从无到有，构建GIS + BIM大厦

Posted 2022-12-30 fastearth

            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。