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利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体

应申 郭仁忠 靳凤攒 朱利平 李威阳

应申, 郭仁忠, 靳凤攒, 朱利平, 李威阳. 利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
引用本文: 应申, 郭仁忠, 靳凤攒, 朱利平, 李威阳. 利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
YING Shen, GUO Renzhong, JIN Fengzan, ZHU Liping, LI Weiyang. Auto-Construction of 3D Colsed Buildings from CityGML LoD3[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
Citation: YING Shen, GUO Renzhong, JIN Fengzan, ZHU Liping, LI Weiyang. Auto-Construction of 3D Colsed Buildings from CityGML LoD3[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556

利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体

doi: 10.13203/j.whugis20150556
基金项目: 

国家自然科学基金 41671381

国家自然科学基金 41371369

国家自然科学基金 41531177

“十三五”国家重点研发计划 2016YFF0201300

“十三五”国家重点研发计划 2017YFB0503500

湖北省自然科学基金 2017CFA050

国土资源部城市土地资源监测与仿真重点实验室开放基金 KF-2016-02-016

详细信息
    作者简介:

    应申, 博士, 教授, 主要从事地图学、3DGIS和三维地籍研究。shy@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P208

Auto-Construction of 3D Colsed Buildings from CityGML LoD3

Funds: 

The National Natural Science Foundation of China 41671381

The National Natural Science Foundation of China 41371369

The National Natural Science Foundation of China 41531177

the National Key R&D Program of China During the "13rd Five-Year Plan" 2016YFF0201300

the National Key R&D Program of China During the "13rd Five-Year Plan" 2017YFB0503500

the Natural Science Foundation of Hubei Province 2017CFA050

the Open Fund of Key Laboratory of Urban Land Resources Monitoring and Simulation, Ministry of Land and Resources of China KF-2016-02-016

More Information
    Author Bio:

    YING Shen, PhD, professor, specializes in cartography, 3D GIS and 3D cadastre. E-mail:shy@whu.edu.cn

  • 摘要: 给出了利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体的基本框架和流程。充分利用已有的CityGML数据,分析其与三维封闭建筑体的语义关联和差别,奠定利用CityGML构建三维封闭建筑体的理论基础;从构建三维封闭建筑体所需几何数据出发,根据语义关联从CityGML中提取相应的几何数据,构建符合三维封闭建筑体要求的几何对象,满足三维立体规划和审批、核查的空间数据需要,进而弥补传统地籍数据采集方式的不足。
  • 图  1  基于语义关联提取CityGML几何数据(LoD2、LoD3)

    Figure  1.  Extract Geometry Objects from CityGML Based on Semantic Relationship

    图  2  拓扑处理与几何转换流程图

    Figure  2.  Flowchart of Topology Processing and Geometric Transformation

    图  3  外部墙提取流程图

    Figure  3.  Flowchart of Extracting Outside Wall

    图  4  三维几何体有效性验证和修复过程示意图

    Figure  4.  Diagram of Repairing 3D Geometry

    图  5  转换前后对比图

    Figure  5.  Comparison Between CityGML Data and 3D Closed Builds

    表  1  三维封闭建筑体对CityGML语义对象需求关联关系

    Table  1.   Relationship Between 3D Closed Building Body and CityGML Semantic Objects

    CityGML对象 LoD3
    CeilingSurface
    ClosureSurface
    Door
    FloorSurface ×
    GroundSurface
    BuildingInstallation ×
    InteriorWallSurface ×
    OuterCeilingSurface
    OuterFloorSurface
    RoofSurface
    WallSurface
    Window
    除建筑物以外的对象 ×
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    表  2  实验数据转换前后数据对比

    Table  2.   Comparison of Before and After Transformation with Case Study

    输入输出 数量
    输入数据墙体个数 1 346
    输入数据屋顶个数 390
    输入数据门的个数 11
    输入数据窗户个数 190
    输入数据的总面片数 27 601
    输出封闭三维建筑体的个数 167
    输出三维体的总面片数 2 019
    下载: 导出CSV

    表  3  单个建筑转换前后数据对比

    Table  3.   Comparison of Before and After Transformation of a Single Building

    输入输出 数量
    输入数据墙体个数 7
    输入数据屋顶个数 1
    输入数据门的个数 2
    输入数据窗户个数 16
    输入数据的面片数 1 656
    输出封闭三维建筑体的个数 1
    输出数据的面片数 12
    下载: 导出CSV
  • [1] 史云飞, 贺彪.三维地籍产权体的语义限定与几何表达[J].山东科技大学学报(自然科学版), 2013, 32(3):83-88 http://or.nsfc.gov.cn/bitstream/00001903-5/248386/1/1000006744406.pdf

    Shi Yunfei, He Biao. Semantic Restriction and Geometrical Representation of Property Volumn for 3D Cadastre[J]. Journal of Shandong University of Science and Technology, 2013, 32(3):83-88 http://or.nsfc.gov.cn/bitstream/00001903-5/248386/1/1000006744406.pdf
    [2] Ying Shen, Li Lin, Guo Renzhong. Building 3D Cadastral System Based on 2D Survey Plans with SketchUp[J]. Geo-spatial Information Science, 2011, 14(2):129-136 doi:  10.1007/s11806-011-0483-2
    [3] 郭仁忠, 应申.三维地籍形态分析与数据表达[J].中国土地科学, 2010, 24(12):45-51 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zhonggtdkx201012008

    Guo Renzhong, Ying Shen. Three-Dimensional Cadaster and Data Delivery[J]. China Land Science, 2010(12):45-51 http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=zhonggtdkx201012008
    [4] 应申, 郭仁忠, 李霖.三维地籍[M].北京:科学出版社, 2013

    Ying Shen, Guo Renzhong, Li Lin. 3D Cadastra[M]. Beijing:Science Press, 2013
    [5] 全国人民代表大会.中华人民共和国物权法[M].北京:人民法院出版社, 2007

    National People's Congress. Real Right Law of the People's Republic of China[M]. Beijing:The People's Court Press, 2007
    [6] Isikdag U, Zlatanova S. Towards Defining a Framework for Automatic Generation of Buildings in CityGML Using Building Information Models[M]//Lee J, Zlatanova S. 3D Geo-Information Sciences. Berlin: Springer, 2009
    [7] Pouliot J, Vasseur M. Terrestrial LiDAR Capabilities for 3D Data Acquisition (Indoor and Outdoor) in the Context of Cadastral Modelling: A Comparative Analysis for Apartment Units[C]. The 4th International Workshop on 3D Cadastres, Dubai, United Arab Emirates, 2014
    [8] Pouliot J, Wang C. Visualization, Distribution and Delivery of 3D Parcels[C]. The 4th International Workshop on 3D Cadastres, Dubai, United Arab Emirates, 2014
    [9] Ullah B S, Abdul-Rahman A. Generalization of Buildings Within the Framework of CityGML[J]. Geo-spatial Information Science, 2013, 16(4):247-255 doi:  10.1080/10095020.2013.866617
    [10] 郭仁忠, 应申, 李霖.基于面片集合的三维地籍产权体的拓扑自动构建[J].测绘学报, 2012, 41(4):620-626 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-KJZW201511009.htm

    Guo Renzhong, Ying Shen, Li Lin. Automatic Construction of 3D Valid Solids for Cadastral Objects Based on Facet Sets[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica, 2012, 41(4):620-626 http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTotal-KJZW201511009.htm
    [11] Ying Shen, Li Lin, Guo Renzhong. Design and Development of a 3D Cadastral System Prototype Based on the LADM and 3D Topology[C]. The 2nd International Workshop on 3D Cadastres, Delft, The Netherlands, 2011
    [12] OpenGIS. Geography Markup Language (GML 3. 0) Implementation Specification, OpenGIS Specifications[EB/OL]. http://www.opengis.org/specs/?page=specs, 2016
    [13] 孙小涛. 基于CityGML的城市三维建模和共享研究[D]. 重庆: 重庆师范大学, 2011

    Sun Xiaotao. Study of City 3D Modeling and Sharing Based on CityGML[D]. Chongqing: Chongqing Normal University, 2011
    [14] Goetz M. Towards Generating Highly Detailed 3D CityGML Models from OpenStreetMap[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2013, 27(5):845-865 doi:  10.1080/13658816.2012.721552
    [15] Gröger G, Kolbe T H, Czerwinski A, et al. Open-GIS® City Geography Markup Language (CityGML) Encoding Standard[EB/OL]. http://mediatum.ub.tum.de/doc/1145755/file.pdf, 2014
    [16] Fan Hongchao, Meng Liqiu. A Three-Step Approach of Simplifying 3D Buildings Modeled by CityGML[J]. International Journal of Geographical Information Science, 2012, 26(6):1091-1107 doi:  10.1080/13658816.2011.625947
    [17] van Oosterom P, Quak W, Tijssen T. About Invalid, Valid and Clean Polygons[M]//Fisher P F. Developments in Spatial Data Handling. Berlin: Springer, 2004
    [18] Ledoux H, Ohori K A, Meijers M. A Triangulation-Based Approach to Automatically Repair GIS Polygons[J]. Computers & Geosciences, 2014, 66:121-131
    [19] 靳凤攒, 应申, 李霖, 等.三维几何体的验证规则及修复方法研究[J].武汉大学学报·信息科学版, 2015, 40(2):258-263 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract3195.shtml

    Jin Fengzan, Ying Shen, Li Lin, et al. The Validation Rules and Repairing of a True 3D Solid[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2015, 40(2):258-263 http://ch.whu.edu.cn/CN/abstract/abstract3195.shtml
  • [1] 史云飞, 赵建青, 李雪飞, 王荣华, 刘克辉, 翟秋萍, 田德.  一种公寓式建筑物三维产权群集自动构建方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2022, 47(3): 447-454. doi: 10.13203/j.whugis20200023
    [2] 夏小科, 贾庆仁, 杨泉, 金星, 李军.  一种面向三维WebGIS的空间数据加载优化方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(12): 1997-2004. doi: 10.13203/j.whugis20200184
    [3] 赵强, 何陈照, 杨世植, 方廷勇, 朱曙光.  利用IFC和CityGML进行地下空间模型转换——以城市综合管廊为例 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2020, 45(7): 1058-1064. doi: 10.13203/j.whugis20180409
    [4] 康志忠, 王薇薇, 李珍.  多源数据融合的三维点云特征面分割和拟合一体化方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(11): 1317-1321.
    [5] 陈长林, 翟京生, 陆毅, 魏海平.  DNC与ENC的自动转换方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2013, 38(1): 90-94.
    [6] 孙卡, 吴冲龙, 刘刚, 何珍文.  海量三维地质空间数据的自适应预调度方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2011, 36(2): 140-143.
    [7] 巫兆聪, 欧阳群东, 李芳芳.  基于CityGML的遥感信息共享研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2010, 35(4): 423-426.
    [8] 邓念东, 侯恩科.  三维体元拓扑数据模型的修正及其形式化描述 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2009, 34(1): 52-56.
    [9] 刘春, 吴杭彬.  基于真三维TIN的三维激光扫描数据压缩方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2006, 31(10): 908-911.
    [10] 王紫生, 边馥苓.  利用数据分解与合成法实现基于XML的空间数据转换 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2005, 30(3): 226-229.
    [11] 金宝轩, 边馥苓.  网格环境下的三维空间数据互操作方法研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(12): 1075-1079.
    [12] 左小清, 李清泉, 唐炉亮.  公路三维模型建立与数据组织 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2004, 29(2): 179-183.
    [13] 曾文宪, 陶本藻.  三维坐标转换的非线性模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(5): 566-568.
    [14] 李德仁, 刘强, 朱庆.  数码城市GIS中建筑物室外与室内三维一体化表示与漫游 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2003, 28(3): 253-258.
    [15] 尤红建, 苏林, 李树楷.  利用机载三维成像仪的DSM数据自动提取建筑物 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(4): 408-413.
    [16] 侯恩科, 吴立新.  面向地质建模的三维体元拓扑数据模型研究 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2002, 27(5): 467-472.
    [17] 边馥苓, 傅仲良, 胡自锋.  面向目标的栅格矢量一体化三维数据模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2000, 25(4): 294-298.
    [18] 李国建, 胡鹏.  GIS中的数据转换与代数同构分析 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2000, 25(4): 312-317.
    [19] 刘经南, 佘彬彬.  不同类三维空间定位网联合处理的坐标转换模型 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 1990, 15(2): 48-57.
    [20] 张琛, 贺彪, 郭仁忠, 马丁, 陈业滨.  倾斜摄影三维模型Unreal Engine 4渲染的数据转换方法 . 武汉大学学报 ● 信息科学版, 0, 0(0): -. doi: 10.13203/j.whugis20210574
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-05-03
  • 刊出日期:  2018-05-05

利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体

doi: 10.13203/j.whugis20150556
    基金项目:

    国家自然科学基金 41671381

    国家自然科学基金 41371369

    国家自然科学基金 41531177

    “十三五”国家重点研发计划 2016YFF0201300

    “十三五”国家重点研发计划 2017YFB0503500

    湖北省自然科学基金 2017CFA050

    国土资源部城市土地资源监测与仿真重点实验室开放基金 KF-2016-02-016

    作者简介:

    应申, 博士, 教授, 主要从事地图学、3DGIS和三维地籍研究。shy@whu.edu.cn

  • 中图分类号: P208

摘要: 给出了利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体的基本框架和流程。充分利用已有的CityGML数据,分析其与三维封闭建筑体的语义关联和差别,奠定利用CityGML构建三维封闭建筑体的理论基础;从构建三维封闭建筑体所需几何数据出发,根据语义关联从CityGML中提取相应的几何数据,构建符合三维封闭建筑体要求的几何对象,满足三维立体规划和审批、核查的空间数据需要,进而弥补传统地籍数据采集方式的不足。

English Abstract

应申, 郭仁忠, 靳凤攒, 朱利平, 李威阳. 利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
引用本文: 应申, 郭仁忠, 靳凤攒, 朱利平, 李威阳. 利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体[J]. 武汉大学学报 ● 信息科学版, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
YING Shen, GUO Renzhong, JIN Fengzan, ZHU Liping, LI Weiyang. Auto-Construction of 3D Colsed Buildings from CityGML LoD3[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
Citation: YING Shen, GUO Renzhong, JIN Fengzan, ZHU Liping, LI Weiyang. Auto-Construction of 3D Colsed Buildings from CityGML LoD3[J]. Geomatics and Information Science of Wuhan University, 2018, 43(5): 732-738. doi: 10.13203/j.whugis20150556
  • 随着建筑设计及工程技术水平的不断提高,人们的生活范围在垂直空间方向不断延伸。人们逐渐意识到以二维宗地和平面图为核心的传统二维地籍不能满足当前日益增长的对空间立体化利用的需求,发展三维地籍管理技术成为城市管理中迫切需要解决的问题[1-4]。《物权法》第136条指出可以在土地的地上、地表或地下分别设立建设用地使用权,这为土地的立体化利用与管理提供了法律依据[5]。在这种背景下,三维地籍不断发展。但是目前对三维地籍数据采集和管理的研究较为缺乏,如何获取三维封闭建筑体数据成为三维地籍发展所面临的一个重要问题。激光扫描、航空摄影测量[6]等获取三维封闭建筑体数据的方法无法满足三维地籍的三维定位和计算要求。新兴的利用三维激光点云[7]、雷达[8]等获取三维建筑体数据的方法尽管已取得相应成果,但成本较高。本文改变利用现有技术直接获取三维封闭建筑体数据的思想,利用当前已有CityGML数据自动构建三维封闭建筑体。在CityGML中含有大量的语义和几何数据,这些数据是构建三维封闭建筑体所需的潜在数据源[9]。尽管CityGML与三维封闭建筑体中的实物有一定的相近性,但是在关注对象和几何组织的结构上却千差万别。本文首先分析CityGML与三维封闭建筑体的区别与联系,奠定利用CityGML构建三维封闭建筑体的理论基础,建立CityGML与三维封闭建筑体之间的关联,并利用CityGML几何数据自动构建三维封闭建筑体。

    • 三维产权体是将土地、房产及其他类型的不动产进行统一,在三维空间中按照权属界线进行统一划分的基本单元,是对三维空间的一种占位和确权。它由语义与权属信息、空间几何信息以及权利人信息[4]3个基本要素构成。权利人信息、语义与权属信息主要是指权利人身份信息,可以在权属登记时获取。本文主要研究构建三维产权体的封闭建筑体,该建筑体是由产权边界所围成的三维封闭建筑空间。三维封闭建筑体所表示的权属边界在现实世界中可以表现为墙体、屋顶等自然物[3, 10-11]。与此同时,CityGML中特定的建筑信息,特别LoD2中提供的墙体、屋顶、地板等语义对象[12],可为构建三维封闭建筑体提供潜在的数据源。

      本文从语义描述角度出发,建立三维封闭建筑体对象和CityGML语义对象之间的关联关系,根据语义需求和边界对象构建要求,重组CityGML的语义对象(房间、墙体、屋顶等),并按三维封闭建筑体的空间约束重新构建CityGML的几何信息。CityGML采用面向对象的建模方式,以要素类型(地物类型)作为信息表达的基本单元,有层次地封装空间和属性信息。CityGML的数据结构具有几何信息和语义信息上的一致性,每个语义对象都关联有相应的几何信息,例如CityGML的语义信息中一面墙有3个窗户和两扇门,那么在描述该墙体的几何信息中相应的墙体中必定包含有3个窗户和两扇门[13-14]。CityGML模型的5个细节层次(level of detail,LoD)包含了不同详细程度的建筑信息。CityGML核心和扩展模块中的Building模块包含大量的建筑物信息[12]。一个完整的建筑体由RoofSurface、WallSurface、GroundSurface等多个不同的语义对象构成[12]表 1中只列出了针对CityGML LoD3中具体的对象与三维封闭建筑体之间的需求关系,即构建三维封闭建筑体所需最小粒度对象。从表 1中可以看出CityGML LoD3中的屋顶、墙体、地板、门或窗户等对象可以用来构建三维封闭建筑体。选用CityGML LoD3是因为一方面它具有较高的精度,另一方面因为它可以潜在地来描述建筑体的边界。表 1中,“√”代表该对象为构建三维封闭建筑体所需;“×”代表该对象在构建三维封闭建筑体时可以直接删除;“?”代表该对象包含在构建三维封闭建筑体时需要进行相应处理。

      表 1  三维封闭建筑体对CityGML语义对象需求关联关系

      Table 1.  Relationship Between 3D Closed Building Body and CityGML Semantic Objects

      CityGML对象 LoD3
      CeilingSurface
      ClosureSurface
      Door
      FloorSurface ×
      GroundSurface
      BuildingInstallation ×
      InteriorWallSurface ×
      OuterCeilingSurface
      OuterFloorSurface
      RoofSurface
      WallSurface
      Window
      除建筑物以外的对象 ×
    • 在确定了三维封闭建筑体与CityGML对象的关联之后,利用CityGML数据自动构建三维封闭建筑体还需要实现两个基本过程:(1)模型转换;(2)三维封闭建筑体构建,通过该过程从CityGML语义对象得到三维封闭建筑体对象。

      1) 模型转换。根据所建立的三维封闭建筑体与CityGML语义对象的需求关系(见表 1),从CityGML中提取构建三维封闭建筑体所需的几何信息,形成构建三维封闭建筑体几何边界的原始空间数据。它们是以面片为基础的,构建对象和空间表达方式与三维封闭建筑体的结构均不同,需要进一步化简和组合来形成三维封闭建筑体所需边界面。

      2) 三维封闭建筑体的构建。将上述几何数据转换为符合三维封闭建筑体约束要求的数据组织方式。关键是对已提取的几何数据进行有效性验证,对不满足要求的几何数据进行“缝补”,并进一步进行融合、化简、重组、合并等操作,构建三维封闭建筑体内部的空间关系。

    • CityGML中语义对象关联了众多的几何对象信息,而构建三维封闭建筑体需要重组CityGML中可以作为三维建筑体边界的对象,利用这些边界对象来重构三维空间。基于语义关联过滤CityGML几何对象是在建立了三维封闭建筑体几何对象和CityGML语义对象需求关系的基础上,根据所需语义对象从CityGML中提取构建三维封闭建筑体所需的几何对象,该过程的实质是有选择性地读取CityGML模型文件,保留所需信息。在CityGML中门、窗属于墙体或屋顶等对象的Opening类,同时在相应的墙或屋顶的结构中含有存放Opening类所形成的洞[15]。在读取CityGML模型文件时,需要综合利用Opening标签才能获取完整的建筑物边界,即墙体、门和窗等。建筑物以外的对象(如颜色、纹理等)可以根据语义信息直接过滤掉,不予处理。图 1中给出了基于语义关联提取CityGML LoD3几何数据的结果图。经过过滤处理的CityGML模型文件只包含构建三维封闭建筑体所需的边界对象,可以很大程度上简化后期拓扑处理和几何转换过程。

      图  1  基于语义关联提取CityGML几何数据(LoD2、LoD3)

      Figure 1.  Extract Geometry Objects from CityGML Based on Semantic Relationship

    • 由于过滤后得到的几何对象仍然沿用CityGML的约束条件组织数据,而三维封闭建筑体仅有一个三维体对象。因此,需要对这些CityGML对象打散、重组、构建三维封闭建筑体的面数据,进而进行拓扑处理和几何建模。拓扑处理与几何转换的实质就是由语义对象的转变转移到几何数据的组织方式转变,从CityGML的语义对象到符合三维封闭建筑体约束要求的几何对象,需要从CityGML中提取语义对象的几何数据来构造三维封闭建筑体的边界面,具体流程如图 2所示。

      图  2  拓扑处理与几何转换流程图

      Figure 2.  Flowchart of Topology Processing and Geometric Transformation

      CityGML中LoD1、LoD2和LoD3对象的几何详细度不同,拓扑处理和几何转换的复杂度也有所差别。LoD1和LoD2中的每一个语义对象对应的几何数据都是由单面片组成的,如用单一的面片来表达一个窗户、一面墙或一扇门,在经过几何对象过滤后,已经基本符合三维封闭建筑体的构建要求,可直接利用基于离散面片的方法来构建三维封闭建筑空间[10]。而LoD3中的语义对象包含了厚度信息,与现实中的建筑物更为接近,如LoD3中的窗户可能是由6个或更多面片组成的立体结构,其后续的拓扑处理和几何转换则相对复杂。下文以LoD3数据为例对拓扑处理和几何转换的步骤进行阐述。

    • 三维封闭建筑体作为复杂的三维体模型需要维持多维几何元素之间的拓扑关系。三维封闭建筑体是由权属界线组成的三维封闭空间,几何对象本身带有拓扑连接性,即三维封闭建筑体要求有精确的边界和范围,同时兼备一般的空间分布性和变化特征。CityGML从对象的语义角度提供几何对象之间的拓扑连接性,如墙体与窗户的拓扑关联只能通过语义对象得到,无法从几何上获取两者之间的拓扑关系,几何对象本身由相互独立的面片组成,只能利用可视化效果来观察形状造型、内部和外部空间。在根据CityGML语义对象过滤几何对象后,为了保留几何对象之间的拓扑关系,本文通过融合CityGML所有对象并引入新的边来建立几何对象本身之间的拓扑连接性。

      几何与拓扑处理的实质就是将CityGML语义对象中所包含的拓扑关系,通过打散、重组CityGML对象,构成由点、线、面等组成的完整的三维几何体来表达三维封闭空间,这是实现从CityGML语义对象到三维封闭建筑体的关键。

    • 为获得三维封闭建筑体的边界数据,需要消除CityGML的语义差别,统一生成用于构建三维封闭建筑体的边界点、线、面,为此需要对获取的CityGML对象融合几何数据,并进行化简和提取。几何转换的实质是为获取建筑物的外部边界面,即提取建筑物的外壳:在建筑物的内部任取一点,作内部点与建筑物各个要素(墙体、屋顶等)的垂直射线,由于墙体和屋顶可能带有厚度信息,射线可能会与每个方向的要素交于两点,其中距离内部点较远的那个点位于建筑物的外部面上。如图 3(a)所示,从建筑物内部点所作的射线与各个要素的交点分别为P1P2P3P4P5P6P7P8。其中,P1P2P3P4分别位于墙体的外面和内面,P5P6P7P8分别位于屋顶的外面和内面,根据交点的坐标即可得到建筑物的外部面。提取建筑物外壳后,得到的外部墙与屋顶会产生脱离现象,如图 3(b)所示。此时需要延伸面将墙和屋顶进行咬合,如图 3(c)所示。图 3(d)给出了真实数据几何转换示意图。几何转换前,几何数据所构成的是一个权属边界,如图 3(e)所示,几何转换后的三维建筑体需要形成一个封闭的三维空间,如图 3(f)所示,因此需要对数据进行修复处理。

      图  3  外部墙提取流程图

      Figure 3.  Flowchart of Extracting Outside Wall

      在现实世界中,建筑物墙体排列并不规则,射线与墙体相交面可能并非外面,以建筑物的中心为起点的射线可能会穿过其他墙体。部分建筑物中,由于墙体垂直方向的非均一性,墙体的外面不止一个。西方许多国家以及中国南方城市的一些建筑的屋顶造型通常比较复杂,一个建筑物的屋顶可能拥有多种不同角度的造型[16]。本文所用的利用射线提取墙体的方法还不能很好地适用于现实世界中各种复杂的建筑物,需要进一步研究出更为实用的几何转换方法。本文的目的是提出一种基于CityGML自动构建三维封闭建筑体的流程方法,而对每一过程的具体转换细节,将作为后续的主要研究方向。

      获取外部墙边界后,还要处理门窗等对象,根据CityGML的关联关系,它们是墙体内的洞,在提取外部墙后可以转换为二维空间中二维洞的处理。

    • CityGML含有丰富的语义信息,在提取和转换过程中必然会产生大量的冗余数据。以图 4为例,在几何转换后形成的数据中,CityGML对象中原始的屋顶数据会在墙体边缘形成屋檐,这些屋檐在三维封闭建筑体中属于悬挂面,在修复过程中应该删除,如图 4(a)所示;在基于语义提取CityGML几何对象的过程中,由于门和窗户的删除,在与其关联的墙体中形成了三维洞,经过几何转换形成了面上的二维洞,需要进行填补修复,如图 4(b)所示;由于CityGML本身数据的原因,建筑物对象本身可能不存在底面,而三维建筑体是三维空间中的封闭体,需要进行补面修复, 如图 4(b)所示。在修复过程中可能会产生数据的冗余,如图 4(b)中填补门、窗所形成的二维洞后,在原始的面上会产生冗余的线,需要在保持原来体特征的前提下,进行三维几何体的化简操作。在进行上述修复时要遵循自上而下的处理原则,即先处理面数据,后处理线数据。如在图 4中,应该首先处理悬挂面、缺失面等问题。具体的验证规则与修复方法可参照文献[17-19]。经验证和修复后的数据,只包含三维封闭建筑体的几何数据,可以满足三维地籍的可视化显示和各种空间分析需求。

      图  4  三维几何体有效性验证和修复过程示意图

      Figure 4.  Diagram of Repairing 3D Geometry

    • 本文的主要目的是提出一个利用CityGML模型自动构建三维封闭建筑体的基本框架流程,笔者开发了具体的自动构建和修复插件,并选取部分城市数据验证了本文所提出的自动构建流程的可行性。自动构建和修复插件是基于SketchUp平台进行开发的。本文选取欧洲某小镇进行实验,该区域存在多种类型的建筑物,转换前后的对比如图 5所示,数据对比如表 2所示:原始CityGML数据中的对象主要由1 346个墙体、390个屋顶、11个门以及190个窗户组成,这些对象进一步由27 601个几何面片组成,如图 5(a)所示。转换构成167个封闭的三维建筑体,它们是由2 019个几何面片组成的封闭三维体,如图 5(b)所示。取出其中一个建筑物示例如图 5(c)所示,该建筑物中主要由7个墙体对象、1个屋顶对象、2个门对象、16个窗体对象,共1 656个面组成;转换后形成1个由12个面片组成的完整的封闭空间(见表 3)。CityGML转换为三维封闭建筑体后数据量大量减少,且完全符合三维封闭建筑体的几何数据组织约束要求。

      图  5  转换前后对比图

      Figure 5.  Comparison Between CityGML Data and 3D Closed Builds

      表 2  实验数据转换前后数据对比

      Table 2.  Comparison of Before and After Transformation with Case Study

      输入输出 数量
      输入数据墙体个数 1 346
      输入数据屋顶个数 390
      输入数据门的个数 11
      输入数据窗户个数 190
      输入数据的总面片数 27 601
      输出封闭三维建筑体的个数 167
      输出三维体的总面片数 2 019

      表 3  单个建筑转换前后数据对比

      Table 3.  Comparison of Before and After Transformation of a Single Building

      输入输出 数量
      输入数据墙体个数 7
      输入数据屋顶个数 1
      输入数据门的个数 2
      输入数据窗户个数 16
      输入数据的面片数 1 656
      输出封闭三维建筑体的个数 1
      输出数据的面片数 12
    • 发展三维地籍,构建三维封闭建筑体需要大量的三维几何体空间数据,CityGML作为表达三维城市的通用数据模型,包含了丰富的语义和建筑物几何对象信息。建立CityGML和三维封闭建筑体的关联对应关系,实现从CityGML提取构建三维封闭建筑体所需的几何对象信息,为三维地籍的发展提供潜在的数据源。本文给出了CityGML转换为三维封闭建筑体的基本框架和流程,并开发了具体的自动构建和修复插件,通过部分城市数据进行实例验证,充分证明了本文所述流程方法的可行性,弥补了传统数据采集方式的不足,为大范围三维城市建模和空间分析提供了数据基础。

参考文献 (19)

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