基于Cesium的BIM與實景三維模型集成可視化研究

方孟元羅年學(xué)許 毅祁平利

1武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢，430079

2中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京，102600

建 筑 信 息 模 型（building information model，BIM）概念起源于20世紀70年代，是對建筑的物理和功能特性的數(shù)字化表達，貫穿于建筑從概念、設(shè)計、施工、運營維護及拆除的整個生命周期中，提供信息支撐和決策依據(jù)。隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，BIM成為了規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域的研究熱點，在水立方、上海中心大廈等大型項目中得到廣泛應(yīng)用［1，2］。

在建筑設(shè)計、施工等各個環(huán)節(jié)都離不開周邊環(huán)境信息做支撐，GIS作為地理信息的數(shù)字化表達載體，正為BIM提供了更大尺度的信息支持。GIS的各類空間分析功能可以為BIM提供決策參考，真正將建筑與環(huán)境融為一體［3-6］。吳志強等［7］進一步提出了城市信息模型（city information modeling，CIM）的概念，即CIM=BIM+GIS+物聯(lián)網(wǎng)（internet of things，IoT），將微觀的BIM、宏觀的GIS與IoT數(shù)據(jù)進行集成統(tǒng)一，形成綜合數(shù)據(jù)處理計算平臺，為智慧城市建設(shè)提供了技術(shù)支撐。

因此，BIM與GIS的組合越來越多的受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。文獻［8-13］分別從語義關(guān)聯(lián)、數(shù)據(jù)融合、集成方式和工程應(yīng)用等方面對BIM與GIS的融合展開了探討。實景三維模型是借助傾斜攝影測量技術(shù)獲取的地表三維模型，通過多視角航空攝影、空三加密、密集匹配、紋理映射等環(huán)節(jié)自動計算生成，可真實反映地物地貌特征、數(shù)據(jù)精度高、自動化程度高，是目前主流的三維GIS數(shù)據(jù)源之一［4］。Cesium是一款開源的Web端三維GIS開發(fā)包，基于WebGL技術(shù)和3D-Tiles數(shù)據(jù)標準實現(xiàn)海量二三維空間數(shù)據(jù)的跨平臺繪制展示。

本文以某磁浮鐵路項目為例，介紹BIM與GIS數(shù)據(jù)集成可視化的實現(xiàn)思路及基于Cesium的實現(xiàn)方法；進一步地介紹BIM與實景三維模型的動態(tài)卷簾功能實現(xiàn)思路及效果。

1 集成可視化實現(xiàn)思路

BIM與傾斜攝影模型的集成可視化流程如圖1所示。

圖1 BIM與傾斜攝影模型集成可視化流程Fig.1 Integrated Visualization Process of BIM and Oblique Photography Model

由于各大機構(gòu)和軟件廠商分別定義了各自的數(shù)據(jù)標準，不同數(shù)據(jù)標準對應(yīng)了不同的數(shù)據(jù)文件格式、要素組織方法及空間索引結(jié)構(gòu)：BIM標準包括RVT、DGN、IFC標準等；實景三維模型標準包括OSGB、SLPK、S3M標準等。與此同時，需分別對BIM模型和實景三維模型進行分層、分塊處理，以保證Web端加載性能。3D-Tiles結(jié)構(gòu)是Cesium原生支持的數(shù)據(jù)標準，渲染時可根據(jù)視錐體范圍和瓦片索引進行動態(tài)調(diào)度。因此，加載前需將BIM與實景三維模型分別轉(zhuǎn)換為Cesium支持的3D-Tiles數(shù)據(jù)標準［14-15］。

實景三維模型由于引入了影像外方位元素、地面控制點，具有絕對坐標基準；而BIM主要用于建筑尺度的信息管理，未引入絕對位置參考，坐標往往采用局部坐標系表達。模型疊加可通過手工配準的方式實現(xiàn)，而顧及到GIS空間計算、分析的精度和準確性需要對BIM模型的位置、姿態(tài)及高程進行嚴密計算，故需通過坐標轉(zhuǎn)換的方式將BIM與實景三維模型的坐標基準進行統(tǒng)一。

BIM模型表現(xiàn)的是建筑設(shè)計方案，實景三維模型還原了影像采集時刻的地形地貌特征而未考慮到建筑施工所帶來的地形變化。直接將模型根據(jù)坐標進行疊加勢必會出現(xiàn)重疊和遮擋，兩者無法完美套合。因此需考慮到建筑施工所造成的地形變化，對模型銜接區(qū)域進行處理。

綜上所述，通過數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一、坐標基準統(tǒng)一和模型銜接處理，即可將BIM與實景三維模型進行集成展示。本文重點介紹坐標基準統(tǒng)一方式、模型銜接處理的實現(xiàn)思路，而數(shù)據(jù)標準統(tǒng)一可通過FME軟件及開源程序?qū)崿F(xiàn)，在此不做贅述。

2 模型坐標基準統(tǒng)一

坐標基準統(tǒng)一需通過對BIM的局部坐標根據(jù)坐標原點所在絕對坐標及坐標軸指向進行坐標轉(zhuǎn)換計算，轉(zhuǎn)換至地球中心坐標系（earth-centered earthfixed，ECEF），流程如圖2所示。

圖2 BIM坐標轉(zhuǎn)換流程Fig.2 BIM Coordinate Conversion Process

首先將局部坐標系旋轉(zhuǎn)至ENU（east-north-Up）坐標系（其中x軸指向南方向，y軸指向東方向，z軸指向天頂方向），再建立ENU坐標系到地球橢球ECEF坐標系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最后將ENU坐標進行旋轉(zhuǎn)和平移，得到ECEF世界坐標［16］。

1）局部坐標系旋轉(zhuǎn)到ENU坐標系。BIM在局部 坐 標 系 下 的 坐 標(x0，y0，z0)到ENU坐 標(x，y，z)，需依次繞三軸旋轉(zhuǎn)εz、εy、εx角度，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)矩陣R(εx，εy，εz)為：

2）計算ENU到ECEF坐標系的平移量(X0，Y0，Z0)及旋轉(zhuǎn)矩陣R(B0，L0，0)分別為：

式中，BIM模型的坐標系原點位于橢球面上的大地坐標為(B0，L0)；N0表示卯酉圈半徑；a為橢球的長半軸；e為橢球第一偏心率。

3）最終轉(zhuǎn)換關(guān)系式為：

式 中，(x0，y0，z0)為BIM頂 點 的 局 部 坐 標；R(εx，εy，εz)為 局 部 坐 標 到ENU坐 標 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣；(X0，Y0，Z0)和R(B0，L0，0)分 別 為ENU到ECEF坐標系下的平移量和旋轉(zhuǎn)矩陣。

本文根據(jù)該項目局部坐標系定義參數(shù)，通過Python對以上過程進行編程實現(xiàn)。在可視化時，將計算得到的旋轉(zhuǎn)矩陣和平移量合成為4階仿射變換矩陣，輸入到Cesium中3DTileset對象的ModelMatrix屬性中，即可在渲染時逐點進行坐標變換。實現(xiàn)效果如圖3所示，其中灰色部分即BIM所表現(xiàn)的立交橋，與實景三維模型所表現(xiàn)的周邊房屋、地面融為一體。相比于人工三維建模，BIM模型具備更加精細的建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)并可針對構(gòu)件進行屬性關(guān)聯(lián)。

圖3 BIM與實景三維模型疊加效果Fig.3 BIM and Real-Scene 3D Model Overlay Effect

3 模型銜接處理

對于模型銜接區(qū)域的處理，本文采用對實景三維模型進行局部壓平的方式：在WebGL渲染過程中，對銜接區(qū)域的實景三維模型三角網(wǎng)頂點進行降低，將其統(tǒng)一至設(shè)計的地面高度。整個壓平處理的流程如圖4所示。

圖4 局部壓平流程示意圖Fig.4 Partial Flattening Process Diagram

通過修改WebGL渲染過程進行實現(xiàn)：事先采集疊加區(qū)域多邊形輪廓及目標高度，通過調(diào)用Cesium中的Framebuffer對象渲染一張矩形Texture（疊加區(qū)域內(nèi)為灰度為1，多邊形外為0），將Texture與目標高度以WebGL Uniform屬性的形式傳遞到實景三維模型中的Vertex Shader（WebGL的頂點渲染腳本）中，通過判斷實景三維模型頂點坐標是否落在Texture灰度為1的區(qū)域內(nèi)，進而將落在壓平區(qū)域內(nèi)的頂點高度進行降低。

局部壓平的實現(xiàn)效果如圖5所示，對隧道口外的山體進行壓平，即可直觀表現(xiàn)隧道開挖后的實際效果。

圖5 局部壓平模擬開挖Fig.5 Partial Flattening Simulation Excavation

4 模型動態(tài)卷簾

為了在同一視圖中直觀對比BIM模型疊加前后效果，可通過動態(tài)卷簾的方式，對BIM與實景三維模型的顯示進行控制：對視圖進行左右分屏，在左屏中展示BIM與實景三維模型疊加效果、右屏中展示未疊加BIM的實景三維模型，并通過視圖分隔UI組件拖動對左右屏寬度比例進行調(diào)整。

動態(tài)卷簾的實現(xiàn)是通過改寫Cesium中3DTileset類的WebGL著色器（Shader）、配合第3節(jié)中介紹的頂點壓平的方式來實現(xiàn)：首先，將分屏UI組件所在位置的屏幕坐標換算到WebGL坐標系下，并分別傳遞給BIM和實景三維模型的Vertex Shader，屏幕坐標系和WebGL坐標系之間關(guān)系見文獻［13］；其次，重寫B(tài)IM模型的Fragment Shader（WebGL的片元渲染腳本），比較頂點gl_Position的水平坐標和分屏參數(shù)，如水平坐標大于分屏參數(shù)，通過Discard命令取消Fragment渲染；最后，重寫頂點壓平后的實景三維Vertex Shader，比較處于壓平區(qū)域內(nèi)頂點的gl_Position水平坐標和分屏參數(shù)，如水平坐標小于分屏參數(shù)，則執(zhí)行頂點壓平，反之則不執(zhí)行。動態(tài)卷簾的實現(xiàn)效果如圖6所示，其中左側(cè)為BIM模型疊加在實景三維模型上的效果；右側(cè)為原始實景三維模型，分屏比例可拖動調(diào)整。

圖6 卷簾切換實現(xiàn)效果Fig.6 Roller Shutter Switching Effect

5 結(jié)束語

BIM與GIS的集成，能夠?qū)⒔ㄖc環(huán)境信息融為一體，對室內(nèi)外信息進行更加全面的數(shù)字化還原，對規(guī)劃設(shè)計行業(yè)中的方案展示、方案比對具有重要的作用。本文以磁浮鐵路項目為例，探討了BIM與GIS的數(shù)據(jù)集成可視化流程及思路；基于開源的Cesium引擎，對BIM與實景三維模型集成中的坐標基準統(tǒng)一、模型銜接處理等實現(xiàn)方式進行介紹；介紹了用于對BIM與實景三維模型直觀對比的動態(tài)卷簾實現(xiàn)方法。通過對BIM與GIS進行集成可視化，后續(xù)可實現(xiàn)更加高級的空間分析功能，進而為建筑設(shè)計、路橋施工、城市規(guī)劃乃至CIM的建設(shè)提供平臺支撐。