CN108897934A - 扩展de-9im的scsg-br建筑物混合建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扩展DE‑9IM的SCSG‑BR建筑物混合建模方法。利用基于维度扩展的九交模型（DE‑9IM）的三维扩展表示体元间的空间拓扑关系，确定唯一的SCSG树来表示城市建筑物的外部结构，同时用BR表示城市建筑物几何要素间的空间拓扑关系。结合文件数据库和关系数据库联合管理模型数据。文件数据库存储模型和纹理图像。在存储和调用纹理影像时，关系数据库中的面ID将城市建筑模型ID和纹理ID关联，纹理图像和城市建筑模型同时被加载和存储；关系数据库存储建筑物三维模型和模型纹理图像的属性信息。本发明不仅有效地表示实体的拓扑关系，还能加快纹理加载，实现建筑物的快速精确建模，有效实现空间查询。

Description

扩展DE-9IM的SCSG-BR建筑物混合建模方法

技术领域

本发明涉及测绘与地理信息领域，特别涉及一种混合的建筑物建模方法，应用于建筑物三维建模领域。

技术背景

随着数字城市的不断发展，城市建筑物建模的要求越来越高。由于建筑物形状的复杂程度不同，复杂建筑物的精确建模会产生很大的困难，因此需要对复杂建筑物建立有效的数据模型，正确地表示复杂建筑物的空间拓扑关系，从而快速实现城市建筑物模型的精确建模，为数字城市的发展提供有效数据。

建筑物建模方法是要对建筑物数据进行有效的组织和管理，避免数据冗余和减少数据加载时间。单纯的CSG建模是体素之间的分解与组装，体素之间没有空间关系；在组装过程中产生重叠部分会导致数据冗余，且CSG模型不能表示实体的面、边之间的位置关系；虽然CSG树所表示的三维模型具有唯一性，但是能够表示一个三维模型的CSG树却有多棵。当数据量庞大且数据结构复杂时，传统的CSG模型会造成较大的数据冗余，使得数据库负荷过大，在调用数据时，耗时较长。对于三维建模中纹理图像的调用和存储方式，传统的方式需要根据指定文件名将计算机外存的纹理图片文件数据读到内存区域，再通过纹理映射函数进行纹理贴图到建筑物表面，这个过程比较复杂，会影响模型加载的速度。为了准确并简洁地表达建筑物数据，精确建立含有纹理的复杂建筑物模型，有必要对传统的数据表示方法和纹理调用方式进行改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于扩展DE-9IM的SCSG-BR建筑物混合建模方法，以解决传统建筑物模型中数据冗余、关系复杂及建筑物纹理存储和调用过程复杂和数据量大的问题。

具体步骤为：

(1)利用基于维度扩展的九交模型(DE-9IM)表示建筑物体元间的拓扑关系，改进传统的CSG为“空间CSG(SCSG)”，确定唯一的SCSG树来表示城市建筑物的外部结构；

确定唯一的SCSG树包括：利用传统的DE-9IM扩展到三维，通过元素的边界、内部外部交集的维数作为空间关系描述的框架，每个交集产生一个不同维度的几何X，通过D(X)求得交集几何的最大维数，从而判断建筑物简单体元之间的空间拓扑关系；

(2)利用边界表示法(BR)，从而点、边、环、面表示城市建筑物几何要素间的空间拓扑关系；

确定城市建筑物几何要素间的空间拓扑关系包括：要素之间的逻辑关联和拓扑关联，以及通过正则布尔运算以及逻辑计算将单元面要素有机地连接在一起，构成地理实体空间数据模型；

(3)根据SCSG与BR两种表示方法，形成SCSG-BR混合建模方法；

SCSG-BR混合建模方法包括：利用SCSG表示方法快速确定建筑物唯一外形，利用BR方法表示建筑物内部元素的拓扑关系，最后两者结合在一起表示城市建筑物模型数据，弥补相互之间的不足。

(4)根据SCSG-BR混合表示方法，结合文件数据库和关系数据库来联合管理城市建筑物模型数据；

联合管理城市建筑物模型数据包括：关系数据库用于存储建筑物模型和纹理的属性信息，由各个表单组成，各表单之间根据ID设置关联关系；文件数据库包含了模型文件和纹理图像文件，存储建筑物模型和顶面纹理图像和墙面纹理图像。在存储和调用纹理影像时，关系数据库中的面ID与城市建筑模型ID和纹理ID关联，纹理数据已经作为建筑物模型的一个属性存储于建筑物模型中，当建筑物模型(建筑物SCSG-BR模型)加载时，纹理作为面的属性也被加载。

(5)根据本发明的建筑物混合建模方法与数据存储方案对建筑物进行三维可视化。

本发明提出的方法能够判断建筑物体元的空间拓扑关系，快速确定建筑物的几何外形；利用SCSG-BR混合建模方法表示建筑物内部与外部的拓扑关系。利用联合数据库管理方式对纹理图像进行管理。结果显示，本方法能够快速准确的表示建筑物数据，在时间表现上优于先前的方法。

附图说明

图1是本发明总体设计图。

图2是本发明混合表示方法示意图；其中：(1)几何外形；(2)几何外形分解；(3)扩展的DE-9IM判断体元空间关系；(4)SCSG表示方法。

图3是本发明数据库设计图。

图4是本发明数据库存储关系图。

图5是本发明实施例对应的建筑物三维模型。

具体实施方式

下面结合本发明中的实施例附图详细说明本发明的具体实施方式。显然，所描述的实施例,仅是本发明中的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动前提的条件下所进行的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例：

本实施例中，我们选取国外某地区的城市建筑物数据进行三维建模。该城市建筑物数据从航空影像中提取得到，其地区建筑物密集且复杂多样，造成了数据表示和建筑物三维建模的困难。

具体实施例中，本发明技术方案采用计算机编程自动运行的方式运行。

本发明所提供的SCSG-BR混合建模方法程序的具体运行步骤见总体设计图(图1)：

(1)加载建筑物数据。

加载建筑物数据的三维数据，建筑物矢量文件存储为两列N行，其中每栋建筑物以pline-x分隔，第一列为x坐标，第二列为y坐标，在每栋建筑物x,y坐标后面分别存储一个地面高程和屋顶高度，建筑物的高度可以通过地面高程和屋顶高度的差值计算得到。程序在运行到pline-x时，自动进入下一栋建筑物的坐标读取。一直循环读取全部建筑物数据，每栋建筑物的平面坐标存于二维数组footprint[x,y]中，结合两高程差为建筑物高程h，绘制成建筑物的三维模型。

(2)利用基于维度扩展的九交模型(DE-9IM)表示建筑物体元间的拓扑关系，改进传统的CSG为“空间CSG(SCSG)”，确定唯一的SCSG树来表示城市建筑物的外部结构。如图1所示，通过判断每两个体元之间交集几何的最大维数来推断体元的空间拓扑关系。

扩展的DE-9IM具体方法如下：利用传统的DE-9IM扩展到三维，通过元素的边界、内部外部交集的维数作为空间关系描述的框架，每个交集产生一个不同维度的几何X，通过D(X)求得交集几何的最大维数，从而判断建筑物简单体元之间的空间拓扑关系；D(X)的返回值是-1，0，1，2，3，D(X)函数如下：

假设有空间目标A、B，分别用和表示其边界、内部和外部。DE-9IM表示的空间关系矩阵如下：

传统的DE-9IM的矩阵的模式值为{T，F，*，-1，0，1，2}，其中模式值为T时，D(X)∈{0，1，2}，也就是说0交集一定存在；模式值为F时，D(X)＝{-1}，也就是说交集一定不存在；模式值为*时，D(X)∈{-1，0，1，2}，也就是说交集存在与否无所谓；模式值为0时，D(X)＝{0}，也就是说交集存在且最大维数为0；模式值为1时，D(X)＝{1}，也就是说交集存在且最大维数为1；模式值为2时，D(X)＝{2}，也就是说交集存在且最大维数为2。根据公式(2)按行取模式值，如“FF*FF****”表示两个对象相离的关系，“T*F**FFF*”表示相等关系，“T*T***T*”表示重叠关系。

在这里，基于扩展DE-9IM的矩阵的模式值为{T，F，*，-1，0，1，2，3}，其中模式值为3时，D(X)＝{3}，也就是说交集存在且最大维数为3，此时判断三维体元之间的空间拓扑关系。矩阵中的元组有空(φ)和非空(-φ)的取值，空则表示相离，非空则表示相交，两个体元相离时，可表示为相接时取值为相等时取值为通过扩展DE-9IM对建筑物几何元素和体元进行拓扑关系的判断，较好地表达体与体之间8种有意义的拓扑关系：相离、相接、重叠、覆盖、被覆盖、包含、相等、包含于，得到SCSG-BR表示的建筑物模型；属性数据赋值给几何元素，与SCSG-BR模型共同构成建筑物模型。

如图2所示，图2(1)为复杂实体的几何形体，图2(2)为实体几何外形的分解图。假设从任一个简单体元(A)出发，根据扩展的DE-9IM判断与之有空间关系的体元为B和C(A分别与B、C相接于s1和s2)，其D(X)取值为D(X)＝3，其DE-9IM矩阵取值为另外A与D、E为相离关系，则其D(X)取值为D(X)＝3，其DE-9IM矩阵取值为然后从B或者C判断与剩下简单体元的空间拓扑关系。以此类推，B和C相接于l1；C与D相接于s3；D与E相接于s4；判断结束后形成体元间的空间关系，确定构成复杂三维形体的体元间的关系图(图2(3))，最后形成对应的SCSG图(图2(4))，确定三维形体的基本形状。

(3)利用边界表示法(BR)，从而点、边、环、面表示城市建筑物几何要素间的空间拓扑关系；并根据SCSG与BR两种表示方法，形成SCSG-BR混合建模方法。

BR表示法中包括要素之间的逻辑关联和拓扑关联，以及通过正则布尔运算以及逻辑计算将单元面要素有机地连接在一起，构成地理实体空间数据模型；

SCSG-BR混合建模方法利用SCSG表示方法快速确定建筑物唯一外形，利用BR方法表示建筑物内部元素的拓扑关系，最后两者结合在一起表示城市建筑物模型数据，弥补相互之间的不足。

(4)根据SCSG-BR混合表示方法，结合文件数据库和关系数据库来联合管理城市建筑物模型数据，将纹理数据存储于建筑物模型中。

如图1中，属性数据由关系数据表和纹理图像数据共同构成。图3中，数据库联合管理中，利用基于文件和关系数据库的联合管理方式来管理所有的建筑物模型信息。文件数据库包含了模型文件和纹理图像文件，存储建筑物模型和顶面纹理图像和墙面纹理图像。关系数据库用于存储建筑物模型和纹理的属性信息，由各个表单组成，各表单之间根据ID设置关联关系；数据表包含3D城市建筑物模型表、点表、线表、面表、体元表、墙面纹理表和顶面纹理表，各表之间通过设置ID进行关联。纹理图像数据包含了墙面纹理和顶面纹理的栅格影像数据，统一保存为JPG格式。纹理数据以变长二进制BLOB字段类型存储于关系数据库中的纹理表单中。

如图4所示，具体的表单设计中包含了纹理调用和存储过程。纹理图像是以BLOB类型存于墙面纹理和顶面纹理的表中。墙面纹理与顶面纹理的ID与建筑物模型中的面表有ID关联的关系，相当于墙面纹理与顶面纹理是面表中的一个属性。当建筑物模型即建筑物SCSG-BR模型加载时，纹理作为面的属性也被加载。而而纹理并非存于模型中，这种方法需要耗费一定的时间且占用计算机的内存。

(5)根据本发明的建筑物混合建模方法与数据存储方案对建筑物进行三维可视化(图5)。

本实施例中，纹理数据已经作为建筑物模型的一个属性存储于建筑物模型中，经过这样的方式减少传统纹理调用方式在模型加载时，通过纹理图像的路径调用纹理而耗费的时间。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域内熟练的技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形和修改。

Claims (1)

1.一种扩展DE-9IM的SCSG-BR建筑物混合建模方法，其特征在于具体步骤为：

(1)利用基于维度扩展的九交模型即DE-9IM表示建筑物体元间的拓扑关系，改进传统的CSG为“空间CSG即SCSG”，确定唯一的SCSG树来表示城市建筑物的外部结构；

确定唯一的SCSG树包括：利用传统的DE-9IM扩展到三维，通过元素的边界、内部外部交集的维数作为空间关系描述的框架，每个交集产生一个不同维度的几何X，通过D(X)求得交集几何的最大维数，从而判断建筑物简单体元之间的空间拓扑关系；

(2)利用边界表示法即BR，从而点、边、环、面表示城市建筑物几何要素间的空间拓扑关系；

确定城市建筑物几何要素间的空间拓扑关系包括：要素之间的逻辑关联和拓扑关联，以及通过正则布尔运算以及逻辑计算将单元面要素有机地连接在一起，构成地理实体空间数据模型；

(3)根据SCSG与BR两种表示方法，形成SCSG-BR混合建模方法；

SCSG-BR混合建模方法包括：利用SCSG表示方法快速确定建筑物唯一外形，利用BR方法表示建筑物内部元素的拓扑关系，最后两者结合在一起表示城市建筑物模型数据，弥补相互之间的不足；

(4)根据SCSG-BR混合表示方法，结合文件数据库和关系数据库来联合管理城市建筑物模型数据；

联合管理城市建筑物模型数据包括：关系数据库用于存储建筑物模型和纹理的属性信息，由各个表单组成，各表单之间根据ID设置关联关系；文件数据库包含了模型文件和纹理图像文件，存储建筑物模型和顶面纹理图像和墙面纹理图像；在存储和调用纹理影像时，关系数据库中的面ID与城市建筑模型ID和纹理ID关联，纹理数据已经作为建筑物模型的一个属性存储于建筑物模型中，当建筑物SCSG-BR模型加载时，纹理作为面的属性也被加载；

(5)根据建筑物混合建模方法与数据存储方案对建筑物进行三维可视化。