［关键词］BIM+GIS； 模型服务发布； 地理位置纠偏； 行政区划
中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
作者简介：程晓鑫，研究生，硕士，工程师， Email:cheng_xx@ecidi.com。
The BIM positioning correction method based on administrative area upload model
Abstract: With the deep integration of BIM + GIS technology, the spatial positioning and spatial relationship of BIM models has become a research hotspot in the field of construction project management. This paper proposes a BIM positioning correction method based on the administrative area upload model. According to the real geographic location of the BIM project, the user uploads the BIM model by selecting the administrative area and makes a pre-judgment of the positioning with the boundary area of the administrative area, then slices and reconstructs BIM model, finally corrects the position of BIM model. This method is used to correct the position of BIM during the process of publishing 3D services. It can solve the problem of the position deviation of BIM data in web page upload, reduce the probability of generating incorrect cache due to incorrect coordinate information, and improve BIM data online Upload efficiency.
Keywords: BIM + GIS; model service release; geographic correction; administrative division
0 概述
随着互联网的快速发展，HTML 5和WebGL技术极大地促进了BIM三维可视化的发展，颠覆了工程数字化行业的业务模式，由传统的工程项目管理逐渐转变为基于BIM（Building Information Modeling）技术的安全、进度、质量的数字化工程项目协同管理[1]。HTML 5技术为BIM项目管理技术提供了一个各浏览器无缝链接、交互功能更强的开发环境，WebGL技术为BIM模型的客户端呈现提供了一种更丰富、更轻便、独立的、免插件的三维表达方式。WebGL是基于OpenGL ES（OpenGL for Embedded Systems）2.0的JavaScript绑定，通过前端HTML 5的Canvas元素实现三维复杂场景与模型的创建[2]。聂帅使用WebGL封装的3D库Three.js快速在浏览器端重构三维模型，并添加动画渲染效果[3]。王星捷提出了一种基于WebGL三维场景的地理坐标转换算法，将模型的WGS84地理坐标成功转换为WebGL场景坐标，搭建起三维WebGIS平台[4]。以上研究仅限于BIM三维展示，适用于单一模型、项目级的BIM工程管理系统。由于前人研究采用的BIM数据缺少空间信息，无法描述多个BIM模型间的空间定位和空间关系。为了满足多模型、企业级的BIM工程管理需求，BIM+GIS技术应运而生，借助GIS技术，可以将影像地图、倾斜摄影数据等作为真实地理环境的基础数据，通过叠加显示多个BIM模型，建立“数字地球”三维工程场景，从而实现基于GIS的多项目BIM工程协同管理平台建设。
本文提出一种基于行政区域模型上传的BIM定位纠偏方法，通过点选行政区域上传BIM模型，并判断模型中心点与行政区域边界的拓扑关系，然后进行BIM模型切片、数据发布以及前端调用，实现了BIM模型定位预判，减少用户试错操作，同时提出点选地图坐标点并修改模型中心点坐标的方法，实现对BIM模型的地理位置纠偏。
1 方法与原理
1.1 技术路线
本文研究了一种基于行政区域上传的BIM地理位置纠偏方法，该方法应用于BIM发布三维服务的过程中对BIM进行位置纠偏，其技术方案如图1所示，实施步骤为：1）根据BIM应发布的地理位置，点击选择行政区域，然后将BIM上传到服务器端，并选择正确的投影坐标系和地理坐标系，经坐标系重设和投影转换后，将BIM由平面坐标转换为地理坐标；2）服务器在数据库中查询点选的行政区域的边界范围的坐标极值，判断BIM中心点坐标是否在边界范围内，若BIM中心点坐标在选择的行政区域范围内，则将BIM生成瓦片文件并在前端调用显示；若BIM中心点坐标不在选择的行政区域范围内，则告知用户BIM位置信息不正确；3）由用户判断是否需要继续生成BIM的瓦片文件，若继续，服务器将BIM生成瓦片文件并在前端调用显示，并提示用户在地图上点击需要放置BIM的正确地理位置，获取点选位置的经纬度坐标，使用获取的经纬度坐标修改瓦片索引文件中模型中心点的X、Y坐标值，并刷新页面，从服务器下载具有正确地理坐标的BIM瓦片索引文件；若终止，则建议用户在专业建模软件中修改BIM中心点位置或选择正确的坐标系统。
本研究可解决BIM数据在网页端上传中位置偏移问题，并降低因模型中心点位置信息不正确或坐标系信息不正确而导致生成错误瓦片索引文件的概率，提高了BIM数据在线上传的效率。
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图1 技术路线图
1.2 BIM模型定位预判
BIM建模一般是基于CAD设计图纸进行，因此原始的BIM模型缺少投影坐标系信息，模型的坐标系与设计图纸一致，属于平面坐标系统，坐标原点为(0, 0)，常以米为度量单位[5]。BIM模型建好后，若需要将BIM在前端浏览器加载出来，并使其具有正确的地理位置，就需要将模型的平面坐标系转换为地理坐标系，并将BIM模型转化为瓦片文件，此过程称为BIM模型切片。模型切片过程需要服务器具有优越的图形处理能力，对服务器的压力较大。并且根据模型文件的容量大小不同，模型切片耗时一般在数分钟到数十个小时之间，不适合数据发布后进行试错操作，影响用户体验。
因此本文提出BIM模型位置预判的策略，将BIM模型定位判断的试错操作前置到模型切片之前，通过比较点选行政区域的区间范围与模型中心点坐标，实现BIM模型位置预判。如图2所示，在浏览器端选择行政区后，上传BIM模型数据，设定投影坐标系和地理坐标系，在服务器端进行投影转换和定位预判。.png)
图2 基于行政区域的模型上传界面
在本研究中，行政区选择器使用的是Echarts行政区划矢量数据资源，行政区的坐标数据使用的是天地图的行政区划API。用户点击BIM项目实际存在的行政区域，服务器通过单击事件获取到行政区名称，再通过选中的行政区名称调取天地图行政区划API，并从返回结果中获取到行政区边界的西边经度、东边经度、南边维度、北边维度，变量名分别记为lotMinD、lotMaxD、latMinD、LatMaxD。
当单个或多个BIM上传到服务器后，使用Cesium中封装Dataset的getBounds()方法，获取模型边界的经纬度范围，包括西边经度、东边经度、南边维度、北边维度，对象方法为rect.getLeft( )、rect.getRight( )、rect.getBottom( )、rect.getTop( )，并计算模型或模型集群的中心点坐标(X, Y)，计算公式为：
X=; （1）.png)
Y = ;（2）
通过以上公式获取单个模型或模型集群的中心点坐标，其中k_i表示第i个模型对象，n表示模型集群中包含的模型个数，多个模型上传时可先计算单个模型的中心点，再汇总计算模型集群的中心点坐标。
判定模型中心点位置是否在预选的行政区划范围内时，使用条件函数进行判断，判断逻辑为：lotMinD ≤ X ≤ lotMaxD；latMinD ≤ Y ≤ latMaxD。当同时满足以上两个条件时，表明模型位置正确，可进行BIM模型切片处理。
1.3 BIM模型切片与重构
BIM模型在浏览器端的重构是模型可视化的核心[6]，模型切片处理是BIM模型重构的基础。模型切片处理指的是将大数量三维数据以分块，分层的形式存储起来，再传输到浏览器端，通过分块、分层的形式渲染，最终将完整的三维数据展示给用户，极大地减轻浏览器和GPU的负担。随着HTML 5诞生以来，基于浏览器端的BIM模型重构逐渐受到重视。HTML5.1新增了Canvas画板，通过WebGL，允许浏览器直接在画板上绘制矢量图形，搭建Cesium场景，加载具有地理坐标的BIM模型。Cesium是在Javascript标准上研发的WebGL三维地图引擎，它支持三维BIM模型和倾斜摄影等数据的显示。开发人员通过Cesium.Cesium3DTileset接口访问BIM切片索引文件的url地址，再将BIM瓦片在浏览器端渲染出来即可。3D Tiles作为主流的三维切片缓存文件，是cesium小组AnalyticlGraphics于2016年3月定义的一种数据集，它由一系列分层数据结构的tile格式和JSON数据组成，tile用来传递渲染的内容，JSON数据可以认为是每组三维数据的元数据。JSON数据是解读3dtiles数据集的执行入口，以分块，分层的方式链接到大数据量的三维瓦片数据，可以极大地减轻浏览器和GPU的负担。
目前国内支持三维WebGIS的成熟产品较少，其中超图的SuperMap系列产品和的中地数码的MapGIS系列产品的发展势头较好。以超图的SuperMap iObjects Java为例，使用已封装好的OSGBCacheBuilder三维切片缓存生成类，通过调用build( )方法将BIM模型生成三维切片缓存，然后将缓存文件发布为三维服务，并通过Scene.addS3MTilesLayerByScp( )的方式将发布的三维服务添加到场景中。
1.4 BIM模型地理定位纠偏
BIM建模的原始坐标系均参照CAD设计图纸，CAD设计图纸是基于地方测绘图纸设计的，这表明原始的BIM模型的坐标系统应与测绘图纸的坐标系统保持一致。但是地方测绘图纸多数采用的是地方坐标系，其坐标系参数与国家坐标系不一致，地方坐标系是局部地区建立平面控制网时的一种相对独立的平面直角坐标系，在整合BIM数据与地图资源时，需要与国家坐标系进行相互转换。在实际工作中，BIM建模与测绘过程脱节，而CAD设计人员由于缺乏基本的GIS知识，未能获取地方坐标系参数，无法进行坐标系转换，这也导致BIM模型的发布无法与GIS信息挂接，BIM模型的定位与真实位置不符。
为了解决地方坐标系参数丢失的问题，补救基于浏览器端BIM模型重构的错误定位，采用点击地图获取选点经纬度坐标并修改3D tiles数据集JSON文件的方法，实现BIM模型重构后的定位纠偏。JSON文件是3D Tiles数据集使用一个主要的tile set JSON文件，作为定义tile set的入口，开发人员可以使用获取的经纬度坐标修改3D tiles数据集JSON文件中模型中心点(X , Y)。修改后的JSON文件需要重新从服务器端获取，并刷新浏览器当前页面才可以显示出BIM模型重构后的纠偏定位。
2 测试实验
本文以Chrome和Firefox浏览器作为校检工具，验证基于行政区域的BIM地理位置纠偏方法，测试实验分为单个BIM模型测试和多个BIM模型集群测试。
其中单个BIM测试数据如图3.a所示，为DGN模型，原始坐标系为成都地方坐标系，经投影重设(EPSG Code 4544)和坐标转换(EPSG Code 4490)，坐标系转换为China 2000地理坐标系，模型定位正确，模型切片并加载到浏览器端，经模型重构后加载效果如图3.b所示。
多个BIM模型集群测试如图3.c所示， BIM均为FBX格式，原始坐标系为深圳地方坐标系，但建模过程中丢失坐标系参数，经投影重设(EPSG Code 4547)和坐标转换(EPSG Code 4490)，模型坐标系转换为China 2000地理坐标系，经与广东省行政区矢量边界坐标比较，判定为模型定位错误；继续进行模型切片操作，模型加载后定位错误，使用点选修改切片缓存的索引文件后，刷新页面，模型定位已被修正，如图3.d所示。
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图3 测试数据及模型纠偏成果图
3 结语
随着WebGL的不断发展，将BIM技术与GIS技术结合的研究将吸引更多工程数字化项目的关注，BIM建筑信息模型的可视化技术的发展方3向也将逐渐与三维WebGIS的发展方向趋于一致。通过基于浏览器端的BIM模型的定位预判、模型重构、位置纠偏等功能，BIM模型可视化技术将更好地支撑大体量、多区域的BIM项目。施工方、建设方、监理方将通过Web页面了解模型的定位信息、空间关系等，为工程项目全生命周期的BIM模型展示提供一种科学合理的定位纠偏方法，有助于信息交流，提升项目经济效益。
参 考 文 献
[1].曹芳.BIM协同管理平台应用现状与趋势研究[J].河南科技,2019(19):103-105.
[2].任宏康,祝若鑫,李风光,王新量.基于Three.js的真实三维地形可视化设计与实现[J].测绘与空间地理信息,2015,38(10):51-54.
[3].聂帅,秦爽,麦文.基于WebGL技术三维模型呈现研究[J].计算机产品与流通,2019(07):87-89.
[4].王星捷,卫守林.WebGL技术的三维WebGIS平台研究与应用[J].遥感信息,2019,34(03):134-138.
[5].刘英城,岳川,梁景智.一种BIM模型与三维场景地理位置匹配方法的研究与应用[J].中国高新科技,2019(06):47-50.
[6].朱海林,陈登峰,王帅举.基于WebGL的BIM模型三维可视化技术研究[J].科技风,2019(31):123.
论文作者:程晓鑫1,2，吴凡1,2，俞富尧2
论文发表刊物:《科学与技术》2019年19期
论文发表时间:2020/4/29
标签：模型论文; 坐标系论文; 坐标论文; 中心点论文; 行政区域论文; 数据论文; 切片论文; 《科学与技术》2019年19期论文;