一種BIM模型與3D GIS場景動態(tài)可視化接邊方法

詹勇，王俊勇

(重慶市勘測院，重慶 401121)

1 引 言

從新型基礎(chǔ)測繪到實景三維中國建設(shè)，從建筑信息模型(BIM，Building Information Modeling)到城市信息模型(CIM，City Information Modeling)，從三維數(shù)字城市到數(shù)字孿生城市建設(shè)，三維地理信息系統(tǒng)(3DGIS，3D Geographic Information System)與BIM技術(shù)是其中的重要內(nèi)容[1～3]。3DGIS是實現(xiàn)全空間全要素的城市立體空間底座建設(shè)的主要技術(shù)手段，其涵蓋空間數(shù)據(jù)采集與建模、數(shù)據(jù)整合與管理、三維平臺研發(fā)以及面向行業(yè)的應(yīng)用服務(wù)體系建設(shè)。BIM技術(shù)是建筑信息化的重要方法，是建筑領(lǐng)域從二維化到三維化，圖紙化到信息化管理的重要手段。BIM更側(cè)重建筑內(nèi)部或結(jié)構(gòu)特征的表達(dá)，利用BIM技術(shù)，可實現(xiàn)建筑方案設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、施工管理和運營維護(hù)的全面提升[4，5]，服務(wù)建筑工程全生命周期。

與SAR影像和真彩色影像融合等產(chǎn)生新的圖像數(shù)據(jù)不同[6]，本文所述的BIM與GIS接邊方法，是BIM與GIS融合的工作內(nèi)容之一，指兩者完成幾何語義轉(zhuǎn)換、形成同一數(shù)據(jù)格式后，在同一個三維引擎或平臺邊緣相接，避免兩類模型重疊的問題。BIM與GIS的融合主要包括以下幾方面：一是空間位置的配準(zhǔn)。GIS數(shù)據(jù)具有明確的地理空間框架，通常表現(xiàn)為地理坐標(biāo)系或投影坐標(biāo)系，而BIM模型一般采用工程坐標(biāo)系，長度單位通常采用毫米，因此首先需要進(jìn)行空間配準(zhǔn)和單位轉(zhuǎn)換；二是幾何圖形的轉(zhuǎn)換。BIM模型由構(gòu)件組成，可采用BIM建模軟件，例如Autodesk Revit建模。BIM構(gòu)件是通過參數(shù)描述的，因此需要通過中間格式轉(zhuǎn)換成三維GIS軟件所支持的格式，進(jìn)而實現(xiàn)BIM模型在GIS軟件中的可視化表達(dá)[7]；三是語義屬性的轉(zhuǎn)換[8]，需要將BIM構(gòu)件的屬性以及BIM構(gòu)件之間的關(guān)系保留。最后是BIM模型與GIS數(shù)據(jù)的接邊問題，也是本文研究的內(nèi)容，對與建筑方案BIM，GIS場景中工程范圍內(nèi)的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)需要通過接邊處理，方能與BIM方案模型數(shù)據(jù)融合，進(jìn)而開展各類分析工作。

為了在現(xiàn)狀GIS場景，例如傾斜攝影實景三維模型中融入BIM方案數(shù)據(jù)，有兩種思路，一是在制作BIM方案時導(dǎo)入實景模型作為參考，在BIM建模軟件中進(jìn)行接邊處理；二是BIM經(jīng)轉(zhuǎn)換后，導(dǎo)入GIS模型編輯軟件中，再對GIS模型進(jìn)行裁切編輯。這兩種方案都會導(dǎo)致三個問題：一是人工編輯工作量大，二是編輯后的GIS模型需要重新集成組織。如果建筑方案比較多，則會因GIS模型多次編輯帶來組織混亂；三是由于GIS模型進(jìn)行了編輯，在進(jìn)行方案決策時，難以恢復(fù)到無BIM方案的現(xiàn)狀，從而難以實現(xiàn)方案與現(xiàn)狀的隨時切換比較。本文提出的BIM模型與GIS場景動態(tài)可視化接邊方法，可通過三維GIS場景的挖空或塌陷功能的實時開啟和關(guān)閉，解決BIM模型與GIS數(shù)據(jù)的接邊問題，實現(xiàn)GIS場景現(xiàn)狀與BIM方案之間的快速切換，達(dá)到BIM模型與GIS場景的動態(tài)可視化融合的目的。

2 總體技術(shù)路線

BIM模型與GIS場景動態(tài)可視化接邊方法的技術(shù)路線如圖1所示：

圖1 技術(shù)路線圖

首先，利用相關(guān)BIM軟件的導(dǎo)出工具，將BIM工程模型轉(zhuǎn)換成GIS支持的格式，并將BIM模型與GIS場景空間位置配準(zhǔn)，然后提取BIM模型的邊界并導(dǎo)入到GIS場景中，利用BIM模型的邊界實現(xiàn)GIS場景動態(tài)挖洞或塌陷，在無須對GIS數(shù)據(jù)進(jìn)行人工編輯的情況下，實現(xiàn)BIM方案與GIS場景的快速接邊與融合可視化目的。

3 BIM與GIS場景位置配準(zhǔn)

BIM制作的數(shù)據(jù)通常是工程坐標(biāo)系，若需要與GIS場景配準(zhǔn)，通常有三種方式，一種利用建模軟件，在GIS空間參考的基礎(chǔ)上，通過減大數(shù)的方式確定BIM模型的工程坐標(biāo)，然后在BIM建模軟件中開展BIM建模工作；第二種是利用GIS或BIM軟件，將GIS數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)底板，利用平移旋轉(zhuǎn)等工具，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)的空間可視化配準(zhǔn)；第三種方法利用控制點，通過四參數(shù)或七參數(shù)計算轉(zhuǎn)換參數(shù)[9]，逐點轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)BIM數(shù)據(jù)的空間變換。

4 BIM模型邊界提取

在空間配準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，要獲得建筑方案的精確范圍線，有人工勾畫和自動生成兩種方法，人工勾畫是在建模軟件中直接建模，得到場景底面。而自動生成的建筑底面，即BIM邊界模型有兩種形式：矢量邊界與紋理邊界。紋理邊界內(nèi)部采用(0，0，0，255)顏色表示，矢量邊界模型采用幾何形狀表示。兩者相比，矢量邊界更加清晰，而紋理邊界的清晰程度取決于紋理分辨率，紋理分辨率越高，邊界越清晰，如圖2分別表示的是BIM模型的頂視圖，矢量邊界與紋理邊界。

圖2 BIM模型邊界

4.1 矢量邊界模型

矢量邊界可以通過人工方式勾畫得到，也可以利用自動化方式生成。此處給出一種求并集方式獲得模型邊界的方法，首先將BIM模型的所有三角面投影到XOY平面上，通過計算求得所有三角形的并集，得到所有三角形的外邊界，得到矢量化的精細(xì)外邊界，步驟如圖3所示。編程實現(xiàn)時，可利用GDAL(Geospatial Data Abstraction Library)函數(shù)庫實現(xiàn)。根據(jù)矢量化精細(xì)模型邊界線，可得到邊界模型。由于邊界模型是通過三角形坐標(biāo)獲得的，因此與GIS場景在空間上套合的。

圖3 矢量邊界提取方法

4.2 紋理邊界模型

如圖4所示，紋理邊界通過構(gòu)造一個虛擬的俯視正交相機，在BIM模型的頂視圖的基礎(chǔ)上，將頂視圖進(jìn)行二值化處理，可得到邊界紋理，例如利用pixelA(0，0，0，255)代表有BIM模型區(qū)域，pixelB(255，255，255，255)代表無BIM模型的區(qū)域。利用BIM模型的外包圍盒包含的邊界點(xmin，ymin，0)、(xmax，ymax，0)可以構(gòu)建矩形A(xmin，ymin，0)，B(xmin，ymax，0)，C(xmax，ymax，0)，D(xmin，ymin，0)，并賦予邊界紋理得到紋理邊界模型，使之在俯視時，與GIS場景能夠正確套合，從而形成BIM方案模型的紋理邊界模型。

圖4 紋理邊界提取方法

5 場景動態(tài)挖洞與塌陷

根據(jù)三維引擎的不同，可使用不同的動態(tài)計算方法實現(xiàn)三維GIS場景的動態(tài)挖洞和塌陷。首先將邊界信息(矢量邊界或紋理邊界)導(dǎo)入到GIS場景中，然后利用渲染至紋理(RTT，Render To Texture)技術(shù)[10]，將邊界信息轉(zhuǎn)換成隨場景相機位置與角度實時變換的RTT紋理圖片，然后利用投影紋理映射(PTM，Projective Texture Mapping)技術(shù)[10]將RTT紋理圖片投射到構(gòu)建三維GIS場景模型上，最后采用GPU編程技術(shù)，根據(jù)紋理圖片中表達(dá)為邊界的像素值，實現(xiàn)場景的動態(tài)挖空或塌陷。具體技術(shù)包括渲染至紋理、投影紋理映射以及基于GPU計算[11]的實時挖洞與塌陷等步驟。

5.1 渲染至紋理

三維場景最終呈現(xiàn)在屏幕的渲染結(jié)果會進(jìn)入幀緩存，最終顯示到屏幕中。而RTT技術(shù)可在渲染對象進(jìn)入幀緩存以后，截取幀緩存中的像素對象并回傳給應(yīng)用程序，方便應(yīng)用程序做后續(xù)的處理，例如環(huán)境光反射等特效[10，12]。本文中，需要利用正交相機獲得BIM邊界模型的渲染至紋理結(jié)果，包括用來RTT的三維場景，RTT相機，利用RTT相機渲染場景，得到渲染后的紋理。在獲得BIM的模型邊界的基礎(chǔ)上，利用邊界模型構(gòu)建用來RTT的三維場景，然后構(gòu)建一個俯視的RTT正交相機，每幀都可以獲得一個帶有邊界信息的RTT紋理，如圖5所示不同相機視角下的RTT紋理，實際都是與BIM模型套合的。

圖5 邊界模型的不同角度RTT紋理

5.2 投影紋理映射

投影紋理映射，用于映射一個紋理到物體上，就像將幻燈片投影到墻上一樣。該方法不需要在應(yīng)用程序中指定頂點紋理坐標(biāo)，實際上，投影紋理映射中使用的紋理坐標(biāo)是在頂點著色程序中通過視點矩陣和投影矩陣計算得到的，通常也被稱作投影紋理坐標(biāo)。投影紋理映射有兩大優(yōu)點：其一，將紋理與空間頂點進(jìn)行實時對應(yīng)，不需要預(yù)先在建模軟件中生成紋理坐標(biāo)；其二，使用投影紋理映射，可以有效地避免紋理扭曲現(xiàn)象[10]。在本文中，投影紋理映射就是將獲得的RTT紋理投射到三維GIS場景模型上，例如傾斜攝影實景三維模型上，此時，投射的角度是俯視的，如圖6所示的是圖5的RTT紋理映射到三維GIS模型上的效果。

圖6 投影紋理映射

5.3 基于GPU計算的實時挖洞與塌陷

在GIS場景中的實景三維模型(也可是其他模型)獲得投影紋理后，此時可利用GPU片元著色器，通過GPU編程控制實景三維模型的最終顯示效果，從而得到模型的挖洞(透明不顯示)、或塌陷效果。著色器語言是一種編程語言，允許應(yīng)用程序顯式地制定在處理頂點和片段時所執(zhí)行的操作。

著色器語言通常包括頂點著色器和片段著色器[10]。在片段著色器中，通過識別BIM邊界模型獲得的RTT紋理像素值，如表1所示，當(dāng)設(shè)置模型邊界范圍內(nèi)的紋理之為B，則片元著色器中RTT紋理當(dāng)前的像素值Pixel為B時，采用片元著色器中的Discard方法，當(dāng)前像素不顯示，則表現(xiàn)為挖洞，如圖7(a)所示。

在模型挖洞的基礎(chǔ)上，根據(jù)挖洞范圍，設(shè)置塌陷深度，根據(jù)矢量邊界的每條邊，對GIS場景模型進(jìn)行間隔采樣，得到側(cè)面模型的上邊沿，進(jìn)而生成側(cè)面模型，底面模型根據(jù)矢量邊界和塌陷深度得到，最終效果如圖7(b)所示。

挖洞條件 表1

圖7 挖洞與塌陷效果

在挖洞或塌陷的基礎(chǔ)上，顯示BIM方案模型，即可得到BIM方案模型與3D GIS場景的接邊融合效果。通過挖洞、塌陷功能與BIM方案顯隱控制，可以實現(xiàn)現(xiàn)狀3D GIS與BIM方案的快速切換，如圖8所示，土建BIM與機電BIM與3D GIS傾斜模型的動態(tài)接邊可視化。

圖8 土建BIM與機電BIM可視化融合

6 基于動態(tài)可視化的BIM方案管理

利用3D GIS技術(shù)可以建立城市級的虛擬三維場景，構(gòu)建城市立體空間底座，根據(jù)三維引擎的不同，可以使用動態(tài)計算方法實現(xiàn)三維GIS場景的動態(tài)挖洞和塌陷，實現(xiàn)方案模型與三維GIS場景的融合。在重慶市勘測院自主研發(fā)的集景三維數(shù)字城市平臺中，利用本項目成果，提供了方案集成與動態(tài)可視化融合方案，能夠?qū)崿F(xiàn)三維GIS現(xiàn)狀數(shù)據(jù)與建筑方案BIM的融合，如圖9所示。一方面，可以保持一個三維現(xiàn)狀底板，而無須隨著方案的增加造成底板的不斷修改，減少了數(shù)據(jù)編輯工作量，另一方面，可以實現(xiàn)現(xiàn)狀與方案的快速切換，方便用戶開展方案審查。

圖9 重慶市某醫(yī)院建筑方案審查

利用本文BIM模型與GIS可視化融合方法，還有實現(xiàn)傾斜攝影實景三維模型的動態(tài)單體化，進(jìn)而實現(xiàn)模型的屬性掛接。在獲得一個矢量邊界以后，可以賦予矢量面ID編碼，作為屬性掛接標(biāo)識碼，利用前文的紋理投射技術(shù)，可以實現(xiàn)建筑的范圍標(biāo)繪，如圖6所示，利用挖洞，實現(xiàn)建筑的顯示和隱藏，如圖7所示。

7 總 結(jié)

為解決三維GIS場景和BIM方案融合，本文綜合利用渲染至紋理、投影紋理映射、GPU編程計算實現(xiàn)了兩者的可視化接邊方法，而并非在物理上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的正在拼接，減少了數(shù)據(jù)編輯、管理與組織工作，提升了工作效率，方便了現(xiàn)狀場景與未來設(shè)計的快速切換。

這種利用材質(zhì)編輯方法，從可視化角度實現(xiàn)的場景效果，可解決諸多需要從數(shù)據(jù)層面開展的工作，例如通過動態(tài)調(diào)整幾何面的紋理，可以模擬水面的波動，實現(xiàn)場景動態(tài)特效，通過編輯三維場景顯示到屏幕的幀圖像，能夠?qū)崿F(xiàn)可視化場景的對比度增強和色調(diào)調(diào)整。