MicroStation三维模型导出ArcGIS SLPK格式探讨

金波

摘要：Bentley公司基于MicroStation平台的系列软件能进行多专业、多行业三维建模，但其模型不能直接的导出到ArcGIS平台中使用。SceneLayer Package（SLPK）是ArcGIS支持的基于OGC I3S规范的国际三维标准格式，通过研究SLPK格式和MicroStation三维模型，基于MicroStation进行MDL二次开发，实现了在MicroStation中三维模型直接导出成SLPK格式，以便在GIS平台中更好的应用和展示BIM模型。

关键词：MicroStation；SLPK；ArcGIS Pro；MDL二次开发；BIM+GIS

1 引言

MicroStation是一款工程领域常用的二维、三维一体化计算机辅助设计软件，Bentley公司基于MicroStation研发了一系列软件用于土木、工厂、建筑和地理信息行业，可用于创建各个专业和行业的三维模型，并附加属性信息，提供了一套广泛应用的BIM解决方案。另外MicroStation提供了SDK，用于用户二次开发以实现更多的功能。

为了更好地将BIM三维模型与GIS结合起来，ESRI公司发起了I3S规范；该规范被开放地理空间联盟（OGC）采納为新的国际三维标准。基于I3S规范ESRI提出了三维数据格式SLPK（场景图层包）。SLPK格式能够在ESRI公司的ArcGIS Pro以及ArcGIS online中使用，发布为服务后可用ArcGIS API for JavaScript调用应用于Web。

MicroStation三维模型目前不支持直接导出SLPK格式供ArcGIS使用，通过研究SLPK格式和MicroStation模型，基于MicroStation MDL二次开发，实现了在 MicroStation中将模型直接导出为SLPK格式；同时为了更方便地在GIS系统中使用SLPK，在导出时添加了坐标系转换的功能，可以将模型导出为经纬度坐标或者Web墨卡托坐标等。其转换流程如图1所示。

2 MicroStation三维模型简介

在MicroStation中，元素种类很多，主要分为线、面和体几类。三维模型通常属于体，极少数属于网格面。三维模型常见的元素种类见表1。

针对不同类型的三维模型，需要进行不同类型的处理。在程序中，首先需要判断三维模型的类型，主要用到的函数包括mdlElement_getType（）、mdlTFElmdscr_ getApplicationType（）和mdlKISolid_isSolidElement（）等。

mdlElement_getType（）可用于判断三维模型是否是网格或实体。

mdlKISolid_isSolidElement（）可用于判断三维模型是否是实体或智能实体。

mdlTFElmdscr_getApplicationType（）可用于判断三维模型是否属于建筑模型单元或者复合单元。

3 模型面三角形化

三维模型几何信息由若干个面组成，MicroStation中三维模型可能包含曲面、含圆弧的面或者多边形面，但是在SLPK格式中，三维模型目前只支持三角形面，因此需要将MicroStation中三维模型进行三角形化，这样就能满足SLPK的要求。针对不同类型的三维模型需要进行不同的处理。

（1）网格三角形化：网格可能全部由三角形面组成，也可能包含四边形面或多边形面，可以使用mdlMesh_ copyTriangulated（）函数将网格复制并三角形化，得到的新网格中只包含三角形面。接着使用mdlMesh_ getPolyfaceArrays（）函数即可获得网格各个三角形面的顶点坐标。图2中左边为原始网格，右边为三角形化的网格。

（2）单元、实体和智能实体三角形化：单元、实体和智能实体都只包含单个的体，首先使用mdlKISolid_ elementToBody2（）函数将元素转换成内部KISolid，再使用mdlKISolid_facetBody（）函数进行三角形化。将含曲线和圆弧的面转换成三角形面会有精度丢失，主要依据弦公差和角度公差两个参数来保证精度。图3中展示的是转换前后的变化。

（3）复合单元：复合单元由多个单元或智能实体组成，应使用mdlKISolid_elementToBodyList（）来将元素转换成多个KISolid，对于每个KISolid使用单元、实体和智能实体的方法来进行三角形化，最后把三角形化的面合并起来存储即可。图4中左边的窗户包含6个部分，右边是三角形化之后的效果。

在完成三角形化的同时，也获得了模型在当前坐标系的顶点坐标。

4 坐标转换、法线计算

SLPK的主要使用场合是Web，WebGIS系统常用的坐标系是网络墨卡托坐标系（EPSG：3 857）和WGS84经纬度坐标系（EPSG：4 326），而MicroStation建模结合地形模型总装后的坐标系通常为Beijing54、Xian80或CGCS2000的三度分带投影坐标系，因此在模型输出成SLPK格式时提供坐标系转换功能很有必要。

基于GDAL和Proj.4开源库，根据源坐标系和目标坐标系的EPSG代码，实现对坐标进行批量转换。

当不涉及到网络墨卡托坐标系时，主要代码如下：bool coordTranform（int count，int srcEpsg，int destEpsg，double* px，double* py）

當输入坐标系和输出坐标系椭球不一样时，通常坐标转换需要七参数或四参数等才能精确转换，否则转换结果平面误差可达数十米甚至上百米。但在实际试验中发现，proj.4和GDAL中已内置了相关转换参数，不同椭球的坐标转换后的结果精度较高，与网络地图套和较好，故可直接使用。假如出现了偏差较大的情况，只需对模型进行相应的移动即可。

除了顶点坐标外，三维模型的显示和渲染还需要每个面的法线向量，法线的计算方式为向量叉乘。如一个三角形面三个顶点依次分别为P1、P2和P3，则这个面的法线为，一般还需要进行归一化使法线向量的模为1。在计算法线时需要注意，经纬度坐标不能直接拿来进行法线的计算，如果输出坐标系是WGS84经纬度，则应先计算法线，再进行坐标转换。

5 模型属性提取

BIM模型除了几何信息之外属性信息也非常重要，基于MicroStation的建筑建模相关软件的SDK中提供了一些提取属性信息的方法。

首先设计了相应数据结构来存储属性，如下：

（1）面积：模型的表面积，类型为双精度浮点数，直接使用mdlMeasure_AreaProperties（）函数获得。

（2）体积：模型的体积，类型为双精度浮点数，直接使用mdlMeasure_volumeProperties（）函数获得。

（3）位置：模型的中心坐标，因为有三个浮点数（X，Y，Z），简化使用字符串来存储，从MicroStation元素的元素头中range变量中能获取模型坐标值的最大值和最小值，取其平均数即为近似的模型中心坐标。

（4）图层：模型所在的图层名称，使用mdlElement_ getProperties（）函数可获得图层ID，再使用mdlLevel_ getName（）函数即可获得图层名称，类型为字符串。

（5）颜色：模型顶点颜色，类型为字符串，在MicroStation中一个元素只能有一种颜色，使用mdlElement_getSymbology（）函数获取颜色索引号，如果获得的索引号是“按层”，则需要根据图层ID获得颜色索引号，即使用mdlLevel_getElementColor（）函数。得到颜色索引号后，通过调色板来查询索引号对应的颜色RGB值，用到的函数是mdlColorPal_getColorDescr（）和mdlColorDescr_ getRgb（），最后将RGB值转成字符串。

（6）类别和样式：类别和样式是MicroStation建筑模型最重要的属性之一，类型为字符串，涵盖模型材料、图样、工程量、渲染特性、切图和结构分析等一系列属性的定义，知道了样式名称，即可在库中查询到该样式的这些属性，如砖外墙的类别为“Wall_Ext”，样式为“Brick wall”。使用mdlTFPartRef_getPart（）函数获得样式，再使用mdlTFPartRef_getPartName（）函数和mdlTFPartRef_ getPartFamilyName（）函数即可分别获得样式和类别。

（7）材质：建筑模型的材质定义了模型的纹理和贴图信息，从样式定义中能获取到材质信息的定义，如“Concrete_3”表示贴图为混凝土。

除了这些属性，还能够根据不同专业和行业来获取所需的属性，但是具体需要配置各专业的工作环境和约定相应的标准，目前还未深入研究。

6 输出SLPK

完成了上述处理后，即可开始创建SLPK格式的场景图层包了。

（1）格式简介：SLPK文件是由一系列JSON文件和二进制文件按照严格的文件组织再打包成ZIP格式的压缩包，其主要文件夹结构如图5所示。

根目录下有metaData.json、3DSceneLayer.json两个文件和nodes文件夹；nodes文件夹中存储有各个节点文件夹；root文件夹下存储的是根节点信息，只有一个文件3dNodeIndexDocument.json；其他每个节点文件夹下可存储模型的一个部分，每部分的属性可以不同，包括3dNodeIndexDocument.json文件和若干个子文件夹（attributes，features，geometries和shared文件夹）；attirbutes文件夹下存储的是各个属性的值；features文件夹下有0.json文件；geometries文件夹下存储的是0.bin文件，以二进制格式存储顶点坐标、法线坐标、纹理坐标和顶点颜色值；shared文件夹中存储的是sharedResource.json，主要存储纹理贴图信息；如果存在纹理贴图，还会有textures文件夹，里面存储的是dds或者jpeg格式的纹理图片。每个节点的3dNodeIndexDocument.json文件中会存有父节点的信息和子节点的信息，所有节点之间的关系是一种树状关系，这对于大数据量的模型有利于实现LOD。

（2）创建JSON文件：JSON文件是JavaScript Object Notation的缩写，是一种用来存储和表示数据的文本格式，使用cJson库能够很方便地进行JSON文件的读写。对于SLPK包内的所有json格式的文件，都可以用cJson库进行创建，各个文件具体内容参见OGC SLPK官方文档。metaData.json文件的创建代码如下：

在0.bin中依次存储的是顶点数组、法线数组、纹理坐标数据和颜色数组，写入文件可使用ofstream，ofstream：：write（）函数能够快速批量将数组写入到文件中。

属性值也可存储在名为0.bin的二进制文件中，对于不同属性类型的属性值，写入方法有所差别，其代码如下：

要注意将字符串转成UTF-8编码，否则汉字显示为乱码。

（4）文件压缩：完成创建所有文件后，需要将除了metaData.json外的所有文件先压缩成gz格式，在程序中使用ShellExecute（）函数调用开源的压缩软件7z.exe，给定参数“a <文件名>.gz <文件名>”即可完成压缩，压缩的同时删除掉原文件；接着使用ShellExecute（）调用7z.exe，给定参数“a <模型文件夹><模型名>.zip -ir！<模型文件夹>*.* -mx0”，即可将所有文件打包成zip格式；最后将zip文件名称中后缀名“.zip”修改成“.slpk”即完成的场景图层包的创建。

7 運行结果

在MicroStation中运行MDL程序，界面如图6所示。

选中要导出的一个或者多个模型（多个模型时，每个模型会导出成场景图层包的一个节点），设置相应路径、名称和坐标系等参数，在视图中单击左键即开始导出。导出完成后，在ArcGIS online中，直接即可将SLPK文件上传并发布成Scene Layer。图7、图8分别是大坝原始三维模型和在网页中展示的效果。图9、图10是房屋原始三维模型和在网页中展示的效果。

图11为在网页中可以查询模型每一个部分的属性。

使用ArcGIS API for JS调用SLPK场景图层的示例代码如下：

8 结语

通过研发和实践，解决了MicroStation三维建筑模型直接导出成SLPK场景图层包的问题，为BIM模型和GIS系统的应用结合打下了一些基础。

参考文献：

[1]OGC Indexd 3d Scene Layer（I3S） and Scene Layer Package Format Specification.

[2]彭殿军.从MicroStation三维模型到二维图纸的生成流程[J].有色冶金设计与研究，2016（05）：106-107，110.

[3]张燕，唐相桢.MicroStation图形数据到ArcGIS数据转换方法的研究[J].城市勘测，2015（1）：26-29.

[4]乔新，王海银，胡振彪.MicroStation调用WebGIS地图服务的开发与应用[J].现代测绘，2011（2）：29-31.