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从无到有,构建GIS + BIM大厦

2019年10月07日 18:00  | 萬仟网IT编程  | 我要评论

            声明:本文是一个系列原创(作者在gis+bim行业已有从业15年有余,还是个行业的小学生,文章内容不免有错误或者不当之处,敬请理解),旨在通过这个系列打造一个高性能,高可扩展的gis+bim框架,抛砖引玉,为国内gis+bim行业贡献绵薄之力。

            对于行业内的人说到gis、bim最先想到是:引擎,是的,没有错,应该说一个好的引擎是核心了,放眼国内,做gis的公司很多,做bim的也很多,但原创却很少,做到行业知名的却是没有,说到gis,不得不提我们的祖师(google earth)简称ge,随着ge的推出,引起了行业的大变革,大家都开始做三维地球,最具名气的应该是open scene graphic,简称 osg,确切的说,它是一款面向地理信息行业的三维引擎,还谈不到gis引擎,在osg的基础上,osgearth算是一个不错的开源三维数字地球,也正因为osgearth开源数字地球的出现,为国内gis产业带来了一次洪流,也可以这么说,国内大部分三维地球都是基于osgearth发展而来。

            然后随着行业应用的不断发展,也正式因为数字化地球的成功,很多以前想都不敢想的事情(数字化三维城市),数字化工程管理,数字化工厂,数字化发电等相继提出概念模型,而这些数字化信息处理,对三维数字化地球提出了更好的要求,需要海量的显示数据,osgearth有些力不从心,我们必须开发新一代三维数字化引擎来适用行业的发展,这也意味着新三维数字化时代到来:gis +bim/pim。

            在这股洪流中国内也出现了很多不错自研bim引擎的公司(笔者接触过很多款,国外的不提了,别人起步早,没有可比性,国内能让我有印象的就两个,一个是深圳鹏锐的bim(速度真快,在一般的显卡下可以加载300万个参数化模型,说行业顶尖不为过),另一个北京达美胜(功能全))。然而都只是bim,或者pim,都缺少地理信息部分,其他的都是基于osg或者unity3d引擎研发的,unity3d面向游戏的,用来做bim/pim确实很不适宜,osg本身对显卡的新特性支持不好,设计上采用了过多的设计模式,对开发不是很友好,或者说一般的开发者是驾驭不了osg的,面对这种囧境:要想重构osg代价太大,so大牛们更愿意自己重写一个全新的引擎,无拘无束,说到这里,会有一部分人说重复造轮子,然后笔者认为任何事物都要经历认知->熟悉->熟练->重复->改进->创新,没有重复的过程,就没有改进和创新(笔者本人就是一个技术宅男)。

            到这里说到重点了,笔者本人也没有摆脱这股洪流的冲击洗礼,依然决定不惜粉身碎骨迎难而上,依然想当那只迎风起飞的猪(虽然当风停下来的时候,摔死的一定是猪),言归正传,先上图,然后在慢慢介绍。

 

 

 

图1

               上图引擎之上构建了bim/pim和gis,相信很多人看到后,会问,这不是一套引擎支撑两套系统吗 ?bim+gis部分呢 ?相信大家更希望看到是这样一副图形:

 

 

 

图2

看到这样一幅图形很多人觉得,这个才是gis + bim ,是的,国内已经有部分公司都实现了图1所架构的部分,图2部分目前还没有看到(也许是因为笔者眼界狭窄,亦或者已经有了,但是还没有公开发布)。图1 到到图2这条道路有几个大坑。

  1. 解决大数据精度问题,gis本身是支持大数据的,但是实时性与精度是存在问题,地理数据采用金字塔模型形式进行存储,大家都知道这样数据结构存储形式解决了海量数据的问题,即按需,按级别加载,根据摄像机的位置动态的加载所需的数据,如下图所示。

 

 

 

图3(gis)金字塔瓦片

 

 

 

图4(gis)金字塔瓦片

 

然后bim数据一般都是比较集中的,对数据要求特别的高,做bim的都知道,一栋楼房每一个细节表达务必要求精准,方便管理,造价,维护,能够做到全生命周期管控。

 

 

 

图5(bim)

 

 

 

图6(pim)

这不是现有gis系统能完成的工作,如果按照gis的管理方法将模型按照gis的方式进行存储,会发现bim/pim数据是不能这么做的。一般一个bim模型或者pim模型由很多个最小单元(模型)组成,我们称为基本体,比如一阀门可以由几十个或者更多基本体组成(多个圆柱,多个圆环,多个长方体,或者多面体),数据量非常的庞大,笔者接触过最大的模型一个pim模型(共计900万+个基本体组成),绝大部分是参数化的。

        笔者也尝试过用lod的方式存储这些数据,用gis的思维方式按需加载,结果是很多业务应用是无解的,下面我们分析下用gis思维方式加载数据我们遇到的问题:

1.   无法做到轻量化

为了降低网络延迟,或者存储空间,数据一般采用参数化的形式存储,比如我们要绘制一个箱子,我们用箱子的参数来描述:类似:box(长,宽,高,材质,位置),如果做lod,那么该如何描述呢,我们唯一能做的,是将参数化数据三角化,即生成用模型(点线面来描述),这样数据量会增加。

2.   数据量巨大

a)       参数化部分,目前大部分gis是不支持,需要在后台增加服务,用来把参数化模型数据三角化,然后在不同的级别做简化模型)。

b)       计算下来,以256万个基本体为例,正常存储需要100m空间,如果做lod,空间至少要4g

3.   更新/发布困难

模型数据不是一成不变的,都是在根据工程的进度或者维护进行实时更新的,那么这就意味着每当数据更新,lod必须重新做一次,而往往我们希望可以浏览不同版本的模型,即要保留历史数据,这样一来,就灾难了,数据会膨胀。

4.   无法完成精确的测量

因为bim业务的特殊性,对模型的测量上由精确的要求,如果我们做了lod,在计算上就会出现误差,这是个硬伤,lod的是无法解决这个问题的。

5.   实时性差

每次时间变更都会从服务器请求大量的模型数据,造成实时性比较差。

6.   编辑要求

一般的业务应用都会存在对模型进行修改的要求(轻量化的)比如对一个阀门的位置进行修改,或者对一个桌子的颜色修改,异或更换一把的门锁。

目前大部分bim不具备这个功能,gis更不用说了,及时具备,gis的离散化数据存储也做不到实时修改存储。

 

 

 

图7(修改前)

 

 

 

图8(修改后)

7.   操作的便利性

从事设计工作的朋友,习惯了二维的坐标下,对模型的编辑,或者三维空间上的操作,但是对于球体上的操作却不适应,首先这里要说明下,设计工作不应该在gis上完成,但是还是由少许的轻量化的编辑要求,设计工作者更加希望在非球体下进行(球体是投影,一个直线也是由曲率的),很不方便,如下图这样视图(也被称作上帝视角)

 

 

 

图9(上帝视角)

 

 

 

图10(上帝视角下编辑)

8.   精度问题

在gis开发,或者bim开发过程中,很多同学都遇到用单精度无法满足计算的要求,基本上在bim中计算都采用双精度方式,然后把一个bim模型放到三维球体上,需要解决到大地坐标问题,为了性能方面的考虑,不得不采用单精度绘制(目前不是所有的显卡支持双精度,同时即便支持双精度)性能由极大的降低。

1       nvidia,双精度计算花费的时间单精度的32倍

2       ati,双精度计算花费的时间单精度的8倍

3       intel,双精度计算花费的时间单精度的4倍

综上,以上种种(只列举了部分),总结:新一代gis+ bim引擎需要具备如下功能特点。

1.   支持参数化模型(海量,入门级别,至少支持100万个参数化模型。

2.   解决数据加载与存储问题

3.   支持轻量化编辑

4.   支持2d/2.5d /3d 地理信息形态切换。

今天就到这里,初次编写,有没有说清除的地方,希望大家指出,共同进步。

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