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(jì)院集團(tuán)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(jì)70年代，是對建筑的物理和功能特性的數(shù)字化表達(dá)，貫穿于建筑從概念、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營維護(hù)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(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，在水立方、上海中心大廈等大型項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用［1，2］。

在建筑設(shè)計(jì)、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(dá)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(qiáng)等［7］進(jìn)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(jìn)行集成統(tǒng)一，形成綜合數(shù)據(jù)處理計(jì)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(xiàn)［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(shí)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(jì)算生成，可真實(shí)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(biāo)準(zhǔn)實(shí)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(xiàng)目為例，介紹BIM與GIS數(shù)據(jù)集成可視化的實(shí)現(xiàn)思路及基于Cesium的實(shí)現(xiàn)方法；進(jìn)一步地介紹BIM與實(shí)景三維模型的動態(tài)卷簾功能實(shí)現(xiàn)思路及效果。

1 集成可視化實(shí)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(jī)構(gòu)和軟件廠商分別定義了各自的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，不同數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)包括RVT、DGN、IFC標(biāo)準(zhǔn)等；實(shí)景三維模型標(biāo)準(zhǔn)包括OSGB、SLPK、S3M標(biāo)準(zhǔn)等。與此同時，需分別對BIM模型和實(shí)景三維模型進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)，渲染時可根據(jù)視錐體范圍和瓦片索引進(jìn)行動態(tài)調(diào)度。因此，加載前需將BIM與實(shí)景三維模型分別轉(zhuǎn)換為Cesium支持的3D-Tiles數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［14-15］。

實(shí)景三維模型由于引入了影像外方位元素、地面控制點(diǎn)，具有絕對坐標(biāo)基準(zhǔn)；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(biāo)往往采用局部坐標(biāo)系表達(dá)。模型疊加可通過手工配準(zhǔn)的方式實(shí)現(xiàn)，而顧及到GIS空間計(jì)算、分析的精度和準(zhǔn)確性需要對BIM模型的位置、姿態(tài)及高程進(jìn)行嚴(yán)密計(jì)算，故需通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的方式將BIM與實(shí)景三維模型的坐標(biāo)基準(zhǔn)進(jìn)行統(tǒng)一。

BIM模型表現(xiàn)的是建筑設(shè)計(jì)方案，實(shí)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(biāo)進(jìn)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(jìn)行處理。

綜上所述，通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一和模型銜接處理，即可將BIM與實(shí)景三維模型進(jìn)行集成展示。本文重點(diǎn)介紹坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一方式、模型銜接處理的實(shí)現(xiàn)思路，而數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一

坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一需通過對BIM的局部坐標(biāo)根據(jù)坐標(biāo)原點(diǎn)所在絕對坐標(biāo)及坐標(biāo)軸指向進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算，轉(zhuǎn)換至地球中心坐標(biāo)系（earth-centered earthfixed，ECEF），流程如圖2所示。

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

首先將局部坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)至ENU（east-north-Up）坐標(biāo)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(biāo)系到地球橢球ECEF坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，最后將ENU坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移，得到ECEF世界坐標(biāo)［16］。

1）局部坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)到ENU坐標(biāo)系。BIM在局部 坐 標(biāo) 系 下 的 坐 標(biāo)(x0，y0，z0)到ENU坐 標(biāo)(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(jì)算ENU到ECEF坐標(biāo)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(biāo)系原點(diǎn)位于橢球面上的大地坐標(biāo)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(diǎn) 的 局 部 坐 標(biāo)；R(εx，εy，εz)為 局 部 坐 標(biāo) 到ENU坐 標(biāo) 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣；(X0，Y0，Z0)和R(B0，L0，0)分 別 為ENU到ECEF坐標(biāo)系下的平移量和旋轉(zhuǎn)矩陣。

本文根據(jù)該項(xiàng)目局部坐標(biāo)系定義參數(shù)，通過Python對以上過程進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)。在可視化時，將計(jì)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(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)變換。實(shí)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(shí)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(xì)的建筑構(gòu)件結(jié)構(gòu)并可針對構(gòu)件進(jìn)行屬性關(guān)聯(lián)。

圖3 BIM與實(shí)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(shí)景三維模型進(jìn)行局部壓平的方式：在WebGL渲染過程中，對銜接區(qū)域的實(shí)景三維模型三角網(wǎng)頂點(diǎn)進(jìn)行降低，將其統(tǒng)一至設(shè)計(jì)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(jìn)行實(shí)現(xiàn)：事先采集疊加區(qū)域多邊形輪廓及目標(biāo)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(biāo)高度以WebGL Uniform屬性的形式傳遞到實(shí)景三維模型中的Vertex Shader（WebGL的頂點(diǎn)渲染腳本）中，通過判斷實(shí)景三維模型頂點(diǎn)坐標(biāo)是否落在Texture灰度為1的區(qū)域內(nèi)，進(jìn)而將落在壓平區(qū)域內(nèi)的頂點(diǎn)高度進(jìn)行降低。

局部壓平的實(shí)現(xiàn)效果如圖5所示，對隧道口外的山體進(jìn)行壓平，即可直觀表現(xiàn)隧道開挖后的實(shí)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(shí)景三維模型的顯示進(jìn)行控制：對視圖進(jìn)行左右分屏，在左屏中展示BIM與實(shí)景三維模型疊加效果、右屏中展示未疊加BIM的實(shí)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(jìn)行調(diào)整。

動態(tài)卷簾的實(shí)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(diǎn)壓平的方式來實(shí)現(xiàn)：首先，將分屏UI組件所在位置的屏幕坐標(biāo)換算到WebGL坐標(biāo)系下，并分別傳遞給BIM和實(shí)景三維模型的Vertex Shader，屏幕坐標(biāo)系和WebGL坐標(biāo)系之間關(guān)系見文獻(xiàn)［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(diǎn)gl_Position的水平坐標(biāo)和分屏參數(shù)，如水平坐標(biāo)大于分屏參數(shù)，通過Discard命令取消Fragment渲染；最后，重寫頂點(diǎn)壓平后的實(shí)景三維Vertex Shader，比較處于壓平區(qū)域內(nèi)頂點(diǎn)的gl_Position水平坐標(biāo)和分屏參數(shù)，如水平坐標(biāo)小于分屏參數(shù)，則執(zhí)行頂點(diǎn)壓平，反之則不執(zhí)行。動態(tài)卷簾的實(shí)現(xiàn)效果如圖6所示，其中左側(cè)為BIM模型疊加在實(shí)景三維模型上的效果；右側(cè)為原始實(shí)景三維模型，分屏比例可拖動調(diào)整。

圖6 卷簾切換實(shí)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(jìn)行更加全面的數(shù)字化還原，對規(guī)劃設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shí)景三維模型集成中的坐標(biāo)基準(zhǔn)統(tǒng)一、模型銜接處理等實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行介紹；介紹了用于對BIM與實(shí)景三維模型直觀對比的動態(tài)卷簾實(shí)現(xiàn)方法。通過對BIM與GIS進(jìn)行集成可視化，后續(xù)可實(shí)現(xiàn)更加高級的空間分析功能，進(jìn)而為建筑設(shè)計(jì)、路橋施工、城市規(guī)劃乃至CIM的建設(shè)提供平臺支撐。