CN108170980B - 一种基于bim和gis的参数化结构化建模设计方法 - Google Patents

一种基于bim和gis的参数化结构化建模设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，利用参数化和结构化来构建三维场景，解决了在微小场景中关于设计、位置定位、参数更改对模型的更新以及场景的构建性问题；步骤如下：构建基于参数的三维模型库；从三维模型库中选择对应的模型并进行构建；将建筑外壳视为框架对象，将建筑内对象视为框架对象的子对象，通过大地坐标系描述框架对象的位置信息，通过描述性位置信息、依附关系、相对位置关系、拓扑关系建立子对象的位置空间信息；参数化构建子对象；利用拓扑关系构建存在拓扑关联的物体；使用相互作用传递物体间的关联关系；利用框架对象的面信息构建其碰撞面；获取内部属性和外部属性，实现定制化的查询和操作。

Description

一种基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法
技术领域
本发明涉及三维实体场景的建模技术，具体为一种基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法。
背景技术
在传统GIS(地理信息系统)领域，通常使用图层的概念来管理空间实体。各类图层各自管理同类对象，图层之间是一种松耦合的关系。同样，3DGIS(三维空间地理信息系统)一般也是采用这种思想，将三维实体场景分割为地形、影像、矢量、标注、模型等各类图层。这种方式的优点在于方便对数据的采集、处理和同类对象之间如聚类、时空关联、趋变等分析。但在处理结构性强或微小(如室内、地下)场景的时候变得非常难以管理。
在工业建模设计领域，空间实体一旦使用软件(如3DMax，sketckup，rhino)进行模型构建后，都面临着难以更新或更新代价大的问题，从而使得系统在一段时间后就失去了使用价值。虽然倾斜摄影技术具有更新速度快，成本低等特点，可解决大范围三维模型的构建问题，但微小场景却难以适应这个方法，往往需要采用多种手段相结合的方式。故采用参数化、结构化建模可以大大提高微小场景的设计、更新、管理等方面的价值。
BIM技术提供了参数化的设计思想，在某些软件中存在一些结构化的设计，比较典型的案例，如屋顶依赖于基本墙，墙的改变会使得屋顶随之发生改变。但缺少较为复杂的结构化关系，也没有充分利用结构化的优势。BIM和GIS原本属于两个不同的业务领域，两者直接融合还在起步阶段，缺乏两者交互和管理的案例。
发明内容
本发明提供了一种基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，利用参数化和结构化两大特点来构建BIM和GIS相结合的三维场景，解决了在微小场景中关于设计、位置定位、参数更改对模型的更新以及场景的构建性问题。
为了解决上述问题，本发明采用如下技术方案来实现：一种基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，包括以下步骤：
S1、构建基于参数的三维模型库；
S2、通过传入CAD、GIS坐标或对象尺寸信息，以及要构建的三维对象类型，从三维模型库中选择对应的模型并进行构建；
S3、将建筑外壳视为框架对象，将建筑外壳以外的其他建筑内对象视为框架对象的子对象，通过大地坐标系描述框架对象的位置信息，通过描述性位置信息、依附关系、相对位置关系、拓扑关系建立子对象的位置空间信息；
S4、框架对象为子对象提供位置和方位属性，子对象向框架对象请求其所处的位置空间信息，参数化构建子对象；
S5、利用拓扑关系构建存在拓扑关联的物体；
S6、使用相互作用传递物体间的关联关系；
S7、利用框架对象的面信息，构建其碰撞面；
S8、根据三维模型对应的三维模型库类型，获得其基本行为和内部属性；通过其对象ID值，获得其外部属性；将内部属性和外部属性两者相结合，实现定制化的查询和操作。
优选地，步骤S6使用相互作用传递物体间的关联关系时，当子对象占领框架对象的空间时，对框架对象进行空间裁剪、排斥其他子对象、改变透视性；当框架对象的位置或空间形体发生改变，子对象根据框架对象新的位置进行自身调整，并再次影响框架对象的空间布局。
优选地，所述描述性位置使用语言来表示，并在系统内进行解释，配有其他相关参数对所述解释进行补充性说明；根据描述性位置的解释和其他相关参数计算出其真实位置和空间方位。所述解释包括依靠于右边的墙面、依靠于左边的墙面、依靠于楼面、依靠于天花板、连续排布和高层图。所述其他相关参数包括墙内或墙外偏移量、楼面的局部坐标、悬挂高度、间隔距离和局部坐标。
优选地，步骤S6之后还执行以下步骤：使用空间分析对三维场景进行优化显示。所述优化显示包括判断对象的框架对象是否可见，如果不可见，则子对象是不可见的；进入框架对象内浏览，开启局部细腻的光照效果，增强其色彩，使之更真实，或关闭外部光照效果；进入框架对象后，自动切换浏览模式，将第三人称浏览模式切换为第一人称的浏览模式。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：
1、本发明利用参数化和结构化两大特点来构建BIM和GIS相结合的三维场景，通过建立完备的基础模型库，可以根据参数或设计要求对场景进行结构性更改而无需重新建模，解决了GIS在微小场景(如室内场景)中关于设计、位置定位、参数更改对模型的更新以及场景的构建性问题。
2、由于本发明能感知场景的对象，非常容易做到更为细腻的管理和分析，包括模型的LOD化、灯光效果的开启和关闭、室内漫游的控制、三维对象和现实对象的信息交互等多种效果和功能，能够在一定范围内满足设计、管理、交互、浏览等项目要求。
3、使用3D引擎可以做到多设备兼容，与GIS的结合使用可以发挥GIS在地理空间分析的优势，适用于地下设施(综合管廊、地铁等)、商场、建筑楼层、机械设备(车间、锅炉等)、路口环境等相关的微小场景，应用范围广，具有较好的适用价值。
附图说明
图1为本发明的建模设计流程图；
图2为本发明根据整个三维实体场景中对象设计的框架图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
本实施例中，所采用的技术手段包括：1)使用参数化进行三维建模，构建基于参数的模型库，2)使用描述性语言表达依附关系，3)使用拓扑关系计算特殊形状的物体形态，4)使用相互作用传递物体间关联关系，5)使用空间分析对三维场景进行优化显示。
为了更好地实现对三维场景的操作，本发明的技术手段还包括：1)构建第一人称与第三人称浏览模式的任意、自动切换功能，2)实现室内碰撞检测，3)实现三维实体裁剪算法，4)提供视点、漫游以及楼梯识别等功能。
本实施例中，定义“框架对象”为提供整体框架的大物体，如房屋的基本墙；定义“父对象”为“子对象”提供物理支撑、空间容积；如图1，具体的实现步骤包括：
步骤一：构建基于参数的三维模型库，如图2所示，包括管廊模型、墙体模型、支架模型、灯光模型、楼梯模型、管线模型、管点模型等。如在综合管廊的实施中，将管廊的构建过程存储到模型库，并保留管廊中心线、管廊高度、管廊宽度等参数信息。对于复杂并且无需长期更新的模型，先使用其他三维软件如3DMax进行构建，然后存储到模型库，并保留其类型、属性等参数。
步骤二：通过传入CAD、GIS坐标或对象尺寸信息，以及要构建的三维对象类型，从三维模型库中选择对应的模型并进行构建。
步骤三：将建筑外壳如房屋、管廊视为框架对象，即父对象，将建筑外壳以外的其他建筑内对象视为框架对象的子对象，通过大地坐标系描述父对象的位置信息，通过描述性位置信息、依附关系、相对位置关系、拓扑关系建立子对象的位置空间信息。即框架对象可以使用大地坐标体系进行位置的表达，子对象使用描述性位置信息、依附关系、拓扑关系、相对位置关系进行位置的表达。
其中，依附关系是指一个物体和另外一个物体存在位置依附关系。依附关系需要先计算依附的拓扑结构，然后再计算自身的形体，比如管道放在地上一个支架上，多个支架的位置“决定”了管道管线的方位。使用依附关系可以对存在拓扑影响的对象，减少位置获取和更新的工作量。而相对位置使用Delta(X,Y)可以表示。
其中，描述性位置可以使用表一中语言来表示，并在系统内进行解释，配有其他相关参数对解释进行补充性说明，然后根据描述性位置的解释和其他相关参数计算出其真实位置和空间方位。描述性位置语言的种类多样可变，可根据具体项目适当添加并进行识别。
表一：描述性位置及其位置解析器
位置描述 解释 其他参数
DockRightWall 依靠于右边的墙面 偏移量，墙内或墙外等
DockLeftWall 依靠于左边的墙面 偏移量，墙内或墙外等
DockOnFloor 依靠于楼面 楼面的局部坐标
DockOnCeil 依靠于天花板 楼面的局部坐标,悬挂高度
Serial 连续排布 间隔距离
HeightMap 高层图 局部坐标
... .... ...
对场景对象进行建模的方式如图2所示，框架对象下面可以建立若干层子对象，框架对象用于提供基本的空间信息支撑；同时，框架对象作为父对象，可以与各层子对象之间进行空间和形体等交互。
表二：场景对象建模方式
Figure BDA0001547570230000041
步骤四：框架对象为子对象提供其可能需要的位置和方位属性，子对象向框架对象请求其所处的位置空间信息，参数化构建子对象。如管廊内的支架(子对象)向管廊(框架对象)请求管廊的中心线路径和管廊的高度等信息，管廊(框架对象)返回这些信息。利用这些信息，又可以参数化构建管廊内的支架。
步骤五：利用拓扑关系构建存在拓扑关联的物体，如管线的弯头、具有曲面特征的屋顶，或期望使用LOD进行优化显示。
步骤六：使用相互作用传递物体间的关联关系。当子对象占领父对象的空间时，会对父对象进行空间裁剪、排斥其他子对象、改变透视性等。当父对象的位置或空间形体发生改变，子对象根据父对象新的位置进行自身调整，并再次影响父对象的空间布局等。
步骤七：使用空间分析对三维场景进行优化显示。优化显示这方面的操作包括判断对象的框架对象是否可见，如果不可见，那么里面的子对象是不可见的。进入框架对象内浏览，可以开启局部比较细腻的光照效果，增强其色彩，使之更真实，也可以关闭外部光照效果。进入框架对象后，亦可以自动切换浏览模式，将第三人称浏览模式自动无缝的切换为第一人称的浏览模式。
步骤八：利用框架对象的面信息，构建其碰撞面，从而实现碰撞检测的效果。虚拟三维形体一般来说包含三种空间关系，即分离、包含、交叉。碰撞检测是检查、判断两个形体的所有表面(在计算机内部表现为三角面)是否存在交叉点或交叉线。值得注意的是，由于三维形体的面比较多，对可函数化的模型，比如圆柱体，可以直接通过函数求得是否存在碰撞信息。
步骤九：根据三维模型对应的三维模型库类型，获得其基本行为和内部属性；通过其对象ID值，获得其外部属性。内部属性和外部属性两者相结合，可以基本实现定制化的查询和操作功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、构建基于参数的三维模型库；
S2、通过传入CAD、GIS坐标或对象尺寸信息，以及要构建的三维对象类型，从三维模型库中选择对应的模型并进行构建；
S3、将建筑外壳视为框架对象，将建筑外壳以外的其他建筑内对象视为框架对象的子对象，通过大地坐标系描述框架对象的位置信息，通过描述性位置信息、依附关系、相对位置关系、拓扑关系建立子对象的位置空间信息；
S4、框架对象为子对象提供位置和方位属性，子对象向框架对象请求其所处的位置空间信息，参数化构建子对象；
S5、利用拓扑关系构建存在拓扑关联的物体；
S6、使用相互作用传递物体间的关联关系，当子对象占领框架对象的空间时，对框架对象进行空间裁剪、排斥其他子对象、改变透视性；当框架对象的位置或空间形体发生改变，子对象根据框架对象新的位置进行自身调整，并再次影响框架对象的空间布局；
S7、利用框架对象的面信息，构建其碰撞面；
S8、根据三维模型对应的三维模型库类型，获得其基本行为和内部属性；通过其对象ID值，获得其外部属性；将内部属性和外部属性两者相结合，实现定制化的查询和操作。
2.根据权利要求1所述的基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，所述三维模型库包括管廊模型、墙体模型、支架模型、灯光模型、楼梯模型、管线模型和管点模型。
3.根据权利要求1所述的基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，所述描述性位置使用语言来表示，并在系统内进行解释，配有其他相关参数对所述解释进行补充性说明；根据描述性位置的解释和其他相关参数计算出其真实位置和空间方位。
4.根据权利要求3所述的基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，所述解释包括依靠于右边的墙面、依靠于左边的墙面、依靠于楼面、依靠于天花板、连续排布和高层图。
5.根据权利要求3所述的基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，所述其他相关参数包括墙内或墙外偏移量、楼面的局部坐标、悬挂高度、间隔距离和局部坐标。
6.根据权利要求1所述的基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，步骤S6之后还执行以下步骤：使用空间分析对三维场景进行优化显示。
7.根据权利要求6所述的基于BIM和GIS的参数化结构化建模设计方法，其特征在于，所述优化显示包括判断对象的框架对象是否可见，如果不可见，则子对象是不可见的；进入框架对象内浏览，开启局部细腻的光照效果，增强其色彩，使之更真实，或关闭外部光照效果；进入框架对象后，自动切换浏览模式，将第三人称浏览模式切换为第一人称的浏览模式。
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