廖菊燕

關(guān)鍵詞： 三維一體化 BIM GIS 仿真原型系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1672-3791（2024）01-0018-04

由于數(shù)據(jù)源的限制，3D GIS 創(chuàng)建的3D 場(chǎng)景通常使用抽象的幾何對(duì)象（如點(diǎn)、線、面、體等）來(lái)表示真實(shí)世界。通過(guò)強(qiáng)調(diào)外部和地面空間信息的表達(dá)，可以對(duì)外部和地面環(huán)境的功能和物理空間關(guān)系進(jìn)行宏觀空間分析。然而，由于建筑內(nèi)部缺乏詳細(xì)準(zhǔn)確的空間數(shù)據(jù)，3D GIS 創(chuàng)建的3D 場(chǎng)景將保留在外部，難以模擬和表達(dá)室內(nèi)和地下空間的空間環(huán)境［1］。

近年來(lái)，建筑信息建模（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)發(fā)展迅速。在建筑設(shè)計(jì)和施工的各個(gè)階段，利益相關(guān)方共同努力，完善項(xiàng)目信息，形成建筑項(xiàng)目通用的動(dòng)態(tài)資源庫(kù)，為BIM 項(xiàng)目提供一致的建筑與設(shè)施信息。BIM 模型已成為工程設(shè)計(jì)中精確設(shè)計(jì)和施工的重要數(shù)據(jù)源。三維模型中的空間數(shù)據(jù)是三維GIS 的重要數(shù)據(jù)源，具有信息的準(zhǔn)確性和語(yǔ)義的豐富性。它也是構(gòu)建高精度GIS 內(nèi)部和地下環(huán)境的有效數(shù)據(jù)源。BIM 和GIS 的結(jié)合解決了3D GIS 中內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題，允許從宏觀到微觀、從外部到內(nèi)部、從地面到地下的綜合空間環(huán)境的一體化建模和表達(dá)［2］。

1 原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

本文的目的是通過(guò)開(kāi)發(fā)一個(gè)可視化場(chǎng)景的原型系統(tǒng)和相應(yīng)的分析應(yīng)用程序，探索BIM+GIS 中集成的內(nèi)部和外部3D 場(chǎng)景的構(gòu)建。

（1） 室內(nèi)和室外場(chǎng)景的集成3D 可視化允許從用戶角度進(jìn)行交互式漫游，同時(shí)通過(guò)點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)快速切換到場(chǎng)景。

（2） 場(chǎng)景中的空間單元與相關(guān)屬性信息的實(shí)現(xiàn)有關(guān)。通過(guò)交互實(shí)現(xiàn)建筑的空間查詢和相關(guān)信息查詢，用戶可以在場(chǎng)景中使用鼠標(biāo)自由選擇所需的目標(biāo)，也可以通過(guò)選擇節(jié)點(diǎn)自由組合它們。同時(shí)，還支持對(duì)相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯和修改［3］。

（3） 通過(guò)交互對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行實(shí)時(shí)建模和編輯。即通過(guò)選擇場(chǎng)景位置的參考點(diǎn)（如中心、線、面等）并調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)相應(yīng)的空間單元（如街道、管線等）進(jìn)行參數(shù)建模。同時(shí)，還支持場(chǎng)景地形變化和實(shí)時(shí)傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)。

（4）相關(guān)的分析應(yīng)用程序。通過(guò)將BIM 建筑模型與GIS 場(chǎng)景相結(jié)合，可以反映內(nèi)外部場(chǎng)景之間相對(duì)準(zhǔn)確的空間關(guān)系，并可以對(duì)相應(yīng)空間中的視覺(jué)區(qū)域和緩沖區(qū)域進(jìn)行空間分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外部空間和時(shí)間集成等特定場(chǎng)景相關(guān)應(yīng)用的支持。

本文開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于坐標(biāo)定義、幾何表達(dá)和語(yǔ)義映射的BIM+GIS 集成數(shù)據(jù)模型，并將BIM 模型的參數(shù)構(gòu)建與多分辨率地形和傾斜攝影測(cè)量模型的方法相結(jié)合。通過(guò)使用BIM+GIS 建模設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)內(nèi)外部系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了集成三維建模場(chǎng)景的可視化，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了相關(guān)分析應(yīng)用。

1.2 系統(tǒng)框架

BIM+GIS 是一個(gè)基于OSG 渲染引擎和OSGEarthSDK 的三維可視化平臺(tái)，基于C++語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)。為了簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)管理，提高三維場(chǎng)景渲染的效率，系統(tǒng)使用C/S 架構(gòu)。數(shù)據(jù)通過(guò)服務(wù)器管理，客戶端負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)調(diào)用、計(jì)算和數(shù)據(jù)集成［4］。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

數(shù)據(jù)層包括空間數(shù)據(jù)庫(kù)、地形數(shù)據(jù)、傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和用于管理相關(guān)屬性的數(shù)據(jù)庫(kù)，其中空間數(shù)據(jù)庫(kù)包括BIM 模型?？臻g數(shù)據(jù)庫(kù)和屬性數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和屬性信息的完整映射。

支持層包括3 種關(guān)鍵集成技術(shù)：模型集成、空間數(shù)據(jù)操作和可視化渲染。首先，BIM 模型的集成為空間數(shù)據(jù)的集成與融合提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；其次，構(gòu)建地形、攝影測(cè)量、矢量和空間圖像的多維空間金字塔，與集成BIM-GIS 數(shù)據(jù)模型進(jìn)行融合與集成；最后，使用OS‐GEarth SDK 訪問(wèn)空間金字塔中的瓦片節(jié)點(diǎn)，可以使用OSG 引擎進(jìn)行相應(yīng)的API 設(shè)計(jì)和可視化實(shí)現(xiàn)。

應(yīng)用層主要通過(guò)MFC 應(yīng)用框架實(shí)現(xiàn)4 個(gè)系統(tǒng)應(yīng)用模塊，使可視覺(jué)化交互、信息交互、交互建模及應(yīng)用分析成為可能。

系統(tǒng)各層獨(dú)立，支持層間標(biāo)準(zhǔn)化接口，便于系統(tǒng)維護(hù)和擴(kuò)展。

2 基于傾斜攝影測(cè)量的3D GIS 場(chǎng)景的制作

通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)，可以獲取目標(biāo)區(qū)域的圖像，同時(shí)通過(guò)其他傳感器獲取與飛機(jī)位置相關(guān)的POS信息。

目前，Smart 3D 軟件的主要應(yīng)用是傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)的處理。Smart 3D 是一款可以從視頻和照片中生成真實(shí)三維模型的軟件［5］。整個(gè)場(chǎng)景的設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2 所示。

2.1 三維實(shí)景模型創(chuàng)建

三維實(shí)景模型的創(chuàng)建，主要包括空中三角測(cè)量、基于GPU 的三維場(chǎng)景運(yùn)算、全自動(dòng)紋理匹配。空中三角測(cè)量的基本思想就是根據(jù)影像重疊區(qū)域的像點(diǎn)坐標(biāo)與真實(shí)像控點(diǎn)坐標(biāo)以及影像與真實(shí)地形的關(guān)系來(lái)解算影像的外方位元素和加密點(diǎn)的坐標(biāo)。目前，空中三角測(cè)量已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了流程的高度自動(dòng)化，通過(guò)模式識(shí)別技術(shù)與多視影像匹配技術(shù)來(lái)進(jìn)行傳統(tǒng)作業(yè)中人為進(jìn)行的選點(diǎn)與轉(zhuǎn)點(diǎn)操作，對(duì)像點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)獲取，之后使用區(qū)域網(wǎng)平差程序進(jìn)行解算，最終得出加密點(diǎn)在既定坐標(biāo)系下的空間位置與影像的精確定向參數(shù)［6］。首先對(duì)POS 信息進(jìn)行加密，通過(guò)區(qū)域網(wǎng)平差對(duì)粗差較大的點(diǎn)進(jìn)行刪除或修改，反復(fù)進(jìn)行平差運(yùn)算直到精度達(dá)到要求，最后得出每張圖像的外方位元素?；贕PU 的三維場(chǎng)景運(yùn)算主要是通過(guò)對(duì)空中三角測(cè)量的結(jié)果使用圖像匹配方法，同時(shí)利用GPU 的并行加速對(duì)三維場(chǎng)景進(jìn)行運(yùn)算，從而得到基于真實(shí)影像的超高密度點(diǎn)云的數(shù)字表面模型（Digital Slope Model，DSM）。

逼真的3D 模型創(chuàng)建主要包括空中三角測(cè)量、基于GPU 的3D 場(chǎng)景操作和全自動(dòng)紋理調(diào)整?？罩腥菧y(cè)量即基于真實(shí)圖像的圖像點(diǎn)和控制點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算圖像的外部方向元素和加密點(diǎn)坐標(biāo)，并將圖像連接到真實(shí)地形。利用多圖像匹配技術(shù)代替以往工作中選點(diǎn)和轉(zhuǎn)點(diǎn)手動(dòng)操作，從而實(shí)現(xiàn)圖像點(diǎn)坐標(biāo)的自動(dòng)檢索。加密POS 信息，并刪除或修改區(qū)域網(wǎng)平差中較大的區(qū)域差異，反復(fù)重復(fù)此步驟，直到精度達(dá)到所需水平，最后得出每幅影像的外部方向元素?；贕PU 的三維場(chǎng)景計(jì)算主要使用來(lái)自空中三角測(cè)量結(jié)果的圖像匹配方法，利用GPU 并行加速計(jì)算三維場(chǎng)景，得到了基于真實(shí)圖像的數(shù)字表面模型。

2.2 多分辨率瓦片生成

對(duì)于范圍過(guò)大的三維重建模型，考慮到對(duì)計(jì)算機(jī)內(nèi)存的較高要求，有必要對(duì)其創(chuàng)建一個(gè)多分辨率系統(tǒng)。目前，3D 瓦片分割技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。該模型分為多個(gè)瓦片，可以自由定義3D 場(chǎng)景的顯示區(qū)域，這也有助于深入分析場(chǎng)景的空間過(guò)程。圖3 顯示了使用傾斜攝影測(cè)量構(gòu)建3D 場(chǎng)景的最終效果。

在多個(gè)三維重建模型中，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)多分辨率系統(tǒng)來(lái)滿足計(jì)算機(jī)內(nèi)存的嚴(yán)格要求。目前，三維飛行控制技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。使用多個(gè)瓦片模型，可以自由控制三維場(chǎng)景區(qū)域并簡(jiǎn)化場(chǎng)景的空間分析。

3 BIM和GIS的融合路線

由于BIM 模型中的數(shù)據(jù)量很大，很難在3D 場(chǎng)景中直接顯示。需要做LOD 多級(jí)處理，將空間幾何圖形和屬性轉(zhuǎn)換為高分辨率GIS 數(shù)據(jù)，以集成BIM 和GIS 數(shù)據(jù)處理。在處理BIM 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，還需要將3D 場(chǎng)景與GIS 相結(jié)合，并在3D 場(chǎng)景中進(jìn)行顯示。加載BIM 模型后，必須將其與從地形和側(cè)面攝影測(cè)量中恢復(fù)的3D 模型數(shù)據(jù)合并。由于一些BIM 數(shù)據(jù)提供了參數(shù)數(shù)據(jù)，因此無(wú)法將其作為模型直接導(dǎo)入GIS 平臺(tái)，還需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行建模以形成能夠以3D 顯示的3D 模型。本文提供了BIM 和GIS 之間的合并路徑，如圖4 所示。

4 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)界面

原型系統(tǒng)的界面如圖5 所示，其中，主窗口為三維場(chǎng)景的可視化窗口，其他菜單面板采用按鍵呼出與隱藏的方式，這樣既能夠保持界面的簡(jiǎn)潔，同時(shí)也能夠使用戶將注意力集中到三維場(chǎng)景上。

4.2 交互建模模塊

交互建模模塊主要允許用戶在三維場(chǎng)景中進(jìn)行相關(guān)要素建模，同時(shí)該模塊還支持實(shí)時(shí)對(duì)三維場(chǎng)景的地形與傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)做出修改。系統(tǒng)支持對(duì)場(chǎng)景中地形數(shù)據(jù)的修改，通過(guò)用戶對(duì)需要修改范圍的框選，同時(shí)設(shè)置修改的參數(shù)而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的編輯。圖6 是對(duì)水庫(kù)平面的整平處理的場(chǎng)景編輯圖。

4.3 分析應(yīng)用模塊

分析應(yīng)用模塊主要包括基于三維場(chǎng)景的基本空間分析，以及針對(duì)特定場(chǎng)景的空間規(guī)劃和輸出。測(cè)量功能主要包括坐標(biāo)定位、可視判斷、距離、面積測(cè)量等。坐標(biāo)定位是通過(guò)輸入實(shí)際坐標(biāo)的經(jīng)度、緯度或空間坐標(biāo)，快速定位場(chǎng)景并簡(jiǎn)化目標(biāo)搜索的功能。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著城市的發(fā)展，人們?cè)谑覂?nèi)的時(shí)間越來(lái)越多。無(wú)論是日常生活還是反恐救險(xiǎn)，室內(nèi)都逐漸成為人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所。本文介紹了BIM+GIS 原型建模系統(tǒng)的室內(nèi)外設(shè)計(jì)與應(yīng)用。首先，須進(jìn)行需求分析，主要配置包括數(shù)據(jù)層、支撐層、顯示層、應(yīng)用層的原型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其次，從視覺(jué)交互、信息交互、交互建模、分析和應(yīng)用這4 個(gè)方面介紹系統(tǒng)的功能。最后，使用特定的案例推演復(fù)雜的內(nèi)部和外部任務(wù)。