。

圖3 兩種glTF 格式文件

3 模型數(shù)據(jù)傳輸與瀏覽器端集成渲染

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展和HTML5 標(biāo)準(zhǔn)的成熟，使用網(wǎng)頁(yè)技術(shù)渲染三維圖形成為可能。WebGL（Web Graphics Library）是瀏覽器3D 渲染的核心技術(shù)，目前用WebGL 封裝的三維 可 視 化 引 擎 包 括Three.js、OpenWebGlobe、WebGLEarth 和Cesium 等[2]。其中Cesium 是AGI（Analytical Graphics Inc）公司研發(fā)的三維地球虛擬平臺(tái)[3]，是目前WEB 端3DGIS 應(yīng)用中最常用的工具庫(kù)。

盡管Cesium 自成立以來就支持glTF 文件加載，但是直接渲染大體量glTF 文件在目前的硬件條件下還不可行，而大體量3D 模型的加載和渲染是目前3DGIS 和智慧城市等應(yīng)用中的最大難點(diǎn)。

3D Tiles 格式是開放的規(guī)范，任何人都可以參與定義內(nèi)容的討論，其用于傳輸海量的異構(gòu)三維模型數(shù)據(jù)集，可使建筑物數(shù)據(jù)集、BIM模型、點(diǎn)云和攝影測(cè)量模型等在Web 端進(jìn)行流暢的瀏覽展示。3D Tiles 在2019 年2 月被開放地理空間聯(lián)盟（OGC）納入社區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。

3D Tiles 數(shù)據(jù)由配置文件和瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，類似二維地圖中的地圖瓦片加載。配置文件是一個(gè)樹結(jié)構(gòu)的對(duì)象，通過JSON 文件記錄其所有的節(jié)點(diǎn)信息，可以通過遍歷得到所有瓦片的信息；瓦片數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含了具體的模型信息，針對(duì)模型的數(shù)據(jù)格式為批處理3D 模型（Batched 3D Model，后綴名為*.b3dm），批處理3D 模型允許離線批處理異構(gòu)的3D 模型（例如城市中的不同建筑物），以高效地流式傳輸?shù)絎eb 客戶端以進(jìn)行渲染和交互。

在3D Tiles 中，一個(gè)tileset 就是一系列空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（樹）組織下的一組瓦片（tiles）。一個(gè)瓦片索引一個(gè)或者一系列要素，比如表達(dá)建筑物或樹木的三維模型，點(diǎn)云中的點(diǎn)，矢量數(shù)據(jù)集中點(diǎn)線面要素。這些要素需要捆綁在一起，形成單獨(dú)的一個(gè)要素，來減少客戶端加載時(shí)間，防止WebGL 的繪制請(qǐng)求過載。tile以具有空間連貫性的樹形結(jié)構(gòu)來組織空間索引，結(jié)合了詳細(xì)層次結(jié)構(gòu)（Hierarchical Level of Detail，HLOD）的概念，可最佳呈現(xiàn)空間數(shù)據(jù)。每個(gè)tile 都有一個(gè)邊界體積，定義了一個(gè)完全包圍其內(nèi)容的空間范圍，子圖塊的內(nèi)容完全在父級(jí)的邊界體積內(nèi)。tilesets 可以使用類似于柵格和矢量等提供預(yù)定義的多細(xì)節(jié)級(jí)別（或縮放級(jí)別）的2D 空間切片索引方案（例如Web 地圖切片服務(wù)（WMTS）或XYZ 方案），但是，由于tileset 的內(nèi)容通常是不一致的，或者可能不容易僅在二維上組織，因此3D Tiles 索引結(jié)構(gòu)樹可以是具有空間一致性的任何空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包括k-d樹，四叉樹，八叉樹和網(wǎng)格，如圖4 所示。

圖4 樹形空間索引結(jié)構(gòu)

4 流程歸納及案例演示

4.1 流程歸納。BIM網(wǎng)絡(luò)端共享需要將BIM模型文件進(jìn)行多次文件格式的轉(zhuǎn)換與優(yōu)化工作，中間數(shù)據(jù)格式采用可解析的、通用的與API 無關(guān)的運(yùn)行時(shí)三維資產(chǎn)交付格式glTF 文件格式對(duì)BIM模型數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，采用用于流式傳輸和渲染海量異構(gòu)3D 內(nèi)容的開放標(biāo)準(zhǔn)格式3D Tiles 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)端傳輸，選擇合適的空間索引機(jī)制進(jìn)行瀏覽器端渲染。如圖5所示。

圖5 完整的BIM 模型網(wǎng)絡(luò)共享方案

4.2 案例演示

本文選取了一段鋼架橋的絎架作為實(shí)例來驗(yàn)證3DTiles 在BIM模型網(wǎng)絡(luò)共享和可視化中的效果，BIM模型圖如圖6。

圖6

原BIM 模型為250M 左右，轉(zhuǎn)換后的glTF 模型體積只有3M，示例中將絎架重復(fù)了10 次，模型中有1000 多個(gè)螺釘實(shí)例，這也是BIM模型體積大的主要緣故。原模型在Autodesk Revit中只能編輯一段，而且在本文使用的機(jī)器環(huán)境（Intel i7 + Nvida GTX 1060）下已經(jīng)比較卡頓。經(jīng)過3DTile 處理后，在150M無線局域網(wǎng)測(cè)試環(huán)境中3 秒內(nèi)就能完成模型的加載，重復(fù)10 份之后能保證在10 秒內(nèi)完成模型渲染顯示。在瀏覽器中的展示效果如圖7。

圖7

5 結(jié)論

BIM和GIS 的融合應(yīng)用是當(dāng)前信息化技術(shù)的熱點(diǎn)。兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，構(gòu)建了一種多層次多尺度全方位的空間模式，是建立智慧城市的可視化基礎(chǔ)，能更好的支持大規(guī)模市政交通工程的協(xié)同分析和共享應(yīng)用，也能提升基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)運(yùn)行維護(hù)管理的效率。從研究中我們發(fā)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)獲取、可視化技術(shù)發(fā)展、海量數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存分析都取得了重大的進(jìn)展。本文探討了基于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、傳輸和網(wǎng)絡(luò)端渲染等技術(shù)等可以實(shí)現(xiàn)BIM模型和GIS 模型在瀏覽器端的集成。探索了構(gòu)建BIM+3D GIS 可視化平臺(tái)方法。結(jié)果表明，經(jīng)過一些列的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換的方法能夠?qū)崿F(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)端的完美融合和共享。

參考文件

[1]徐照，張路，索華，等.基于工業(yè)基礎(chǔ)類的建筑物3D Tiles 數(shù)據(jù)可視化[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2019，53（6）：1047-1056.

[2]高云成.基于Cesium 的WebGIS 三維客戶端實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2014.

[3]朱栩逸，苗放.基于Cesium 的三維WebGIS 研究及開發(fā)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015，12（34）：9-11.