BIM、GIS集成可视化性能优化技术

BIM是具有丰富且智能建筑信息的数据存储库，使用面向对象的方法来描述每个建筑的特征（语义和几何形状）、行为及其关系。GIS是用于管理和显示空间参考信息的平台，主要优势在于有效地对大规模地理特征建模以及空间分析功能。BIM与GIS在各自领域都具有先进技术和应用程序，随着它们的不断发展，也有越来越多的学者对BIM+GIS集成应用进行了研究。

为了满足不同行业对完整空间信息表达和管理性能的需求，本文在充分考虑BIM与GIS数据本身的复杂度的基础上，从BIM+GIS集成可视化服务的流程出发，将基于多边形减面的BIM生成技术、地图切片缓存策略、BIM+GIS数据集成与分布式存储技术、场景分级调度与裁剪技术、纹理细节层次（Level-of-Detail，LOD）技术、基于图形处理器（Graphics Processing Unit，GPU）与并行架构策略为研究内容，以实现大规模、高精度的建筑和城市信息的高效集成，更好地为智慧城市的信息查询、空间分析提供服务。

1　BIM-GIS集成可视化性能优化关键技术

BIM+GIS集成可视化系统的服务流程顺序包括：数据采集—数据建模—数据导出—数据切片—服务发布—前端渲染—用户使用等，其中本文重点对集成可视化数据生成、切片、存储、渲染方面的性能提升技术进行了研究。

图1　边坍塌效果

Fig.1 Edge collapse effffect

在BIM+GIS集成可视化建模过程中选择更为合适的移动边，能够减少减面后的模型与原模型的差别。同时，使用平滑的方式进行可视化渲染，能够使差别进一步减小。通过多边形减面算法，对BIM数据进行了压缩处理，使高密度的室内BIM模型能够在GIS大场景中进行快速高效的渲染。

1.2 地图切片缓存策略

地图缓存是将一系列不同比例尺下的地图以图片形式提供，某一比例尺下的一张图片被称为切片或瓦片。瓦片地图利用的金字塔模型是一种多分辨率层次模型，该模型中从底层到顶层的分辨率越来越低，但表示的地理范围不变，如图2所示。

图2　不同级别比例尺下的地图切片缓存

Fig.2 Map tile cache at difffferent levels of scales

地图缓存实质上是一组静态图片，是利用更多的空间换取时间来加速地图展示的一种策略。和二维数据一样，如BIM+GIS集成的三维模型数据要想实现海量三维的渲染，也需要生成三维切片缓存。通过三维切片缓存，将三维空间数据转换为面向实时渲染应用且可直接提供给图形应用程序接口（Application Programming Interface，API）的数据形式，不再需要二次转换，这样就可以提高实时渲染效率。

由于三维切片包含几何、纹理、动画、光照等可视化信息，因此，三维切片也需要进行分级分块的切片处理，在横向上进行分区划分，在纵向上建立层次细节模型，所以切片缓存数据也包含这些多层级节点之间的关联信息。图3展示了不同级别三维切片地图的效果。地图缓存技术的使用可以在BIM+GIS集成三维可视化中极大提高地图浏览速度，从而提升用户体验。

图3　不同级别三维切片效果图

Fig.3 3D slice effffect at difffferent levels

图4 BIM+GIS集成管理

Fig.4 BIM+GIS integrated management

1.4 高性能渲染技术

BIM是具有精细化描述的三维数据，而BIM+GIS集成模型的数据规模更庞大，因此，在大规模复杂数据模型下实现快速渲染与绘制是进行高效交互的前提。本文通过引入场景裁剪与分级分页调度技术、纹理LOD技术、基于GPU与并行架构的可视化策略来提高BIM-GIS集成三维模型的渲染效率。

1.4.1 场景裁剪与分级分页调度技术

虽然随着技术的发展，图形处理器的性能越来越好，但是三维虚拟场景的规模也在不断的增大，远远超过图形处理器的处理能力。在BIM+GIS三维场景中，由于建筑物之间相互遮挡和视野范围的限制，场景中只有一部分物体需要加入渲染队列进行处理，因此将场景数据送入渲染队列进行处理之前，应该进行可见性判断，将不需要渲染的实体剔除掉，这样可以减少GPU的负担，提高渲染速度和性能。本文所采用的可见性判断和剔除技术主要有视锥体裁剪、最远最近可见距离裁剪、最小像素裁剪、遮挡裁剪，根据用户不同的需求可以选择合适的场景裁剪方法。

1.4.2 基于纹理LOD的化简

三维场景中LOD包括几何LOD与纹理LOD。几何LOD技术是利用简化后的模型来替换原始模型，以减少需要绘制的面个数。在三维模型离相机较远时，可以利用粗糙的模型进行描述，而在相机逐渐接近时，则需要利用较高细节的模型进行显示。

BIM+GIS集成场景中，由于建筑物的纹理较其几何结构丰富，因此需要采用纹理LOD技术。纹理LOD是指在不同LOD等级显示不同细节的纹理图片，如模型离相机较远时，可以使用纯色来替代纹理图片，而随着距离的接近，需要逐渐使用更高分辨率的图片来描述。如图5所示，建筑数据纹理复杂，几何简单且化简后易出现模型变形失真，比较适合采取纹理LOD技术来提高显示的效率。

图5　纹理LOD

Fig.5 Texture LOD

图6　并行调度流程

Fig.6 Parallel scheduling process

图7展示了三维场景中串行化与并行化渲染的对比效果，其中横坐标代表渲染的三角形个数，纵坐标代表每秒渲染的帧数。从中可以发现对于大规模场景数据，若超过百万三角形个数时，并行渲染帧数是原始串行渲染帧数的一倍左右。并行化三维场景渲染机制的引入，避免了当前串行化可视化过程中出现的停顿问题，可提高大规模三维场景绘制的实时交互能力，大大改善三维可视化的性能。

图7　并行化渲染与串行化渲染对比图

Fig.7 Comparison of serialization and parallel rendering

随着显卡的发展，GPU越来越强大，显存空间也越来越大，而且GPU为显示图像做了优化，在计算上已经超越了通用的CPU。一方面，利用统一计算设备架构（Compute Unified Device Architecture，CUDA）、OpenCL等并行计算技术，基于GPU图形硬件的高效绘制和计算能力，通过对渲染流程的梳理，提高三维数据渲染过程的效率。另一方面，可以通过优化GPU渲染流水线来保证显示的流畅度。GPU的流水线工作机制可以每次渲染大批量的数据，但是准备流水线环境却开销很大，如一次让GPU显示100个点，重复10 000次比一次让GPU显示10 000个点重复100次要慢得多。因此，通过批处理机制，也能有效提升三维数据渲染的性能。

在BIM+GIS集成三维可视化中，利用并行化调度策略和GPU的快速处理能力，在渲染过程中将显示数据直接在显存中存取，能极大地提高数据交换和渲染的效率。

2  BIM-GIS集成可视化实现

图8 BIM可视化

Fig.8 BIM visualization

图9　属性信息查询

Fig.9 Attribute information query

2.2 建筑构建动态模拟

在平台中可以利用BIM数据，对大型建筑的构建过程进行动态可视化，如图10所示，以更直观的视角分析和模拟建筑物建设过程对周边环境造成的变化和影响。

图10　大型建筑建设过程动态模拟

Fig.10 Dynamic simulation of large building construction process

2.3 BIM模型室内漫游

BIM+GIS集成的场景下，利用平台实现室内外无缝的三维漫游，如图11所示，完成从宏观到微观、从室内到室外一体化的规划设计。同时，该功能也可以应用于大型公共场合安全疏散、紧急救援、室内导航等。

图11　建筑室内漫游

Fig.11 Indoor roaming of buildings

2.4 X-ray分析

平台提供X-ray分析功能，如图12所示，该功能可以模拟X射线扫描三维实体的效果，对BIM模型的三维结构做半透明化的展示，方便用户不受遮挡地观察建筑物的结构和细节。

图12 X-ray分析

Fig.12 X-ray analysis

3　结束语