CN109190255A - 一种面向城市三维产权空间立体重构方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向城市三维产权空间立体重构方法，针对不同形态特征的城市三维产权体，提出了规则三维产权体、不规则三维产权体和线性三维产权体的立体重构方法。根据各种产权体的空间几何特征，提出了从建筑物的AutoCAD平面设计图到三维产权体的重构方法。本发明在三维地籍系统开发和实施中具有重要的应用价值，主要着力于前期三维产权体的数据采集和处理过程。能较好的满足实际生产中比较常见的三维产权体的立体重构需求。

Description

一种面向城市三维产权空间立体重构方法

技术领域

本发明属于计算机信息技术领域，涉及一种产权体三维立体重构方法，具体涉及一种面向城市三维产权空间立体重构方法。

背景技术

随着社会经济的迅速发展，城市土地资源开发利用的重点已从平面型开发向立体型地上、地表和地下一体化空间开发利用方向发展，三维空间开发利用成为现代城市规划和建设的重要内容之一。我国《物权法》第136条规定：“建设用地使用权可以在土地的地表、地上或者地下分别设立。新设立的建设用地使用权，不得损害已设立的用益物权。城市急剧膨胀造成了对土地的巨大需求，立体化利用成为城市土地开发的基本趋势。在经历了一段时期快速扩张后，城市化进程进入转轨期，从以“二维”平面土地扩张为主的阶段逐步向以“三维”立体空间增效为主的阶段过渡，即进入城市土地立体利用模式。城市立体开发就是采用城市上空、地面和地下相结合的开发模式，统一规划、开发利用城市上部和地下空间，在有限的城市空间中尽可能扩大环境容量，改善环境质量，使城市有序、协调地发展。可见，城市土地立体开发意义重大，立体空间开发可以转变土地利用方式，提高土地节约集约利用水平，在保护有限资源的基础上充分保障地方发展，是一种重要的资源节约型土地利用模式，促进科学发展。传统的基于二维多边形的地籍模型是无法描述这种更为精细化的三维地籍产权体的。建立三维地籍模型，描述三维地籍产权体并兼容二维地籍宗地，统一管理和登记不同维度的土地权属是一个迫切需要解决的问题。传统二维地籍不能解决土地立体化开发利用中的地籍管理问题，迫切需要引入三维地籍概念，研究三维地籍的理论与方法，解决立体化土地开发利用中的三维地籍管理问题。

三维地籍管理相比于二维地籍管理更加复杂，三维地籍管理单元为三维产权体，因此三维地籍产权体的报建过程也区别于传统的二维地籍产权体的报建。产权体是一个与不动产相关的概念，称权属独立的不动产产权单元为产权体，它涵盖了土地和房产空间，是三维地籍登记的客体。三维地籍管理模式的实现应当以设计单位提供的报建数据为基础，而目前大多数设计单位仍以二维平面设计图进行产权体的设计和报建。因此研究城市三维产权空间从二维平面设计数据到三维立体重构过程具有十分重要的应用价值。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种面向城市三维产权空间立体重构方法。

本发明所采用的技术方案是：一种面向城市土地三维产权空间立体重构方法，其特征在于：

针对规则三维产权体，规则三维产权体是指具有一个上底面和一个下底面，上下底面水平且在水平面上的投影重合的产权体；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：针对规则三维产权体的平面设计图，进行化简处理，保留产权体的轮廓部分；化简之后的产权体每一个子单元是一个封闭的多线段，最后得到一个规则产权体的轮廓平面图；

步骤2：提取规则产权体底面的海拔高度Z以及规则产权体的高度值H；

步骤3：将规则产权体的底面平面图进行拓扑检查，去掉因数据质量问题而导致的裂缝和重叠部分，得到规范平面图；

步骤4：根据规则产权体的轮廓坐标、海拔高度Z、高度值H进行拔高，拔高之后的产权体即为重构三维产权体。

针对线性空间三维产权体，线性空间三维产权体是指形态呈线性分布，空间形态的一般特征是横断面形态一致，并沿着一条线路径形成一个管道式空间；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据线状三维产权体的平面设计图，按起始横截面的不同将产权体划分成多个单元，然后对每个单元进行单独还原；

步骤2：提取每一个起始横截面的轮廓坐标，依次读取轮廓线上的点坐标{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)，...，(x_n，y_n)}；输入轮廓线上每个点的Z坐标，在三维路径线上同一个点存在两个高程值，因此需要将每个点设置两个Z值；在横截面的文字标注中依次是该横截面上每个点的三维坐标(x，y，z)，此外最后一行标注的是该横截面的ID值，ID值是指该横截面适用的轮廓线坐标串子集的点序号，即ID值为该横截面所适用的轮廓线坐标上的点集的序号集合，点序号指点在轮廓线坐标集中的索引；根据起始横截面的轮廓坐标和每个起始面所对应轮廓线上点集的子集，确立每一个子单元的起始横截面和轮廓线坐标点集的子集的对应关系；

步骤3：将起始横截面的点坐标按照轮廓线路径坐标做平移变换和旋转变换，得到一系列的线框；根据线框进行放样操作，同时记录每一个子单元最后一个线框所在的平面“endPlane”；

步骤4：生成每一截子单元之后，将所有子单元做并集，得到一个线状三维产权体。

针对不规则产权体，不规则产权体是指除了规则三维产权体和线性空间三维产权体之外的三维产权体；所述规则三维产权体是指具有一个上底面和一个下底面，上下底面水平且在水平面上的投影重合的产权体；所述线性空间三维产权体是指形态呈线性分布，空间形态的一般特征是横断面形态一致，并沿着一条线路径形成一个管道式空间；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据产权体的平面设计图，将三维产权体的整个空间划分成若干个简单体，不规则三维产权体看作是由这些简单体组成的复合体；所述简单体是由若干个竖直立面围成的竖向空间，其是由上下两个平面封闭而成的体；

步骤2：提取每个简单体的轮廓线，轮廓线是一条封闭的多线段；然后将每个简单体的上下面坡度、坡向、特征点标注在简单体轮廓线的内部。

步骤3：读取每个简单体的轮廓坐标和文字标注信息；

步骤4：根据读取的简单体轮廓和标注信息，对每个简单体进行立体重构；

步骤5：将生成每个小的简单体做布尔运算，得到一个复杂的不规则三维产权体。

本发明的优点是提出面向城市三维产权空间立体重构方法，实现了利用设计单位提供的平面设计数据，将规则三维产权体、不规则三维产权体、线状三维产权体进行三维立体重构的过程，具有十分重要的应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例的规则三维产权体的立体重构过程示意图；

图2为本发明实施例的规则三维产权体的AutoCAD建筑平面设计图化简之后的平面图；

图3为本发明实施例的规则三维产权体的AutoCAD建筑平面设计图化简之后经过拓扑检查后转换为shapefile格式的规范平面图；

图4为本发明实施例的规则三维产权体立体重构之后的效果图；

图5为本发明实施例的不规则三维产权体的立体重构过程示意图；

图6为本发明实施例的不规则三维产权体的AutoCAD建筑平面设计图；

图7为本发明实施例的不规则三维产权体平面设计图化简之后的效果图；

图8为本发明实施例的不规则三维产权体平面设计图化简之后的效果图局部放大效果；

图9为本发明实施例的不规则三维产权体分解之后立体重构效果图；

图10为本发明实施例的不规则三维产权体分解之后立体重构效果图局部放大效果；

图11为本发明实施例的不规则三维产权体分解之后立体重构效果图做布尔运算的结果；

图12为本发明实施例的线性空间三维产权体的立体重构过程示意图；

图13为本发明实施例的线状三维产权体的横截面AutoCAD设计图；

图14为本发明实施例的线状三维产权体的平面AutoCAD设计图；

图15为本发明实施例的线状三维产权体的横截面化简图；

图16为本发明实施例的线状三维产权体的化简图；

图17为本发明实施例的线状三维产权体的轮廓线Z坐标输入；

图18为本发明实施例的线状三维产权体起始横截面经过旋转平移之后生成的线框；

图19为本发明实施例的线状三维产权体立体重构效果。

具体实施方法

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图(为便于清晰表示，图中只保留了图形信息)及实施案例对本发明作进一步的详细描述，应当理解的是，此处所描述的实施案例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明利用设计单位报建所提供的AutoCAD平面设计图为数据基础，提出了针对规则三维产权体、不规则三维产权体、线状三维产权体三种不同特征的产权体的立体重构方法。规则三维产权体是指具有一个上底面和一个下底面，上下底面水平且在水平面上的投影重合的产权体；线状三维产权体是指形态呈线性分布，空间形态的一般特征是横断面形态一致，并沿着一条线路径形成一个管道式空间；不规则产权体则是指除了规则三维产权体和线状三维产权体之外的三维产权体。

请见图1，本发明提供的一种面向规则三维产权体的立体重构方法，包括以下步骤：

步骤1：根据产权体的平面设计图(如图2)，按一定的规则进行化简，保留产权体的轮廓部分，化简之后的平面图中每一个子单元是一个封闭的多边形，最后得到一个规则产权体的轮廓平面图。

步骤2：将化简之后的DXF文件利用ArcGIS软件转换成shapefile文件，每一个文件的shapefile包含两个字段Z和H，其中Z是规则产权体底面的高程值，H为规则产权体的高度，分别根据AutoCAD平面设计图文字标注对两个字段进行赋值。

步骤3：利用ArcGIS对平面化简图形进行拓扑检查，去掉因数据质量问题而导致的裂缝和重叠部分，得到shapefile格式的规范平面图(如图3)。

步骤4：读取经过拓扑检查之后的shapefile文件，根据产权体的轮廓坐标、海拔Z、高度H进行拔高，拔高之后的产权体即为重构三维产权体(如图4)。

请见图5，本发明提供的一种面向不规则三维产权体的立体重构方法，包括以下步骤：

步骤1：不规则三维产权体形态不规则，因此不能直接通过一个简单的方法进行立体重构。本发明提出了一种“分解重组合”的思想来对不规则三维产权体进行立体重构。根据产权体的平面设计图，将三维产权体的整个空间划分成多个简单体，不规则三维产权体可以看作是由这些简单体组成的复合体。简单体是由多个竖直立面围成的竖向空间，其是由上下两个平面封闭而成的体，上下两个平面可以是水平的，也可以是倾斜的。应当指出的是本发明所指的分解方法并不唯一，可以根据案例实际情况进行分解。

步骤2：将复杂的不规则三维产权体划分成多个简单体之后，根据建筑物平面设计图纸(如图6)和分解方式提取每个简单体的轮廓线，轮廓线是一条封闭的多边形，然后将每个简单体的上下底面坡度坡向信息标注在简单体的内部(如图7、图8)。其中BH代表BottomHeight，即底面坡面高程，第一个数字代表最低点标高，第二个数字代表最高点标高；TH代表Top Height，即顶面坡面高程，第一个数字代表最低点标高，第二个数字代表最高点标高；BG代表Bottom Gradient，即底面坡度；TG代表Top Gradient，即顶面坡度；BD代表Bottom Direction，即底面坡向；TD代表Top Direction，即顶面坡向；TH代表Top Height，即顶面水平标高。

步骤3：在AutoCAD软件上进行二次开发，编写插件读取每个简单体的轮廓坐标和文字标注信息。

步骤4：根据读取的简单体轮廓和标注信息，对每个简单体进行立体重构。每个简单体的空间信息包含两个部分，即记录轮廓的坐标信息和简单体上下面的坡度坡向及最高点和最低点高程信息。根据简单体上下面的坡度、坡向、特征点求得上下面所在的平面。将轮廓往上下面进行投影，获得两个三维线框。利用两个三维线框在AutoCAD中进行“放样”操作，生成一个简单体(如图9、图10)。

步骤5：将生成每个小的简单体做布尔运算，主要涉及两种布尔运算：合并与抠除。所谓合并，即布尔运算中的联合(UNION)；所谓抠除，即布尔运算中的相减(SUBTRACT)。通过布尔运算最后得到一个复杂的不规则三维产权体(如图11)。

请见图12，本发明提供的一种面向线状三维产权体的立体重构方法，包括以下步骤：

步骤1：线状三维产权体在形态上呈线性分布，如市政设施中的共同沟。我们可以利用起始横截面和轮廓线来进行还原。首先根据线状三维产权体的平面设计图，按起始横截面的不同将产权体划分成多个单元，然后对每个单元进行单独还原。图13是一个起始横截面设计图，图14是一个平面设计图。将起始横截面图和平面设计图进行化简，提取平面图的中轴线，记录起始横截面轮廓点的坐标。如图15所示顺序记录起始横截面周围点的坐标(X，Y，Z)，ID表示起始横截面所对应的轮廓线上点的序号。如图16是化简之后的结果。

步骤2：在AutoCAD软件上进行二次开发，编写插件读取每一个起始横截面的轮廓坐标，读取轮廓线上的点坐标{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，(x₃，y₃)，...，(x_n，y_n))。同时通过界面交互输入轮廓线上每个点的Z坐标(如图17)，在三维路径线上同一个点可能存在两个高程值，因此需要将每个点设置两个Z值。然后根据起始横截面所标注的轮廓坐标和起始横截面所对应轮廓线坐标上点集的序号ID的集合，ID为点的序号，点序号指点在轮廓线坐标集中的索引；确立每一个子单元的起始横截面和轮廓线坐标点集的子集的对应关系。

步骤3：将起始横截面的点坐标按照轮廓线路径坐标做平移变换和旋转变换，得到一系列的线框(如图18)。根据线框进行放样操作，同时记录每一个子单元最后一个线框所在的平面“endPlane”。为了避免相邻两个子单元之间存在缝隙，在进行下一个子单元的立体重构时，首先将起始横截面向上一个子单元的终止线框所在的平面“endPlane”上进行投影，然后利用投影之后的起始横截面进行旋转变换和平移变换。

步骤4：生成每一截子单元之后，将所有子单元做并集，得到一个线状三维产权体(如图19)。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较简单的实例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种面向城市三维产权空间立体重构方法，其特征在于：针对规则三维产权体。规则三维产权体是指具有一个上底面和一个下底面、上下底面水平且垂直投影重合的产权体；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：针对规则三维产权体的平面设计图，进行化简处理，保留其轮廓部分；化简之后的平面图中国每一个子单元是一个封闭的多边形，最后得到一个规则产权体的轮廓平面图；

步骤2：提取规则产权体底面的高程值Z以及规则产权体的高度值H；

步骤3：将规则产权体的底面平面图进行拓扑检查，去掉因数据质量问题而导致的裂缝和重叠部分，得到规范平面图；

步骤4：根据规则产权体的轮廓坐标、高程值Z、高度值H进行拔高，拔高之后的产权体即为重构的三维产权体。

2.一种面向城市三维产权空间立体重构方法，其特征在于：针对线状三维产权体，线状三维产权体是指形态呈线性分布，空间形态的一般特征是横断面形态一致，并沿着一条线路径形成一个管道式空间；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据线状三维产权体的平面设计图，按起始横截面的不同将产权体划分成多个单元，然后对每个单元进行单独还原；

步骤2：提取每一个起始横截面的轮廓坐标，依次读取轮廓线上的点坐标{(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),…,(x_n,y_n)}；输入轮廓线上每个点的Z坐标，在三维路径线上同一个点存在两个高程值，因此需要将每个点设置两个Z值；在横截面的文字标注中依次是该横截面上每个点的三维坐标(x,y,z)，此外最后一行标注的是该横截面的ID值，ID值是指该横截面适用的轮廓线坐标串子集的点序号，即ID值为该横截面所适用的轮廓线坐标上的点集的序号集合，点序号指点在轮廓线坐标集中的索引；根据起始横截面的轮廓坐标和每个起始面所对应轮廓线上点集的子集，确立每一个子单元的起始横截面和轮廓线坐标点集的子集的对应关系；

步骤3：将起始横截面的点坐标按照轮廓线路径坐标做平移变换和旋转变换，得到一系列的线框；根据线框进行放样操作，同时记录每一个子单元最后一个线框所在的平面“endPlane”；

步骤4：生成每一截子单元之后，将所有子单元做并集，得到一个线状三维产权体。

3.根据权利要求2所述的面向城市三维产权空间立体重构方法，其特征在于：步骤3中，为了避免相邻两个子单元之间存在缝隙，在进行下一个子单元的立体重构时，首先将起始横截面向上一个子单元的终止线框所在的平面“endPlane”上进行投影，然后利用投影之后的起始横截面进行旋转变换和平移变换。

4.一种面向城市三维产权空间立体重构方法，其特征在于：针对不规则产权体，不规则产权体是指除了规则三维产权体和线状三维产权体之外的三维产权体；所述规则三维产权体是指具有一个上底面和一个下底面，上下底面水平且在水平面上的投影重合的产权体；所述线状三维产权体是指形态呈线性分布，空间形态的一般特征是横断面形态一致，并沿着一条线路径形成一个管道式空间；

所述方法包括以下步骤：

步骤1：根据产权体的平面设计图，将三维产权体的整个空间划分成若干个简单体，不规则三维产权体看作是由这些简单体组成的复合体；所述简单体是由若干个竖直立面围成的竖向空间，其是由上下两个平面封闭而成的体；

步骤2：提取每个简单体的轮廓线，轮廓线是一条封闭的多边形；然后将每个简单体的上下面坡度、坡向、特征点标注在简单体轮廓线的内部；

步骤3：读取每个简单体的轮廓坐标和文字标注信息；

步骤4：根据读取的简单体轮廓和标注信息，对每个简单体进行立体重构；

步骤5：将生成每个小的简单体做布尔运算，得到一个复杂的不规则三维产权体。

5.根据权利要求4所述的面向城市三维产权空间立体重构方法，其特征在于：步骤4中，每个简单体的空间信息包含两个部分，记录轮廓的坐标信息和简单体上下底面的坡度坡向及最高点和最低点高程信息；根据简单体上下底面的坡度、坡向、特征点求得上下底面所在的平面；将轮廓往上下底面进行投影，获得两个三维线框；利用两个三维线框进行“放样”操作，生成一个简单体。

6.根据权利要求4所述的面向城市三维产权空间立体重构方法，其特征在于：步骤5中，布尔运算包括合并与扣除；所谓合并，为布尔运算中的联合；所谓抠除，为布尔运算中的相减。