基于BIM+GIS的航道三維漫游系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

袁占全，李明益

(1.中交第二航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢430071；2.中交(蘇州)城市開發(fā)建設(shè)有限公司，江蘇 蘇州215000)

近年隨著計(jì)算機(jī)三維渲染技術(shù)的發(fā)展，對三維場景實(shí)時(shí)渲染和可視化漫游技術(shù)的應(yīng)用需求日益增加，特別是在工程建筑行業(yè)，因?yàn)锽IM技術(shù)發(fā)展，BIM成果展現(xiàn)要求三維渲染的效果更加逼真、精美。目前市場主流解決方案是采用三維GIS平臺與Unity 3D兩種方式搭建三維漫游系統(tǒng)，但存在多源數(shù)據(jù)、大數(shù)據(jù)量與場景渲染效果不能兼得問題[1]。三維GIS平臺可以承載大數(shù)據(jù)量BIM+GIS模型，但其渲染效果不夠逼真精美；游戲引擎Unity 3D雖然三維渲染效果炫酷，但無法承載多源GIS數(shù)據(jù)、大面積地形和影像、精細(xì)BIM模型數(shù)據(jù)。而航道工程分布廣，對大體量數(shù)據(jù)加載、三維水面渲染與漫游效果都有非常高的要求。為此，筆者提出基于BIM+GIS的航道三維漫游系統(tǒng)，重點(diǎn)解決航道工程大體量多源三維數(shù)據(jù)、三維場景渲染與漫游效果不能兼得的問題，助力BIM+GIS三維技術(shù)在航道工程行業(yè)的應(yīng)用。

1 研究思路

依托長江干線武漢—安慶段航道6 m水深航道整治工程項(xiàng)目，根據(jù)航道工程空間分布特征和航道BIM模型特點(diǎn)，基于Unity 3D開發(fā)BIM+GIS的航道三維漫游系統(tǒng)，解決航道工程大體量三維數(shù)據(jù)、三維場景渲染與漫游效果不能兼得問題。技術(shù)路線見圖1，研究內(nèi)容主要包括：

圖1 技術(shù)路線

1)解決Unity加載GIS數(shù)據(jù)技術(shù)問題，同時(shí)采用自動化插件對BIM模型進(jìn)行輕量化處理，減少人工減面的工作量；

2)根據(jù)航道工程空間分布特征提出“分區(qū)動態(tài)數(shù)據(jù)組織管理”+LOD三維動態(tài)渲染相結(jié)合技術(shù)；

3)基于Unity 3D游戲引擎設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)手動漫游控制和自動飛行漫游功能。

2 BIM+GIS三維航道數(shù)據(jù)處理

2.1 BIM模型輕量化技術(shù)

用BIM模型詳盡描述一棟建筑物或者構(gòu)筑物的外在和內(nèi)在構(gòu)造將涉及大量的建筑細(xì)節(jié)，所以一般情況下BIM模型的體量較大[2-3]。模型輕量化的核心思想在于盡量保持模型原狀態(tài)下減少構(gòu)成物體的三角形的數(shù)量。

輕量化傳統(tǒng)技術(shù)路線是在3DMAX軟件中進(jìn)行人工減面處理，其工作量非常大，消耗大量人力物力。Unity 3D 的MeshSimplify插件中包含多種輕量化的算法，其核心算法也是平面擬合原理，最大特點(diǎn)是可以遍歷父物體下的所有子物體，然后分析每個(gè)子物體的構(gòu)成，繼而針對性地進(jìn)行輕量化處理。MeshSimplify 插件是一款開源的插件，如果某些算法不適用于當(dāng)前的模型，可以繼承源碼的類之后進(jìn)行修改。一般情況下直接使用該插件即可，在需要輕量化模型導(dǎo)入插件，設(shè)置簡化百分比即可，效果如圖2所示。

圖2 模型自動化處理對比

圖2a)展示未進(jìn)行輕量化的三角形構(gòu)成及分布情況，圖2b)展示對其進(jìn)行0.8倍輕量化后三角形的構(gòu)成，圖2c)展示對其進(jìn)行0.5倍量化后三角形的構(gòu)成。通過這3組不同程度輕量化的模型對比可知，在模型容量變小的同時(shí)，航道BIM模型基本保持原模型的形態(tài)特征，滿足實(shí)際航道工程應(yīng)用的需要。

2.2 GIS數(shù)據(jù)處理技術(shù)

2.2.1加載柵格數(shù)據(jù)

1)地形數(shù)據(jù)在GlobalMapper等GIS軟件進(jìn)行處理，并導(dǎo)出DEM文件；

2)DEM導(dǎo)入3DMAX生成實(shí)體模型，加載影像進(jìn)行貼圖，同時(shí)優(yōu)化數(shù)據(jù)紋理色彩等；

3)將處理好的模型導(dǎo)出實(shí)體模型.FBX，在Unity 3D中利用MeshSimplify插件對數(shù)據(jù)進(jìn)行輕量化處理，然后加載到三維場景中。

加載柵格數(shù)據(jù)流程見圖3。

圖3 Unity 3D加載柵格數(shù)據(jù)(DEM、DOM)

2.2.2加載矢量數(shù)據(jù)

1)將關(guān)鍵數(shù)據(jù)(SHP)利用GIS軟件轉(zhuǎn)化為帶有地理信息Geojson的數(shù)據(jù)格式；

2)在Unity 3D中讀取Geojson格式數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)渲染。

3 三維航道數(shù)據(jù)組織與LOD技術(shù)

3.1 項(xiàng)目概況

長江干線武漢—安慶段上起天興洲長江大橋、下迄安慶皖河口，全長約386.5 km，工程主要針對湖廣—羅湖洲、沙洲、戴家洲、鯉魚山、張家洲、馬當(dāng)東流等7個(gè)礙航段進(jìn)行系統(tǒng)整治，其中建設(shè)護(hù)灘帶28道、壩體5道、高灘守護(hù)15.4 km、護(hù)岸加固13.3 km、基建疏浚477萬m3及生態(tài)建設(shè)工程(圖4)。該工程的BIM模型、高程、影像、矢量數(shù)據(jù)等GIS數(shù)據(jù)體量非常大，對三維數(shù)據(jù)在Unity引擎中加載與渲染提出巨大挑戰(zhàn)。

圖4 長江武安段航道整治工程分布

3.2 航道工程分布特點(diǎn)

航道工程是開拓航道和改善航道航行條件的工程。項(xiàng)目實(shí)地調(diào)研結(jié)果表明，航道工程空間分布特征主要為跨度大、點(diǎn)狀分布、多點(diǎn)線性，總體沿長江沿岸進(jìn)行相關(guān)工程建設(shè)(圖5)。

圖5 長江武漢段某區(qū)域整治工程平面位置分布

3.3 三維航道數(shù)據(jù)組織管理

對于航道工程大場景數(shù)據(jù)而言，任何計(jì)算機(jī)一次性加載和渲染數(shù)據(jù)性能都會出現(xiàn)卡頓，因此要盡可能采用分區(qū)域數(shù)據(jù)組織調(diào)度技術(shù)。將一個(gè)區(qū)域分解成多個(gè)區(qū)域，一般是根據(jù)實(shí)際場景大小靈活分區(qū)，圖6為某航道工程分區(qū)。

圖6 航道工程平面分區(qū)

將整個(gè)航道區(qū)域數(shù)據(jù)按照有、無航道工程區(qū)域以及單個(gè)區(qū)域大小分割成若干小區(qū)域，依據(jù)“動態(tài)導(dǎo)入、動態(tài)調(diào)用、動態(tài)卸載”原則將進(jìn)入視野區(qū)域的數(shù)據(jù)導(dǎo)入，視野外區(qū)域數(shù)據(jù)則不導(dǎo)入，當(dāng)已經(jīng)導(dǎo)入?yún)^(qū)域數(shù)據(jù)在視野之外時(shí)，則對數(shù)據(jù)進(jìn)行卸載，保證計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)加載數(shù)據(jù)量上限，達(dá)到節(jié)省資源的目的。

3.4 三維航道數(shù)據(jù)LOD技術(shù)

對于復(fù)雜數(shù)據(jù)場景來說，多的不僅是地形數(shù)據(jù)和BIM模型數(shù)據(jù)，場景中的文字、樹、船等小品分布也較多，因此僅采用區(qū)域分塊調(diào)度技術(shù)還無法達(dá)到最好的實(shí)時(shí)狀態(tài)。因此對已加載模型數(shù)據(jù)通過LOD(細(xì)節(jié)層次，levels of detail)技術(shù)進(jìn)行渲染。其根據(jù)模型數(shù)據(jù)離視點(diǎn)距離來動態(tài)判定模型渲染的精細(xì)度，對于近處物體展示細(xì)節(jié)，對于遠(yuǎn)處物體只展示其外輪廓，從而節(jié)省計(jì)算機(jī)資源，效果如圖7所示。

圖7 某航道區(qū)域三維場景

4 三維航道漫游系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 手動控制漫游

手動控制漫游是使用者通過手動操作鍵盤和鼠標(biāo)來瀏覽三維場景，實(shí)現(xiàn)對三維場景的縮放、旋轉(zhuǎn)、平移等功能，靈活控制場景的視角[4]。手動控制漫游一旦接受到相應(yīng)的控制命令就立即響應(yīng)，相機(jī)空間位置改變，瀏覽到相應(yīng)場景，整個(gè)過程中場景不發(fā)生交互，只移動相機(jī)方位。

手動控制漫游實(shí)現(xiàn)步驟如下：

1)開啟手動漫游腳本后，首先設(shè)置好控制方式：鍵盤控制，鼠標(biāo)控制，同時(shí)控制，是否開啟旋轉(zhuǎn)控制、移動控制等；

2)接收用戶輸入的控制信息，傳遞到函數(shù)Get Input Translation Direction中(圖8)，返回對應(yīng)的移動方向；

圖8 自動漫游控制函數(shù)

3)得到移動方向后，計(jì)算出移動距離，移動相機(jī)到相應(yīng)位置。

4.2 自動漫游

場景的自動漫游不需要用戶進(jìn)行控制。其設(shè)計(jì)思想：首先確定漫游視點(diǎn)，每個(gè)漫游視點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)漫游時(shí)間，表示相機(jī)漫游到該視點(diǎn)所需要的時(shí)間，第1個(gè)視點(diǎn)對應(yīng)的漫游時(shí)間為0，最后1個(gè)視點(diǎn)對應(yīng)的漫游時(shí)間為整段漫游總時(shí)間。將視點(diǎn)依次連接形成一條完整的路徑，并根據(jù)采集視點(diǎn)進(jìn)行內(nèi)插，得到一條完整平滑連續(xù)的路徑就是相機(jī)的漫游路徑，當(dāng)開啟自動漫游功能后，相機(jī)沿著該路徑在規(guī)定時(shí)間完成自動漫游[5]。

4.2.1設(shè)置漫游路徑

在自動漫游過程中路徑的設(shè)置主要包括關(guān)鍵漫游點(diǎn)的設(shè)置和根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)內(nèi)插成漫游路徑(圖9)。用戶在三維場景內(nèi)選取關(guān)鍵漫游點(diǎn)，并在該漫游點(diǎn)設(shè)置文本、圖片、視頻等內(nèi)容狀態(tài)，通過內(nèi)插方式獲得整條路徑的三維點(diǎn)集，為自動漫游提供數(shù)據(jù)。

圖9 路徑設(shè)置步驟

飛行路徑的插值計(jì)算步驟如下：

1)獲取路徑相鄰兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)平面坐標(biāo)；

2)根據(jù)相鄰兩點(diǎn)的距離和平滑指數(shù)，內(nèi)插出兩點(diǎn)間其他二維平面坐標(biāo)；

3)從起始點(diǎn)至終點(diǎn)循環(huán)該過程，得到整條路徑所有二維平面點(diǎn)集；

4)根據(jù)已有相鄰點(diǎn)高程，采用距離比例法計(jì)算高度值H。

一般插值方法有折線法和樣條曲線法。由于折線法容易出現(xiàn)場景跳動，漫游效果較差，所以本文采用樣條曲線插值法，用樣條函數(shù)計(jì)算插值點(diǎn)。

4.2.2自動漫游飛行

自動飛行主要通過定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)。漫游開始后定時(shí)器根據(jù)已經(jīng)設(shè)定好的路徑點(diǎn)集在設(shè)置時(shí)間執(zhí)行相應(yīng)指令，并繪制渲染當(dāng)前相機(jī)位置的姿態(tài)。當(dāng)讀取到的漫游點(diǎn)數(shù)據(jù)包含數(shù)據(jù)內(nèi)容時(shí)，定時(shí)器會自動獲取所設(shè)置的內(nèi)容，并根據(jù)內(nèi)容狀態(tài)設(shè)置顯示和隱藏，從而達(dá)到動態(tài)內(nèi)容效果，保證整個(gè)漫游過程不間斷、不跳幀、不跳躍連續(xù)的自動飛行漫游效果(圖10)。

圖10 自動漫游效果

5 結(jié)語

1)根據(jù)航道工程跨度大、點(diǎn)狀分布、多點(diǎn)線性空間分布特性，提出分區(qū)數(shù)據(jù)組織調(diào)度技術(shù)，將廣域航道工程分成若干區(qū)域，區(qū)域之間依據(jù)“動態(tài)加載、動態(tài)渲染、動態(tài)卸載”原則進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，降低計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)量，解決航道工程大體量數(shù)據(jù)加載問題。

2)對單一區(qū)域模型數(shù)據(jù)通過MeshSimplify插件對模型進(jìn)行輕量化處理，減少數(shù)據(jù)的體量，對比傳統(tǒng)人工手動減面大大較少工作量、節(jié)省工作時(shí)間；在Unity 3D實(shí)時(shí)渲染過程中采用LOD技術(shù)動態(tài)渲染數(shù)據(jù)，利用Geojson格式數(shù)據(jù)對SHP數(shù)據(jù)進(jìn)行加載與解析，解決Unity 3D加載大體量BIM+GIS數(shù)據(jù)渲染不流暢、卡頓問題。

3)基于Unity 3D二次開發(fā)手動控制漫游功能，同時(shí)利用3次樣條函數(shù)設(shè)置飛行路徑，開發(fā)自動飛行漫游功能，最終實(shí)現(xiàn)航道工程BIM+GIS三維數(shù)據(jù)加載渲染和高質(zhì)量、高逼真漫游效果兼得。

4)開發(fā)的漫游系統(tǒng)在長江武漢—安慶段6 m水深航道整治工程中得到應(yīng)用，在信息溝通交流和對外宣傳展示均起到較好的作用，對BIM+GIS技術(shù)在航道工程中的推廣應(yīng)用具有重要意義。