城市三維建模標(biāo)準(zhǔn)CityGML與KML的比較

王許輝+呂肖飛

摘要：隨著數(shù)字化城市概念的推廣，城市三維建模成為近幾年研究的熱點(diǎn)，它對(duì)城市規(guī)劃與管理具有重大的意義。該文首先簡(jiǎn)單介紹了城市三維建模，然后對(duì)城市三維建模中兩個(gè)關(guān)鍵的標(biāo)準(zhǔn)CityGML與KML進(jìn)行了介紹，最后從坐標(biāo)參考系統(tǒng)、拓?fù)涿枋?、?xì)節(jié)層次描述和對(duì)于復(fù)雜對(duì)象的分解處理4個(gè)方面對(duì)這兩種標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析，以便使用者選擇合適的方式實(shí)現(xiàn)城市三維建模。

關(guān)鍵詞： 城市三維建模；CityGML；KML

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）26-0013-03

Abstract： With the popularization of the concept of digital city， urban 3D modeling has become a hotspot in recent years， which is of great significance to urban planning management.Firstly， this paper introduces three-dimensional modeling of city， and then introduces two key standard CITYGML and KML in urban three-dimensional modeling. At last， the two standards are compared and analyzed from 4 aspects of spatial reference system， topology ， levels of detail and decomposition processing for complex objects， so that users can choose the appropriate way to build the three-dimensional modeling of city.

Key words： Urban 3D Modeling； CityGML； KML

城市作為人類(lèi)聚集稠密的區(qū)域，是具有交通環(huán)境、覆蓋有一定面積的人群與房屋的密集結(jié)合體，它為人類(lèi)生活提供了所需的生活空間，即城市空間。隨著社會(huì)的發(fā)展，人口急劇膨脹，城市的規(guī)模也隨之不斷擴(kuò)大，各項(xiàng)城市設(shè)施急劇增加，以至傳統(tǒng)的城市管理模式很難滿(mǎn)足其迅速發(fā)展的需要。因此，就催生出了“數(shù)字城市”的概念。現(xiàn)實(shí)世界是一個(gè)三維的世界，想要實(shí)現(xiàn)城市三維空間的表達(dá)與處理，建立城市三維模型是非常有必要的。傳統(tǒng)的三維城市建模技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已十分成熟，但絕大多數(shù)應(yīng)用還只是停留在視覺(jué)方面的表達(dá)，并且各個(gè)三維模型采用不同的技術(shù)，沒(méi)有統(tǒng)一的框架，不利于數(shù)據(jù)信息共享。在此背景下，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織OGC（Open Geospatial Consortium，開(kāi)放地理信息協(xié)會(huì)）推出了三維城市建模規(guī)范CityGML，KML也于2008年被OGC宣布為開(kāi)放地理資訊編碼。

1 城市三維建模

隨著城市的發(fā)展以及建模技術(shù)的逐漸成熟，許多城市都建立了自己的三維模型，用于城市的管理與規(guī)劃。但是現(xiàn)在大多數(shù)城市三維模型只是僅僅把高度作為第三維度，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)真正的三維，并且忽略了模型中的語(yǔ)義和拓?fù)潢P(guān)系，僅僅能夠滿(mǎn)足視覺(jué)方面的要求，不具備數(shù)據(jù)查詢(xún)以及數(shù)據(jù)分析的能力，顯然不能滿(mǎn)足現(xiàn)代城市進(jìn)程的需求。OGC是一個(gè)致力于為全球地理空間社區(qū)制定優(yōu)質(zhì)開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際非營(yíng)利組織，它制訂了一套空間數(shù)據(jù)表達(dá)和操作的抽象模型，下面簡(jiǎn)單介紹其中兩種基本的描述標(biāo)準(zhǔn)CityGML和KML。

2 CityGML

CityGML（城市三維模型描述的標(biāo)記語(yǔ)言）是由德國(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)施三維特定興趣小組研發(fā)，致力于描述三維城市對(duì)象的共同語(yǔ)義信息[1]。CityGML是基于XML編碼的，具有開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)模型和交換格式，用于存儲(chǔ)城市和景觀的數(shù)字三維模型。它定義了描述城市中的大多數(shù)常見(jiàn)三維特征和對(duì)象以及它們之間關(guān)系的方法，它還為三維對(duì)象定義了不同的標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別的細(xì)節(jié)，這允許用于不同應(yīng)用和目的的對(duì)象表示，例如模擬，城市數(shù)據(jù)挖掘、設(shè)施管理和專(zhuān)題查詢(xún)。CityGML被實(shí)現(xiàn)為GML3（Geography Markup Language，地理標(biāo)記語(yǔ)言3）的應(yīng)用模式。CityGML定義了一種用于描述三維對(duì)象的語(yǔ)義、幾何、拓?fù)浜屯庥^的標(biāo)準(zhǔn)模型和機(jī)制，并定義了五級(jí)細(xì)節(jié)級(jí)別。包括主題類(lèi)、聚合、對(duì)象之間的關(guān)系和空間屬性的泛化層次。CityGML是高度可擴(kuò)展的，數(shù)據(jù)集可以包括不同的城市實(shí)體，支持總體趨勢(shì)，不僅可以對(duì)個(gè)體建筑進(jìn)行建模，而且可以對(duì)整個(gè)場(chǎng)地、區(qū)域、城市、地區(qū)和國(guó)家進(jìn)行建模。

3 KML

KML（Keyhole Markup Language）最初是在OGC之外開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，由Google引入OGC的標(biāo)準(zhǔn)化。其目的是為了創(chuàng)建一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化語(yǔ)言，用于表示現(xiàn)有和未來(lái)的基于網(wǎng)絡(luò)的在線(xiàn)和移動(dòng)地圖（2D）和數(shù)字地球儀（3D瀏覽器）的地理注釋。

KML也是基于XML的語(yǔ)言，專(zhuān)注于地理可視化。地理可視化意味著在虛擬地球上的圖形數(shù)據(jù)的表示以及到特定位置的移動(dòng)和視圖定義的導(dǎo)航。KML與HTML最相似，KML實(shí)例文檔由地理瀏覽器以與Web瀏覽器中的HTML相同的方式進(jìn)行解釋[2]。

為了注釋地球，KML允許在地球表面上定義象形圖和文本標(biāo)記?？梢詾楸砻姹硎局付ǒB加圖像，并指定具有不同顯示樣式的2D和3D形狀。對(duì)于單個(gè)KML對(duì)象，HTML說(shuō)明可以與超鏈接和圖像相關(guān)聯(lián)。KML還可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)加載額外的KML文檔。這也包括加載具有紋理表面的計(jì)算機(jī)圖形模型。與GML不同，坐標(biāo)參考系統(tǒng)一設(shè)置為具有垂直數(shù)據(jù)WGS84 EGM96大地水準(zhǔn)面的WGS84橢球的地理坐標(biāo)。另外，KML在吸收和借鑒GML標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，刪除了地理模型中有關(guān)拓?fù)潢P(guān)系的描述，精簡(jiǎn)描述元素，使用基于標(biāo)簽（tags）的語(yǔ)法格式來(lái)描述地理信息[3]。由于Google Earth等產(chǎn)品的帶動(dòng)現(xiàn)在很多GIS應(yīng)用都采用此種格式進(jìn)行地理數(shù)據(jù)的交換。endprint

4 CityGML與KML比較

CityGML和KML都是基于XML的標(biāo)記性語(yǔ)言，都能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)共享的要求。城市三維建模是為了創(chuàng)建一個(gè)三維可視化的城市級(jí)別的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，用來(lái)滿(mǎn)足城市規(guī)劃中的分析和查詢(xún)工作，以便于城市的規(guī)劃和管理[6]。兩者作為均能對(duì)三維模型描述的通用的國(guó)際性標(biāo)準(zhǔn)，CityGML和KML都有自己的考量，本文將從以下4個(gè)方面對(duì)CityGML和KML分析比較，以便使用者根據(jù)自己的需求進(jìn)行選擇。

4.1 坐標(biāo)參考系統(tǒng)

點(diǎn)是空間描述的基礎(chǔ)，坐標(biāo)系可以用有序多元組來(lái)表示點(diǎn)的位置。坐標(biāo)系統(tǒng)的定義是描述空間信息最基本入手點(diǎn)。只有當(dāng)和它相關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)參考系統(tǒng)被完全定義時(shí)才能確定坐標(biāo)。GML對(duì)空間參考系統(tǒng)（Spatial Reference System，SRS）進(jìn)行編碼，是地理信息系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的前提。GML3定義了地理空間坐標(biāo)參考系統(tǒng)和投影關(guān)系及其編碼標(biāo)準(zhǔn)，便于不同應(yīng)用系統(tǒng)參考體系間的互相轉(zhuǎn)換。由于可以直接得到地理空間對(duì)象的屬性數(shù)據(jù)，因此GML可以作為數(shù)據(jù)源對(duì)各種統(tǒng)計(jì)分析和空間分析程序進(jìn)行分析。GML采用的空間參考系可以擴(kuò)展并且與當(dāng)前主要使用的投影類(lèi)型和地理參考系相一致。同時(shí)GML允許用戶(hù)定義自己的單位和參考系的參數(shù)[4]。

GML模式中的坐標(biāo)參考系統(tǒng)定義了參考系統(tǒng)模式referenceSystems.xsd、基準(zhǔn)模式datums.xsd、坐標(biāo)系統(tǒng)模式coordinateSystems.xsd、坐標(biāo)參考系統(tǒng)模式coordinateReferenceSystems.xsd、坐標(biāo)操作模式coordinateOperations.xsd、數(shù)據(jù)質(zhì)量模式dataQuality.xsd 6個(gè)GML模式文檔，用于編碼坐標(biāo)參考系統(tǒng)和坐標(biāo)操作。

6 個(gè)模式文檔在內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和依賴(lài)性上都有著密切的關(guān)系。這可以使GML直接引用獨(dú)立的坐標(biāo)系統(tǒng)并能按照要求轉(zhuǎn)換為所需的坐標(biāo)系統(tǒng)。例如，通過(guò)坐標(biāo)操作模式的定義，可以實(shí)現(xiàn)兩種坐標(biāo)系間的相互轉(zhuǎn)換，再通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量模式，控制所轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)的精度，確保轉(zhuǎn)換過(guò)程中的精確度。CityGML作為GML3的應(yīng)用Schema，是城市三維建模描述的一種應(yīng)用，沿用GML3的坐標(biāo)參考系統(tǒng)，因此CityGML也支持不同坐標(biāo)系的定義。

KML中坐標(biāo)系統(tǒng)的定義相較于CityGML則相對(duì)簡(jiǎn)單，它要求數(shù)據(jù)必須定義到WGS84坐標(biāo)系統(tǒng)下。這種方法可能會(huì)給使用者帶來(lái)不便，比如，建筑行業(yè)通常使用的是工程坐標(biāo)系，而使用者不可能都是使用工程坐標(biāo)系的，那么經(jīng)過(guò)KML的編碼后坐標(biāo)系就會(huì)發(fā)成變化，這會(huì)對(duì)使用者后期的工作帶來(lái)不便。

4.2 拓?fù)潢P(guān)系

空間實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系是進(jìn)行空間查詢(xún)、分析推理的基礎(chǔ)，是GIS中空間實(shí)體之間最重要、最基本的關(guān)系之一。有研究者指出，實(shí)體間的拓?fù)潢P(guān)系等同于實(shí)體本身[5]。在地理建模中，拓?fù)渲饕糜诩铀賻缀斡?jì)算。拓?fù)湓试S使用簡(jiǎn)單組合或代數(shù)算法以表示對(duì)象間的空間關(guān)系特征來(lái)進(jìn)行構(gòu)建。通過(guò)向城市空間數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用中添加拓?fù)淠Ｐ偷拿枋?，能夠提高?duì)空間信息分析和查詢(xún)的效率。

在CityGML中，可以顯式地表示拓?fù)??？臻g的每一部分可以?xún)H被建模一次，然后由包括相同幾何的所有特征引用，從而可以避免冗余并保持部件之間的明確的拓?fù)潢P(guān)系。CityGML也可以把拓?fù)淠Ｐ团c幾何模型分開(kāi)表示，用Xlink來(lái)進(jìn)行鏈接。

KML中則省略了GML中關(guān)于拓?fù)潢P(guān)系的描述，通過(guò)地標(biāo)的形式來(lái)標(biāo)注地球上的點(diǎn)。雖然通過(guò)幾何模型的定義，能夠?qū)崿F(xiàn)一些簡(jiǎn)單查詢(xún)，但是較存在拓?fù)涿枋龅腃ityGML來(lái)說(shuō)在查詢(xún)功能上則顯得尤為不足。

4.3 細(xì)節(jié)層次描述模型

CityGML支持細(xì)節(jié)級(jí)別（Levels of Detail，LoD）的概念。在一個(gè)CityGML數(shù)據(jù)集中，一個(gè)對(duì)象可以在多達(dá)5個(gè)離散和明確定義的LoD中同時(shí)表示，從單純的DTM到具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的建筑模型。這是通過(guò)特征類(lèi)僅對(duì)特定范圍的LoD有效才能實(shí)現(xiàn)的。例如，建筑要素類(lèi)對(duì)于LoD1到4是有效的，而邊界面要素類(lèi)只對(duì)LoD2到4有效。CityGML每一個(gè)細(xì)節(jié)級(jí)別具體定義為：LoD0，地域模型（Regional model），描述了具有單獨(dú)3D地標(biāo)的2.5D的DTM數(shù)據(jù)，可以疊加二維地圖或者是航空影像；LoD1，城市/場(chǎng)地模型（City/Site model），表現(xiàn)為沒(méi)有屋頂結(jié)構(gòu)的塊狀模型，其形狀由棱柱型拉伸而成；LoD2，城市/場(chǎng)地模型（City/Site model），已經(jīng)包括建筑物的屋頂模型和較大的延伸部分，如屋頂和樓梯；LoD3，（City/Site model）城市/場(chǎng)地模型，在LoD2的基礎(chǔ)上增加更多細(xì)節(jié)的建筑模型；LoD4，室內(nèi)模型（Interior model），在LoD3的基礎(chǔ)上增加了對(duì)建筑物的室內(nèi)的建模，即建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)、家具、門(mén)窗等設(shè)施都有詳細(xì)描述。CityGML文件可以但是不是必須包含所有的層級(jí)，使用者根據(jù)自己的需求建立所需的層級(jí)。

KML中關(guān)于LoD的定義的出發(fā)角度與CityGML不同，KML側(cè)重的是根據(jù)顯示的分辨率來(lái)為用戶(hù)呈現(xiàn)不同的可視化效果。KML規(guī)定幾個(gè)分辨率的范圍，當(dāng)分辨率在相應(yīng)的范圍內(nèi)時(shí)，給予相對(duì)分辨率下LoD的描述。KML對(duì)LoD的定義是利用KML中的LoD標(biāo)簽和Region標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。LoD標(biāo)簽用來(lái)給數(shù)據(jù)進(jìn)行分層，Region標(biāo)簽用于決定物體在目標(biāo)區(qū)域是否顯示。簡(jiǎn)單概括來(lái)說(shuō)，基于LoD技術(shù)的KML系統(tǒng)就是，只顯示屏幕中的物體其他的物體暫時(shí)不顯示，等到屏幕移動(dòng)到時(shí)再顯示，這樣的好處是便于加載。相對(duì)于CityGML來(lái)說(shuō)，基于KML的LoD技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于使用。

4.4 復(fù)雜對(duì)象分解處理方法

1） 重復(fù)模型的建模

在城市建模中會(huì)有比如路燈、樹(shù)木等相同結(jié)構(gòu)的實(shí)體重復(fù)的出現(xiàn)在不同的位置，若是對(duì)其重復(fù)的建模則會(huì)帶來(lái)不必要的工作量并增加了存儲(chǔ)空間的負(fù)擔(dān)。在CityGML中只需對(duì)原型模型矩陣變換即可。CityGML中類(lèi)似于路燈、樹(shù)木等相同形狀的物體可以分別用一個(gè)相同的原型來(lái)表示，在不同的位置對(duì)其進(jìn)行縮放、平移和旋轉(zhuǎn)操作即可實(shí)現(xiàn)[6]。endprint

2） 閉合表面

在城市三維建模時(shí)，由于地下隧道以及人行通道等建筑物不容易描述其空間形狀，給建模帶來(lái)了難度。ISO19107標(biāo)準(zhǔn)用“外殼”表達(dá)此類(lèi)物體的空間部分。但是“外殼”被定義為閉合體，也就是說(shuō)不存在從外部到內(nèi)部的通道，這與現(xiàn)實(shí)不符。另外還存在一個(gè)問(wèn)題就是地下通道和DTM的無(wú)縫集成問(wèn)題，因?yàn)镈TM要求不能存在空洞，也就是不能存在像地下通道入口這樣的非閉合面。這一問(wèn)題可用基于采樣點(diǎn)的不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）來(lái)解決，即把地下通道和DTM相交的邊當(dāng)做DTM的邊，相交面為兩者共有。CityGML引進(jìn)了“閉合面”的概念，對(duì)于非閉合的物體，用虛擬的閉合面縫合，比如地下通道和DTM的相交面。當(dāng)計(jì)算地下物體的體積時(shí)，把它當(dāng)做封閉的物體進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)需要可視化時(shí)，把相交面設(shè)定為不可見(jiàn)即可。

在KML中則沒(méi)有這兩項(xiàng)技術(shù)的定義。

5 總結(jié)

本文對(duì)城市三維建模CityGML和KML標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了比較分析，兩者都是基于XML，均具備數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)互操作的功能。在三維城市模型的背景下，CityGML提供了三維制圖設(shè)計(jì)的初始數(shù)據(jù)；KML是用于交換和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)過(guò)程結(jié)果的格式，可以直接存儲(chǔ)在三維瀏覽器中。CityGML和KML是互補(bǔ)的，而不是三維城市模型表示的競(jìng)爭(zhēng)標(biāo)準(zhǔn)。CityGML用于存儲(chǔ)和傳輸關(guān)于三維城市模型的語(yǔ)義信息，即城市空間中語(yǔ)義豐富的三維空間對(duì)象的交換。KML起到了GML的補(bǔ)充作用，因?yàn)镚ML較適用于模擬地理數(shù)據(jù)及其含義，而可視化方面較弱。KML注重于交換三維城市模型圖形表達(dá)的格式，即設(shè)計(jì)過(guò)程的結(jié)果。

CityGML可以很好地解決靜態(tài)模型，可以建立大規(guī)模的城市三維模型，這也是CityGML建立的初衷之一。而KML在動(dòng)態(tài)模型上則有很好的表現(xiàn)。因此，如果建立三維城市模型在存儲(chǔ)、管理和交換方面有較高的要求，則采用CityGML較為合適，特別是大規(guī)模的城市三維建模，若是使用者注重后期的應(yīng)用層，則KML較為合適。

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