三维城市模型CityGML初探

三维城市模型CityGML初探 城 市 勘 测 J un. 2010 2010年 6月 增刊 1U rban Geo techn ica l Inve stiga tion & Su rveying No. z1 ( ) 文章编号 : 1672 - 8262 2010 z1 - 5 - 03中图分类号 : P208文献标识码 : B 三维城市模型 C ity GML 初探 1 , 2 3 柳翠明 ( 11武汉大学测绘学院 ,湖北 武汉 430079; 21广州市城市规划勘测 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 研究院 ,广东 广州 )510060 摘 要 :研究了三维城市模型数据数据交换格式 C ityGML ,阐述了 C ityGML 三维城市建模的基本概念 ,重点介绍其数 字地形模型和建筑物模型 。C ityGML 基于 GML3开发 ,提供了描述三维城市对象的公共信息模型 ,涵盖了几何 、拓扑 、 语义等方面 。在 C ityGML 中 ,对象的空间属性和语义属性通过 5个连续的细节层次进行组织 。 关键词 : C ityGML;三维城市模型 ;数字地形模型 ;建筑物模型 2 1 引 言C ityGML 基本概念 三维城市模型由于其在城市规划、地籍管理 、旅 ()211 细节层次模型 LOD 游、交通及环境仿真等领域显示出了巨大的潜力 ,已成 C la rk于 1976 年最初提出了细节层次模型的概 ( )为众多研究的热点。李军 2000 深入研究了三维 G IS 念。根据处理分析和展示多源数据的需要 , C ityGML 空间数据模型 ,提出了细节层次技术和多比例尺综合 把描述三维城市对象的精细程度分为 5 个细节层次。( ) 技术的可视化集成实现机制。朱庆等 2003 认为网 LOD0实质上就是 215 维的 D TM 数据 ,可以在其上叠 络环境下三维模型的实时生成技术 ,将是 3D G IS系统 加航空影像或者二维地图。LOD 1用块状 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示建筑物 , 的一个重要研究课题之一。但尚缺乏 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的三维城市 屋顶、纹理数据、植被对象在 LOD2 层次描述。LOD 3 数据模型 ,不便于数据的共享与交换。 层次描述建筑物的结构 ,包括墙、屋顶结构 、阳台等 ,可 三维城市模型数据的交换同样需要面对 G IS业界 以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外 ,交 ( ) 历来关注的数据异构问题。地理标记语言 GML 封 装了空间地理参考系统 ,具有描述几何拓扑、时间等信 通对象 、植被对象在这一层次做了更精细地描述。息的能力 , 便于地理信息的分布式存储和交换。以 )(LOD4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯 、家具GML 为介质的 W FS 网络要素服务 接口规范 ,得到了 等对象进行建模。 G IS软件厂商的广泛支持 ,为异构地理信息系统之间 不同细节层次 ,点位的定位精度 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 是不一样的 , 实现了语法级的互操作 。语义互操作性设想在某一领 如 LOD1下定位精度要求为 5 m ,而在 LOD4 下要求为 域存在对现实世界的对象及其属性和关系的公认定 012 m甚至更小。可以过 LOD 级别来评价三维城市数 义 ,目前尚未有被广泛认可的语义模型存在。 据集的质量。 近年来提出的三维城市模型大多是纯几何模型 , 由此可见 ,用户可根据应用需求 ,采用不同的层次 忽略了语义和拓扑层面 ,基本上用于可视化 ,对专题查 建模。在一个 C ityGML 数据集中 ,同一对象可以在不 询、分析或空间数据挖掘等支持很差 ,可重用性有限。 同细节层次上表示 ,而同一个对象的不同细节层次的 有必要采用泛化建模方法 ,满足不同应用场合的信息 需求。 数据也可以分别放在两个数据集中。细节层次模型既 便于三维对象可视化展示 ,也便于多源数据的集成。 C ityGML 由德国北莱茵河 - 威斯特伐利亚地区空 间数据基础设施三维特别兴趣小组研发 ,致力于描述 212 几何拓扑建模 三维城市对象的共同语义信息 ,以期能成为三维城市 如果既要维护空间完整性又要避免对象的几何描 模型数据交换格式标准。三维城市模型标准化研究 , 述数据的冗余 ,几何拓扑模型是必不可少的。 ISO19107 尚未引起国内学者的注意。 标准已建立表达空间对象的几何属性与拓扑关系的概 念。然而该标准提供了大量的建模选择 ,如果建模目的 仅局限 于 某 一 方 面 , 该 标 准 显 得 太 过 复 杂。基 于 ISO19107, C ityGML 采用更为紧凑易用的模型。 3 收稿日期 : 2010 —04 —27 ( ) 作者简介 :柳翠明 1977 —,男 ,工程师 ,主要从事工程测量和数据处理等研究工作。 () C ityGML 用边界表达方法对专题对象的空间属性朱庆等 , 2003 的现实对象 , 如同一种状和位置特征 进行几何拓扑建模 , 即 0 ,3 维基本几何元素分别为 类的树木 、路灯、电杆等 , C ityGML 采用几何隐含的建 (模方法 ,即建立一个逼真的三维模型 保存到 VRML、 点、边 、面 、立体等 。边、面、立体等基元可以相应地聚 )DXF或 X3D 文件中 重复使用 ,三维模型的定位由表 合成为弧聚合体、面聚合体 、立体聚合体。C ityGML 要 ( ) 达其三维空间地理位置的参考点 R efe rencePo in t和 求点、边、面、立体基元及聚合体必须满足一些完整性 ()空间姿态参数 一个四维变换矩阵 决定。 约束 ,确保模型的一致性。如几何基元内部元素必须 是相离的 ,如果两个元素有公共边界 ,则该边界必须是 低一维的几何基元 。这些约束条件消除数据冗余 ,并 确保拓扑关系清晰性 ,如任两个立体基元之间是相离 3 专题模型的 ,它们的体积即为两者体积之和 ,反之若允许两个立 作为一种多功能三维城市数据模型和交换格式 , 体基元有交叉的话 ,计算它们的体积将麻烦得多。 C ityGML 基于 ISO 191XX系列标准 ,用 GML3实现了建 213 几何语义建模筑物、D TM、交通、植被、水资源 、城市设施、土地利用等 C ityGML 实现了对空间对象的几何拓扑属性和语 三维城市模型。作为示例 ,本文介绍 D TM 模型和建筑 义进行一致性建模。在语义特征方面 , C ityGML 通过 物模型 。 ()专题模型描述现实对象 如建筑物 及其属性、层次关 311 D TM 模型 系等。在空间特征方面 ,现实对象的空间属性即为几 地形在三维城市建模中重要部分 , C ityGML 用起 何拓扑对象 。C ityGML 模型涵盖语义和几何拓扑两个 ( )伏要素 R e liefFea tu re来描述 ,一个起伏要素对象描述 层次体系 ,其优点是便于分别在各自层次体系中遍历 , 了某一块地域的地形起伏。地形可以表现为规则格网 或在它们之间相互遍历 。 ( ) ( ) R a ste rR e lief、不 规 则 三 角 形 T INR e lief 、断 裂 线 214 闭合面和地下对象 () (B reak lineR e lief 、质 点 集 一 系 列 三 维 点 , M a ss2在三维建模时 ,隧道 、地下人行通道等地下对象 , )Po in tR e lief等。断裂线表示地形表面不连续的部分 , 其建模方法有别于一般的地表面对象。首先不易确定 如山脊 、峡谷等 ,在几何上表现为三维曲线 。 其几何体类型。地上对象可直观地使用一个闭合几何 在 C ityGML 数据集中 ,这 4 种地形表现形式可以 体表达其形状 ,但对地下对象 ,却需要形象描述其中空 灵活组合 。首先 ,每种类型均可在不同 LOD 中出现 , 部分所处的空间 。 ISO19107 标准用外壳表达这样的 反映不同的精度和分辨率。其次 ,每块地表可用不同 中空部分 。然而 ,既然这个外壳是闭合的 ,即不应存在 组合方式来描述 ,如格网和断裂线 , 或 T IN、断裂线的 从其内部连接到外部的通道 ,但这和人造地下构筑物 组合。在这种情形下 ,断裂线和不规则三角网必须缝 的概念不相符合。因此 ,必须使模型能够较好的表达 合。再次 ,相邻地域的地形可以使用不同的形式表达。 地下构筑物的入口。 为便于不同地域地形的组合 ,每一起伏要素对象用一 另一个问题是地下对象和 D TM 的无缝集成。其一 ()个二维 可含“洞 ”多边形来指定它的有效范围 ,便于 是在 D TM 中产生孔洞描述入口 ,然而 D TM 要描述地表 对不同精度的地形进行拼合。 面 ,要求不应存在孔洞。 当 D TM 和地下对象集成时 ,确保它们在入口处无 缝接合 ,可用受约束三角网来实现 ,即把地下对象和地 表相交形成的边 ,当作 D TM 的边 ,相交面为两者所共 ( )有。C ityGML 引进了“闭合面 ”C lo su reSu rface 这个概 念 ,对于没有闭合的对象 ,用虚拟的“闭合面 ”缝合 ,如这 里提到的相交面。当计算体积时 ,把地下对象当作闭合 实体来看待 ,当进行可视化时 ,把相交面设为不可见。 215 三维模型的简化 C ityGML 支持对现实对象精细化描述 , 但并不意 味着在建模时一味地盲目追求仿真、模拟原形 。对于 具有几何不变性、表面材质纹理的相似性及重要的形 图 1 数字地形模型 312 建筑物模型 建筑物模型是 C ityGML 的核心 ,用于表达建筑物 柳翠明 1三维城市模型 C ityGML 初探 7 增刊 1 及组成部分 、附属部分的空间和专题特征。图 2 描述LOD 4对 LOD3 进一步作了补充 ,添加了对建筑物了建筑物模型在 LOD 4 下的类及其关系 , 图 3 给出 4 内部结构的描述 ,如“房间 ”为天花板、内墙、地板等面 ( 种细节层次下建筑物的展示效果。A b strac tB u ild ing类 “包 ”住。多个房间聚合成“房间组合体 ”GroupO fRo2 () ) 是该模型的枢纽 ,它是 C ityO b jec t类的子类 。A b strac t2 om s,房间之内放置家具 B u ild ing_ Fu rn itu re s、附属 设施等 。C ityGML 区分二者的准则是前者是房间内可 B u ild ing的派生类有 B u ild ingPa rt和 B u ild ing类 , 即把 移动的部分 ,而后者是永久性地和房间固定在一起 ,如 建筑物的某一部分在建模时把它当作抽象“建筑物对 楼梯、柱子。在 LOD 4层次 ,门在拓扑意义上连接了两 象 ”。另外 ,一个 B u ild ing对象可以是一个复杂建筑物 个邻接的房间 ,即表示门的面体在几何意义上是两个 ()对象 B u ild ing Comp lex的一部分。 房间几何体的边界之一部分。 建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要 课题 ,特别是当考虑不同 LOD 层次的地形数据和建筑 物模型数据叠加时。为此引入了建筑物和地表面的 ( ) “交叉曲线 ”Te rra in In te rsec tion 这个概念 , 该曲线描 述了建筑物和地表面接合的确切位置 ,为环绕该建筑 物的一个闭环。如果某个建筑物包含院子 ,则该曲线 由两个闭环组成 ,以此类推 。在集成时 ,把建筑物和地 形表面进行拖拽 ,直至其与交叉曲线缝合 ,确保纹理的 图 3 LOD1 - LOD4 建筑物模型正确定位 。因不同 LOD 层次的数据精度不同 ,所以在 一个建筑物可能在不同的 LOD 有相应的交叉曲线。 313 建模实例 在 LOD 2层次 ,已可以清晰分辨建筑物的各个面 , C ityGML 在德国几个城市得到应用。柏林市建设 如屋顶、墙、地板等 。为消除数据冗余 ,表达它们空间 了虚 拟 三 维 城 市 模 型 系 统 , 其 系 统 数 据 库 基 于 C ityGML 的逻辑结构设计 ,用于存储和管理三维数据 , 属性的面几何体 ,同时又为表达整个建筑物的几何立 目前主要有以下类型的数据 : ?地籍数据 ; ?航空影 体所引用 。建筑物的空缺部分如窗口 ,用闭合面表达。 ) (像 ; ?D TM 数字地型模型 , 20 m精度部分作为框架 一个 LOD 2 建筑物的几何形状 ,可由多个立体聚合体 数据 ,高分辨率 D TM 作为三维城市模型的核心数据 , 和面聚合体组成 。此外 ,一个 LOD2 的建筑物还可能 特殊地区用 T IN 建模 ; ?建筑物模型数据 , 在大约 包括烟囱、阳台 、天线等 , 用 B u ild ing In sta lla tion 表示。 C ityGML 对这类设施的几何形状类型没有作限制 , 用 2 250 km 范围内采用激光扫描或摄像测量方法对建筑(O b jec tGeom e try类来描述 。该类是 So lidGeom e trie s 立 物进行三维重建 , LOD 3、LOD4 层次的数据主要通过 ) ) (CAD 或 3D MAX 等 工 具 建 模 , 然 后 再 转 换 成 为 体聚合体 、Cu rveGeom e trie s 弧聚合体 、Su rfaceGeom 2 C ityGML 格式 。 )(e trie s 面聚合体 等聚合类的父类 。 对于每一个建筑物而言 ,在三维模型中把它当作 一个 C ityO b jec tM em be r看待 , 它的空间属性可以用不 同 LOD2层次的数据来描述。 4 结语 CityGML 致力于提供三维城市模型数据标准 ,避免针 对不同的应用进行大量的重复建模工作 ,便于在网络环 境下实现三维数据的交换与互操作。C ityGML2009年发 布了 0. 4. 0版本。C ityGML 被 OGC评为 GML 最佳实践项 目 ,预计将很快成为 OGC的一项标准。 图 2 建筑物模型在 LOD4 下的 UML 图 在软件支持方面 ,目前 L andXp lo re r等软件可编辑 并对 C ityGML 进行三维可视化展示 ;英国 Snowflake软 在 LOD3层次下 ,建筑物的空缺部分用 Op en ing类件公司的 GO Pub lishe r,是一款 W FS服务器软件 ,可以 对象来表达 ,其派生类包括 Doo r和 W indow 等 。Op en2 ()下转第 42页 ings类是 C ityO b jec t类的派生类 ,意味着可以直接从外 部数据集直接引用它的对象实例 。 参考文献 4 结 语 [ 1 ] 伊云忠 ,丰勇. 基于 A u tode sk M ap 实现测量数据的快速随着规划 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 电子报批在规划行业的推广和应用 , ( ) 转换 [ J ]. 测绘与空间地理信息 , 2009 , 32 2 ; 69,70 李电子报批数据已经成为规划行业信息化的一项重要数据 垚 ,赵卫东 ,卫刚. 城市规划建筑图纸电子报批系统实 源。将电子报批数据转换为 GIS数据 ,不仅有利于电子 [ 2 ] ( ) 施与关键技术 [ J ]. 计算机应用 , 2007 , 27 12 ; 242,243 报批数据的管理和共享 ,而且有利于电子报批数据在规 沈奇祥 ,闻平 ,张鸿辉. 东莞市城市规划电子报批实践初 划业务中的深度应用。本文提出了一种基于 Autode sk [ 3 ] ( ) 探 [ J ]. 地理空间信息 , 2009, 7 1; 103,105 Map 平台的电子报批数据到 GIS数据的转换方法 ,并在哈 李五夫 ,修洪玉 ,李东海 ,魏志寰. 城市规划电子报批系 尔滨市城乡规划局电子报批系统中得到了应用。 ( ) 统的设计与实现 [ J ]. 城市勘测 , 2007 4: 23,25 [ 4 ] Research on Tran sforma tion M ethod From Electron ic Approva l Da ta to G IS Da ta L i H ao, Guo M engCh i, L i J inL ing ( )H ae rb in Exp lo ra tion and Su rveying In stitu te, H ae rb in 150010 , Ch ina A b stra c t: Th is p ap e r ana lyse s the cha rac te ristic s of e lec tron ic app rova l and p rob lem s of tran sfo rm a tion from e lec tron2 ic app rova l da ta to G IS da ta, p ropo se s the tran sfo rm a tion m e thod ba sed on A u tode sk M ap , en su ring comp le tene ss and co r2 rec tne ss of sp a tia l and a ttribu tive info rm a tion. Th is m e thod ha s u sed in H a rb in U rban and R u ra l P lann ing B u reau E lec2 tron ic App rova l System , wh ich is va lid. Key word s: E lec tron ic App rova l; G IS; A u tode sk M ap; D a ta tran sfo rm a tion () 上接第 7页 从关 系 数 据 库 中 把 三 维 模 型 数 据 直 接 发 布 成 为 [ 2 ] Thom a s Ko lbe, Sam B acha rach, C ityGML: A n Op en Standa rd C ityGML 数据。一些主流 G IS 软件已部分支持 GML fo r 3D C ity Mode ls. h ttp: / /www. d irec tion sm ag. com / a rti2 文件的读取 ,如 A rcG IS9 等 ,可以期待当 C ityGML 成为 c le. p hp ? a rtic le_ id = 2209&trv = 1 , 2006 O GC标准之后 ,会得到更多 G IS平台的支持 。 Op en Geo sp a tia l Con so rtium Inc, W eb 3D Se rvice, h ttp s: / / [ 3 ] po rta l. op engeo sp a tia .l o rg / file s / ? a rtifac t_ id = 8869, 2005 李军. 三维 G IS空间数据模型及可视化技术研究 [学位 [ 4 ] 参考文献论文 ]. 长沙 :国防科学技术大学 , 2000 [ 1 ] Thom a s H. Ko lbe, C ityGML - In te rop e rab le A cce ss to 3D (朱庆. 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B a sed on the standa rd GML3 , C ityGML cove rs the geom e trica l, topo log2 ica l, and sem an tic a sp ec ts of 3D c ity mode ls. In C ityGML , sp a tia l and sem an tic p rop e rtie s of 3D u rban ob jec ts a re struc2 tu red in five con secu tive leve ls of de ta il. Th roughou t the p ap e r, sp ec ia l focu s is on the d igita l te rra in mode l and bu ild ing mode l of C ityGML. Key word s: C ityGML; 3D c ity mode l; d igita l te rra in mode l; bu ild ing mode l