基于Cesium查看復雜三維建筑內(nèi)部模型

吳開興 朱朝寧 李莉

摘要：超大、超高型復雜建筑成為現(xiàn)代城市建設的主流形式，由于該類建筑有極其復雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過三維模型可以很好地展示和管理該類建筑，其中準確地定位每一個模型構(gòu)件位置是必不可少的功能之一，由于復雜建筑模型的構(gòu)件數(shù)量高達幾百萬甚至更多，海量空間數(shù)據(jù)集的處理會使瀏覽器發(fā)生卡頓乃至崩潰，其次由于建筑模型中有的構(gòu)件具有不透明性，導致無法查看建筑模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以查看三維模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)需要對模型進行編輯。本文通過Cesium平臺推出的3D Tiles數(shù)據(jù)規(guī)范標準，用以實現(xiàn)在瀏覽器端加載復雜建筑模型的海量空間數(shù)據(jù)集，同時根據(jù)空間坐標轉(zhuǎn)換和空間位置變換規(guī)律，對復雜建筑模型進行模型剖切和相機定位來展示該類建筑模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為復雜建筑的展示和管理提供可行的方案。

關鍵詞：Cesium;3DTiles;復雜建筑;三維模型

中圖分類號：P315.69 文獻標志碼：A

文章編號：1009-3044（2019）32-0208-04

近年來，越來越多的超大、超高型復雜建筑出現(xiàn)在城市中，該類建筑也成為衡量城市現(xiàn)代化的指標之一，但是復雜建筑的管理問題也隨之而來，一旦發(fā)生險情后果無法設想。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，GIS技術(shù)得到了廣泛的普及，復雜建筑的管理問題也因應用GIS技術(shù)而有所緩解。由于GIS技術(shù)普遍停留在二維世界，很多問題依然無法高效地解決，3DGIS技術(shù)應運而生，201 1年，多媒體技術(shù)標準化組織Khronos發(fā)布WebGL標準規(guī)范，瀏覽器端可以不借助任何插件便可提供高質(zhì)量的3D體驗，一些基于WebGL標準規(guī)范的3DGIS前端地圖框架開始出現(xiàn)，Cesium就是眾多優(yōu)秀的地圖框架之一。

Cesium是AGI公司基于JavaScript編寫的地圖框架，有相對全面的2D、2.5D和3D形式的GIS功能，但是應用Cesium在瀏覽器端顯示海量空間數(shù)據(jù)集仍然是個艱巨的任務。因此，該公司在2016年推出3D Tiles數(shù)據(jù)規(guī)范標準，該數(shù)據(jù)規(guī)范標準能夠流式傳輸和海量渲染異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集。同時，Cesium還支持繪制高亮區(qū)域和三維空間模型的數(shù)據(jù)可視化展示等功能，我們可以方便地編輯和查看三維模型信息。

本文會介紹應用Cesium地圖框架在瀏覽器端加載復雜建筑模型的過程，以及根據(jù)Cesium提供的空間坐標變換規(guī)則對復雜建筑模型進行剖切，進而展示建筑模型內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)，為復雜建筑的展示和管理提供一種可行的方案。

1空間數(shù)據(jù)集的制作

1.1AutodeskRevit

根據(jù)英國建筑規(guī)范組NBS發(fā)布的建造技術(shù)報告2019，報告指出建筑行業(yè)內(nèi)的數(shù)字化程度依然很低，隨著越來越多的人開始使用3D模型進行設計傳遞與協(xié)同工作，使用各種工具來檢查模型，并把高質(zhì)量的數(shù)據(jù)添加到模型里，項目數(shù)據(jù)逐漸結(jié)構(gòu)化流程化，這些轉(zhuǎn)變增加了建筑行業(yè)從業(yè)者的信心。根據(jù)對建筑行業(yè)從業(yè)者的采訪，建模軟件使用頻率最高的是Au-todeskRevit。

Autodesk Revit是一種構(gòu)建建筑信息模型（BIM）的應用程序，它結(jié)合了Autodesk Revit Architecture、Autodesk Revit MEP和Autodesk Revit Structure軟件的功能，優(yōu)點包括但不僅限于以下三點：

第一，Revit可以設計出各種規(guī)格的三維組件以及導入或?qū)С鋈S組件的尺寸和體積數(shù)據(jù)，極大地縮短BIM項目的開發(fā)周期以及提供精確的預算方案;第二，Revit能解決多專業(yè)問題，包括遠程協(xié)同工作，云渲染技術(shù)，建筑碰撞分析，建筑受力分析等功能;第三，Revit具有強大的聯(lián)動功能，平面、立面、剖面、明細表等能做到一處修改，處處更新，避免低級錯誤。

由此可見，Autodesk Revit軟件極大地推動了BIM行業(yè)的發(fā)展，可以幫助建筑師設計、建造和維護質(zhì)量更好、能效更高、結(jié)構(gòu)更合理的智慧建筑。

1.23DTiles

Cesium在2016年推出3D Tiles數(shù)據(jù)規(guī)范標準，定位就是在瀏覽器端加載海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)集，并于同年開始了0GC標準化進程，該標準經(jīng)過近幾年的產(chǎn)品升級，在交互性、適應性、靈活性等方面有長足進步，成為瀏覽器端加載大規(guī)模場景常用的數(shù)據(jù)標準之一。3DTiles作為一項開源的數(shù)據(jù)規(guī)范標準，但是生成3DTiles數(shù)據(jù)集的官方方案十分復雜，缺少便捷的生成工具。隨著大數(shù)據(jù)時代的到來，該標準存在的問題逐漸受到了科技公司的重視，CesiumLab、ForgeEngine等軟件和插件相繼出現(xiàn)，極大地方便了從業(yè)者的開發(fā)工作。

3DTiles數(shù)據(jù)規(guī)范標準是在gITF數(shù)據(jù)規(guī)范標準的基礎上建立的，如圖1所示3DTiles規(guī)范標準可分為數(shù)據(jù)層、接口層、邏輯層，三者相互分離，這種設計保證了模塊的獨立性。

數(shù)據(jù)層上的每個文件可以看作一個Tile（切片），Tile可以是表1的任一格式，其中b3dm和i3dm是基于gITF構(gòu)建的，提高了空間數(shù)據(jù)集的兼容性。Tile中還包括特定的二進制塊，包括特征表（FeatureTable）和批處理表（BatchTable），保證了空間數(shù)據(jù)集的完整性，同時還可以提高空間數(shù)據(jù)集的讀寫速度。

邏輯層可以看作一個Tileset（由一系列Tile組成樹狀結(jié)構(gòu)切片集），Tileset以JSON文件形式體現(xiàn)，保證了模型的可擴展性。同時該層還加入了分層LOD（HLOD）技術(shù)，以便最快最佳地渲染空間數(shù)據(jù)，體現(xiàn)了該數(shù)據(jù)標準的高效陛;

在接口層上3DTiles具有訪問器（Accessor）和視圖（view）概念，可以提供模型的類型信息和讀取規(guī)范，保證了接口的兼容性。

結(jié)合上述，Autodesk Revit在制作BIM模型方面具有很多優(yōu)點，因此選擇采用AutodeskRevit制作復雜建筑模型的RVT格式空間數(shù)據(jù)集。由于本文的復雜建筑有海量的空間數(shù)據(jù)集，同時需要對模型進行編輯，鑒于3DTiles數(shù)據(jù)規(guī)范標準在瀏覽器端加載海量空間數(shù)據(jù)的優(yōu)異表現(xiàn)和Cesium在GIS功能方面的完整性，需要使用Autodesk Revit第三方插件將RVT空間數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為3DTiles空間數(shù)據(jù)集。