数字城市中三维城市模型构建技术探究

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1、数字城市中三维城市模型构建技术探究摘要：三维城市模型标准化的研究，尚未引起国内学者的注意，本文基于笔者多年从事数字城市的相关工作经验,以三维城市模型为研究对象，分析了CityGML模型的概念，专题模型的构建方法，给出了构建的实例，全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华，相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。关键词：CityGML三维城市模型数字地形模型建筑物模型中图分类号：TP3文献标识码：A文章编号：1672-3791(2012)12(c)-0028-02三维城市模型数据的交换需要面对GIS业界历来关注

2、的数据异构问题，即交互的两个系统之间存在语法、语义差异。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、时间等信息的能力，便于地理信息的分布式存储和交换。以GML为介质的WFS(网络要素服务)接口规范，得到了GIS软件厂商的广泛支持，为异构地理信息系统之间实现了语法级的互操作。语义互操作性设想在某一领域存在对现实世界的对象及其属性和关系的公认定义，然而目前尚未有被广泛认可的三维城市语义模型存在。近年来，人们也提出了一些三维城市模型，但这些模型大多是纯几何模型，而忽略了语义和拓扑层面，基本上只能用于可视化目

3、的，对专题查询、分析或空间数据挖掘等支持很差，可重用性有限。因此有必要采用泛化建模方法，以满足不同应用场合的信息需求oCityGML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于2002年开始研发，致力于描述三维城市对象的共同语义信息，以期能成为三维城市模型数据交换格式标准。而三维城市模型标准化的研究，尚未引起国内学者的注意。1CityGML基本概念1.1细节层次模型(L0D)Clark于1976年最初提出了细节层次模型的概念。根据处理分析和展示多源数据的需要，CityGML把描述三维城市对象的精细程

4、度分为5个细节层次。L0D0实质上就是2.5维的DTM数据，可以在其上叠加航空影像或者2维地图。L0D1用块状表示建筑物，屋顶、纹理数据、植被对象在L0D2层次描述。L0D3层次描述建筑物的结构，包括墙、屋顶结构、阳台等，可以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外,交通对象、植被对象在这一层次做了更精细地描述。L0D4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯、家具等对象进行建模。不同细节层次，点位的定位精度要求是不一样的，如L0D1下定位精度要求为5m,而在L0D4下要求为0.2m甚至更小。因此可以通过LOD级别来评价三

5、维城市数据集的质量。由此可见，用户可根据应用需求，采用不同的层次建模。在一个CityGML数据集中，同一对象可以在不同细节层次上表示，而同一个对象的不同细节层次的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。1.2几何拓扑建模如果既要维护空间完整性又要避免对象的几何描述数据的冗余，几何拓扑模型是比不可少的。IS019107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。因此基于IS019107

6、,CityGML采用更为紧凑易用的模型。CityGML用边界表达方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模，即0〜3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等。边、面、立体等基元可以相应地聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求点、边、面、立体基元及聚合体必须满足一些完整性约束，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的，它们的体积即为两者体积之和，反之若允许两个立体基元

7、有交叉的话，计算它们的体积将麻烦得多。1.3几何语义建模CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征方面，CityGML通过专题模型描述现实对象（如建筑物）及其属性、层次关系等。在空间特征方面，现实对象的空间属性即为几何拓扑对象。CityGML模型涵盖语义和几何拓扑两个层次体系，其优点是便于分别在各自层次体系中遍历，或在它们之间相互遍历。1.4闭合面和地下对象在三维建模时，隧道、地下人行通道等地下对象，其建模方法有别于一般的地表面对象。首先不易确定其几何体类型。地上对象可直观地使用一个闭合

8、几何体表达其形状，但对地下对象，却需要形象描述其中空部分所处的空间。IS019107标准用外壳表达这样的中空部分。然而，既然这个外壳是闭合的，即不应存在从其内部连接到外部的通道，但这和人造地下构筑物的概念不相符合。因此，必须使模型能够较好的表达地下构筑物的入口。另一个问题是地下对象和DTM的无缝集成。其一是在DTM中