基于體素與傾斜攝影建模的BIM模型簡化方法

摘要：

為提高BIM模型簡化效率，并從根本上改善傳統BIM模型內部構件簡化不徹底、三角面片數較多等影響Web端加載效率的問題，提出了一種基于體素和傾斜攝影建模技術的BIM模型簡化方法。該方法通過將現有BIM模型創建體素模型后，利用體素模型面朝向特性無損減面，顯著簡化模型網格，并使用傾斜攝影修模技術，對獲得的外殼體素模型進行貼圖。研究結果表明：最終生成的簡化貼圖模型簡化率高、兼容性強、Web端運行效率高；與傳統簡化貼圖模型手工建模技術相比，建模所用時間短、自動化程度高，自動化率高達75%。研究成果可為海量城市級BIM模型簡化提供一種全新、自動化的解決方案，提高BIM模型簡化效率，提升城市級CIM平臺運行效率。

關鍵詞：

體素； 傾斜攝影； BIM模型； 模型簡化

中圖法分類號：TU17

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.07.019

文章編號：1006-0081（2024）07-0110-06

0 引 言

隨著BIM和CIM技術的應用與普及，越來越多的工程項目需要進行三維建筑信息模型可視化展示與應用，像城市級CIM項目，需要整合成百上千平方公里的各類建筑BIM模型，有些復雜單體建筑的三角面片數高達千萬級以上，大量精細的BIM模型直接進入WEB端三維場景后，龐大的三角面片數會直接導致模型WEB端加載效率低、延遲、卡頓等，嚴重影響BIM模型可視化效果及應用。但受計算機網絡、軟件技術、計算機性能影響，很難從根本上改善圖形引擎無法承載并快速顯示大體量、精細化BIM模型的現狀。由于城市級大場景對建筑物細節需求不高，因此可通過簡化BIM模型來改善城市CIM場景表達，該方法也是解決當前數據體量困境的一種較有效的手段。

國內外已有眾多學者從優化模型可視化算法、文件格式、數據結構、幾何特征、文件結構、模型渲染等幾個方面對BIM模型三角網簡化方法進行了研究。例如，Seo等［1］利用 Wrap-around 簡化算法，通過細節層次抑制特征的刪除序列，生成所需要的細節層次模型；Lee ［2］通過特征重排正或負，生成合理的、形狀外觀相同的LOD 模型；Song等［3］提出了一種能夠直接得到基于邊界表示模型的一系列細節層次模型的Wrap Around方法；Hoppe［4］通過特征邊和平面區域，利用邊折疊實現模型簡化；孫源等［5］通過幾何簡化算法、渲染優化算法、文件格式優化及數據結構設計4種方法進行模型簡化；張業星等［6］通過抽殼減面實現模型簡化；劉曉彬等［7］通過BIM+GIS技術手段實現多源數據的簡化渲染；陳慶財等［8］通過設計LBSF文件結構和輕量化的數據結構實現復雜BIM模型的流暢加載；張海兵等［9］在Supermap中通過文件數據組織重構及數據壓縮實現BIM簡化；馮雨晴等［10］利用Revit API二次開發技術，將模型進行輕量化壓縮，并導出適用于各大WebGL引擎的GLTF模型文件格式提升模型加載效率；史修府等［11］提出了建立水工建筑物參數化族的合理方法，通過優化參數使BIM構建對象簡化；郭思怡等［12］使用網格模型簡化算法從內外兩方面分別對建筑運維階段信息模型進行輕量化處理；陳科等［13］利用BIM模型幾何特征，通過三角面合并進行輕量化簡化；薛輝［14］提出基于降維思路的實體模型簡化方法；趙維等［15］提出了自適應多線程渲染技術。綜上，已有的研究大部分是對現有BIM模型進行冗余信息刪除或者幾何圖形簡化得到簡化后模型，但簡化后的BIM模型部分仍存在模型破碎，外立面變形、扭曲、可視化效果差，模型內部構件大量保留，三角面片數總量不易控制，Web端加載效率依然不高等各種不可預知的問題。在現有的BIM模型簡化技術條件下，如果無法在不破壞外立面效果的情況下，自動對城市級CIM場景中BIM模型進行簡化，則只能依靠大量人力資源參考原始高精度BIM模型或CAD圖紙手動簡化模型。

基于以上問題，本文創造性為海量城市級BIM模型簡化提供了一種全新的技術方案。該方法在已有BIM模型基礎上，基于體素建模技術方法，提取出BIM模型外殼，利用面朝向特性無損減面，并使用傾斜攝影建模技術對獲得的外殼體素模型進行貼圖，最終生成數據量小、運行效率高、數據兼容性強的簡化貼圖模型，為簡化貼圖模型快速、自動化創建提供了全新的解決方案。

1 關鍵技術研究

1.1 BIM模型體素化建模技術

體素是像素的三維版本，是進行三維創造時的最小單位，以體素為單位進行建模的方式稱為體素建模，因此體素模型是指采用大量規則體素（如立方體）的有序組合來表示三維物體的模型［16-18］。本文將BIM模型體素化（圖1），將生成好的體素模型進行重疊面刪除，并對同向共邊面進行合并，從而生成無貼圖的簡化體素模型。BIM模型體素化建模技術路線如圖2所示。

與傳統BIM模型簡化方式不同，本文所采用的簡化方案是利用體素建模技術模擬出建筑物外殼，生成體素模型（圖3）。基于生成好的體素模型，自動判斷每個體素塊各個方向的面是否與相鄰的體素塊的面存在重疊。若存在，則將兩個立方體重疊的兩個正方形面刪除（圖4），如此循環往復，從而將體素模型內部構件全部刪除，得到僅包含BIM模型外殼的體素模型。相較于原始模型，該模型內部構件和模型體量大大減小。

基于BIM模型得到的外殼體素模型，內部共面的體素面已全部消失，但僅包含外立面的外殼體素模型依然是由眾多單個獨立的體素面構成，這些體素面上包含眾多頂點，每3個頂點便會形成一個三角面，因此，眾多的體素面頂點依然會形成大量的三角面，需要將外部體素面按一定規律進行合并。由于外殼體素模型所有的面朝向僅有6個方向，且每個體素塊的六個朝向規律一致，通過相同朝向判定，選擇所有同方向的面，如圖5所示。以圖中朝前方向的面為例，所有藍色面為被選中面，兩個面如存在共邊，則兩個面合并，共邊和對應的頂點消失，形成面的合集，而多邊形面片數量也顯著減少，從而形成無貼圖的簡化體素模型。

簡化體素模型生成后，由于眾多的面是由正方形合并而來，因此通常會存在大量的N邊多邊形（N≥4），這些多邊形容易在簡化模型生成貼圖模型的過程中產生黑面、閃面等干擾。為了減少干擾，可將簡化體素模型的所有多邊形面進行三角化，將多邊形轉換為更通用的三角網格。圖6為多邊形網格的演化過程。

1.2 BIM模型傾斜攝影建模技術

在三維軟件中，三維模型外觀與貼圖的對應關系可理解為，三維模型網格按照某些邊裁剪開后在平面上展平，通過展平后模型網格面與貼圖的某個區域進行對應，以實現貼圖對模型外立面的效果。按此種原理制作外觀效果的三維模型通常被稱作貼圖模型。模型簡化主要體現為模型網格形體的簡化，即減少模型的三角面數，網格經過簡化后制作的貼圖模型，可稱為簡化貼圖模型。

城市級CIM項目通常比較注重可視化效果，無貼圖的簡化體素模型雖然從三角面片上實現了最簡，但是缺乏貼圖，可視化效果較差。為改善可視化效果，本文利用傾斜攝影建模技術為簡化體素模型進行貼圖，最終得到簡化貼圖模型，視覺效果上最大程度接近設計效果。

傾斜攝影建模是近年來測繪遙感領域發展起來的一項新技術。該技術主要利用無人機或有人飛機對地面建筑物進行航拍，獲取目標建筑多角度的航空影像，通過圖像分析、空中三角測量、三角網構建和自動紋理映射等步驟，實現基于影像的三維模型自動創建，得到與實際外觀效果一致的三維模型。常規的傾斜攝影模型自動創建方法是通過無人機對現實建筑進行實地拍攝，且建模成果往往存在模型形體易錯亂、易出現漂浮物、建筑外觀細節丟失、玻璃面破損、視角盲區模型拉花等問題，且常規傾斜攝影模型的網格復雜，面數多，數據體量大。

針對常規的傾斜攝影模型建模方法的不足，行業內往往采用人工修模的方法進行網格和可視化效果優化。在修模過程中，先使用圖像構建起空間關系，并根據空間關系自動創建一次傾斜攝影模型，使用人工建模的方法，在原模型處建立修復后的模型形體，并刪除自動創建的傾斜攝影模型形體，基于原先構建的空間關系對人工模型進行紋理投射，得到優化后的傾斜攝影模型。因此，傳統的修模流程往往存在人工創建模型形體工作量大、建模效率低、成果統一性差的問題。本方法利用傾斜攝影建模技術對BIM模型進行環繞渲染獲取圖像，使用這些圖像執行傾斜攝影的建模流程，創建初始傾斜攝影模型，并用之前創建好的簡化體素模型代替需要人工創建的模型形體，利用傾斜攝影的修模流程簡化體素模型貼圖，詳細的技術路線如圖7所示。

以原始需要簡化的BIM模型作為目標物體，在傾斜攝影軟件中創建虛擬相機。虛擬相機布設時，應確保漫游得到的影像重疊度在80%以上，相鄰影像之間的最大間隔不能超圖10°。虛擬相機目標對象一般選擇建筑信息模型的中心位置。虛擬相機的路徑根據建筑物的幾何形狀而定，可設置成圓形或者橢圓形。虛擬相機的高度需保證可在相機視角下獲取影像，包含建筑物上下部分完整輪廓，可通過調整漫游路徑高度、漫游路徑半徑和相機焦距以滿足上述要求（圖8）。按照預設好的漫游路徑進行漫游，獲得渲染圖片，并記錄攝像機的焦距和傳感器尺寸參數。

將所獲得的漫游影像成果導入到實景建模軟件，通過空三加密（圖9）、三角網構建和自動紋理映射生成傾斜攝影模型，并將生成后的模型輸出為DGN格式，作為初始傾斜攝影模型。

使用MicroStation軟件，打開初始的傾斜攝影模型*.dgn文件，將創建的簡化體素模型導入到MicroStation軟件中。參照初始的傾斜攝影模型，通過縮放、旋轉、平移將簡化體素模型與初始的傾斜攝影模型位置調整至重合。模型重合后，將初始的傾斜攝影模型刪除，留下經縮放、旋轉、平移后的簡化體素模型，調整位置和尺寸后的模型稱為簡化模型形體，保存模型文件格式為*.dgn。

在后續為傾斜攝影修模的過程中，傾斜攝影軟件會對重新導入的*.dgn文件中的簡化模型形體進行紋理的重新投射。為確保模型貼圖不產生錯亂，簡化模型形體應與初始的傾斜攝影模型中建筑的尺寸和位置重合。因軟件會對最終*.dgn文件內的模型形體賦予貼圖，簡化模型形體經調整好尺寸和位置后，初始的傾斜攝影模型形體已成為冗余，應刪除。

將簡化模型形體導入傾斜攝影軟件中，利用傾斜軟件中已計算的空三關系，使用軟件自動回滾計算，獲得最終的簡化貼圖模型。

2 實例驗證

以Bentley平臺自建的華東院1號樓BIM模型作為測試數據，經過體素化及傾斜攝影建模技術貼圖后，最終成果如圖10所示。從模型格式、內存大小、頂點個數、三角面個數、輕量化后Web端幀率幾個方面對比簡化貼圖模型與原始BIM模型，如表1所示。

從表1可以看出，原始BIM模型經過簡化處理后，內存、頂點個數及三角面片數大幅下降，Web端瀏覽幀率大幅提高，內存減小了約98%，頂點個數及三角面數量減小了約98%，輕量化后Web端幀率提升了約2倍。簡化貼圖模型最終的數據輸出格式為*.fbx。fbx作為Autodesk公司出品的一款用于跨平臺的免費三維創作與交換格式，數據兼容性極強，幾乎能應用于所有的三維圖形平臺。簡化后的貼圖模型不僅數據量小、運行效率高，而且兼容性極強，對于大幅提升城市級CIM應用場景數據承載量、加載效率、瀏覽幀率具有顯著效果，為海量城市級BIM模型簡化提供了一種全新的技術方案，能極大提升城市級CIM平臺運行效率。

安排人工建模，分別基于體素及傾斜攝影建模技術和傳統手工建模方式創建華東院1號樓簡化貼圖模型并計時，從創建時間及自動化率上進行對比，如表2所示。

從表2可以看出，基于體素及傾斜攝影建模技術的總時長與傳統手工建模的總時長相比縮短了100 min，且自動化率高達75%，大大節省了人力資源成本，為海量城市級簡化貼圖模型的快速創建提供了一種全新的解決方案。

3 結論與展望

與現有技術相比，本文應用的基于體素和傾斜攝影建模的BIM模型簡化方法優點和效果如下。

（1） 簡化了BIM模型，可適用于各種格式的建筑三維模型重建工作，不受限于格式和生產平臺。

（2） 利用體素模型的幾何特征和面朝向特性，刪除重疊面，合并冗余正方形，在不改變模型形體的情況下顯著減少模型形體的面數量。

（3） 利用傾斜攝影技術對比原始模型尺寸稍大的體素模型進行貼圖，以“模糊”的貼圖方法（傾斜攝影），匹配“模糊”的體素建模方法（體素建模會比原始模型稍大），充分發揮兩種技術的優勢，相較于傳統的三維紋理投射，可顯著減少貼圖錯亂，獲得更好的外觀效果。

（4） 本方法中大部分步驟可以由計算機判斷自動執行，減少了人工工作量，為建筑三維模型的自動簡化提供了一種新的思路，建模所用時間短、自動化程度高，自動化率高達75%，建模成本低，為海量城市級簡化貼圖模型高效、自動化創建提供了全新的解決方案，大大提升了城市級CIM平臺運行效率。

本文技術路線中仍有15%的人工工作量，例如，不同處理流程軟件之間的轉換、將“簡化體素模型” 替換為“初始傾斜攝影模型”，并調整兩個模型的位置及大小等。未來可繼續探索不同軟件間的集成和全自動化模型替換，實現整個流程的全自動化。

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（編輯：張 爽）

Simplification method of BIM model based on voxel modeling and oblique photography modeling

CHEN Qi1，HAN Huarui2，WANG Chi1

（1.PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 310000，China； 2.China Communications Information amp; Technology Group Co.，Ltd.，Beijing 101300，China）

Abstract：

In order to improve the simplification efficiency of BIM model，and fundamentally improve the problems of incomplete simplification of model internal components and large number of triangular surfaces caused by traditional BIM model simplification methods，which affect the loading efficiency of WebGL，this paper proposed a simplification method of BIM model based on voxel and tilt photography modeling technology. Utilizing the face oriented feature of voxel model to reduce number of polygon mesh without any destruction，we paint maps for the Voxel shell by the model repairing process in oblique photography. The simplified model generated by this method had a high simplification rate，strong compatibility and high operation efficiency on the Webpage. Compared with the traditional simplified map model manual modeling technology，this method took less time to model while had a high degree of automation，and the automation rate was up to 75%. It can provide a new and automated solution for the simplification of massive city-level BIM models，improve the simplification efficiency of BIM models，and enhance the operation efficiency of city-level CIM platform.

Key words：

voxel； oblique photography； BIM model； model simplification