數(shù)字城市中三維城市模型構(gòu)建技術(shù)研究

摘 要：三維城市模型標(biāo)準(zhǔn)化的研究，尚未引起國(guó)內(nèi)學(xué)者的注意，本文基于筆者多年從事數(shù)字城市的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以三維城市模型為研究對(duì)象，分析了CityGML模型的概念，專題模型的構(gòu)建方法，給出了構(gòu)建的實(shí)例，全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞：CityGML 三維城市模型 數(shù)字地形模型 建筑物模型

中圖分類號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0028-02

三維城市模型數(shù)據(jù)的交換需要面對(duì)GIS業(yè)界歷來(lái)關(guān)注的數(shù)據(jù)異構(gòu)問(wèn)題，即交互的兩個(gè)系統(tǒng)之間存在語(yǔ)法、語(yǔ)義差異。地理標(biāo)記語(yǔ)言（GML）封裝了空間地理參考系統(tǒng)，具有描述幾何拓?fù)?、時(shí)間等信息的能力，便于地理信息的分布式存儲(chǔ)和交換。以GML為介質(zhì)的WFS（網(wǎng)絡(luò)要素服務(wù)）接口規(guī)范，得到了GIS軟件廠商的廣泛支持，為異構(gòu)地理信息系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)法級(jí)的互操作。語(yǔ)義互操作性設(shè)想在某一領(lǐng)域存在對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的對(duì)象及其屬性和關(guān)系的公認(rèn)定義，然而目前尚未有被廣泛認(rèn)可的三維城市語(yǔ)義模型存在。

近年來(lái)，人們也提出了一些三維城市模型，但這些模型大多是純幾何模型，而忽略了語(yǔ)義和拓?fù)鋵用?，基本上只能用于可視化目的，?duì)專題查詢、分析或空間數(shù)據(jù)挖掘等支持很差，可重用性有限。因此有必要采用泛化建模方法，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的信息需求。CityGML由德國(guó)北萊茵河-威斯特伐利亞地區(qū)空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施三維特別興趣小組于2002年開(kāi)始研發(fā)，致力于描述三維城市對(duì)象的共同語(yǔ)義信息，以期能成為三維城市模型數(shù)據(jù)交換格式標(biāo)準(zhǔn)。而三維城市模型標(biāo)準(zhǔn)化的研究，尚未引起國(guó)內(nèi)學(xué)者的注意。

1 CityGML基本概念

1.1 細(xì)節(jié)層次模型（LOD）

Clark于1976年最初提出了細(xì)節(jié)層次模型的概念。根據(jù)處理分析和展示多源數(shù)據(jù)的需要，CityGML把描述三維城市對(duì)象的精細(xì)程度分為5個(gè)細(xì)節(jié)層次。LOD0實(shí)質(zhì)上就是2.5維的DTM數(shù)據(jù)，可以在其上疊加航空影像或者2維地圖。LOD1用塊狀表示建筑物，屋頂、紋理數(shù)據(jù)、植被對(duì)象在LOD2層次描述。LOD3層次描述建筑物的結(jié)構(gòu)，包括墻、屋頂結(jié)構(gòu)、陽(yáng)臺(tái)等，可以把高分辨率的紋理疊加到這些結(jié)構(gòu)面上。此外，交通對(duì)象、植被對(duì)象在這一層次做了更精細(xì)地描述。LOD4層次主要對(duì)房間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、門(mén)、窗、樓梯、家具等對(duì)象進(jìn)行建模。

不同細(xì)節(jié)層次，點(diǎn)位的定位精度要求是不一樣的，如LOD1下定位精度要求為5 m，而在LOD4下要求為0.2 m甚至更小。因此可以通過(guò)LOD級(jí)別來(lái)評(píng)價(jià)三維城市數(shù)據(jù)集的質(zhì)量。

由此可見(jiàn)，用戶可根據(jù)應(yīng)用需求，采用不同的層次建模。在一個(gè)CityGML數(shù)據(jù)集中，同一對(duì)象可以在不同細(xì)節(jié)層次上表示，而同一個(gè)對(duì)象的不同細(xì)節(jié)層次的數(shù)據(jù)也可以分別放在兩個(gè)數(shù)據(jù)集中。細(xì)節(jié)層次模型既便于三維對(duì)象可視化展示，也便于多源數(shù)據(jù)的集成。

1.2 幾何拓?fù)浣?/p>

如果既要維護(hù)空間完整性又要避免對(duì)象的幾何描述數(shù)據(jù)的冗余，幾何拓?fù)淠Ｐ褪潜炔豢缮俚?。ISO19107標(biāo)準(zhǔn)已建立表達(dá)空間對(duì)象的幾何屬性與拓?fù)潢P(guān)系的概念。然而該標(biāo)準(zhǔn)提供了大量的建模選擇，如果建模目的僅局限于某一方面，該標(biāo)準(zhǔn)顯得太過(guò)復(fù)雜。因此基于ISO19107，CityGML采用更為緊湊易用的模型。

CityGML用邊界表達(dá)方法對(duì)專題對(duì)象的空間屬性進(jìn)行幾何拓?fù)浣?，?～3維基本幾何元素分別為點(diǎn)、邊、面、立體等。邊、面、立體等基元可以相應(yīng)地聚合成為弧聚合體、面聚合體、立體聚合體。CityGML要求點(diǎn)、邊、面、立體基元及聚合體必須滿足一些完整性約束，確保模型的一致性。如幾何基元內(nèi)部元素必須是相離的，如果兩個(gè)元素有公共邊界，則該邊界必須是低一維的幾何基元。這些約束條件消除數(shù)據(jù)冗余，并確保拓?fù)潢P(guān)系清晰性，如任兩個(gè)立體基元之間是相離的，它們的體積即為兩者體積之和，反之若允許兩個(gè)立體基元有交叉的話，計(jì)算它們的體積將麻煩得多。

1.3 幾何語(yǔ)義建模

CityGML實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間對(duì)象的幾何拓?fù)鋵傩院驼Z(yǔ)義進(jìn)行一致性建模。在語(yǔ)義特征方面，CityGML通過(guò)專題模型描述現(xiàn)實(shí)對(duì)象（如建筑物）及其屬性、層次關(guān)系等。在空間特征方面，現(xiàn)實(shí)對(duì)象的空間屬性即為幾何拓?fù)鋵?duì)象。CityGML模型涵蓋語(yǔ)義和幾何拓?fù)鋬蓚€(gè)層次體系，其優(yōu)點(diǎn)是便于分別在各自層次體系中遍歷，或在它們之間相互遍歷。

1.4 閉合面和地下對(duì)象

在三維建模時(shí)，隧道、地下人行通道等地下對(duì)象，其建模方法有別于一般的地表面對(duì)象。首先不易確定其幾何體類型。地上對(duì)象可直觀地使用一個(gè)閉合幾何體表達(dá)其形狀，但對(duì)地下對(duì)象，卻需要形象描述其中空部分所處的空間。ISO19107標(biāo)準(zhǔn)用外殼表達(dá)這樣的中空部分。然而，既然這個(gè)外殼是閉合的，即不應(yīng)存在從其內(nèi)部連接到外部的通道，但這和人造地下構(gòu)筑物的概念不相符合。因此，必須使模型能夠較好的表達(dá)地下構(gòu)筑物的入口。

另一個(gè)問(wèn)題是地下對(duì)象和DTM的無(wú)縫集成。其一是在DTM中產(chǎn)生孔洞描述入口，然而DTM要描述地表面，要求不應(yīng)存在孔洞。

當(dāng)DTM和地下對(duì)象集成時(shí)，確保它們?cè)谌肟谔師o(wú)縫接合，可用受約束三角網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即把地下對(duì)象和地表相交形成的邊，當(dāng)作DTM的邊，相交面為兩者所共有。CityGML引進(jìn)了“閉合面”（ClosureSurface）這個(gè)概念，對(duì)于沒(méi)有閉合的對(duì)象，用虛擬的“閉合面”縫合，如這里提到的相交面。當(dāng)計(jì)算體積時(shí)，把地下對(duì)象當(dāng)作閉合實(shí)體來(lái)看待，當(dāng)進(jìn)行可視化時(shí)，把相交面設(shè)為不可見(jiàn)。

1.5 三維模型的簡(jiǎn)化

CityGML支持對(duì)現(xiàn)實(shí)對(duì)象精細(xì)化描述，但并不意味著在建模時(shí)一味地盲目追求仿真、模擬原形。對(duì)于具有幾何不變性、表面材質(zhì)紋理的相似性及重要的形狀和位置特征（朱慶等，2003）的現(xiàn)實(shí)對(duì)象，如同一種類的樹(shù)木、路燈、電桿等，CityGML采用幾何隱含的建模方法，即建立一個(gè)逼真的三維模型（保存到VRML、DXF或X3D文件中）重復(fù)使用，三維模型的定位由表達(dá)其三維空間地理位置的參考點(diǎn)（referencePoint）和空間姿態(tài)參數(shù)（一個(gè)4維變換矩陣）決定。

2 專題模型

作為一種多功能三維城市數(shù)據(jù)模型和交換格式，CityGML基于ISO191XX系列標(biāo)準(zhǔn)，用GML3實(shí)現(xiàn)了建筑物、DTM、交通、植被、水資源、城市設(shè)施、土地利用等三維城市模型。作為示例，本文介紹DTM模型和建筑物模型。

2.1 DTM模型

地形在三維城市建模中重要一部分，CityGML用起伏要素（ReliefFeature）來(lái)描述，一個(gè)起伏要素對(duì)象描述了某一塊地域的地形起伏。地形可以表現(xiàn)為規(guī)則格網(wǎng)（RasterRelief）、不規(guī)則三角形（TINRelief）、斷裂線（BreaklineRelief）、質(zhì)點(diǎn)集（一系列三維點(diǎn)，MassPointRelief）等。斷裂線表示地形表面不連續(xù)的部分，如山脊、峽谷等，在幾何上表現(xiàn)為三維曲線。

在CityGML數(shù)據(jù)集中，這四種地形表現(xiàn)形式可以靈活組合。首先，每種類型均可在不同LOD中出現(xiàn)，反映不同的精度和分辨率。其次，每塊地表可用不同組合方式來(lái)描述，如格網(wǎng)和斷裂線，或TIN、斷裂線的組合。在這種情形下，斷裂線和不規(guī)則三角網(wǎng)必須縫合。再次，相鄰地域的地形可以使用不同的形式表達(dá)。為便于不同地域地形的組合，每一起伏要素對(duì)象用一個(gè)二維（可含“洞”）多邊形來(lái)指定它的有效范圍，這種方法便于對(duì)不同精度的地形進(jìn)行拼合（圖1）。

2.2 建筑物模型

建筑物模型是CityGML的核心，用于表達(dá)建筑物及組成部分、附屬部分的空間和專題特征。圖2描述了建筑物模型在LOD4下的類及其關(guān)系，圖3給出四種細(xì)節(jié)層次下建筑物的展示效果。AbstractBuilding類是該模型的樞紐，它是CityObject類的子類。AbstractBuilding的派生類有BuildingPart和Building類，即把建筑物的某一部分在建模時(shí)把它當(dāng)作抽象“建筑物對(duì)象”。另外，一個(gè)Building對(duì)象可以是一個(gè)復(fù)雜建筑物對(duì)象（BuildingComplex）的一部分。

建筑物和地形的集成是三維城市建模的一個(gè)重要課題，特別是當(dāng)考慮不同LOD層次的地形數(shù)據(jù)和建筑物模型數(shù)據(jù)疊加時(shí)。為此引入了建筑物和地表面的“交叉曲線”（TerrainIntersection）這個(gè)概念，該曲線描述了建筑物和地表面接合的確切位置，為環(huán)繞該建筑物的一個(gè)閉環(huán)。如果某個(gè)建筑物包含院子，則該曲線由兩個(gè)閉環(huán)組成，依次類推。在集成時(shí)，把建筑物和地形表面進(jìn)行拖拽，直至其與交叉曲線縫合，確保紋理的正確定位。因不同LOD層次的數(shù)據(jù)精度不同，所以在一個(gè)建筑物可能在不同的LOD有相應(yīng)的交叉曲線。

在LOD2層次，已可以清晰分辨建筑物的各個(gè)面，如屋頂、墻、地板等。為消除數(shù)據(jù)冗余，表達(dá)它們空間屬性的面幾何體，同時(shí)又為表達(dá)整個(gè)建筑物的幾何立體所引用。建筑物的空缺部分如窗口，用閉合面表達(dá)。一個(gè)LOD2建筑物的幾何形狀，可由多個(gè)立體聚合體和面聚合體組成。此外，一個(gè)LOD2的建筑物還可能包括煙囪、陽(yáng)臺(tái)、天線等，用BuildingInstallation表示。CityGML對(duì)這類設(shè)施的幾何形狀類型沒(méi)有作限制，用ObjectGeometry類來(lái)描述。該類是SolidGeometries（立體聚合體）、CurveGeometries（弧聚合體）、SurfaceGeometries（面聚合體）等聚合類的父類（圖2）。

在LOD3層次下，建筑物的空缺部分用Opening類對(duì)象來(lái)表達(dá)，其派生類包括Door和Window等。Openings類是CityObject類的派生類，意味著可以直接從外部數(shù)據(jù)集直接引用它的對(duì)象實(shí)例。

LOD4對(duì)LOD3進(jìn)一步作了補(bǔ)充，添加了對(duì)建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)的描述，如“房間”為天花板、內(nèi)墻、地板等面“包”住。多個(gè)房間聚合成“房間組合體”（GroupOfRooms），房間之內(nèi)放置家具（Building_Furnitures）、附屬設(shè)施等。CityGML區(qū)分二者的準(zhǔn)則是前者是房間內(nèi)可移動(dòng)的部分，而后者是永久性地和房間固定在一起，如樓梯、柱子。在LOD4層次，門(mén)在拓?fù)湟饬x上連接了兩個(gè)鄰接的房間，即表示門(mén)的面體在幾何意義上是兩個(gè)房間幾何體的邊界之一部分（圖3）。

3 建模實(shí)例

CityGML目前主要在德國(guó)的柏林等幾個(gè)城市得到了應(yīng)用。柏林市建設(shè)了一個(gè)虛擬三維城市模型系統(tǒng)，其系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)基于CityGML的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，用于存儲(chǔ)和管理三維數(shù)據(jù)，目前主要有以下類型的數(shù)據(jù)： （1）地籍?dāng)?shù)據(jù)。（2）航空影像。（3）DTM（數(shù)字地型模型），20 m精度部分作為框架數(shù)據(jù)，高分辨率DTM作為三維城市模型的核心數(shù)據(jù)，特殊地區(qū)用TIN建模。（4）建筑物模型數(shù)據(jù)，在大約250 km2范圍內(nèi)采用激光掃描或攝像測(cè)量方法對(duì)建筑物進(jìn)行三維重建，LOD3、LOD4層次的數(shù)據(jù)主要通過(guò)CAD或3D MAX等工具建模，然后再轉(zhuǎn)換成為CityGML格式。

CityGML開(kāi)發(fā)人員也做了一些應(yīng)用于災(zāi)害管理方面的建模實(shí)驗(yàn)，如在洪水淹沒(méi)仿真時(shí)，評(píng)估人員可以根據(jù)樓層的高度和樓層的地下部分，評(píng)估建筑物的受損程度；利用建筑物內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，求解水、煙氣等的通路，用經(jīng)典的最短路徑算法來(lái)計(jì)算逃生路徑等。對(duì)于每一個(gè)建筑物而言，在三維模型中把它當(dāng)作一個(gè)cityObjectMember看待，它的空間屬性可以用不同LOD2層次的數(shù)據(jù)來(lái)描述。

4 結(jié)語(yǔ)

CityGML致力于提供三維城市模型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，使人們避免針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行大量的重復(fù)建模工作，便于在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的交換與互操作。CityGML開(kāi)發(fā)小組于2005年向OGC提交了0.3.0版本的討論稿，今年9月份在其網(wǎng)站上已經(jīng)發(fā)布了0.4.0版本，其專題模型還在完善之中。CityGML被OGC評(píng)為GML最佳實(shí)踐項(xiàng)目，預(yù)計(jì)將很快成為OGC的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。為使WFS規(guī)范支持CityGML，OGC已經(jīng)開(kāi)始做了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。波恩大學(xué)制圖與地理信息學(xué)院向OGC提交了W3DS（Web 3D Service）規(guī)范的討論稿，或許CityGML會(huì)像GML一樣，成為W3DS服務(wù)的傳輸介質(zhì)。

在軟件支持方面，目前LandXplorer等軟件可編輯并對(duì)CityGML進(jìn)行三維可視化展示；英國(guó)Snowflake軟件公司的GO Publisher，是一款WFS服務(wù)器軟件，可以從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中把三維模型數(shù)據(jù)直接發(fā)布成為CityGML數(shù)據(jù)。目前一些主流GIS軟件已經(jīng)部分支持GML文件的讀取，如ArcGIS9等，可以期待當(dāng)CityGML成為OGC標(biāo)準(zhǔn)之后，將會(huì)得到更多GIS平臺(tái)軟件的支持。

參考文獻(xiàn)

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