语义约束的铁路隧道BIM模型轻量化方法

表1  铁路隧道轻量化模型多细节层次划分

4）LOD4。是基于最小功能单元构件来划分的深化 设计后的隧道模型，注重钢筋网片、锚杆与钢架等施工 细节的表达，满足定量分析需求，该尺度下工程都已基 本具备量测的条件，用于给施工单位提供详尽、明细和 直观的铁路隧道三维实体表达。

铁路隧道BIM模型与GIS模型在几何表达上存在较 大差异，BIM模型采用参数化几何描述，包含B-Rep（边 界描述）、CSG（构造实体）和扫描体表达形式，而GIS 场景采用的是三角面片边界描述B-Rep。由于参数化描 述没有多细节层次几何信息，因此参数化几何描述的 BIM模型向三角化几何描述时为了保证几何细节和精度， 使得GIS边界描述模型数据量较大。为了在GIS场景中 高效管理与可视化分析铁路隧道BIM模型，当BIM参数 化表达转为GIS的B-rep表面模型表达时必须进行简化 与几何重构（图1）。

图1  铁路隧道BIM模型多细节层次提取流程

铁路隧道的LOD1-LOD3转换是基于最精细的LOD4 模型进行提取、简化、拟合等操作层层降级完成的 。 首先将铁路隧道BIM进行三角网格化处理，从而得到最 精细层次LOD4；然后根据场景及用户需求进行语义过滤， 移除不必要的隧道实体构件至LOD3层级，参照表1可 知此层级以定性分析为主，保留隧道主体喷射混凝土构 件，利用QEM折叠三角网方法简化隧道管壁，同时附加 混凝土纹理材质信息。在LOD4与LOD3之间可灵活调配 多个过渡层级，利用构件语义信息过滤出用户突出关注 的部件。在LOD3层级的基础上对隧道形体进一步抽象化， 以隧道BIM设计中心线为基准，以隧道掌子面最大宽度 为直径拉伸块体圆柱LOD2。最后对LOD1层级进行符号 化表达，采用三维矢量线条进行符号化表达。

在语义约束下对铁路隧道BIM模型进行分层、提取 和简化处理，针对处理后的铁路隧道各层级模型文件设 计分层数据结构树，依据铁路隧道BIM模型构件的空间 分布特征构建模型层级索引结构（图2）。

图2  铁路隧道多细节层次模型加载示意图

每个模型文 件由两部分构成，一是头文件tileset.json，用于存储 模型位置与精细层级信息；二是content内容文件，用 于存储瓦片中包含的模型几何信息。refine参数表示模 型进一步细化的方式，REPLACE表示用子层级数据替代 父层级，ADD表示保留父层级已加载的模型部分。LOD1 细化到LOD2、LOD2细化到LOD3时采用REPLACE方式， 从LOD3至LOD4采用 ADD 方式，在LOD3隧道主体混凝 土的基础上，对语义过滤出场景所需构件进行叠加。 为每层级设定一个几何误差 geometricError ，存储 在tileset索引文件中，一般取模型包围体的对角线。 同时计算屏幕误差 SSE ，屏幕误差是场景模型加载判 断是否需要进一步精细化的判断依据。屏幕误差 SSE 计 算公式如下：

加载模型瓦片时首先从索引文件中读取模型几何误 差值，然后计算瓦片到屏幕相机的屏幕空间误差，判断 是否达到设定的阈值。关于阈值的设定因为不同隧道的 总长度不同，相同场景下不同的隧道适合可视化的屏幕 空间误差阈值可能会有出入，具体阈值可由实际可视化 效果进行调整。如果已经小于阈值标准则无需继续加载 子瓦片，否则检查模型是否存在子瓦片，如果存在则继 续加载，重复步骤直至屏幕误差小于或等于设定的最大 屏幕误差。为了遵循空间一致性，父节点必须将子节点 包含在内，即父节点屏幕误差大于子节点。