城市级三维GIS场景快速构建及应用实践

城市级三维GIS场景快速构建及应用实践

引言

近年来,随着社会城镇化进程的加速及信息技术的不断发展,城市管理越来越趋于精细化,依托空间地理信息技术的数字城市建设是城市高效运行管理的基础。城市信息模型(CIM)是城市经过数字化所形成的直接成果,在数据类型上由大场景的GIS数据与BIM数据构成,属于新型智慧城市建设的基础数据。

当前,新型智慧城市建设还未全面深入开展,虽然我国智慧城市试点数量位居全球首位,但无论是特大型的一线城市还是中小型城市,开放、共享的城市信息模型数据仍未全面形成,直接的三维数据获取渠道尚未开放,且数据共享程度不高。多数城市的智慧化应用平台研发迫切需要城市级三维模型数据支撑。

针对上述现状,本文从二维空间人手,研究基于建筑底面轮廓的城市级三维GIS场景快速构建及应用技术。在乏信息的情况下,为CIM平台建设提供三维数据支撑,为简单模型支持下的城市三维可视化及城市运行管理提供解决思路。

1技术路线

本文所采用的城市级三维GIS场景快速构建方法技术路线共分为5个步骤。

(1)建筑底面轮廓数据获取。建筑底面轮廓数据即建筑物正射投影到地面所形成的边界矢量数据,且该数据属性需记录对应建筑的高度值或楼层数。建筑底面轮廓数据的获取途径大体上可分为以下3类:从城市全要素地形图直接提取建筑要素;以高分辨率遥感影像或航片为数据源,通过影像自动分类解译,辅以数据后处理获得;向正规渠道的图商采购或借助网络数据抓取手段获取(抓取手段获取的数据可靠性低,可用于实验,实际项目不宜采用)。

(2)拓扑连接及位置配准。得到建筑底面轮廓数据后,对数据进行质量检查及后处理,主要流程涵盖多段线的拓扑闭合处理、闭合线要素转面要素、矢量数据位置与影像底图配准、坐标转换统一。

(3)参数化、程序化建模。以经过处理后的建筑底面轮廓数据为基础,通过CityEngine程序化建模方式或CityMaker、CesiumLab参数化工具建模方式,实现城市级建筑白模批量自动化生成,并导出OBJ、FBX、OSG等通用格式的三维数据。

(4)属性完善。以数据支撑的智慧应用为出发点,通过自动链接方式为三维模型补充完善业务所需相关字段及属性,为可视化应用做铺垫。

(5)场景构建。将经过自动建模生成的城市级白模与数字正射影像(DOM)、数字高程模型(DEM)在CIM平台框絮进行集成,从而快速构建城市级三维GIS场景。

2城市级三维建筑白模快速构建

建筑白模又称建筑简模,即建筑物经过化简后的三维模型,直观体现为高度、形体与实际建筑相近似的盒状模型,因不需经过复杂的真实纹理赋予,这些盒状模型统一采用白色材质的外观。建筑白模被广泛应用于乏信息条件下快速构建城市立体形态,使城市三维GIS场景趋近于真实立体效果,被广泛应用于城市规划设计、城市建筑密度分析、高度分析、天际线展示、蜂窝网络分析、城市应急救援等领域。

传统的建筑白模建模方式以建筑底面轮廓数据为基础,经过逐个手工拉伸房屋底面得到三维模型。但是,对于城市级的建筑体量而言,传统的建模方式已完全不能满足模型数量及质量要求。因此,参数化、程序化自动快速建模技术是响应城市级三维建模需求的针对性技术。

处理后的建筑底面轮廓数据,基于准备好的数据提供程序化自动建模方法、参数化自动建模方法2类快速建模方法。

2.1程序化自动建模

程序化自动建模方法以CityEngine作为编码环境,该方法使用独特的编程语言和规则程序,批量产生大量的三维模型。

将处理后的建筑底面轮廓数据导入CityEngine,链接房屋楼层属性与规则中的Floor属性,抬升房屋底面到所用地形高程,设置每层楼近似层高为3.5米,根据楼层数与层高自动拉伸建筑底面,生成建筑三维白模。

程序化自动建模在城市级模型快速构建中的关键技术主要体现在空间几何算法研究,算法通过计算机生成建筑(Computer Generated Architecture,CGA)语义建模的定义规则,迭代精炼设计,创建建筑细节,完成自动化建模。城市级三维建筑白模快速构建的核心建模函数如下。

(1)comp函数选择建模操作对象,本研究选择建筑轮廓底面数据的顶面。

(2)extrude函数将选择的操作对象进行拉伸,本研究按照建筑总高度对数据顶面进行拉伸。

(3)split函数将拉伸得到的体块模型进行分割,按照每层楼的近似高度将建筑体块切分为不同的楼层。

(4)nil函数终止递归规则。

基于上述函数,最终形成适用于城市级三维建筑白模快速构建的空间几何算法。

基于该算法的程序化自动建模方法与当前行业内常用的手工建模方法相比,程序化自动建模的耗时主要体现在算法编写,算法调试通过后模型建立的耗时则主要依赖于计算机运行速度。经测算,当建筑数量10栋时,2种建模方法用时接近;在城市级模型体量下,随着建筑数量增多,新方法节省的时间呈线性增长,建模效率及性能呈线性提升。

2.2参数化自动建模

参数化自动建模方法需要借助强大的地理信息数据处理工具,并根据属性参数进行自动化建模。此方法的优势在于降低了快速建模的技术门槛,无需编写专业的代码,借助成熟的可视化操作界面即可实现快速建模。当然,此种方法也存在缺点,如专业的处理工具需付费采购。此外,建模得到的三维模型数据格式并不是通用的三维数据格式(如OBJ、FBX、OSG),而是工具提供方相对独立的数据格式(如FDB、3dtiles等)。

在具体实践中,常用的参数化建模工具为CityMaker Builder和CesiumLab。CityMaker Builder通过表单的形式选择建筑底面轮廓数据的Floor字段值,并将该值作为建筑层数,通过填写建筑层高批量化快速生成城市三维白模,模型格式为FDB。

CesiumLab通过对话框形式选定建筑底面轮廓数据的高度字段,通过设置地面高度与地形实现匹配,自动生成城市级建筑三维白模,模型格式为3dtiles,可直接供Web前端调用。

针对参数化自动建模面临的数据格式相对独立、通用性不足的问题,经过探索,可通过以下2种方式实现数据格式转换。

(1)开发数据格式转换插件。基于CityMaker的SDK,开发基于Builder环境下的转换插件,实现数据格式由FDB转换为OSG+dds。其中,OSG为通用三维数据格式,主要记录三维建筑白模的空间几何关系;dds为模型贴图,在白模应用中均为白色单一材质。

(2)编写Python脚本。通过Python计算特殊格式到通用格式的三维旋转矩阵,解决不同标准体系下模型绕x、y、z轴旋转顺序不同的问题,进而实现格式转换。

3应用实践

在实际应用中,以生成的三维建筑白模数据为基础,快速构建城市级三维GIS场景,为城市消防应急快速提供城市底板数据,实现传统的应急救灾分析可视化由二维提升到三维,满足消防应急中建筑危险级别渲染分析以及建筑物量测、遮挡分析等应用。在整体提升平台科技感、立体感的同时,也为城市运行管理、分析应用提供可行的解决思路。

在建筑危险级别渲染分析方面,以建筑白模作为渲染单体,将消防安全水准、建筑和财产火灾风险、居民安全火灾风险、生活活动火灾风险、消防安全保护水准等多项评价指标进行集成,建筑单体直接以不同的颜色渲染各类危险级别,城市建筑火灾风险隐患一目了然,高效辅助城市消防一张图建设。

在建筑物量测和遮挡分析方面,以立体的城市白模配合测距、视域分析等工具,可准确获取楼宇之间的垂距、斜距、角度、通视条件等情况,有效辅助城市应急救援指挥及城市住宅规划。

4结语

城市级三维GIS场景快速构建技术主要利用城市建筑底面轮廓数据,本文从二维空间入手,利用程序化、参数化自动建模方法,实现城市级三维建筑白模快速自动生成,为CIM平台构建、新型智慧城市建设及后续智慧应用高效提供三维基底数据。

从工程实际出发,总结梳理了城市级三维GIS场景快速构建总体技术路线与自动建模方法,重点分析研究了程序化自动建模、参数化自动建模的关键技术及解决方案,并结合具体实践展现了城市级三维建筑白模在城市消防应急领域的应用案例,全方位、立体化再现了城市信息模型的生产与应用全流程,为新型智慧城市CIM平台建设抛砖引玉,有效辅助提升城市运行管理及分析应用能力。

摘自:《国土资源信息化》2021年第2期

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