基于體素與傾斜攝影建模的BIM模型簡化方法

摘要：

為提高BIM模型簡化效率，并從根本上改善傳統(tǒng)BIM模型內(nèi)部構(gòu)件簡化不徹底、三角面片數(shù)較多等影響Web端加載效率的問題，提出了一種基于體素和傾斜攝影建模技術(shù)的BIM模型簡化方法。該方法通過將現(xiàn)有BIM模型創(chuàng)建體素模型后，利用體素模型面朝向特性無損減面，顯著簡化模型網(wǎng)格，并使用傾斜攝影修模技術(shù)，對(duì)獲得的外殼體素模型進(jìn)行貼圖。研究結(jié)果表明：最終生成的簡化貼圖模型簡化率高、兼容性強(qiáng)、Web端運(yùn)行效率高；與傳統(tǒng)簡化貼圖模型手工建模技術(shù)相比，建模所用時(shí)間短、自動(dòng)化程度高，自動(dòng)化率高達(dá)75%。研究成果可為海量城市級(jí)BIM模型簡化提供一種全新、自動(dòng)化的解決方案，提高BIM模型簡化效率，提升城市級(jí)CIM平臺(tái)運(yùn)行效率。

關(guān)鍵詞：

體素； 傾斜攝影； BIM模型； 模型簡化

中圖法分類號(hào)：TU17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.019

文章編號(hào)：1006-0081（2024）07-0110-06

0 引 言

隨著BIM和CIM技術(shù)的應(yīng)用與普及，越來越多的工程項(xiàng)目需要進(jìn)行三維建筑信息模型可視化展示與應(yīng)用，像城市級(jí)CIM項(xiàng)目，需要整合成百上千平方公里的各類建筑BIM模型，有些復(fù)雜單體建筑的三角面片數(shù)高達(dá)千萬級(jí)以上，大量精細(xì)的BIM模型直接進(jìn)入WEB端三維場景后，龐大的三角面片數(shù)會(huì)直接導(dǎo)致模型WEB端加載效率低、延遲、卡頓等，嚴(yán)重影響B(tài)IM模型可視化效果及應(yīng)用。但受計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、軟件技術(shù)、計(jì)算機(jī)性能影響，很難從根本上改善圖形引擎無法承載并快速顯示大體量、精細(xì)化BIM模型的現(xiàn)狀。由于城市級(jí)大場景對(duì)建筑物細(xì)節(jié)需求不高，因此可通過簡化BIM模型來改善城市CIM場景表達(dá)，該方法也是解決當(dāng)前數(shù)據(jù)體量困境的一種較有效的手段。

國內(nèi)外已有眾多學(xué)者從優(yōu)化模型可視化算法、文件格式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、幾何特征、文件結(jié)構(gòu)、模型渲染等幾個(gè)方面對(duì)BIM模型三角網(wǎng)簡化方法進(jìn)行了研究。例如，Seo等［1］利用 Wrap-around 簡化算法，通過細(xì)節(jié)層次抑制特征的刪除序列，生成所需要的細(xì)節(jié)層次模型；Lee ［2］通過特征重排正或負(fù)，生成合理的、形狀外觀相同的LOD 模型；Song等［3］提出了一種能夠直接得到基于邊界表示模型的一系列細(xì)節(jié)層次模型的Wrap Around方法；Hoppe［4］通過特征邊和平面區(qū)域，利用邊折疊實(shí)現(xiàn)模型簡化；孫源等［5］通過幾何簡化算法、渲染優(yōu)化算法、文件格式優(yōu)化及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4種方法進(jìn)行模型簡化；張業(yè)星等［6］通過抽殼減面實(shí)現(xiàn)模型簡化；劉曉彬等［7］通過BIM+GIS技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的簡化渲染；陳慶財(cái)?shù)龋?］通過設(shè)計(jì)LBSF文件結(jié)構(gòu)和輕量化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜BIM模型的流暢加載；張海兵等［9］在Supermap中通過文件數(shù)據(jù)組織重構(gòu)及數(shù)據(jù)壓縮實(shí)現(xiàn)BIM簡化；馮雨晴等［10］利用Revit API二次開發(fā)技術(shù)，將模型進(jìn)行輕量化壓縮，并導(dǎo)出適用于各大WebGL引擎的GLTF模型文件格式提升模型加載效率；史修府等［11］提出了建立水工建筑物參數(shù)化族的合理方法，通過優(yōu)化參數(shù)使BIM構(gòu)建對(duì)象簡化；郭思怡等［12］使用網(wǎng)格模型簡化算法從內(nèi)外兩方面分別對(duì)建筑運(yùn)維階段信息模型進(jìn)行輕量化處理；陳科等［13］利用BIM模型幾何特征，通過三角面合并進(jìn)行輕量化簡化；薛輝［14］提出基于降維思路的實(shí)體模型簡化方法；趙維等［15］提出了自適應(yīng)多線程渲染技術(shù)。綜上，已有的研究大部分是對(duì)現(xiàn)有BIM模型進(jìn)行冗余信息刪除或者幾何圖形簡化得到簡化后模型，但簡化后的BIM模型部分仍存在模型破碎，外立面變形、扭曲、可視化效果差，模型內(nèi)部構(gòu)件大量保留，三角面片數(shù)總量不易控制，Web端加載效率依然不高等各種不可預(yù)知的問題。在現(xiàn)有的BIM模型簡化技術(shù)條件下，如果無法在不破壞外立面效果的情況下，自動(dòng)對(duì)城市級(jí)CIM場景中BIM模型進(jìn)行簡化，則只能依靠大量人力資源參考原始高精度BIM模型或CAD圖紙手動(dòng)簡化模型。

基于以上問題，本文創(chuàng)造性為海量城市級(jí)BIM模型簡化提供了一種全新的技術(shù)方案。該方法在已有BIM模型基礎(chǔ)上，基于體素建模技術(shù)方法，提取出BIM模型外殼，利用面朝向特性無損減面，并使用傾斜攝影建模技術(shù)對(duì)獲得的外殼體素模型進(jìn)行貼圖，最終生成數(shù)據(jù)量小、運(yùn)行效率高、數(shù)據(jù)兼容性強(qiáng)的簡化貼圖模型，為簡化貼圖模型快速、自動(dòng)化創(chuàng)建提供了全新的解決方案。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 BIM模型體素化建模技術(shù)

體素是像素的三維版本，是進(jìn)行三維創(chuàng)造時(shí)的最小單位，以體素為單位進(jìn)行建模的方式稱為體素建模，因此體素模型是指采用大量規(guī)則體素（如立方體）的有序組合來表示三維物體的模型［16-18］。本文將BIM模型體素化（圖1），將生成好的體素模型進(jìn)行重疊面刪除，并對(duì)同向共邊面進(jìn)行合并，從而生成無貼圖的簡化體素模型。BIM模型體素化建模技術(shù)路線如圖2所示。

與傳統(tǒng)BIM模型簡化方式不同，本文所采用的簡化方案是利用體素建模技術(shù)模擬出建筑物外殼，生成體素模型（圖3）。基于生成好的體素模型，自動(dòng)判斷每個(gè)體素塊各個(gè)方向的面是否與相鄰的體素塊的面存在重疊。若存在，則將兩個(gè)立方體重疊的兩個(gè)正方形面刪除（圖4），如此循環(huán)往復(fù)，從而將體素模型內(nèi)部構(gòu)件全部刪除，得到僅包含BIM模型外殼的體素模型。相較于原始模型，該模型內(nèi)部構(gòu)件和模型體量大大減小。

基于BIM模型得到的外殼體素模型，內(nèi)部共面的體素面已全部消失，但僅包含外立面的外殼體素模型依然是由眾多單個(gè)獨(dú)立的體素面構(gòu)成，這些體素面上包含眾多頂點(diǎn)，每3個(gè)頂點(diǎn)便會(huì)形成一個(gè)三角面，因此，眾多的體素面頂點(diǎn)依然會(huì)形成大量的三角面，需要將外部體素面按一定規(guī)律進(jìn)行合并。由于外殼體素模型所有的面朝向僅有6個(gè)方向，且每個(gè)體素塊的六個(gè)朝向規(guī)律一致，通過相同朝向判定，選擇所有同方向的面，如圖5所示。以圖中朝前方向的面為例，所有藍(lán)色面為被選中面，兩個(gè)面如存在共邊，則兩個(gè)面合并，共邊和對(duì)應(yīng)的頂點(diǎn)消失，形成面的合集，而多邊形面片數(shù)量也顯著減少，從而形成無貼圖的簡化體素模型。

簡化體素模型生成后，由于眾多的面是由正方形合并而來，因此通常會(huì)存在大量的N邊多邊形（N≥4），這些多邊形容易在簡化模型生成貼圖模型的過程中產(chǎn)生黑面、閃面等干擾。為了減少干擾，可將簡化體素模型的所有多邊形面進(jìn)行三角化，將多邊形轉(zhuǎn)換為更通用的三角網(wǎng)格。圖6為多邊形網(wǎng)格的演化過程。

1.2 BIM模型傾斜攝影建模技術(shù)

在三維軟件中，三維模型外觀與貼圖的對(duì)應(yīng)關(guān)系可理解為，三維模型網(wǎng)格按照某些邊裁剪開后在平面上展平，通過展平后模型網(wǎng)格面與貼圖的某個(gè)區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)貼圖對(duì)模型外立面的效果。按此種原理制作外觀效果的三維模型通常被稱作貼圖模型。模型簡化主要體現(xiàn)為模型網(wǎng)格形體的簡化，即減少模型的三角面數(shù)，網(wǎng)格經(jīng)過簡化后制作的貼圖模型，可稱為簡化貼圖模型。

城市級(jí)CIM項(xiàng)目通常比較注重可視化效果，無貼圖的簡化體素模型雖然從三角面片上實(shí)現(xiàn)了最簡，但是缺乏貼圖，可視化效果較差。為改善可視化效果，本文利用傾斜攝影建模技術(shù)為簡化體素模型進(jìn)行貼圖，最終得到簡化貼圖模型，視覺效果上最大程度接近設(shè)計(jì)效果。

傾斜攝影建模是近年來測繪遙感領(lǐng)域發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)。該技術(shù)主要利用無人機(jī)或有人飛機(jī)對(duì)地面建筑物進(jìn)行航拍，獲取目標(biāo)建筑多角度的航空影像，通過圖像分析、空中三角測量、三角網(wǎng)構(gòu)建和自動(dòng)紋理映射等步驟，實(shí)現(xiàn)基于影像的三維模型自動(dòng)創(chuàng)建，得到與實(shí)際外觀效果一致的三維模型。常規(guī)的傾斜攝影模型自動(dòng)創(chuàng)建方法是通過無人機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)建筑進(jìn)行實(shí)地拍攝，且建模成果往往存在模型形體易錯(cuò)亂、易出現(xiàn)漂浮物、建筑外觀細(xì)節(jié)丟失、玻璃面破損、視角盲區(qū)模型拉花等問題，且常規(guī)傾斜攝影模型的網(wǎng)格復(fù)雜，面數(shù)多，數(shù)據(jù)體量大。

針對(duì)常規(guī)的傾斜攝影模型建模方法的不足，行業(yè)內(nèi)往往采用人工修模的方法進(jìn)行網(wǎng)格和可視化效果優(yōu)化。在修模過程中，先使用圖像構(gòu)建起空間關(guān)系，并根據(jù)空間關(guān)系自動(dòng)創(chuàng)建一次傾斜攝影模型，使用人工建模的方法，在原模型處建立修復(fù)后的模型形體，并刪除自動(dòng)創(chuàng)建的傾斜攝影模型形體，基于原先構(gòu)建的空間關(guān)系對(duì)人工模型進(jìn)行紋理投射，得到優(yōu)化后的傾斜攝影模型。因此，傳統(tǒng)的修模流程往往存在人工創(chuàng)建模型形體工作量大、建模效率低、成果統(tǒng)一性差的問題。本方法利用傾斜攝影建模技術(shù)對(duì)BIM模型進(jìn)行環(huán)繞渲染獲取圖像，使用這些圖像執(zhí)行傾斜攝影的建模流程，創(chuàng)建初始傾斜攝影模型，并用之前創(chuàng)建好的簡化體素模型代替需要人工創(chuàng)建的模型形體，利用傾斜攝影的修模流程簡化體素模型貼圖，詳細(xì)的技術(shù)路線如圖7所示。

以原始需要簡化的BIM模型作為目標(biāo)物體，在傾斜攝影軟件中創(chuàng)建虛擬相機(jī)。虛擬相機(jī)布設(shè)時(shí)，應(yīng)確保漫游得到的影像重疊度在80%以上，相鄰影像之間的最大間隔不能超圖10°。虛擬相機(jī)目標(biāo)對(duì)象一般選擇建筑信息模型的中心位置。虛擬相機(jī)的路徑根據(jù)建筑物的幾何形狀而定，可設(shè)置成圓形或者橢圓形。虛擬相機(jī)的高度需保證可在相機(jī)視角下獲取影像，包含建筑物上下部分完整輪廓，可通過調(diào)整漫游路徑高度、漫游路徑半徑和相機(jī)焦距以滿足上述要求（圖8）。按照預(yù)設(shè)好的漫游路徑進(jìn)行漫游，獲得渲染圖片，并記錄攝像機(jī)的焦距和傳感器尺寸參數(shù)。

將所獲得的漫游影像成果導(dǎo)入到實(shí)景建模軟件，通過空三加密（圖9）、三角網(wǎng)構(gòu)建和自動(dòng)紋理映射生成傾斜攝影模型，并將生成后的模型輸出為DGN格式，作為初始傾斜攝影模型。

使用MicroStation軟件，打開初始的傾斜攝影模型*.dgn文件，將創(chuàng)建的簡化體素模型導(dǎo)入到MicroStation軟件中。參照初始的傾斜攝影模型，通過縮放、旋轉(zhuǎn)、平移將簡化體素模型與初始的傾斜攝影模型位置調(diào)整至重合。模型重合后，將初始的傾斜攝影模型刪除，留下經(jīng)縮放、旋轉(zhuǎn)、平移后的簡化體素模型，調(diào)整位置和尺寸后的模型稱為簡化模型形體，保存模型文件格式為*.dgn。

在后續(xù)為傾斜攝影修模的過程中，傾斜攝影軟件會(huì)對(duì)重新導(dǎo)入的*.dgn文件中的簡化模型形體進(jìn)行紋理的重新投射。為確保模型貼圖不產(chǎn)生錯(cuò)亂，簡化模型形體應(yīng)與初始的傾斜攝影模型中建筑的尺寸和位置重合。因軟件會(huì)對(duì)最終*.dgn文件內(nèi)的模型形體賦予貼圖，簡化模型形體經(jīng)調(diào)整好尺寸和位置后，初始的傾斜攝影模型形體已成為冗余，應(yīng)刪除。

將簡化模型形體導(dǎo)入傾斜攝影軟件中，利用傾斜軟件中已計(jì)算的空三關(guān)系，使用軟件自動(dòng)回滾計(jì)算，獲得最終的簡化貼圖模型。

2 實(shí)例驗(yàn)證

以Bentley平臺(tái)自建的華東院1號(hào)樓BIM模型作為測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過體素化及傾斜攝影建模技術(shù)貼圖后，最終成果如圖10所示。從模型格式、內(nèi)存大小、頂點(diǎn)個(gè)數(shù)、三角面?zhèn)€數(shù)、輕量化后Web端幀率幾個(gè)方面對(duì)比簡化貼圖模型與原始BIM模型，如表1所示。

從表1可以看出，原始BIM模型經(jīng)過簡化處理后，內(nèi)存、頂點(diǎn)個(gè)數(shù)及三角面片數(shù)大幅下降，Web端瀏覽幀率大幅提高，內(nèi)存減小了約98%，頂點(diǎn)個(gè)數(shù)及三角面數(shù)量減小了約98%，輕量化后Web端幀率提升了約2倍。簡化貼圖模型最終的數(shù)據(jù)輸出格式為*.fbx。fbx作為Autodesk公司出品的一款用于跨平臺(tái)的免費(fèi)三維創(chuàng)作與交換格式，數(shù)據(jù)兼容性極強(qiáng)，幾乎能應(yīng)用于所有的三維圖形平臺(tái)。簡化后的貼圖模型不僅數(shù)據(jù)量小、運(yùn)行效率高，而且兼容性極強(qiáng)，對(duì)于大幅提升城市級(jí)CIM應(yīng)用場景數(shù)據(jù)承載量、加載效率、瀏覽幀率具有顯著效果，為海量城市級(jí)BIM模型簡化提供了一種全新的技術(shù)方案，能極大提升城市級(jí)CIM平臺(tái)運(yùn)行效率。

安排人工建模，分別基于體素及傾斜攝影建模技術(shù)和傳統(tǒng)手工建模方式創(chuàng)建華東院1號(hào)樓簡化貼圖模型并計(jì)時(shí)，從創(chuàng)建時(shí)間及自動(dòng)化率上進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。

從表2可以看出，基于體素及傾斜攝影建模技術(shù)的總時(shí)長與傳統(tǒng)手工建模的總時(shí)長相比縮短了100 min，且自動(dòng)化率高達(dá)75%，大大節(jié)省了人力資源成本，為海量城市級(jí)簡化貼圖模型的快速創(chuàng)建提供了一種全新的解決方案。

3 結(jié)論與展望

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本文應(yīng)用的基于體素和傾斜攝影建模的BIM模型簡化方法優(yōu)點(diǎn)和效果如下。

（1） 簡化了BIM模型，可適用于各種格式的建筑三維模型重建工作，不受限于格式和生產(chǎn)平臺(tái)。

（2） 利用體素模型的幾何特征和面朝向特性，刪除重疊面，合并冗余正方形，在不改變模型形體的情況下顯著減少模型形體的面數(shù)量。

（3） 利用傾斜攝影技術(shù)對(duì)比原始模型尺寸稍大的體素模型進(jìn)行貼圖，以“模糊”的貼圖方法（傾斜攝影），匹配“模糊”的體素建模方法（體素建模會(huì)比原始模型稍大），充分發(fā)揮兩種技術(shù)的優(yōu)勢，相較于傳統(tǒng)的三維紋理投射，可顯著減少貼圖錯(cuò)亂，獲得更好的外觀效果。

（4） 本方法中大部分步驟可以由計(jì)算機(jī)判斷自動(dòng)執(zhí)行，減少了人工工作量，為建筑三維模型的自動(dòng)簡化提供了一種新的思路，建模所用時(shí)間短、自動(dòng)化程度高，自動(dòng)化率高達(dá)75%，建模成本低，為海量城市級(jí)簡化貼圖模型高效、自動(dòng)化創(chuàng)建提供了全新的解決方案，大大提升了城市級(jí)CIM平臺(tái)運(yùn)行效率。

本文技術(shù)路線中仍有15%的人工工作量，例如，不同處理流程軟件之間的轉(zhuǎn)換、將“簡化體素模型” 替換為“初始傾斜攝影模型”，并調(diào)整兩個(gè)模型的位置及大小等。未來可繼續(xù)探索不同軟件間的集成和全自動(dòng)化模型替換，實(shí)現(xiàn)整個(gè)流程的全自動(dòng)化。

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（編輯：張 爽）

Simplification method of BIM model based on voxel modeling and oblique photography modeling

CHEN Qi1，HAN Huarui2，WANG Chi1

（1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310000，China； 2.China Communications Information amp; Technology Group Co.，Ltd.，Beijing 101300，China）

Abstract：

In order to improve the simplification efficiency of BIM model，and fundamentally improve the problems of incomplete simplification of model internal components and large number of triangular surfaces caused by traditional BIM model simplification methods，which affect the loading efficiency of WebGL，this paper proposed a simplification method of BIM model based on voxel and tilt photography modeling technology. Utilizing the face oriented feature of voxel model to reduce number of polygon mesh without any destruction，we paint maps for the Voxel shell by the model repairing process in oblique photography. The simplified model generated by this method had a high simplification rate，strong compatibility and high operation efficiency on the Webpage. Compared with the traditional simplified map model manual modeling technology，this method took less time to model while had a high degree of automation，and the automation rate was up to 75%. It can provide a new and automated solution for the simplification of massive city-level BIM models，improve the simplification efficiency of BIM models，and enhance the operation efficiency of city-level CIM platform.

Key words：

voxel； oblique photography； BIM model； model simplification