多源BIM模型在GIS平台的轻量化关键技术研究

贡金鹏 马莹

摘  要：随着BIM技术、GIS技术和信息化技术的不断发展和应用，越来越多的城市开始搭建信息化的数字城市三维可视化平台。数字城市三维可视化平台可以把城市在规划建设过程中产生的多源数据通过信息化的手段进行汇集和管理，将多源数据通过科学、高效、全面的信息管理系统进行统一存储和展示，为城市管理和运营提供全面的数据支撑。本文以数字城市三维可视化平台项目为基础，探索性地研究多源BIM模型通过轻量化处理在GIS平台高质高效进行管理和展示的方法，在此基础上搭建了数字城市三维可视化平台。

关键词：多源BIM模型;轻量化;GIS平台;数字城市三維可视化平台

引言 随着BIM技术的不断推广和应用，在城市规划和设计阶段，政府部门积极推进“多规合一”，实现“一张蓝图干到底”的发展理念。在城市建设过程中，越来越多的政府部门要求设计单位进行BIM设计，施工单位采用BIM施工，将所有的设计和施工数据与三维模型进行关联。城市规划和建设涉及到多个专业领域，不同的专业领域使用的BIM建模软件也不尽相同，如何将这些种类繁杂的BIM模型以统一的形式融入GIS平台进行管理，已经成为数字城市三维可视化平台领域的一个重大难题，受到了越来越多的关注。

1.多源BIM+GIS与数字城市三维可视化平台

1.1多源BIM模型

目前，我国设计和施工单位在城市规划建设中已经探索出较为成熟的技术路线，将规划、设计、施工的各个方面进行细分，形成了较多的专业方向，不同的专业采用各自的BIM设计软件进行设计和施工，如道路交通设计采用Bentley的Open Road，市政建筑设计采用Autodesk的Revit，市政设施设计采用Solidworks或CATIA，景观规划设计采用Sketchup等软件，各个软件设计的BIM模型均以特定结构进行存储，在各个设计单位进行成果交付时，政府部门收集的交付成果种类繁多，最终形成多源BIM模型数据。

1.2 GIS平台

在城市规划和建设阶段，涉及到的区域较为广阔，通常以整个城市或多个城市为基础进行设计和建设，需要实现大范围空间领域的数据融合，GIS平台已经形成较为完整的空间信息管理模式，能够快速定位空间位置，实现整个地球空间范围内的所有位置的快速访问，可以很方便地实现大区域数据承载和展示的功能。GIS平台提供了程序化的自动切割和数据分析功能，在城市规划建设领域可以发挥极大地作用。

1.3数字城市三维可视化平台

数字城市三维可视化平台主要包含数据管理系统、规划综合展示系统、产业服务系统、建设工程管理系统及运维管理系统，通过将多源BIM模型和GIS数据进行整理和建库，搭建完善的数据支撑平台，从而实现对城市规划建设数据的汇集和管理。随着数字城市三维可视化平台的上线运行，城市规划数据陆续进入平台，有利于促进城市规划和建设信息的汇聚和存档，同时也随着数据的完善，可以为城市规划建设提供更加精准和科学的数据参考，为城市的规划建设以及后期运营搭建了一套完备的智能管理平台。

1.4多源BIM+GIS成为数字城市三维可视化平台的重要技术支撑

通过将多源BIM模型与GIS平台进行融合，在城市规划建设领域应用前景广阔，多源BIM模型可以为城市规划和建设管理者提供1：1的模型以及详细的模型信息，通过GIS平台进行定位、加载和展示，管理人员可以利用GIS平台的数据处理和分析功能对BIM模型相关数据进行分类和汇总，从而达到BIM和GIS的深度融合，为数字城市三维可视化平台提供技术支撑。

BIM轻量化主要包括两个主要方面，分别是模型轻量化和数据轻量化，因此在进行轻量化之前，需要做数模分离，将数据与模型以相同的编码进行标注，随后分离到不同的系统中，对模型和数据分别做轻量化处理后进行重新关联，从而提高模型轻量化的效率和效果，防止因为模型的变化而影响到数据的完整性。目前阶段BIM数据由于对系统的运行流畅度影响较小，加载数据方便快捷，一般采用对BIM模型的数据项进行检查和筛选，按照全部数据入库，重要数据入平台做展示的原则进行数据管理和优化，从而提高数据抽取的效率。

2多源BIM模型轻量化方法

本文涉及到的三维建模软件主要包括Sketchup、Revit、Bentley、CAD、Solidworks、3DsMax等，其中主要的模型类型分为总体规划模型、单体建筑设计模型、路网设计模型、管廊设计模型、单体设备模型等内容，这些模型体量庞大，总体模型和资料量达到TB级别。如何对这些三维模型和资料进行轻量化并快速展示成为系统建设的重要内容。本文主要从三个方面对多源BIM模型在GIS平台的展示进行轻量化处理，分别是模型轻量化处理、传输轻量化处理和加载轻量化处理。其中模型轻量化主要解决复杂三维模型在屏幕展示过程中三角面片多导致系统运行卡顿的问题、传输轻量化主要解决大量模型文件通过网络加载传输时间长的问题、加载轻量化主要解决大量物体在加载展示过程中模型加载速度慢的问题。

2.1模型轻量化处理

模型轻量化处理过程中，BIM模型相对较为精细，同时模型的图元ID和属性ID是相互关联的，通常情况下只能对模型的顶点和三角面片进行优化，无法进行图形的合并。因此在模型轻量化过程中，本文主要通过网格聚合的算法进行轻量化。

第一步：将BIM模型输入轻量化中间件中，获取模型的所有顶点、线段和三角面信息。并对三角面信息按照一定的规则进行分类。

第二步：将相似类型的三角面进行分析和处理，根据三角面和模型的集合特征进行相似性判断，对相似性达到一定阈值的三角面片进行聚合。

第三步：对聚合完成后的模型通过QEM算法进行全部边的简化误差计算，同时对相关纹理坐标进行转化处理，根据聚合的结果将原始纹理对应到聚合完成后的图形上。

第四步：根据边线的简化误差计算结果，选择误差最小的边进行半边折叠简化，根据简化后的拓扑关系重新计算简化误差。

第五步：当模型的整体检查率达到设定阈值时，完成简化操作。

通过以上简化操作，可以大幅度减少模型的三角面片数量，同时保证模型的整体形状，从而为模型的加载和展示提供基础。

2.2传输轻量化

多源BIM模型經过模型轻量化处理后，将原始的图元模型转换为网格模型，文件的体积会增大，不利于模型的存储和传输。目前阶段进行网格压缩的方式较多，本文中主要通过模型转换中间件将模型从原始模型转换为平台特有的中间格式进行存储的模型，平台特有的中间格式存储模型将原始模型的点、线、面、材质、节点层次结构、着色器、动画等相关内容转化为方便读取和解析的JSON文件，通过文本压缩技术中在JSON压缩方面较为高效的Brotli算法来实现快速和高压缩比的文件压缩，通过传输轻量化的处理，模型文件一般可以压缩为原始文件的1/10左右，可以压缩为模型轻量化处理后的网格模型文件的1/100左右。

2.3加载轻量化

在模型加载过程中，如果将全部模型同时加载进入内存，会导致浏览器占用内存过大而崩溃的情况，各个模型通过网络传输到前端浏览器服务程序，平台解析模型并将结果加入浏览器缓存中。

通过多重LOD技术对模型进行不同精细度的处理，当视角距离物体在一定距离范围内时，加载相关精度的模型。本文中将模型主要分为5个LOD等级，随着视角与物体距离的不断缩进，平台会自动根据距离关系来加载更小等级的模型。LOD5为不同角度的投影图片，通过判断相机与模型的位置关系来加载不同角度的图片;LOD4等级为模型在上下左右前后六个方向所呈现视图效果在立方体上的投影，将各个角度的视角图片作为立方体每个面的贴图进行展示;LOD3等级为模型的简单轮廓模型，通过提取模型的轮廓，将贴图赋予模型轮廓来查看整体模型效果;LOD2等级为模型的外部详细结构;LOD1为精细模型，可以进入到模型内部查看所有细节。通过LOD动态加载技术，实现不同距离下动态查看不同精细度的模型功能。

通过遮挡剔除技术，可以将一些视角范围内看不到模型进行不加载处理，从而提高系统的运行效率。

3总结

针对多源BIM模型在GIS平台浏览器端的加载和展示过程中的实际需求，本文考虑将BIM模型进行多维度的轻量化处理，通过模型轻量化、传输轻量化和加载轻量化实现高效快速的城市级BIM模型快速加载和浏览，通过实际项目进行方法验证，获得了较好的效果。该方法为数字城市三维可视化平台中城市级BIM模型的快速加载和管理提供了技术支撑，同时也为城市级BIM模型的轻量化处理和加载提供了处理的方法和思路。

参考文献

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作者简介：贡金鹏，出生日期：1992.06;性别：男;学历：硕士;研究方向：三维数字化工厂、智慧城市;工作单位：中冶京城工程技术有限公司

马莹，性别：女;研究方向：智慧城市建设;工作单位：北京新航城智慧生态技术研究院有限责任公司