多源BIM模型在GIS平臺的輕量化關(guān)鍵技術(shù)研究

貢金鵬 馬瑩

摘? 要：隨著BIM技術(shù)、GIS技術(shù)和信息化技術(shù)的不斷發(fā)展和應用，越來越多的城市開始搭建信息化的數(shù)字城市三維可視化平臺。數(shù)字城市三維可視化平臺可以把城市在規(guī)劃建設(shè)過程中產(chǎn)生的多源數(shù)據(jù)通過信息化的手段進行匯集和管理，將多源數(shù)據(jù)通過科學、高效、全面的信息管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一存儲和展示，為城市管理和運營提供全面的數(shù)據(jù)支撐。本文以數(shù)字城市三維可視化平臺項目為基礎(chǔ)，探索性地研究多源BIM模型通過輕量化處理在GIS平臺高質(zhì)高效進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。

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

引言 隨著BIM技術(shù)的不斷推廣和應用，在城市規(guī)劃和設(shè)計階段，政府部門積極推進“多規(guī)合一”，實現(xiàn)“一張藍圖干到底”的發(fā)展理念。在城市建設(shè)過程中，越來越多的政府部門要求設(shè)計單位進行BIM設(shè)計，施工單位采用BIM施工，將所有的設(shè)計和施工數(shù)據(jù)與三維模型進行關(guān)聯(lián)。城市規(guī)劃和建設(shè)涉及到多個專業(yè)領(lǐng)域，不同的專業(yè)領(lǐng)域使用的BIM建模軟件也不盡相同，如何將這些種類繁雜的BIM模型以統(tǒng)一的形式融入GIS平臺進行管理，已經(jīng)成為數(shù)字城市三維可視化平臺領(lǐng)域的一個重大難題，受到了越來越多的關(guān)注。

1.多源BIM+GIS與數(shù)字城市三維可視化平臺

1.1多源BIM模型

目前，我國設(shè)計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、施工的各個方面進行細分，形成了較多的專業(yè)方向，不同的專業(yè)采用各自的BIM設(shè)計軟件進行設(shè)計和施工，如道路交通設(shè)計采用Bentley的Open Road，市政建筑設(shè)計采用Autodesk的Revit，市政設(shè)施設(shè)計采用Solidworks或CATIA，景觀規(guī)劃設(shè)計采用Sketchup等軟件，各個軟件設(shè)計的BIM模型均以特定結(jié)構(gòu)進行存儲，在各個設(shè)計單位進行成果交付時，政府部門收集的交付成果種類繁多，最終形成多源BIM模型數(shù)據(jù)。

1.2 GIS平臺

在城市規(guī)劃和建設(shè)階段，涉及到的區(qū)域較為廣闊，通常以整個城市或多個城市為基礎(chǔ)進行設(shè)計和建設(shè)，需要實現(xiàn)大范圍空間領(lǐng)域的數(shù)據(jù)融合，GIS平臺已經(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，實現(xiàn)整個地球空間范圍內(nèi)的所有位置的快速訪問，可以很方便地實現(xiàn)大區(qū)域數(shù)據(jù)承載和展示的功能。GIS平臺提供了程序化的自動切割和數(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

數(shù)字城市三維可視化平臺主要包含數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、規(guī)劃綜合展示系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)服務系統(tǒng)、建設(shè)工程管理系統(tǒng)及運維管理系統(tǒng)，通過將多源BIM模型和GIS數(shù)據(jù)進行整理和建庫，搭建完善的數(shù)據(jù)支撐平臺，從而實現(xiàn)對城市規(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的上線運行，城市規(guī)劃數(shù)據(jù)陸續(xù)進入平臺，有利于促進城市規(guī)劃和建設(shè)信息的匯聚和存檔，同時也隨著數(shù)據(jù)的完善，可以為城市規(guī)劃建設(shè)提供更加精準和科學的數(shù)據(jù)參考，為城市的規(guī)劃建設(shè)以及后期運營搭建了一套完備的智能管理平臺。

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

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

BIM輕量化主要包括兩個主要方面，分別是模型輕量化和數(shù)據(jù)輕量化，因此在進行輕量化之前，需要做數(shù)模分離，將數(shù)據(jù)與模型以相同的編碼進行標注，隨后分離到不同的系統(tǒng)中，對模型和數(shù)據(jù)分別做輕量化處理后進行重新關(guān)聯(lián)，從而提高模型輕量化的效率和效果，防止因為模型的變化而影響到數(shù)據(jù)的完整性。目前階段BIM數(shù)據(jù)由于對系統(tǒng)的運行流暢度影響較小，加載數(shù)據(jù)方便快捷，一般采用對BIM模型的數(shù)據(jù)項進行檢查和篩選，按照全部數(shù)據(jù)入庫，重要數(shù)據(jù)入平臺做展示的原則進行數(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，其中主要的模型類型分為總體規(guī)劃模型、單體建筑設(shè)計模型、路網(wǎng)設(shè)計模型、管廊設(shè)計模型、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到TB級別。如何對這些三維模型和資料進行輕量化并快速展示成為系統(tǒng)建設(shè)的重要內(nèi)容。本文主要從三個方面對多源BIM模型在GIS平臺的展示進行輕量化處理，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雜三維模型在屏幕展示過程中三角面片多導致系統(tǒng)運行卡頓的問題、傳輸輕量化主要解決大量模型文件通過網(wǎng)絡(luò)加載傳輸時間長的問題、加載輕量化主要解決大量物體在加載展示過程中模型加載速度慢的問題。

2.1模型輕量化處理

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

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、線段和三角面信息。并對三角面信息按照一定的規(guī)則進行分類。

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

第三步：對聚合完成后的模型通過QEM算法進行全部邊的簡化誤差計算，同時對相關(guān)紋理坐標進行轉(zhuǎn)化處理，根據(jù)聚合的結(jié)果將原始紋理對應到聚合完成后的圖形上。

第四步：根據(jù)邊線的簡化誤差計算結(jié)果，選擇誤差最小的邊進行半邊折疊簡化，根據(jù)簡化后的拓撲關(guān)系重新計算簡化誤差。

第五步：當模型的整體檢查率達到設(shè)定閾值時，完成簡化操作。

通過以上簡化操作，可以大幅度減少模型的三角面片數(shù)量，同時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，文件的體積會增大，不利于模型的存儲和傳輸。目前階段進行網(wǎng)格壓縮的方式較多，本文中主要通過模型轉(zhuǎn)換中間件將模型從原始模型轉(zhuǎn)換為平臺特有的中間格式進行存儲的模型，平臺特有的中間格式存儲模型將原始模型的點、線、面、材質(zhì)、節(jié)點層次結(jié)構(gòu)、著色器、動畫等相關(guān)內(nèi)容轉(zhuǎn)化為方便讀取和解析的JSON文件，通過文本壓縮技術(shù)中在JSON壓縮方面較為高效的Brotli算法來實現(xiàn)快速和高壓縮比的文件壓縮，通過傳輸輕量化的處理，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

在模型加載過程中，如果將全部模型同時加載進入內(nèi)存，會導致瀏覽器占用內(nèi)存過大而崩潰的情況，各個模型通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)角岸藶g覽器服務程序，平臺解析模型并將結(jié)果加入瀏覽器緩存中。

通過多重LOD技術(shù)對模型進行不同精細度的處理，當視角距離物體在一定距離范圍內(nèi)時，加載相關(guān)精度的模型。本文中將模型主要分為5個LOD等級，隨著視角與物體距離的不斷縮進，平臺會自動根據(jù)距離關(guān)系來加載更小等級的模型。LOD5為不同角度的投影圖片，通過判斷相機與模型的位置關(guān)系來加載不同角度的圖片;LOD4等級為模型在上下左右前后六個方向所呈現(xiàn)視圖效果在立方體上的投影，將各個角度的視角圖片作為立方體每個面的貼圖進行展示;LOD3等級為模型的簡單輪廓模型，通過提取模型的輪廓，將貼圖賦予模型輪廓來查看整體模型效果;LOD2等級為模型的外部詳細結(jié)構(gòu);LOD1為精細模型，可以進入到模型內(nèi)部查看所有細節(jié)。通過LOD動態(tài)加載技術(shù)，實現(xiàn)不同距離下動態(tài)查看不同精細度的模型功能。

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

3總結(jié)

針對多源BIM模型在GIS平臺瀏覽器端的加載和展示過程中的實際需求，本文考慮將BIM模型進行多維度的輕量化處理，通過模型輕量化、傳輸輕量化和加載輕量化實現(xiàn)高效快速的城市級BIM模型快速加載和瀏覽，通過實際項目進行方法驗證，獲得了較好的效果。該方法為數(shù)字城市三維可視化平臺中城市級BIM模型的快速加載和管理提供了技術(shù)支撐，同時也為城市級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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作者簡介：貢金鵬，出生日期：1992.06;性別：男;學歷：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)研究院有限責任公司