基于天正CAD的三維建筑構(gòu)件信息抽取方法

李冠男，萬小飛，張 馳,2*，孟源思，陸吳軼，張麗莉

（1.南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.江西省測繪應(yīng)急保障服務(wù)中心，江西 南昌330209）

基于天正CAD的三維建筑構(gòu)件信息抽取方法

李冠男1，萬小飛2,3，張 馳1,2*，孟源思1，陸吳軼1，張麗莉1

（1.南通大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南通 226019；2.虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.江西省測繪應(yīng)急保障服務(wù)中心，江西 南昌330209）

面向公眾服務(wù)的建筑物數(shù)據(jù)模型，需對可視化與應(yīng)用分析提供支持；能對建筑內(nèi)部進行表達，并包含相應(yīng)的語義信息。以天正CAD建筑施工圖為數(shù)據(jù)來源，基于其所提供的組碼信息與二次開發(fā)接口，實現(xiàn)了建筑構(gòu)件的識別與信息抽取?；谠摲椒ㄋ崛〉慕ㄖ?gòu)件包含語義、定位、幾何、屬性、關(guān)系等信息，能為三維城市建設(shè)中內(nèi)外一體化三維建筑模型的建立和應(yīng)用提供完備的數(shù)據(jù)來源。

三維建模；建筑構(gòu)件；語義信息；天正CAD

作為三維城市的重要組成部分，建筑物三維建模對三維城市建設(shè)具有重要意義。目前國內(nèi)外對建筑物三維建模的研究較多，主要是基于激光掃描數(shù)據(jù)[1-3]、影像數(shù)據(jù)[4-5]、建筑CAD圖紙[6-8]3類數(shù)據(jù)源對建筑物進行建模，但建模方法仍存在不足。其中基于激光掃描數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)的建模方法主要是針對建筑物外表面建模，所構(gòu)建的模型缺乏語義信息；基于建筑CAD圖紙的建模，由于其施工圖以線框模型為主，數(shù)據(jù)復(fù)雜瑣碎，至今尚未形成成熟的建模方法。隨著三維城市建設(shè)的不斷推進，面向公眾服務(wù)的建筑物三維模型，除了需要能夠支持可視化，還需要對路徑導(dǎo)航、氣流分析、日照分析等應(yīng)用提供支持[9]。這就要求所構(gòu)建的建筑物三維模型能夠?qū)ㄖ飪?nèi)部進行表達，并包含相應(yīng)的語義信息。建筑構(gòu)件是建筑物的基本組成部分，建筑物中包含的各類建筑空間都是由建筑構(gòu)件圍合而成的。因此，要實現(xiàn)內(nèi)外一體化的三維建筑模型構(gòu)建，首先需要對建筑構(gòu)件信息進行抽取。

天正CAD是根據(jù)AutoCAD二次開發(fā)框架Object ARX建立的插件系統(tǒng)，目前國內(nèi)90%的建筑設(shè)計單位采用天正建筑軟件繪制建筑施工圖。天正CAD在AutoCAD基本幾何要素對象的基礎(chǔ)上擴展設(shè)計了常用構(gòu)件的建筑領(lǐng)域?qū)I(yè)對象模型，將建筑構(gòu)件以單個對象的方式進行管理，并提供相關(guān)的訪問接口。通過該方式產(chǎn)出的建筑施工圖包含了地理空間分析所需的語義、定位、幾何、屬性等信息，可為城市建筑物三維建模提供一種簡便、快捷的方法。綜上所述，本文以天正CAD建筑施工圖為數(shù)據(jù)來源，基于其所提供的接口，研究了建筑構(gòu)件的識別與數(shù)據(jù)抽取方法，為包含語義信息的三維城市建筑物三維建模提供支持。

圖1 部分組碼與組碼說明示例（以墻體為例）

1 天正CAD及接口分析

天正CAD的自定義對象技術(shù)將二維圖形描述與三維空間表現(xiàn)融于一體，利用參數(shù)化的建筑構(gòu)件作為基本設(shè)計單元進行建筑設(shè)計。天正CAD與普通CAD的基本繪圖元素存在一定區(qū)別。普通CAD是以點、線、面等幾何元素來繪圖，而天正CAD則以墻、門、窗、柱等建筑類元素來繪圖，即天正的自定義對象。天正CAD將建筑構(gòu)件的各種屬性以參數(shù)化的形式封裝起來，使得建筑構(gòu)件包含了三維信息。

天正CAD可兼容普通CAD的dwg、dxf等文件格式。dxf文件由多個段組成，每段又由很多“代碼”和“值”組成的“數(shù)據(jù)對”構(gòu)造而成。這里的代碼稱為組碼，記錄了圖形的全部信息。天正CAD的每個自定義對象都有各自的組碼結(jié)構(gòu)和組碼說明。如圖1所示，天正CAD自定義對象的組碼和組值中包含了對象的語義、定位、幾何、關(guān)系、屬性等信息，通過組碼得到的值就能重現(xiàn)這些建筑構(gòu)件對象的相關(guān)信息。通過天正CAD提供的二次開發(fā)接口，可以識別并抽取這些組碼與組值：利用抽取出的這些自定義對象的語義、定位、幾何、屬性、關(guān)系等信息，可進行建筑構(gòu)件的三維建模，進而對建筑物的三維模型進行構(gòu)建。

2 建筑構(gòu)件信息抽取

基于上述分析，本文針對天正CAD自定義對象中提供組碼信息的建筑構(gòu)件進行信息抽取，包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、抽取程序開發(fā)、抽取結(jié)果分析等步驟，如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)抽取流程圖

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

相同結(jié)構(gòu)的樓層通常繪制在同一個平面圖上，將導(dǎo)致每張圖紙的定位信息與實際定位不符，每個樓層的起始坐標(biāo)值不一致，需對其進行統(tǒng)一調(diào)整；另外，每一層建筑的起始高度也需由初始層數(shù)據(jù)逐一恢復(fù)其準確的Z值坐標(biāo)。因此在建筑構(gòu)件抽取之前，需對建筑圖紙進行預(yù)處理，包括圖紙規(guī)范性檢查、圖紙分幅和圖紙坐標(biāo)配準。

2.2 數(shù)據(jù)抽取流程

本文通過對象標(biāo)識碼識別建筑構(gòu)件，并獲取它們的組碼與組值數(shù)據(jù)，具體步驟為：①利用高級程序設(shè)計語言調(diào)用LISP命令，基于天正自定義對象的對象識別碼，獲取相關(guān)對象的圖元名。②遍歷獲取的圖元名，逐行輸出自定義對象的組碼、組值信息，實現(xiàn)圖層對象組碼信息的抽取。③部分建筑構(gòu)件存在子構(gòu)件，如直線梯段和樓梯扶手是雙跑樓梯的組成部分，雙跑樓梯與直線梯段、樓梯扶手之間存在相互聚合關(guān)系，針對這種建筑構(gòu)件，進一步提取其子構(gòu)件的信息，并保留其與主構(gòu)件之間的層次等級關(guān)系。④將提取的構(gòu)件組碼、組值信息按樓層進行保存。

2.3 抽取結(jié)果分析

對提取出來的建筑構(gòu)件組碼、組值信息進行融合，并利用獲取的建筑構(gòu)件的語義、定位、幾何、屬性、關(guān)系等信息構(gòu)建腳本，生成相應(yīng)的構(gòu)件模型。

圖3 示例實景圖與建筑施工圖

3 實例驗證

本文以南京師范大學(xué)中北學(xué)院綜合樓的天正建筑施工圖（圖3）為數(shù)據(jù)源，進行數(shù)據(jù)抽取。整套建筑施工圖包括圖紙目錄、建筑設(shè)計說明、建筑平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖和建筑詳圖。平面圖紙包括一 層平面圖、二層平面圖、三層平面圖、四層平面圖，包含墻、門、窗、轉(zhuǎn)角窗、雙跑樓梯、陽臺、直線梯段7種建筑構(gòu)件。

根據(jù)本文所述方法，采用LISP語言，識別每層平面圖中對象標(biāo)識碼為TCH_WALL、TCH_OPENING、TCH_RECTSTAIR、TCH_ASCENT、TCH_ BALCONY、TCH_LINESTAIR、TCH_CORNER_ WINDOW、TCH_COLUMN的建筑構(gòu)件，獲取建筑構(gòu)件的全部組碼、組值數(shù)據(jù)，并按樓層號進行存儲；然后將提取的建筑構(gòu)件信息以txt格式保存，提取的部分組碼、組值信息見圖4。從抽取的組碼、組值中可以看出，門窗所包含的語義、定位、幾何、屬性、關(guān)系等信息均被成功抽取。

圖4 數(shù)據(jù)抽取結(jié)果示例

本文利用抽取的數(shù)據(jù)構(gòu)建MaxScript腳本，在3ds Max中生成了內(nèi)外一體化的建筑物三維模型，模型中的構(gòu)件包括墻、門、窗、轉(zhuǎn)角窗、雙跑樓梯、陽臺、直線梯段等。通過模型中的構(gòu)件可以看出，利用抽取的數(shù)據(jù)準確地構(gòu)建了建筑物三維模型，抽取數(shù)據(jù)準確完善。圖5為所構(gòu)建模型的整體效果圖和二層的內(nèi)部效果圖。

圖5 模型效果圖

4 結(jié) 語

面向公眾服務(wù)的建筑物三維模型，不僅需要能支持可視化，而且需要對應(yīng)用分析提供支持，這就要求所構(gòu)建的建筑物數(shù)據(jù)模型包含語義、定位、幾何、屬性、關(guān)系等信息。天正CAD建筑施工圖具有空間定位精度高、語義明晰等特點，相對于其他建筑圖紙更適用于建筑物三維模型建模與數(shù)據(jù)抽取。基于天正CAD建筑施工圖所提供組碼信息以及二次開發(fā)接口，可實現(xiàn)對三維建筑構(gòu)件信息的抽取，為三維城市建設(shè)中，建筑物的建模和分析提供了一條簡便快捷的方法。在今后的工作中，將基于本文所抽取的建筑構(gòu)件信息，實現(xiàn)建筑空間的提取以及建筑關(guān)系的重構(gòu)，從真正意義上實現(xiàn)支持可視化與應(yīng)用分析的建筑物數(shù)據(jù)模型構(gòu)建。

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P208

B

1672-4623（2017）07-0109-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.033

李冠男，研究方向為地理信息系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

2016-04-18。

項目來源：國家自然科學(xué)基金資助項目（41501422）；大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練資助項目（201510304094X）；南通市科技資助項目（BK2014023）；江蘇省測繪科研資助項目（JSCHKY201406）。（*為通訊作者）