CN107895031B - 建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法,属于地理空间信息领域，首先建立基于语义的城市空间信息尺度分级系统，对建筑信息模型中各专业空间模型和三维数字城市场景中的城市三维模型进行语义分级；然后根据城市空间信息尺度分级系统建立三维空间索引；最后进行三维空间模型在不同浏览场景的自适应调度与加载。本发明针对建筑信息模型和城市三维模型语义、空间上的特点，提出了一种基于语义和多层级空间索引的自适应调度方法，能够有效改进建筑信息模型在城市三维场景中调度和显示的效率，满足海量建筑空间模型在大尺度地理空间环境中动态加载和可视化的要求，为大规模开展建筑信息模型的集成应用提供了基础。
Description
技术领域
本发明属于地理空间信息领域，涉及一种建筑信息模型在三维数字城市中自适应动态调度方法。
背景技术
地理信息系统是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层空间的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。
近年来，建筑信息模型(BIM)和地理信息系统(GIS)的集成成为地理信息领域和建筑工程领域技术热点。基于BIM的建筑信息模型具有结构化、语义化的特点，能实现工程项目各阶段信息的综合集成与管理；GIS领域的三维数字城市是利用大比例尺地形图、倾斜摄影、激光点云、规则建模等现代化测绘地理信息手段获取的建筑表面模型，具有范围广、空间精度高的特点，是城市精细化管理的基础载体。开展建筑信息模型在三维数字城市中的集成应用有助于突破现有城市三维建筑模型仅具有轮廓信息的限制，丰富建筑室内空间数据，推进室内导航、能源分析、设施管理等智慧城市应用；同时也为建设工程选址、场地分析、前期规划设计提供了大范围的三维城市数据，提高工程建设前期的科学性和效率性，为建筑信息模型在工程全周期的持续传递和共享使用提供基础数据。
由于建筑信息模型具有大数据量、细粒度、高细节层次特点，在空间范围跨度大、低细节层次的三维数字城市场景中进行建筑信息模型集成和可视化，极大增加了场景的复杂度，难以保证高效、流畅的浏览体验。现有方法主要通过模型多细节层次自动简化、空间索引技术来提高大规模三维空间数据的实时调度效率，但是仍然难以满足海量建筑空间模型在大尺度地理空间环境中动态加载和可视化的要求。
发明内容
有鉴于现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种能够有效改进建筑信息模型在城市三维场景中调度和显示的效率，能够为大规模开展建筑信息模型在三维数字城市中的集成应用提供基础的自适应动态调度方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法,按以下步骤进行：
步骤一：建立基于语义的城市空间信息尺度分级系统，对建筑信息模型中各专业空间模型和三维数字城市场景中的城市三维模型进行语义分级；
步骤二：根据城市空间信息尺度分级系统建立三维空间索引；
步骤三：进行三维空间模型在不同浏览场景的自适应调度与加载。
较佳的，所述城市空间信息尺度分级系统包括地形、基础设施、街区、建筑四个尺度层次；对所述城市三维模型和建筑信息模型中各专业空间模型进行标记，并将其分别划分到四个尺度层次。
较佳的，所述步骤二按以下方式进行：
A1、建立城市大范围地理空间格网框架，以标识城市空间对象的分布；以城市独立坐标系原点为格网中心点，以8000米为0级正方形格网边长，在0级格网基础上每进行一次四叉树划分来生成细分格网，划分后的格网等级加1，第5级格网为最小格网，边长为500米；
A2、按照格网范围自动组织城市空间对象；每一个尺度对应1级四叉树结构，按照格网范围自动组织城市空间对象，一个格网定义为一个索引文件，该文件存储重心坐标在该块内的三维模型唯一标识符；格网索引文件命名方式为：第n级，行号i，列号j的格网记为Gn(i,j)，格网边长w＝8000*(1/2)n,格网Gn(i,j)坐标范围为:i*8000*(1/2)n≤X<i*8000*(1/2)n，j*8000*(1/2)n≤Y<j*8000*(1/2)n；
点A(x,y)所在格网编号为：
i＝int(x/(8000*(1/2)n)),j＝(int)(y/(8000*(1/2)n))；所述n、i、j均为正整数；
A3、在建筑尺度，对单栋的建筑信息模型数据建立分层R树索引；R树索引具有动态更新、深度平衡的特点，在快速检索三维立体空间结构上具有显著优势，因此特别适用于具有海量小空间物体的建筑信息模型索引；以每一楼层的建筑信息模型要素外包围盒作为R树子节点，依次递进生成父节点，根节点为该楼层的最小平面包围矩形；和三维R树索引相比，分层R树索引能够满足建筑信息模型动态加载调度需求，且构建较为简单，避免了三维R树索引节点大量重叠，效率低下的问题；索引文件名为建筑id-楼层，通过建筑id实现格网索引中的建筑数据与建筑信息模型的动态关联。
较佳的，所述步骤三按以下方式进行：
输入视点位置和浏览模式；所述浏览模式包括外壳模式、透视模式和室内模式；
采用基于时间戳的动态要素删除机制进行要素的动态检索和加载，在动态图层中更新可视物体时，给场景中的每个可见物体打上当前的时间戳，对于过期的模型，场景更新后台线程删除并释放内存资源和缓存的纹理资源；基于运动预测进行空间物体请求加载；
物体过期的判别条件是物体的时间戳比当前时间戳早指定时间和指定帧数；
所述基于运动预测进行空间物体请求加载即根据当前相机的运动趋势，在动态请求计算加载视点进行空间查询的时候，加上运动预测偏移量：当更新时发现当前视点下未加载三维空间模型的，则引发空间查询动态调入模型，通过当前相机的视线方向和铅直向量，计算出视点位置Vp及查询点Qp，计算方法如下：
设定M为相机运动方向，v为运动速度，T为向前预测时间，L为归一化的视线方向，Cp为相机位置，图层平均平面高度为h，H为铅直向量(0,0,-1)；
所述θ为视线向量和铅直向量的夹角，0°≤θ≤90°，所述Cp.Z是Cp向量在z方向的值；L.z是L向量在z方向的值；
由查询点Qp和当前的可视范围d构建查询矩形QR＝{(Qp.X–d,Qp.Y-d)-(Qp.X+d,Qp.Y+d)}，使用查询矩形QR搜索已经建立并加载的空间索引，获得未加载模型ID列表，并使用模型加载后台线程进行动态加载。
较佳的，外壳模式调度和加载过程为：首先根据视点的位置和高度确定加载的数据尺度层级和内容，然后确定相应的四叉树格网编号；读取该格网对应的索引文件，在内存中加载对应的空间模型数据，按照空间模型；随着视点位置的移动，开启专门线程动态加载相邻格网索引。
较佳的，透视模式调度和加载过程为：首先明确在透视模式下加载的数据尺度为街区尺度或建筑尺度，然后确定相应数据内容下的四叉树格网编号；读取该格网对应的索引文件，在内存中加载对应的空间数据模型；读取四级格网对应的索引文件，获取格网中所有的建筑id，并根据id读取相应建筑信息模型数据，在内存中加载模型外包围盒边长>1米的建筑信息模型；随着视点的移动，开启专门线程动态加载相邻格网索引。
较佳的，室内模式调度和加载过程为：首先根据当前视点所在的建筑、楼层读取该楼层的R树索引文件，根据当前视点构成的视锥体计算可视的模型范围，通过R树索引查询满足可视范围的所有建筑信息模型对象，在内存中加载建筑信息模型对象；随着视点移动，开启专门线程动态计算查询矩形并根据索引检索和加载模型。
本发明的有益效果是：本发明针对建筑信息模型和城市三维模型语义、空间上的特点，提出了一种基于语义和多层级空间索引的自适应调度方法，能够有效改进建筑信息模型在城市三维场景中调度和显示的效率，满足海量建筑空间模型在大尺度地理空间环境中动态加载和可视化的要求，为大规模开展建筑信息模型在三维数字城市中的集成应用提供了基础。
附图说明
图1是动态关联的格网四叉树索引和分层R树索引示意图。
图2是外壳模式示意图。
图3是透视模式示意图。
图4是室内模式示意图。
图5是基于运动预测进行空间物体请求加载示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
本实施例提供了一种建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法,按以下步骤进行：
步骤一：建立基于语义的城市空间信息尺度分级系统，对建筑信息模型中各专业空间模型和三维数字城市场景中的城市三维模型进行语义分级。
步骤二：根据城市空间信息尺度分级系统建立多层次混合的三维空间索引。针对建筑信息模型高密度、细粒度、高细节层次的特点，按照不同的应用场景制定不同的加载策略。
步骤三：进行三维空间模型在不同浏览场景的自适应调度与加载。
本实施例所述城市空间信息尺度分级系统包括地形、基础设施、街区、建筑四个尺度层次；对所述城市三维模型和建筑信息模型中各专业空间模型进行标记，并将其分别划分到四个尺度层次。
表1不同尺度下的城市空间对象
如表1所示，地形尺度，是从距离地面10公里以上高度浏览城市场景，包括城市三维模型中的地形数据。
基础设施尺度，是从距离地面1500米-10公里高度浏览城市场景，包括城市三维模型中的地形、交通设施、管线设施等基础设施。
街区尺度，是从距离地面150米-1500米高度浏览城市街区场景，包括城市三维模型中的地形、交通设施、管线设施、建筑外壳和城市小品。
建筑尺度，是以步行视角在建筑内部或外部“透视”建筑室内场景，除了包括城市三维模型中的地形、交通设施、管线设施、建筑外壳和城市小品外，还包括建筑外围护(外墙、幕墙、外门窗、屋面)、建筑内部构造(楼地面、地基基础、楼梯、内墙/柱、内门窗、建筑装修)、建筑水系统(给排水、消防水系统)、建筑电气系统(照明、动力、消防、安防、防雷、通信、智能设备)以及建筑暖通系统。
本实施例所述步骤二按以下方式进行：
A1、建立城市大范围地理空间格网框架，以标识城市空间对象的分布；以城市独立坐标系原点为格网中心点，以8000米为0级正方形格网边长，在0级格网基础上每进行一次四叉树划分来生成细分格网，划分后的格网等级加1，第5级格网为最小格网，边长为500米，详见表2。
| 格网级数 | 格网数量 | 格网边长(米) |
| 0 | 1 | 8000 |
| 1 | 4 | 4000 |
| 2 | 16 | 2000 |
| 3 | 64 | 1000 |
| 4 | 256 | 500 |
表2基于四叉树的地理空间格网分级
A2、按照格网范围自动组织城市空间对象；每一个尺度对应1级四叉树结构，按照格网范围自动组织城市空间对象，一个格网定义为一个索引文件，该文件存储重心坐标在该块内的三维模型唯一标识符；格网索引文件命名方式为：左下角行号-列号，通过检测行列号的阵列关系，实现分块格网与相邻格网之间的拓扑计算和快速索引。第n级，行号i，列号j的格网记为Gn(i，j)，格网边长w＝8000*(1/2)n，格网Gn(i，j)坐标范围为：i*8000*(1/2)n≤X＜i*8000*(1/2)n，j*8000*(1/2)n≤Y＜j*8000*(1/2)n。所述n、i、j均为正整数。
点A(x，y)所在格网编号为：
i＝int(x/(8000*(1/2)n))，j＝(int)(y/(8000*(1/2)n))。
Gn(i，j)周边格网编号如下表所示：
| G<sub>n</sub>(i-1，j+1) | G<sub>n</sub>(i，j+1) | G<sub>n</sub>(i+1，j+1) |
| G<sub>n</sub>(i-1，j) | G<sub>n</sub>(i，j) | G<sub>n</sub>(i+1，j) |
| G<sub>n</sub>(i-1，j-1) | G<sub>n</sub>(i，j-1) | G<sub>n</sub>(i+1，j-1) |
表3Gnn(i，j)周边格网编号
空间尺度及对应的格网级数如下表所示：
| 对应格网级数 | |
| 地形尺度 | 0 |
| 基础设施尺度 | 2 |
| 街区尺度 | 4 |
表4空间尺度及对应的格网级数
A3、如图1所示，在建筑尺度，对单栋的建筑信息模型数据建立分层R树索引；以每一楼层的建筑信息模型要素外包围盒作为R树子节点，依次递进生成父节点，根节点为该楼层的最小平面包围矩形；索引文件名为建筑id-楼层，通过建筑id实现格网索引中的建筑数据与建筑信息模型的动态关联。
如图2至图4所示，按照加载建筑模型数据类型、模型对象粒度，将相关浏览模式分为外壳、透视和室内三种。根据每种浏览模式关注的模型对象尺度和视点高度，制定不同的加载策略。
表1建筑信息模型的加载策略
如图5所示，本实施例所述步骤三按以下方式进行：
输入视点位置和浏览模式；所述浏览模式包括外壳模式、透视模式和室内模式；
采用基于时间戳的动态要素删除机制进行要素的动态检索和加载，在动态图层中更新可视物体时，给场景中的每个可见物体打上当前的时间戳，对于过期的模型，场景更新后台线程删除并释放内存资源和缓存的纹理资源；为了适应动态漫游的需要，基于运动预测进行空间物体请求加载；
物体过期的判别条件是物体的时间戳比当前时间戳早指定时间和指定帧数；
所述基于运动预测进行空间物体请求加载即根据当前相机的运动趋势，在动态请求计算加载视点进行空间查询的时候，加上运动预测偏移量：当更新时发现当前视点下未加载三维空间模型的，则引发空间查询动态调入模型，通过当前相机的视线方向和铅直向量，计算出视点位置Vp及查询点Qp，计算方法如下：
设定M为相机运动方向，v为运动速度，T为向前预测时间，L为归一化的视线方向，Cp为相机位置，图层平均平面高度为h，H为铅直向量(0,0,-1)；
所述θ为视线向量和铅直向量的夹角，0°≤θ≤90°，所述Cp.Z是Cp向量在z方向的值；L.z是L向量在z方向的值。
由查询点Qp和当前的查询范围d(可以动态放大和缩小)，构建查询矩形QR＝{(Qp.X–d,Qp.Y-d)-(Qp.X+d,Qp.Y+d)}，使用查询矩形QR搜索已经建立并加载的空间索引，获得未加载模型ID列表，并使用模型加载后台线程进行动态加载。
Qp.X是Qp向量在X方向的值，Qp.Y是Qp向量在Y方向的值。θ为视线向量和铅直向量的夹角，0°≤θ≤90°。
当L＝0时，则视点方向为垂直向下，Vp＝Cp。
当M＝0时，则相机运动方向为沿当前视线向量，Qp＝Vp。
外壳模式调度和加载过程为：首先根据视点的位置和高度确定加载的数据尺度层级和内容，然后确定相应的四叉树格网编号；读取该格网对应的索引文件，在内存中加载对应的空间模型数据，按照空间模型；随着视点位置的移动，开启专门线程动态加载相邻格网索引。
透视模式调度和加载过程为：首先明确在透视模式下加载的数据尺度为街区尺度或建筑尺度，然后确定相应数据内容下的四叉树格网编号；读取该格网对应的索引文件，在内存中加载对应的空间数据模型；读取四级格网对应的索引文件，获取格网中所有的建筑id，并根据id读取相应建筑信息模型数据，在内存中加载满足尺寸要求的建筑信息模型(模型外包围盒边长>1米的建筑信息模型)；随着视点的移动，开启专门线程动态加载相邻格网索引。
室内模式调度和加载过程为：首先根据当前视点所在的建筑、楼层读取该楼层的R树索引文件，根据当前视点构成的视锥体计算可视的模型范围，通过R树索引查询满足可视范围的所有建筑信息模型对象，在内存中加载建筑信息模型对象；随着视点移动，开启专门线程动态计算查询矩形并根据索引检索和加载模型。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (4)
1.一种建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法,其特征在于按以下步骤进行：
步骤一：建立基于语义的城市空间信息尺度分级系统，对建筑信息模型中各专业空间模型和三维数字城市场景中的城市三维模型进行语义分级；
步骤二：根据城市空间信息尺度分级系统建立三维空间索引；
步骤三：进行三维空间模型在不同浏览场景的自适应调度与加载；
所述城市空间信息尺度分级系统包括地形、基础设施、街区、建筑四个尺度层次；对所述城市三维模型和建筑信息模型中各专业空间模型进行标记，并将其分别划分到四个尺度层次；
所述步骤三按以下方式进行：
输入视点位置和浏览模式；所述浏览模式包括外壳模式、透视模式和室内模式；
采用基于时间戳的动态要素删除机制进行要素的动态检索和加载，在动态图层中更新可视物体时，给场景中的每个可见物体打上当前的时间戳，对于过期的模型，场景更新后台线程删除并释放内存资源和缓存的纹理资源；基于运动预测进行空间物体请求加载；
物体过期的判别条件是物体的时间戳比当前时间戳早指定时间和指定帧数；
所述基于运动预测进行空间物体请求加载即根据当前相机的运动趋势，在动态请求计算加载视点进行空间查询的时候，加上运动预测偏移量：当更新时发现当前视点下未加载三维空间模型的，则引发空间查询动态调入模型，通过当前相机的视线方向和铅直向量，计算出视点位置Vp及查询点Qp，计算方法如下：
设定M为相机运动方向，v为运动速度，T为向前预测时间，L为归一化的视线方向，Cp为相机位置，图层平均平面高度为h，H为铅直向量(0,0,-1)；
所述θ为视线向量和铅直向量的夹角，0°≤θ≤90°，所述Cp.Z是Cp向量在z方向的值；L.z是L向量在z方向的值；
由查询点Qp和当前的可视范围d构建查询矩形QR＝{(Qp.X–d,Qp.Y-d)-(Qp.X+d,Qp.Y+d)}，使用查询矩形QR搜索已经建立并加载的空间索引，获得未加载模型ID列表，并使用模型加载后台线程进行动态加载。
2.如权利要求1所述的建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法，其特征是：外壳模式调度和加载过程为：首先根据视点的位置和高度确定加载的数据尺度层级和内容，然后确定相应的四叉树格网编号；读取该格网对应的索引文件，在内存中加载对应的空间模型数据，按照空间模型；随着视点位置的移动，开启专门线程动态加载相邻格网索引。
3.如权利要求1所述的建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法，其特征是：透视模式调度和加载过程为：首先明确在透视模式下加载的数据尺度为街区尺度或建筑尺度，然后确定相应数据内容下的四叉树格网编号；读取该格网对应的索引文件，在内存中加载对应的空间数据模型；读取四级格网对应的索引文件，获取格网中所有的建筑id，并根据id读取相应建筑信息模型数据，在内存中加载模型外包围盒边长>1米的建筑信息模型；随着视点的移动，开启专门线程动态加载相邻格网索引。
4.如权利要求1所述的建筑信息模型在三维数字城市场景中自适应动态调度方法，其特征是：室内模式调度和加载过程为：首先根据当前视点所在的建筑、楼层读取该楼层的R树索引文件，根据当前视点构成的视锥体计算可视的模型范围，通过R树索引查询满足可视范围的所有建筑信息模型对象，在内存中加载建筑信息模型对象；随着视点移动，开启专门线程动态计算查询矩形并根据索引检索和加载模型。
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