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

金波

Bentley公司基于MicroStation平臺的系列軟件能進行多專業(yè)、多行業(yè)三維建模，但其模型不能直接地導(dǎo)出到ArcGIS平臺中使用。SceneLayer Package（SLPK）是ArcGIS支持的基于OGC I3S規(guī)范的國際三維標準格式，筆者通過研究SLPK格式和MicroStation三維模型，基于MicroStation進行MDL二次開發(fā)，實現(xiàn)了在MicroStation中三維模型直接導(dǎo)出成SLPK格式，以便在GIS平臺中更好地應(yīng)用和展示BIM模型。

MicroStation三維模型簡介

MicroStation是一款工程領(lǐng)域常用的二三維一體化計算機輔助設(shè)計軟件，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準?；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，筆者通過研究SLPK格式和MicroStation模型，基于MicroStation MDL二次開發(fā)，實現(xiàn)了在MicroStation中將模型直接導(dǎo)出為SLPK格式;同時為了更方便地在GIS系統(tǒng)中使用SLPK，在導(dǎo)出時添加了坐標系轉(zhuǎn)換的功能，可以將模型導(dǎo)出為經(jīng)緯度坐標或者Web墨卡托坐標等。

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。針對不同類型的三維模型，需要進行不同類型的處理。在程序中，首先需要判斷三維模型的類型，主要用到不同函數(shù)。

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體或智能實體。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。

模型面三角形化

三維模型幾何信息由若干個面組成，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行不同的處理。

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)格各個三角形面的頂點坐標。

單元、實體和智能實體三角形化：單元、實體和智能實體都只包含單個的體，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)進行三角形化。將含曲線和圓弧的面轉(zhuǎn)換成三角形面會有精度丟失，主要依據(jù)弦公差和角度公差兩個參數(shù)來保證精度。

復(fù)合單元：復(fù)合單元由多個單元或智能實體組成，應(yīng)使用mdlKISolid_elementToBodyList（）來將元素轉(zhuǎn)換成多個KISolid，對于每個KISolid使用單元、實體和智能實體的方法來進行三角形化，最后把三角形化的面合并起來存儲即可。在完成三角形化的同時，也獲得了模型在當前坐標系的頂點坐標。

坐標轉(zhuǎn)換、法線計算

SLPK的主要使用場合是Web，WebGIS系統(tǒng)常用的坐標系是網(wǎng)絡(luò)墨卡托坐標系（EPSG：3857）和WGS84經(jīng)緯度坐標系（EPSG：4326），而MicroStation建模結(jié)合地形模型總裝后的坐標系通常為Beijing54、Xian80或CGCS2000的三度分帶投影坐標系，因此在模型輸出成SLPK格式時提供坐標系轉(zhuǎn)換功能很有必要。

基于GDAL和Proj.4開源庫，根據(jù)源坐標系和目標坐標系的EPSG代碼，實現(xiàn)對坐標進行批量轉(zhuǎn)換。當輸入或者輸出坐標系為網(wǎng)絡(luò)墨卡托坐標系時，所使用的Porj.4版本尚不支持，需要先將坐標轉(zhuǎn)換成WGS84經(jīng)緯度再進行轉(zhuǎn)換。當輸入坐標系和輸出坐標系橢球不一樣時，通常坐標轉(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)果平面誤差可達數(shù)十米甚至上百米。但在實際試驗中發(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，只需對模型進行相應(yīng)的移動即可。除了頂點坐標外，三維模型的顯示和渲染還需要每個面的法線向量，法線的計算方式為向量叉乘。

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)計了相應(yīng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲屬性。再列出面積、體積、位置、圖層、顏色、樣式類別等一些常見屬性的提取。以面積為例，模型的表面積，類型為雙精度浮點數(shù)，直接使用mdlMeasure_AreaProperties（）函數(shù)獲得。再例如類別和樣式，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、圖紙、工程量、渲染特性、切圖、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。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)的標準，目前還未深入研究。

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。

格式簡介：SLPK文件是由一系列JSON文件和二進制文件按照嚴格的文件組織再打包成ZIP格式的壓縮包。

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庫進行創(chuàng)建，各個文件具體內(nèi)容參見OGC SLPK官方文檔。

創(chuàng)建幾何和屬性文件：幾何信息0.bin詳細格式參見官方文檔。在0.bin中依次存儲的是頂點數(shù)組、法線數(shù)組、紋理坐標數(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。

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。

在MicroStation中運行MDL程序。選中要導(dǎo)出的一個或者多個模型，設(shè)置相應(yīng)路徑、名稱和坐標系等參數(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。

通過研發(fā)和實踐，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)。