基于Cesium查看復(fù)雜三維建筑內(nèi)部模型

吳開(kāi)興 朱朝寧 李莉

摘要：超大、超高型復(fù)雜建筑成為現(xiàn)代城市建設(shè)的主流形式，由于該類(lèi)建筑有極其復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過(guò)三維模型可以很好地展示和管理該類(lèi)建筑，其中準(zhǔn)確地定位每一個(gè)模型構(gòu)件位置是必不可少的功能之一，由于復(fù)雜建筑模型的構(gòu)件數(shù)量高達(dá)幾百萬(wàn)甚至更多，海量空間數(shù)據(jù)集的處理會(huì)使瀏覽器發(fā)生卡頓乃至崩潰，其次由于建筑模型中有的構(gòu)件具有不透明性，導(dǎo)致無(wú)法查看建筑模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以查看三維模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要對(duì)模型進(jìn)行編輯。本文通過(guò)Cesium平臺(tái)推出的3D Tiles數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，用以實(shí)現(xiàn)在瀏覽器端加載復(fù)雜建筑模型的海量空間數(shù)據(jù)集，同時(shí)根據(jù)空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和空間位置變換規(guī)律，對(duì)復(fù)雜建筑模型進(jìn)行模型剖切和相機(jī)定位來(lái)展示該類(lèi)建筑模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜建筑的展示和管理提供可行的方案。

關(guān)鍵詞：Cesium;3DTiles;復(fù)雜建筑;三維模型

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.69 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）32-0208-04

近年來(lái)，越來(lái)越多的超大、超高型復(fù)雜建筑出現(xiàn)在城市中，該類(lèi)建筑也成為衡量城市現(xiàn)代化的指標(biāo)之一，但是復(fù)雜建筑的管理問(wèn)題也隨之而來(lái)，一旦發(fā)生險(xiǎn)情后果無(wú)法設(shè)想。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，GIS技術(shù)得到了廣泛的普及，復(fù)雜建筑的管理問(wèn)題也因應(yīng)用GIS技術(shù)而有所緩解。由于GIS技術(shù)普遍停留在二維世界，很多問(wèn)題依然無(wú)法高效地解決，3DGIS技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，201 1年，多媒體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化組織Khronos發(fā)布WebGL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，瀏覽器端可以不借助任何插件便可提供高質(zhì)量的3D體驗(yàn)，一些基于WebGL標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的3DGIS前端地圖框架開(kāi)始出現(xiàn)，Cesium就是眾多優(yōu)秀的地圖框架之一。

Cesium是AGI公司基于JavaScript編寫(xiě)的地圖框架，有相對(duì)全面的2D、2.5D和3D形式的GIS功能，但是應(yīng)用Cesium在瀏覽器端顯示海量空間數(shù)據(jù)集仍然是個(gè)艱巨的任務(wù)。因此，該公司在2016年推出3D Tiles數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，該數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)能夠流式傳輸和海量渲染異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集。同時(shí)，Cesium還支持繪制高亮區(qū)域和三維空間模型的數(shù)據(jù)可視化展示等功能，我們可以方便地編輯和查看三維模型信息。

本文會(huì)介紹應(yīng)用Cesium地圖框架在瀏覽器端加載復(fù)雜建筑模型的過(guò)程，以及根據(jù)Cesium提供的空間坐標(biāo)變換規(guī)則對(duì)復(fù)雜建筑模型進(jìn)行剖切，進(jìn)而展示建筑模型內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，為復(fù)雜建筑的展示和管理提供一種可行的方案。

1空間數(shù)據(jù)集的制作

1.1AutodeskRevit

根據(jù)英國(guó)建筑規(guī)范組NBS發(fā)布的建造技術(shù)報(bào)告2019，報(bào)告指出建筑行業(yè)內(nèi)的數(shù)字化程度依然很低，隨著越來(lái)越多的人開(kāi)始使用3D模型進(jìn)行設(shè)計(jì)傳遞與協(xié)同工作，使用各種工具來(lái)檢查模型，并把高質(zhì)量的數(shù)據(jù)添加到模型里，項(xiàng)目數(shù)據(jù)逐漸結(jié)構(gòu)化流程化，這些轉(zhuǎn)變?cè)黾恿私ㄖ袠I(yè)從業(yè)者的信心。根據(jù)對(duì)建筑行業(yè)從業(yè)者的采訪(fǎng)，建模軟件使用頻率最高的是Au-todeskRevit。

Autodesk Revit是一種構(gòu)建建筑信息模型（BIM）的應(yīng)用程序，它結(jié)合了Autodesk Revit Architecture、Autodesk Revit MEP和Autodesk Revit Structure軟件的功能，優(yōu)點(diǎn)包括但不僅限于以下三點(diǎn)：

第一，Revit可以設(shè)計(jì)出各種規(guī)格的三維組件以及導(dǎo)入或?qū)С鋈S組件的尺寸和體積數(shù)據(jù)，極大地縮短BIM項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)周期以及提供精確的預(yù)算方案;第二，Revit能解決多專(zhuān)業(yè)問(wèn)題，包括遠(yuǎn)程協(xié)同工作，云渲染技術(shù)，建筑碰撞分析，建筑受力分析等功能;第三，Revit具有強(qiáng)大的聯(lián)動(dòng)功能，平面、立面、剖面、明細(xì)表等能做到一處修改，處處更新，避免低級(jí)錯(cuò)誤。

由此可見(jiàn)，Autodesk Revit軟件極大地推動(dòng)了BIM行業(yè)的發(fā)展，可以幫助建筑師設(shè)計(jì)、建造和維護(hù)質(zhì)量更好、能效更高、結(jié)構(gòu)更合理的智慧建筑。

1.23DTiles

Cesium在2016年推出3D Tiles數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，定位就是在瀏覽器端加載海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集，并于同年開(kāi)始了0GC標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，該標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)過(guò)近幾年的產(chǎn)品升級(jí)，在交互性、適應(yīng)性、靈活性等方面有長(zhǎng)足進(jìn)步，成為瀏覽器端加載大規(guī)模場(chǎng)景常用的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)之一。3DTiles作為一項(xiàng)開(kāi)源的數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，但是生成3DTiles數(shù)據(jù)集的官方方案十分復(fù)雜，缺少便捷的生成工具。隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)，該標(biāo)準(zhǔn)存在的問(wèn)題逐漸受到了科技公司的重視，CesiumLab、ForgeEngine等軟件和插件相繼出現(xiàn)，極大地方便了從業(yè)者的開(kāi)發(fā)工作。

3DTiles數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是在gITF數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上建立的，如圖1所示3DTiles規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)可分為數(shù)據(jù)層、接口層、邏輯層，三者相互分離，這種設(shè)計(jì)保證了模塊的獨(dú)立性。

數(shù)據(jù)層上的每個(gè)文件可以看作一個(gè)Tile（切片），Tile可以是表1的任一格式，其中b3dm和i3dm是基于gITF構(gòu)建的，提高了空間數(shù)據(jù)集的兼容性。Tile中還包括特定的二進(jìn)制塊，包括特征表（FeatureTable）和批處理表（BatchTable），保證了空間數(shù)據(jù)集的完整性，同時(shí)還可以提高空間數(shù)據(jù)集的讀寫(xiě)速度。

邏輯層可以看作一個(gè)Tileset（由一系列Tile組成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)切片集），Tileset以JSON文件形式體現(xiàn)，保證了模型的可擴(kuò)展性。同時(shí)該層還加入了分層LOD（HLOD）技術(shù)，以便最快最佳地渲染空間數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了該數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的高效陛;

在接口層上3DTiles具有訪(fǎng)問(wèn)器（Accessor）和視圖（view）概念，可以提供模型的類(lèi)型信息和讀取規(guī)范，保證了接口的兼容性。

結(jié)合上述，Autodesk Revit在制作BIM模型方面具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此選擇采用AutodeskRevit制作復(fù)雜建筑模型的RVT格式空間數(shù)據(jù)集。由于本文的復(fù)雜建筑有海量的空間數(shù)據(jù)集，同時(shí)需要對(duì)模型進(jìn)行編輯，鑒于3DTiles數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)在瀏覽器端加載海量空間數(shù)據(jù)的優(yōu)異表現(xiàn)和Cesium在GIS功能方面的完整性，需要使用Autodesk Revit第三方插件將RVT空間數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為3DTiles空間數(shù)據(jù)集。