一种融入bim设计平台的轻量化实景三维模型生产方法
技术领域
本发明涉及智慧城市BIM领域，尤其涉及一种融入BIM设计平台的轻量化实景三维模型生产方法。
背景技术
伴随着智慧城市、孪生城市、大数据、物联网、多测合一等新基建的快速推进，作为空间地理信息框架基础数据的主要来源，建筑信息模型(Building InformationModeling，BIM)与实景三维模型受到业界的广泛关注。
BIM技术与无人机倾斜摄影测量技术作为建筑工程应用中的重要实例技术，在智慧城市、无人驾驶等新型基础建设应用中发挥着重要的作用。在建筑全生命周期各阶段中，BIM技术结合全纹理、全要素的实景三维模型，带来了行业思路的转变，成本的降低以及效率的提高。
在BIM规划设计阶段，常利用项目区域的实景三维模型，为BIM设计提供真实、准确的三维基础数据，通过BIM技术快速完成方案设计与方案比选。但是，受实景三维模型自身特性和BIM设计平台性能的限制，目前实景三维模型还无法深入应用到BIM规划设计阶段。
现有无人机倾斜摄影测量技术与三维建模软件生产实景三维模型，实景三维模型数据量庞大，模型数据存储格式多样，存在漏洞、粘连、悬浮物等畸变，且现有模型修复软件难以实现市政设施的快速、精细化修复。
发明内容
本发明的目的是提供一种融入BIM设计平台的轻量化实景三维模型生产方法，在满足视觉效果与几何精度的前提下，最大限度的压缩实景三维模型的数据量，融入BIM设计平台，辅助正向设计。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种融入BIM设计平台的轻量化实景三维模型生产方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1)对实景三维模型进行轻量化处理；
步骤S2)对轻量化实景三维模型进行综合属性质量评定；
步骤S3)对实景三维模型的市政设施进行精细化修复；
步骤S4)在3D EXPERIENCE设计平台中，融入轻量化实景三维模型。
进一步地，在所述步骤S1中，根据数据格式自身的特点，分别采用QEM轻量化算法、LOD层级方法进行轻量化处理，确定最优轻量化系数。
进一步地，采用QEM算法，对实景三维模型的FBX格式数据进行轻量化处理，采用C++作为编程语言，使用Visual Studio2017作为开发工具，在Windows系统下运行，FBX格式的数据包含模型文件、纹理映射文件、纹理图片的模型格式。
进一步地，所述LOD层级方法包括，根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，技术报告根据OSGB、3MX格式自带字塔级别的特性为切入点，对大场景实景三维模型数据进行逐级削减。
进一步地，在所述步骤S2中，综合属性质量评定包括视觉效果评定和位置精度评定，所述视觉效果评定的内容包括场景效果和表达精细度，所述位置精度评定的内容包括平面坐标值精度和高度值精度。
进一步地，在视觉效果评定通过后，再执行位置精度评定，若综合质量评定未通过，则调整轻量化系数，再次执行步骤S1；
若位置精度评定通过，则进入步骤S3；若位置精度评定未通过，则调整轻量化系数，再次执行步骤S1。
进一步地，在位置精度评定阶段，选取纹理、数据量变化明显的轻量化模型，拾取各检查点的平面坐标，计算点位平面中误差m，
Δ为真误差，即各检查点在不同系数下的坐标值与原始模型坐标值之差，n为检查点个数。
进一步地，在所述步骤S3中，依托BIM设计平台，建立市政设施标准构件模型库，对实景三维模型中发生畸变的市政设施进行精细化修复，在构建市政设施标准构件模型库过程中，将构件库划分为建筑物、水系、交通、境界、地形、地貌、植被、管线、垣栅、独立地物十类要素，并分解为几何特征和纹理特征两部分。
进一步地，在所述步骤S4中，将轻量化实景模型融入BIM设计平台3D EXPERIENCE，在BIM设计平台内进行方案设计、展示、对比、修改，设置多源模型空间坐标系统，将设计模型与实地场景融合。
本发明以BIM建模软件为修复平台，公开了实景三维模型中市政设施精细化修复的方法，以服务BIM设计为核心，以最大限度的整合BIM设计资源为目标，并建立通用的市政设施构件模型库，完成实景三维模型的精细化修复的同时服务于BIM设计。
本发明将模型文件与贴图文件进行合并渲染，贴图文件按贴图信息附着在模型文件上，在3D EXPERIENCE 3D体验平台导入合并处理后的轻量化实景三维模型数据，提高工作效率的同时为设计人员提供外部空间参考，避免了空间规划不合理、模型空间位置信息缺失等问题。
直接在BIM设计平台内进行方案设计、展示、对比、修改，解决了第三方软件进行查看，多平台反复对比修改问题。并通过设置多源模型空间坐标系统，实现设计模型与实地场景融合。
多源模型的融合应用，拓展实景三维模型在BIM设计阶段的应用深度与广度，填补轻量化实景三维模型融入到BIM设计平台的空白。
附图说明
图1为本发明轻量化实景三维模型质量评定工作流程图；
图2为本发明的独立地物构件模型示意图；
图3为本发明的局部道路设施精细化修复示意图；
图4为本发明的轻量化实景模型、高压构件模型与BIM模型组合的示意图
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开一种融入BIM设计平台的轻量化实景三维模型生产方法，包括以下步骤：
步骤S1)对实景三维模型进行轻量化处理；
步骤S2)轻量化实景三维模型综合属性质量评定；
步骤S3)实景三维模型市政设施精细化修复；
步骤S4)在3D EXPERIENCE设计平台中融入轻量化实景三维模型。
进一步地，在所述步骤S1中，实景三维模型轻量化处理包括：以FBX、OSGB通用格式为例，根据数据格式自身的特点，分别采用QEM、LOD层级方法进行轻量化处理，在兼顾纹理效果、位置精度和数据量的前提下，确定最优轻量化系数。
采用QEM算法对实景三维模型进行轻量化处理，采用C++作为编程语言，使用Visual Studio2017作为开发工具，在Windows系统下运行，针对实景三维模型数据中FBX格式，此类数据包含模型文件、纹理映射文件、纹理图片的模型格式。
实景三维模型中的OSGB、S3C格式数据采用LOD层级结构，LOD技术根据物体模型的节点在显示环境中所处的位置和重要度，决定物体渲染的资源分配，降低非重要物体的面数和细节度，从而获得高效率的渲染运算，技术报告根据OSGB、3MX格式自带字塔级别的特性为切入点，对大场景实景三维模型数据进行逐级削减，实现实景三维模型数据轻量化处理的目标。
实施时，轻量化系数具体为，针对使用QEM算法轻量化的实景三维模型数据，在轻量化过程中，三角网格面减少的数量占原始模型数据网格面的比重。
如：初始模型由100000个网格面组成，轻量化处理时，减少了40000片网格面，轻量化系数即为40％。
LOD层级系数具体为，针对LOD层级算法轻量化的实景三维模型，在轻量化过程中，提取LOD层级数据，将轻量化实景三维模型数据中层级系数中的最大数字定义为该轻量化数据的LOD层级。
如：初始模型有LOD15、LOD16…LOD 24十个层级的数据构成，在轻量化处理过程中，提取所有数据的LOD15、LOD16…LOD 20六个层级，最大层级系数为20，就将该轻量化模型定义为层级系数为LOD20。
如果轻量化实景三维模型不能满足视觉效果或几何精度的要求，采用以下方式进行调整，调整好再次进行综合属性质量评定。
1)针对QEM算法时：通过控制减少三角网个面的数量来调整轻量化系数。若减少40000片网格面不能满足要求，则减少20000片，轻量化系数即为20％。
2)针对LOD层级系数时：通过提取模型数据的层级来调整，LOD15、LOD16…LOD 19，最大层级系数为19，就将该轻量化模型定义为层级系数为LOD19，即系数调整为LOD19。
进一步地，在所述步骤S2中，以基于实景三维模型的BIM设计为导向，针对建筑领域工程设计各阶段的不同需求，提供满足设计需要的轻量化实景三维模型。兼顾模型纹理质量与平面位置精度，通过对比试验，分析研究实景三维模型数据轻量化效率，以及轻量化模型成果的质量评定方法。
以服务BIM设计为导向，按照工程不同设计阶段的具体需求，将轻量化实景三维模型质量评定因素进行细化，在设计方案可行性研究阶段，轻量化实景三维模型为设计人员提供地物、地貌参考，将BIM设计方案镶嵌到轻量化实景三维模型上，可以避免空间规划不合理、模型单体无外部参考等问题，主要用于BIM方案的展示、对比和修改；因此将场景效果和表达精细度作为轻量化实景三维模型质量评定的首要因素。
在初步设计、施工设计阶段，要详细设计各类建筑物的细部，可量测的实景三维模型能够为设计人员提供坐标、距离、面积、体积等空间信息，本阶段需要对轻量化实景三维模型的几何位置精度进行质量评定。
根据设计阶段的不同需求，将轻量化模型质量评定因素划分为模型视觉效果评定和位置精度评定两个阶段，从场景效果、表达精细度、平面精度和高程精度4个因素对轻量化处理后的实景三维模型进行质量评定，质量评定因子与方法见表1。
表1质量评定因子与方法
轻量化实景三维模型质量评定主要采用内业人机交互的方法进行检查。在三维模型浏览软件中进行人工检查，参照无人机航拍角度固定浏览视角，同时拉伸到分辨率相符的高度去查看模型的综合属性，并对明显的漏洞、变形、拉花等问题采用缺陷扣分法进行评定，视觉效果评定合格后，在模型上人工选取多个检核点对模型的位置精度进行评定，具体评定流程见图1。
轻量化实景三维模型综合属性质量评定方法具体步骤如下：
步骤S21)定权；
在轻量化实景三维模型还没有统一、正式的质量评价标准和规范参考的情况下，采用主观赋值法设定各质量评定因子的权重，质量评定因子中的场景效果与表达精细度共同反映了轻量化实景三维模型的视觉效果，场景效果注重模型整体的完整性，表达精细度注重地物的分辨率，在设计方案可行性研究阶段更注重区域目标模型整体表达的完整性，故将场景效果权重设定为0.2，表达精细度权重设定为0.1，在初步设计阶段与施工图设计阶段，设计人员对目标区域模型数据的位置精度要求较高，故将平面精度权重设置为0.5，高程精度权重设置为0.2。
轻量化处理会引起实景三维模型几何结构与纹理结构改变，出现漏洞和模型分辨率下降现象，在视觉效果评定中，借助DLG比例尺的概念，以正常图像一英寸包含72像素计算，分别计算1：500、1：1000、1：2000比例尺对应的模型精度，以此来衡量轻量化实景三维模型漏洞的大小以及模型数据分辨率。
平面位置精度值和高程精度值按相应的技术规范或者设计要求划分，质量评定因子分级及扣分细则见表2。
表2质量评定因子分级与扣分标准
表2中各参数具体意义如下：
(1)场景效果通过模型漏洞的程度和数量确定，d为单个漏洞最大直径；
(2)表达精细度以模型最小分辨率为依据，Ma为模型精度，单像素对应的地面距离，数值越小，模型分辨率越高；
(3)M0(x，y)、M0(h)分别为规范或相应技术文件要求的模型产品的平面中误差、高程中误差的绝对值；
(4)M(x，y)、M(h)为模型上检核点的平面中误差、高程中误差的绝对值，计算公式如下：
式中，Δ为真误差，即各检查点在不同LOD层级下的坐标值与实地测量坐标值之差。n为检核点个数。
漏洞直径、漏洞数量、模型精度、检核点空间坐标采用人工方式进行采集，一般情况下t＝1，根据地形起伏，道路、水系、建筑、工业区面积，土壤植被复杂程度，参考1:2000～1:500摄影测量内业划分的困难类别进行调整。
步骤S22)人工检查；
轻量化实景三维模型采用内业人机交互的方式进行检查，在浏览软件中参照无人机航拍角度固定浏览视角，同时拉伸到分辨率相符的高度去检查场景的完整性和地物的精细度。重点检查BIM设计方案所在区域的场景效果和精细度表达方面，如主干道沿街两侧、高层建筑及设计人员指定的重点区域是否存在残缺、破洞、变形等因轻量化处理产生的质量问题。
步骤S23)评定；
质量因子评分方法为，首先将质量因子得分预置为100分，根据要求对相应质量因子中出现的错漏逐个扣分，具体如下，
式中：S1为质量因子得分值；a1、a2、a3、a4、a5分别代表因子中相应的A、B、C、D、E的数量。
不同层级下，取同一区域的分辨率值来代替模型整体的分辨率，Ma的取值唯一，其数量取值为1；不同层级下，模型检查点的M(x，y)、M(h)、M的值唯一，其数量取值均为1。
单位产品质量评分为，采用加权平均法计算产品质量分，S的计算公式为：
式中：S、S1i为产品质量、质量因子得分；Pi为相应质量因子的权重；n为产品中包含的质量因子个数。
产品质量评定：以实施范围为单位产品进行轻量化实景三位模型数据质量评定。质量评定因子得分小于60分即为不合格产品。A类错漏出现为不合格产品。
步骤S24)位置精度检核；
产品质量评定过程中，平面精度与高程精度的质量因子得分采用分别计算的方式，无法准确衡量位置精度。通过M)x，y)、M(h)计算模型位置精度M，并计算M的得分值，判断位置精度M是否合格；
进一步地，在所述步骤S3中，针对大量同类、尺寸标准市政设施的修复，课题在BIM设计平台内构建构件模型库，用于修复标准市政设施畸变。解决了实景三维模型中标准地物无法准确建模的问题，同时为设计人员快速构建BIM提供了基础，达到了模型修复与BIM核心建模软件的无缝连接和功能整合的目的。
依托BIM设计平台，建立市政设施标准构件模型库，对实景三维模型中发生畸变的市政设施进行精细化修复，与此同时，在设计过程中也可以调用标准构件模型库中的构件完成BIM设计，实现一库多用，平台通用，便于后续实景三维模型与BIM融合应用。
在构建市政设施标准构件模型库过程中，为避免构件遗漏，课题参照二维地图的制图要素体系，将构件库划分为建筑物、水系、交通、境界、地形、地貌、植被、管线、垣栅、独立地物等十类要素，并按要素的具体特点将其分解为几何特征和纹理特征两部分。
独立地物模型库用于描述可以抽象为一点的、空间位置独立的事物，如路灯、垃圾桶、邮筒、红绿灯、公告牌等，本发明将其分为市政设施、交通指示和其他独立地物三类。多数独立物具有相同的局部几何轮廓(如房顶，阳台等)，仅是其几何尺寸不同，城市基础设施(如路灯、垃圾箱、红绿灯等)也具有相同的外型。
构建市政设构件模型，BIM设计人员只需进行简单的参数调整便可以直接使用，从而减少建模工作量，提高建模效率，以市政道路设施构件为例，在BIM设计平台内进行几何建模、编辑等操作，如图2所示。
以BIM设计软件3D MAX和Rhino为实景三维模型的修复平台，调整市政设施构件参数，利用标准构件模型对畸变的市政设施进行精细化修复，如图3所示；高压电塔修复见图4。
精细化修复的实景三维模型作为基础数据的重要来源，城市三维模型中大量的地物需要修复，各类井盖、线塔等地物能够为设计人员提供地下、地上管线的属性、几何信息，在方案设计之初可以选择性避让。
进一步地，在所述步骤S4中，在不影响视觉效果与空间几何精度的情况下，将轻量化实景模型融入BIM设计平台3D EXPERIENCE，当轻量化系数为40％时，可以节约30％左右的导入时间。
为了压缩实景三维模型数据导入3D EXPERIENCE平台的时间，在不影响视觉效果与几何精度的前提下，项目将轻量化实景三维模型导入平台。
3D EXPERIENCE无法分别读取模型文件和贴图文件，因此将模型文件与贴图文件进行合并渲染，此时贴图文件按贴图信息附着在模型文件上，在3D EXPERIENCE 3D体验平台导入合并处理后的轻量化实景三维模型数据。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
