CN106952330A - 一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，体包括以下步骤：基于地理语义描述方法构建城市人工建筑设施和自然地理实体的分类描述信息及语义规则库；构建地理语义库分类映射解析模块,解析当前视窗范围内的基于地理语义库存储和组织的语义模型；构建模型组成部件立体几何轮廓构造模块；构建三维模型动态渲染及优化显示模块，完成对三维城市的动态构建及渲染显示。基于本发明构建的虚拟三维城市具有灵活的动态构造能力，三维场景可以根据视窗范围和视角位置地态构建和生成，最大限度地降低对硬件资源的使用率，提高绘制效率，以满足移动平台的显示和渲染需求。
Description
技术领域
本发明涉及地理信息以及三维数字技术，具体涉及一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法。
背景技术
虚拟三维城市是数字城市和智慧城市建设的重要内容和基础支撑技术，虚拟化的三维城市突破了传统二维地图的局限，具有对现实城市综合地理信息更好的展示和表达能力，从空中到地下、从室外到室内、从自然地理实体到人工建筑设施全方位多视角对城市进行虚拟三维建模，虚拟三维城市在城市公共安全、城市交通运行、城市环境保护等城市综合管理方面有着广泛和深入的应用。
目前，国内外面向三维城市的建模方法主要有三种：1)基于三维地球渲染引擎或三维图形渲染引擎，以二次开发的方式构建虚拟三维城市。利用这类引擎提供的三维模型渲染及场景管理相关的二次开发接口，构建三维虚拟城市；如基于ArcGlobe、Unity3D、OSG等平台和技术二次开发实现的虚拟三维城市；2)基于商业化批量建模软件构建虚拟三维城市，如CityEngine、SketchUp等。此类专业化建模平台的集模型批量构建与场景管理于一体，用户只需要基于该软件相关操作方法，即可构建虚拟三维城市；3)基于底层图形开发接口，如OpenGL,D3D，开发模型几何构建、模型渲染、场景管理等功能，根据实际需求，实现虚拟三维城市构建。
上述三维城市构建方法存在的缺点主要包括：1)第三方虚拟地球引擎架构复杂且功能繁多，运行效率低且难以优化。模型加载方法也是一次性把单个或多个模型完全加载到内存当中，对平台硬件资源要求较高，难以支持移动平台；2)基于商业化批量建模软件构建的三维城市，其建模规则和方法设计并封装在其软件内部，必须遵循其定义的规则和方法，在一定程度能满足大部分应用需。但难以根据实际情况进行自主与灵活的扩展，同时其建模和运行效率不足，至今无法扩展到手机等移动平台上运行；3)现有的其它基于底层开发的虚拟三维城市，因为其在架构设计和程序开发方面需要面对大量的技术挑战和长时间开发的工作量，建设和应用难度大，难以支持大场景及具有复杂交互特性的三维城市的构建。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于解决现有技术中存在的不足，提供一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法。
技术方案：本发明一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，依次包括以下步骤：
(1)、建立用于构建三维城市动态建模的地理语义信息库，具体包括下列步骤：
(1.1)建立城市模型对象分类体系和统一编码，所分类的城市模型包括人工建筑及自然地理实体对象；对象分类体系根据三维城市地表附属物的类型进行分类，共7个大类及诸多细类，每一种类型的实体对象都包含一个唯一的编码；
(1.2)分类构建各模型对象的地理语义描述信息，主要包括模型组成部件详细描述信息和建模语义规则信息，如模型及其部件的空间坐标范围及属性等信息，语义规则信息用于描述这些部件的组合规则及相互关系；；
(1.3)建立城市三维场景地理语义库存储对象，包括各模型的空间索引、语义信息集合、模型渲染及显示顺序，以结构化文档的信息进行建立和组织，存储对象保存为“*.CDM”格式文件
(2)、构建三维城市地理语义库分类映射解析模块，以此来解析三维地理语义信息库的计算机程序模块，每一种模型细类对象对应一个特定的语义信息解析器。分析映射解析器由特定的语义信息解析程序组成，根据空间索引信息选取视窗范围内的模型进行解析、逻辑组织和逻辑存储；
(3)、构建模型组成部件立体几何轮廓动态构造模块，该模块包含了一系列的几何图形算法构造程序，用于在绘制准备阶段，将通过分类映射解析模块得到的各类模型地理语义信息，构造成用于模型绘制和渲染装置所调用的立体几何元素，根据视点距离确定构造精度参数，距离越近精度越高，距离越远构造精度则越低；
(4)、构建三维模型动态渲染模块：
(4.1)对构造完成的立体几何对象进行顶点着色和纹理贴图处理，使其具备高仿真特性；
(4.2)根据地理语义描述信息，对各模型进行模型变换、视图变换和位置变换，分别用于控制模型的大小、显示角度及场景中在控制，使得模型在显示场景中具有恰当的缩放比例、角度及位置；
(4.3)对立体几何对象进行三角化处理，建立用于绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区用于存储图形渲染信息，将立体几何对象转换为可以直接通这图形绘制接口进行绘制的逻辑存储对象；
(4.4)将索引缓冲区和顶点缓冲区传入图形绘制和渲染接口中，进行模型的渲染及显示。
进一步的，所述步骤(1)中，将城市模型对象大类分为城市建筑物、道路、地形、树木、水域、桥梁和其它土地利用类型七个大类，并建立统一编码；地理语义信息采用部件精细描述的方式进行组织，包括空间几何信息、属性信息、模型约束规则。
进一步的，所述步骤(2)中，语义解析模块是以模型细类为单元，每一种细类对应一种特定的语义解析器，在语义解析阶段根据空间索引范围动态确定要解析的对象，在当前视窗范围内的语义信息才进行解析。
进一步的，所述步骤(3)中，几何图形构造的精细程度是根据模型空间位置距当前视点的距离动态建立，包括:线条插值精度、纹理贴图的细节精度。
有益效果：本发明通过基于地理语义描述的方法，采用可定制可配置的方式实现支撑大场景虚拟三维城市的动态建模，虚拟三维场景中所有模型是根据地理语义描述信息和空间约束规则动态构建，并根据当前视窗范围，动态选取要构建的模型，根据视点距离，对单个模型纹理细节进行动态控制，以降低三维城市运行平台硬件资源的负载量，提高场景加载和渲染效率。基于本发明动态构建的三维城市模型能在普通移动平台上(平板电脑、手机等)实现三维城市的动态构建及显示浏览。
附图说明
图1为本发明的总流程示意图；
图2为实施例中单个普通建筑模型语义描述信息组织内容图；
图3为实施例中单个普通建筑模型3D模型示意；
图4为实施例中城市区域地理语义信息库结构示意及3D场景效果。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本实施例的一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，包括以下步骤：
(一)构建三维城市地理语义信息库
步骤1城市模型对象分类体系和统一编码
城市模型对象大类分为城市建筑物、道路、地形、树木、水域、桥梁、其它土地利用类型共七个大类别，依次按数字01至07进行编码。部分大类别城市模型又分为诸多细类，细类名称及编码方式如下所示：
城市建筑物(01)细分为：居民建筑(0101)、公共建筑(0102)、工业建筑(0103)；
道路(02)细分为：公路(0201)、铁路(0202)；
地形(03)：无细类；
树木(04)：无细类；
水域(05)：无细类；
桥梁(06)细分为：城市立交桥(0601)、梁式桥及刚构桥(0602)、拱式桥(0603)、悬索桥(0604)、斜拉桥(0605)；
其它土地利用类型(07)细分为：林地(0701)、园地(0702)、草地(0703)、铺装地面(0704)、裸露土地(0705)。
步骤2分类构建各模型对象的地理语义描述信息
根据不同类别城市模型的特征及构造方式，建立对应的用于模型构建的详细地理语义描述信息。
(1)居民建筑模型地理语义信息包括：模型外边界轮廓坐标、建筑物楼层数、建筑物各面纹理、各面窗户及阳台分布规律、各面窗户及阳台纹理、各面窗户及阳台空间几何坐标、各面窗户及阳台空间离墙面距离等、房顶类型及纹理；
(2)公共建筑模型地理语义信息包括：公共建筑物主体结构几何轮廓及纹理、公共建筑物特殊部件几何轮廓及纹理、公共建筑物特殊部件组合规则等；
(3)工业建筑模型地理语义信息包括：工业建筑物几何轮廓及纹理、工业建筑物楼层数、工业建筑物楼层高度、工业建筑窗户轮廓坐标、工业建筑窗户纹理、工业建筑物屋顶类型、工业建筑物特殊部件几何轮廓及纹理、工业建筑物特殊部件组合规则等；
(4)公路模型地理语义描述信息包括：公路线路坐标信息、公路类型、公路车道数、公路宽度等；
(5)铁路模型地理语义信息包括：铁路线路坐标信息；
(6)城市立交桥模型地理语义信息包括：立交桥层数、各层立交桥空间坐标信息及次序、各层道路宽度、车道数；
(7)梁式桥及刚构桥模型地理语义信息包括：线路坐标、是否铁路公路两用、墩台个数及间距、梁或桁架梁几何描述及中心位置、纹理材质；
(8)拱式桥模型地理语义信息包括：线路坐标、是否铁路公路两用、拱个数及弓形几何参数、梁或桁架梁几何描述及中心位置、纹理材质；
(9)悬索桥模型地理语义信息包括：线路坐标、是否铁路公路两用、索塔几何信息及纹理材质、桥面纹理材质；
(10)斜拉桥模型地理语义信息包括：线路坐标、是否铁路公路两用、索塔几何信息及纹理材质、墩台个数及间距、最长斜拉索在桥面位置、桥面纹理材质；
(11)地形地理语义信息包括：所对应数字高程模型文件、数字高程模型空间参考；
(12)树木种类地理语义信息包括：树木所在位置坐标、树木类型、树木高度、树木缩放系数、村木纹理；
(13)水域模型地理语义信息包括：水域分布空间范围、水域纹理贴图信息；
(14)林地模型地理语义信息包括：林地分布空间范围、林地树木种类、林业小斑信息、林地郁密度；
(15)园地模型地理语义信息包括：园地分布空间范围、园地纹理贴图信息；
(16)草地模型地理语义信息包括：草地分布空间范围、草地纹理贴图信息；
(17)铺装地面模型地理语义信息包括：铺装地面分布空间范围、铺装地面纹理贴图信息；
(18)裸露土地模型地理语义信息包括：裸露土地分布空间范围、裸露土地纹理贴图信息。
步骤3组织城市三维场景地理语义库存储对象
三维城市场景是由不同类型模型组合完成，三维城市地理语义库是用于组织和存储用于构建三维城市模型的语义信息集合。用于建立整个虚拟三维城市的地理语义库主要包括以下几方面的内容：(1)模型空间索引，根据各模型空间坐标及外接矩形信息建立空间索引；(2)模型构建语义信息集，将各模型地理语义信息以记录的形式进行存储和组织；(3)定义模型构建和渲染顺序，地形为最先进行构建和显示的对象，其次是其它土地利用类型和水域，然后是道路和树木，桥梁和城市建筑物为最后进行构造和渲染的对象，以防止被其它模型所覆盖；(4)将该文件保存为“*.CDM”。
(二)构建三维城市地理语义库分类映射解析模块
三维城市建模地理语义库分类映射解析模块是用于解析三维地理语义信息库的计算机程序模块，基于C++编程语言开发实现；建立该模块主要分为以下几个步骤：
步骤1构建统一的地理语义数据输入接口
用于构建虚拟三维城市的地理信息语义库统一保存在“*.CDM”的文件中，采用结构化文档方式进行存储。地理语义数据输入接口一次性将地理信息语义库加载到内存当中，然后按节点进行遍历。
步骤2构建分类映射解析器集合，对地理语义对象进行分类解析
不同的城市模型对象的地理语义描述信息结构和内容均不一样，因此需要针对每一种城市地理实体模型构建对应的地理语义解析器，在统一的IdeShapeSemantic接口下进行实现。地理语义对象分类解析器主要包括以下几方面的内容：(1)遍历通过统一输入接口输入的地理语义信息库模型大类节点，根据城市模型对象大类分类标准获取大类类别，利用工厂模式，调用相应的大类解析接口,大类解析接口以列表的形式存储该类别下所有细类对象，存储结构为List<Type,Geosemantic>；(2)读取空间索引信息，根据当前视窗范围判断大类解析存储接口中各模型对象是否在显示范围内，以确定该模型是否需要被解析和构建,避免对视范围内之外的模型对象进行不必要的解析和构建,造成计算资源和显示资源的浪费；(3)遍历大类下的所有细类对象，利用细类对象对应的地理语义模型解析器对地理语义信息进行解析和逻辑存储。
步骤3将解析得到地理语义信息库按规则进行逻辑组织和存储
不同的模型对象其地理语义信息组织方式和规则均不一样，以小区居民建筑物为例，构建小区居民建筑所需要的逻辑存储对象包括：(1)建筑物轮廓对象(CbuildingOutlineShapeSrc)，其成员变量包括：建筑物唯一标识、建筑物中文描述、建筑物轮廓坐标串、建筑物基本高程、建筑物层高、建筑物层数、屋檐高度、屋檐宽度、是否有围栏、围栏高度、围栏宽度、屋顶类型、屋顶倾斜角度、墙面材质类型、地板颜色、屋顶颜色、屋檐颜色、护墙颜色、地面纹理图片路径、屋顶纹理图片类型、侧面纹理图片类型、围栏纹理图片路径、屋檐纹理图片路径、建筑物其它复杂附属物集合等，建筑物轮廓对象的成员函数实现了对上述成员变量值的设置和获取；(2)居民建筑物窗户对象(CWindowByBaseLineShapeSrc)，其成员变量包括：窗户唯一标识、窗户中文描述、所属建筑物惟一标识、窗户类型、建筑物基本高程、窗户轮廓坐标、窗户纹理贴图路径、窗台(拱门)坐标、窗台(拱门)纹理贴图路径、窗户宽度、窗户高度、窗户离地面高度、飘窗伸出来的长度、顶棚高度、窗台高度、玻璃颜色、顶盖颜色、窗台颜色、玻璃纹理路径等，建筑物窗户对象成员函数实现了成上述成员变量值的设置和获取；(3)居民建筑物阳台对象(CBalconyByBaseLineShapeSrc)，其成员变量包括：阳台唯一标识、阳台中文描述、阳台类型、所属建筑物ID、阳台主体坐标、阳台主体高度、阳台主体厚度、阳台主体纹理贴图、阳台底座坐标、阳台底座高度、阳台底座厚度、阳台底座纹理贴图、阳台顶棚坐标、阳台顶棚高度、阳台顶棚厚度、阳台顶棚纹理贴图等，居民建筑物阳台对象的成员函数实现了对上述成员变量值的设置和获取，具体内容如图2所示。
将解析得到的地理语义信息，实例化到各模型对象类当中，以实现其按规则进行逻辑存储和组织，为几何构建模块提供支持。
(三)构建模型组成部件立体几何轮廓构造模块
在绘制准备阶段，需要将通过分类映射解析模块得到的各类模型地理语义信息，构造成可以用于模型绘制和渲染装置所调用的立体几何元素。每一类模型都有其独特的立体几何构造的内容和方法，模型立体几何构造器与分类映射解析模块中的解析器具有一一对应的关系。立体几何轮廓构造器直接调用数据解析模块中存储和组织的地理语义信息和数据进行立体几何图形的构造。主要有以下几个步骤：
步骤1遍历地理语义信息解析模块获取到的模型实体逻辑对象，将需要绘制的逻辑对象添加到场景容器中。
步骤2构建支持单模型部件层次细节的立体几何轮廓构造器
不同类别模型立体几何轮廓构造方法均不相同，在统一的IdeModelBuild接口下进行实现，通过模型大类和细类分类编码进行类别区分，调用对应的立体几何轮廓构造器。立体几何构造主要用到的图形构造内容包括：直线插值、曲线插值、线条立体拉伸、构造裙边、挤出效果、构造圆形管道、构造立方体、拐角处理等。其中单模型构建的精度与当前观察距离具有相关关系。观察距离越近模型插值、拉伸、挤出等计算精度越高，距离越远则降低精度。在满足用户视觉体验的前提下，降低构造和渲染程序对硬件资源的需求，以提高渲染和绘制效率,使其满足在移动平台上运行的需要。
步骤3构建基于规则的立体几何模型整体组合器
根据各模型的地理语义信息中描述的模型组合规则，建立模型组合处理器，根据规则将各部分立体几何轮廓组织成完整的立体模型实体，完成整个模型的立体几何构造，模型构造完成的效果如图3所示。
(四)构建三维模型动态渲染模块
三维模型动态渲染模块实现，包括以下几个步骤：
步骤1根据地理语义描述信息，对构造完成的立体几何对象进行着色和纹理贴图处理；地理语义信息的模型节点中各部件的TexturePath和PartColor属性存储着模型对象或部件的纹理贴图图片路径及颜色信息，利用动态渲染模块中的makeTexturePath()及makePartColor()方法对模型进行纹理贴图及着色。
步骤2根据地理语义描述信息，对各模型进行模型变换、视图变换、位置变换，使得模型能在显示场景中具有恰当的缩放比例、角度及位置。(1)模型变换负责根据当前用户视点距离计算场景中模型的大小，对模型实现动态缩放大小；(2)视图变换用于实时计算当前用户的视角位置，以支持用户在场景中进行漫游；(3)位置变换，是用于将模型变换到虚拟地球中的指定位置，以实现对城市的虚拟三维表达。
步骤3对立体几何对象进行三角化处理，建立用于绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区。顶点绘制缓冲区存储用于绘制的三角形列表顶点信息，包括：顶点类型、顶点坐标、顶点纹理、顶点颜色、光照、顶点缓冲区尺寸、顶点添加/删除函数等信息和功能函数；索引缓冲区用于存储顶点缓冲区索引信息，包括：索引类型、尺寸、更新信息、添加索引、删除索引等信息和功能。
步骤4将索引缓冲区和顶点缓冲区传入图形绘制和渲染接口中，进行模型的渲染及显示。城市三维场景语义库示意图及场景渲染结果如图4所示。
通过上述实施例可以看出，基于本发明构建的虚拟三维城市具有灵活的动态构造能力，三维场景可以根据视窗范围和视角位置地态构建和生成，最大限度地降低对硬件资源的使用率，提高绘制效率，以满足移动平台的显示和渲染需求。
Claims (4)
1.一种基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，其特征在于：依次包括以下步骤：
(1)、建立用于构建三维城市动态建模的地理语义信息库，具体包括下列步骤：
(1.1)建立城市模型对象分类体系和统一编码，所分类的城市模型包括人工建筑及自然地理实体对象，对象分类体系根据三维城市地表附属物的类型进行分类，共7个大类及诸多细类，每一种类型的实体对象都包含一个唯一的编码；
(1.2)分类构建各模型对象的地理语义描述信息，主要包括模型组成部件详细描述信息和建模语义规则信息；
(1.3)建立城市三维场景地理语义库存储对象，包括各模型的空间索引、语义信息集合、模型渲染及显示顺序，以结构化文档的信息进行建立和组织，存储对象保存为“*.CDM”格式文件；
(2)、构建三维城市地理语义库分类映射解析模块，以此来解析三维地理语义信息库，每一种模型细类对象对应一个特定的语义信息解析器，分析映射解析器由特定的语义信息解析程序组成，根据空间索引信息选取视窗范围内的模型进行解析、逻辑组织和逻辑存储；
(3)、构建模型组成部件立体几何轮廓动态构造模块，该模块包含了一系列的几何图形算法构造程序，用于在绘制准备阶段，将通过分类映射解析模块得到的各类模型地理语义信息，构造成用于模型绘制和渲染装置所调用的立体几何元素，根据视点距离确定构造精度参数，距离越近精度越高，距离越远构造精度则越低；
(4)、构建三维模型动态渲染模块：
(4.1)对构造完成的立体几何对象进行顶点着色和纹理贴图处理，使其具备高仿真特性；
(4.2)根据地理语义描述信息，对各模型进行模型变换、视图变换和位置变换，分别用于控制模型的大小、显示角度及场景中在控制，使得模型在显示场景中具有恰当的缩放比例、角度及位置；
(4.3)对立体几何对象进行三角化处理，建立用于绘制的顶点缓冲区和索引缓冲区用于存储图形渲染信息；将立体几何对象转换为可以直接通这图形绘制接口进行绘制的逻辑存储对象；
(4.4)将索引缓冲区和顶点缓冲区传入图形绘制和渲染接口中，进行模型的渲染及显示。
2.根据权利要求1所述的基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，其特征在于，所述步骤(1)中，将城市模型对象大类分为城市建筑物、道路、地形、树木、水域、桥梁和其它土地利用类型七个大类，并建立统一编码；地理语义信息采用部件精细描述的方式进行组织，包括空间几何信息、属性信息、模型约束规则。
3.根据权利要求1所述的基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，其特征在于，所述步骤(2)中，语义解析模块是以模型细类为单元，每一种细类对应一种特定的语义解析器，在语义解析阶段根据空间索引范围动态确定要解析的对象，在当前视窗范围内的语义信息才进行解析；基于C++编程语言开发实现，具体过程为：
(2.1)构建统一的地理语义数据输入接口；
(2.2)构建分类映射解析器集合，对地理语义对象进行分类解析；
(2.3)将解析得到地理语义信息库按规则进行逻辑组织和存储。
4.根据权利要求1所述的基于地理语义的移动端三维城市动态建模方法，其特征在于，所述步骤(3)的具体方法为：
(3.1)遍历地理语义信息解析模块获取到的模型实体逻辑对象，将需要绘制的逻辑对象添加到场景容器中；
(3.2)构建支持单模型部件层次细节的立体几何轮廓构造器；
其中，几何图形构造的精细程度是根据模型空间位置距当前视点的距离动态建立，包括:线条插值精度、纹理贴图的细节精度。
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