CN113051654B - 基于二维gis数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，将楼梯对象的二维空间信息进行维度拓展，在二维数据中重定义三维拓扑关系以及空间语义，形成二三维一体化的数据模型，从而利用二三维一体化的数据模型的二维几何信息和三维空间语义，通过几何计算和规则构建实现了二维几何数据到三维地理实体模型数据的快速生成。本发明能够兼容二维GIS空间数据的数据模型、数据结构以及存储格式，解决三维GIS应用中二三维数据的一致性问题、数据形态转换问题和三维地理实体模型快速构建问题，为三维GIS应用中统一二维空间数据和三维地理实体模型的生产、加工、存储、管理、维护提供技术支撑。

Description

基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法

技术领域

本发明属于参数化三维建模领域，涉及室内楼梯二维空间数据处理标准、三维建模技术和纹理贴图技术，具体是一种基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法。

背景技术

在智慧城市建设不断推进和发展的过程中，对城市建筑体的三维建模要求也越来越高。目前，智慧城市的建模方法多种多样，比如基于遥感影像的三维建模、基于无人机航拍的三维建模和基于激光扫描的三维建模，这些建模方法虽然能够很好的体现建筑体的外部特征，但是涉及到建筑体内部精细化复杂化部件的大批量建模时显得力不从心。

楼梯作为建筑体内部结构复杂的结构体之一，其种类繁多、层次多样，给三维建模工作带来了巨大的挑战。利用传统测量数据和三维建模软件也能够构建精细化的楼梯三维地理实体模型，但是面向城市级别的数据量，手工建模内容重复繁琐且工作量巨大。并且，传统生产作业中将楼梯的二维空间数据和三维地理实体模型分别生产，各自存储，增加数据存储、质检和管理的成本，不利于数据形态转换和维护。因此，如何利用二维空间数据快速构建出满足三维场景精细化展示的室内三维地理实体模型成为智慧城市建设工作中的一大难题。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，将楼梯对象的二维空间信息进行维度拓展，在二维数据中重定义三维拓扑关系以及空间语义，形成二三维一体化的数据模型，从而实现了三维地理实体模型数据可由一体化数据模型通过几何计算和规则快速生成。本发明能够解决实际生产中二三维数据一致性问题、数据形态转换问题和三维精细化模型快速构建问题，为精细化、高效率的三维地理实体模型生产提供有力的技术支持。

本发明使用的是地铁站室内楼梯数据，楼梯由楼梯段、楼梯平台、栏杆扶手组成，适用于楼梯段投影平面形状为矩形的楼梯构建以及同结构类型的室内外楼梯构建，包括单跑楼梯、交叉式楼梯、双跑折梯、双跑直楼梯、双跑平行楼梯、双分式平行楼梯、双合式平行楼梯、剪刀式楼梯和三跑楼梯。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建面向三维地理实体模型生成的二维拓扑构建规则；

步骤2：对二维楼梯数据进行标准化处理；

步骤3：在二维拓扑构建规则下，基于标准化处理后的二维楼梯数据，构建楼梯平台部件的三维地理实体模型；

步骤4：在二维拓扑构建规则下，基于标准化处理后的二维楼梯数据，构建楼梯段部件的三维地理实体模型；

步骤5：合并楼梯平台部件的三维地理实体模型和楼梯段部件的三维地理实体模型，得到室内楼梯的三维地理实体模型。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述步骤1包括以下子步骤：

步骤1.1：根据楼梯实体特征，将楼梯拆分为楼梯平台部件和楼梯段部件，所述楼梯平台部件包括楼梯平台及楼梯平台上的扶手，所述楼梯段部件包括楼梯段及楼梯段上的扶手，所有楼梯均由这两个部件拼装组合构成；

步骤1.2：构建“站-层-地坪高”的空间划分规则，进行楼梯各部件的空间位置匹配，其中站表示楼梯所在站点，层表示楼梯所在楼层，地坪高由楼梯段的最低点和最高点组成；

步骤1.3：楼梯平台与楼梯段之间通过空间相交计算，将楼梯平台上需要构建扶手和不需要构建扶手的边界区分开；

步骤1.4：对楼梯段进行拓扑邻接关系检查，确定楼梯段走向以及楼梯段上的扶手的空间分布。

进一步地，所述步骤2包括以下子步骤：

步骤2.1：对地铁站的二维楼梯数据进行分类，增加字段名区分楼梯段数据和楼梯平台数据；

步骤2.2：将二维楼梯数据分站、分层设置，划分二维楼梯数据所在楼层，以楼梯所连接的下一层楼层号作为标识符，并赋予对应的站点号和楼层号；

步骤2.3：简化楼梯段数据，求取楼梯段的最小外包矩形，保证每个楼梯段平面是由四个点位构成的矩形；楼梯段数据增加最低点和最高点的属性字段，分别代表该楼梯段所连接的上下两楼梯平台的地坪高；计算楼梯段的前进方向方位角；

步骤2.4：按楼层对楼梯平台及与其相连的楼梯段进行空间计算，计算出相交点位置，并在楼梯平台数据中加入相交点信息，打断原有楼梯平台几何面的边界线段，生成新的边界线段；

步骤2.5：合并二维楼梯数据，将同一站同一层的二维楼梯数据放在同一图层文件中。

进一步地，所述步骤2.3中，按楼层拓扑查询与每个楼梯段相连接的上下两楼梯平台，并提取其地坪高属性值，分别赋予到对应的最低点和最高点属性；楼梯段最低点往最高点方向作为前进方向，前进方向方位角为以正北方向线顺时针旋转至前进方向的水平夹角。

进一步地，所述步骤3包括以下子步骤：

步骤3.1：按楼层提取楼梯平台数据，包括楼梯平台的二维数据和地坪高属性，将楼梯平台的二维数据（X，Y）转换为三维数据（X，Y，Z），构建三维楼梯平台模型；其中，Z代表根据地坪高属性得到的楼梯平台高度；

步骤3.2：在楼梯平台的三维数据中通过参数化构建楼梯平台上的扶手，构建参数包括扶手的宽度和高度；遍历楼梯平台的二维数据中每条边界线段，空间计算该楼层内与各边界线段相交的楼梯段，若边界线段与楼梯段不相交，则根据扶手高度沿该边界线段构建立体平面，再根据扶手宽度沿立体平面向楼梯平台内部拉伸，构建楼梯平台的三维扶手模型，反之不处理该边界线段；

步骤3.3：合并三维楼梯平台模型和楼梯平台的三维扶手模型，得到当前楼层所有的楼梯平台部件的三维地理实体模型。

进一步地，所述步骤4包括以下子步骤：

步骤4.1：按楼层提取楼梯段数据，包括楼梯段的二维数据、最低点和最高点属性以及前进方向方位角，确定楼梯段的空间位置和姿态；

步骤4.2：根据前进方向方位角、最低点和最高点属性，将高程信息匹配到楼梯段平面对应的四个顶点上，计算楼梯段平面四个顶点的三维坐标，构建三维楼梯段模型；

步骤4.3：对三维楼梯段模型进行纹理贴图；

步骤4.4：对楼梯段上的扶手进行参数化构建，构建参数包括扶手的宽度和高度，在楼梯段前进方向的两条边界线段上根据扶手高度沿边界线段构建立体平面，再根据扶手宽度沿立体平面向楼梯段平面内部拉伸，构建楼梯段的三维扶手模型；

步骤4.5：合并三维楼梯段模型和楼梯段的三维扶手模型，得到当前楼层所有楼梯段部件的三维地理实体模型。

进一步地，所述步骤4.3中，贴图纹理长、宽均采用2的n次幂像素值，根据楼梯段平面的长宽比，以此作为对楼梯段平面进行纹理贴图的平铺比例。

本发明的有益效果是：

本发明基于二维数据的三维拓扑规则构建，在二维楼梯数据中定义空间属性、构建拓扑规则，描述楼梯在三维空间中的位置和走向，从而达到在二维面状数据的基础上补充属性和拓扑关系就能体现楼梯的三维空间形态、结构和姿态。

本发明提出楼梯结构的组装算法，按空间特征拆分楼梯的空间结构，划分可组成楼梯的最小三维结构单元，通过调整各结构单元的几何形变参数、姿态以及组合方式，可构建出多种不同形状结构和空间姿态的三维楼梯模型。

附图说明

图1是本发明提出的室内楼梯三维地理实体模型自动构建方法的流程示意图。

图2是图1步骤中 S1包括的子步骤的流程示意图。

图3是图1步骤中 S2包括的子步骤的流程示意图。

图4是图1步骤中 S3包括的子步骤的流程示意图。

图5是图1步骤中 S4包括的子步骤的流程示意图。

图6是几类常用楼梯的三维建模成果的效果图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

本发明实施例中使用的是楼梯数据，包括楼梯段、楼梯平台的二维几何数据和基本属性信息，楼梯二维几何要素基于楼梯实体对象在真实场景中的投影所得，因此在投影几何中补充必要的属性信息和空间拓扑关系，对楼梯三维结构构成拥有基础的空间信息量，形成二三维一体化的楼梯数据模型，实现从一体化数据模型到三维地理实体模型的转化。

如图1所示，本发明实施例所述的基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：为满足三维楼梯参数化自动建模需求，设计面向三维地理实体模型生成的二维拓扑构建规则。包括以下子步骤，具体参照图2：

步骤1.1：分析楼梯实体特征，将楼梯拆分楼梯平台和楼梯段两类部件（其中楼梯平台部件包括楼梯平台及平台上面的扶手，楼梯段部件包括楼梯段及其上的扶手），所有的楼梯均可由这两部分拼装组合构成；

步骤1.2：构建“站-层-地坪高”空间划分规则，进行楼梯部件的空间位置匹配，其中楼梯段的地坪高属性由最低点和最高点构成；

步骤1.3：楼梯平台构建规则中，平台与楼梯段进行空间相交计算，从而将楼梯平台上需要构建扶手和不需要构建扶手的边界区分开；

步骤1.4：面向楼梯段参数化构建的拓扑规则设计中，对楼梯段进行拓扑邻接关系检查，确定楼梯段走向以及扶手的空间分布。

步骤2：楼梯二维数据标准化处理。包括以下子步骤，具体参照图3：

步骤2.1：对地铁站楼梯二维空间数据进行分类，增加字段名区分楼梯段和楼梯平台要素；

步骤2.2，楼梯数据分站、分层设置，划分楼梯各要素所在楼层，本发明中以楼梯所连接的下一层楼层号作为标识符（如连接负二层B2F与负一层B1F之间的楼梯应归属于B2F），并赋予对应的站点号和楼层号；

步骤2.3：简化楼梯段的二维几何数据，求取楼梯段的最小外包矩形，保证每个楼梯段平面是由四个点位构成的矩形。楼梯段增加ZDD最低点和ZGD最高点属性字段，代表该楼梯段所连接上下两平台地坪高的较高者和较低者，按楼层拓扑查询与每个楼梯段相连接的楼梯平台，并提取其地坪高属性值，分别赋予到对应的属性ZDD最低点和ZGD最高点（首末两个楼梯段的ZDD最低点和ZGD最高点属性由该层楼层地坪高和上一层楼层地坪高决定）。计算楼梯段的前进方向方位角（楼梯段最低点往最高点方向作为前进方向，以正北方向线顺时针旋转至前进方向的水平夹角）；

步骤2.4：按楼层对楼梯平台与相连楼梯段进行空间计算，计算出相交点位置，并在楼梯平台的几何数据中加入相交点信息，打断原有楼梯平台几何面的边界线段，生成新的边界线段；

步骤2.5：合并二维楼梯数据，同一站同一层的楼梯数据放在同一图层文件中。

步骤3：楼梯平台与扶手的三维地理实体模型构建。包括以下子步骤，具体参照图4：

步骤3.1：按楼层提取二维楼梯平台的几何数据和地坪高属性，将平台的二维几何数据（包含X、Y）转换为三维坐标数据（包含X、Y、Z，其中代表楼梯平台高度），构建三维楼梯平面；

步骤3.2：由于扶手位置数据采集麻烦，且具有一定的规律，二维数据不做处理，在三维数据中通过参数化构建，构建参数包括扶手的宽度和高度。遍历二维楼梯平台数据中每条边界线段，空间计算该楼层内与该边界相交的楼梯段，若平台边界与楼梯段不相交，则根据扶手高度参数沿边界线段构建立体平面，再根据扶手宽度参数沿立体平面向平台内部拉伸，构建扶手三维地理实体模型，反之不处理该边界；

步骤3.3：合并三维楼梯平台和扶手模型，得到当前楼层所有的三维楼梯平台部件模型。

步骤4：楼梯段与扶手的三维地理实体模型构建。包括以下子步骤：具体参照图5：

步骤4.1：按楼层提取楼梯段数据和前进方向角，确定楼梯段的空间位置和姿态；

步骤4.2：根据前进方位角和ZGD最高点、ZDD最低点属性，将高程信息匹配到楼梯段平面对应的四个顶点上，计算楼梯段平面四个顶点的三维坐标（坐标包含X、Y、Z），构建三维平面；

步骤4.3：三维地理实体模型中，贴图纹理长、宽均采用2的n次幂像素值，为保证贴图不被拉伸和变形，需要计算三维楼梯段平面的长宽比，以此作为楼梯段平面进行纹理贴图的平铺比例；

步骤4.4：楼梯段扶手参数化构建。楼梯段扶手构建参数包括扶手的宽度和高度，在楼梯段前进方向的两条边界上根据扶手高度参数沿边界线段构建立体平面，再根据扶手宽度参数沿立体平面向楼梯段平面内部拉伸，构建扶手三维地理实体模型；

步骤4.5：合并楼梯段和扶手模型，得到当前楼层所有的三维楼梯段模型。

步骤5：分站分楼层合并楼梯平台和楼梯段三维地理实体模型，生成完整的楼梯三维地理实体模型。

综上所述，本发明方法简化了传统三维地理实体模型生产、质检和更新维护的流程，保证了二三维数据的一致性，无需维护两套数据，有效提高了模型的生产效率。图6是几类常用楼梯的三维建模成果的效果图。当然，本发明适用的数据不仅仅是地体站室内楼梯数据，结构相似的建筑体室内外楼梯数据均适用。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建面向三维地理实体模型生成的二维拓扑规则；所述步骤1包括以下子步骤：

步骤1.1：根据楼梯实体特征，将楼梯拆分为楼梯平台部件和楼梯段部件，所述楼梯平台部件包括楼梯平台及楼梯平台上的扶手，所述楼梯段部件包括楼梯段及楼梯段上的扶手，所有楼梯均由这两个部件拼装组合构成；

步骤1.2：构建“站-层-地坪高”的空间划分规则，进行楼梯各部件的空间位置匹配，其中站表示楼梯所在站点，层表示楼梯所在楼层，地坪高由楼梯段的最低点和最高点组成；

步骤1.3：楼梯平台与楼梯段之间通过空间相交计算，将楼梯平台上需要构建扶手和不需要构建扶手的边界区分开；

步骤1.4：对楼梯段进行拓扑邻接关系检查，确定楼梯段走向以及楼梯段上的扶手的空间分布；

步骤2：对二维楼梯数据进行标准化处理；所述步骤2包括以下子步骤：

步骤2.1：对地铁站的二维楼梯数据进行分类，增加字段名区分楼梯段数据和楼梯平台数据；

步骤2.2：将二维楼梯数据分站、分层设置，划分二维楼梯数据所在楼层，以楼梯所连接的下一层楼层号作为标识符，并赋予对应的站点号和楼层号；

步骤2.3：简化楼梯段数据，求取楼梯段的最小外包矩形，保证每个楼梯段平面是由四个点位构成的矩形；楼梯段数据增加最低点和最高点的属性字段，分别代表该楼梯段所连接的上下两楼梯平台的地坪高；计算楼梯段的前进方向方位角；

步骤2.4：按楼层对楼梯平台及与其相连的楼梯段进行空间计算，计算出相交点位置，并在楼梯平台数据中加入相交点信息，打断原有楼梯平台几何面的边界线段，生成新的边界线段；

步骤2.5：合并二维楼梯数据，将同一站同一层的二维楼梯数据放在同一图层文件中；

步骤3：在二维拓扑规则下，基于标准化处理后的二维楼梯数据，构建楼梯平台部件的三维地理实体模型；所述步骤3包括以下子步骤：

步骤3.1：按楼层提取楼梯平台数据，包括楼梯平台的二维数据和地坪高属性，将楼梯平台的二维数据（X，Y）转换为三维数据（X，Y，Z），构建三维楼梯平台模型；其中，Z代表根据地坪高属性得到的楼梯平台高度；

步骤3.2：在楼梯平台的三维数据中通过参数化构建楼梯平台上的扶手，构建参数包括扶手的宽度和高度；遍历楼梯平台的二维数据中每条边界线段，空间计算该楼层内与各边界线段相交的楼梯段，若边界线段与楼梯段不相交，则根据扶手高度沿该边界线段构建立体平面，再根据扶手宽度沿立体平面向楼梯平台内部拉伸，构建楼梯平台的三维扶手模型，反之不处理该边界线段；

步骤3.3：合并三维楼梯平台模型和楼梯平台的三维扶手模型，得到当前楼层所有的楼梯平台部件的三维地理实体模型；

步骤4：在二维拓扑规则下，基于标准化处理后的二维楼梯数据，构建楼梯段部件的三维地理实体模型；所述步骤4包括以下子步骤：

步骤4.1：按楼层提取楼梯段数据，包括楼梯段的二维数据、最低点和最高点属性以及前进方向方位角，确定楼梯段的空间位置和姿态；

步骤4.2：根据前进方向方位角、最低点和最高点属性，将高程信息匹配到楼梯段平面对应的四个顶点上，计算楼梯段平面四个顶点的三维坐标，构建三维楼梯段模型；

步骤4.3：对三维楼梯段模型进行纹理贴图；

步骤4.4：对楼梯段上的扶手进行参数化构建，构建参数包括扶手的宽度和高度，在楼梯段前进方向的两条边界线段上根据扶手高度沿边界线段构建立体平面，再根据扶手宽度沿立体平面向楼梯段平面内部拉伸，构建楼梯段的三维扶手模型；

步骤4.5：合并三维楼梯段模型和楼梯段的三维扶手模型，得到当前楼层所有楼梯段部件的三维地理实体模型；

步骤5：合并楼梯平台部件的三维地理实体模型和楼梯段部件的三维地理实体模型，得到室内楼梯的三维地理实体模型。

2.如权利要求1所述的基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，其特征在于：所述步骤2.3中，按楼层拓扑查询与每个楼梯段相连接的上下两楼梯平台，并提取其地坪高属性值，分别赋予到对应的最低点和最高点属性；楼梯段最低点往最高点方向作为前进方向，前进方向方位角为以正北方向线顺时针旋转至前进方向的水平夹角。

3.如权利要求1所述的基于二维GIS数据的室内楼梯三维地理实体模型构建方法，其特征在于：所述步骤4.3中，贴图纹理长、宽均采用2的n次幂像素值，根据楼梯段平面的长宽比，以此作为对楼梯段平面进行纹理贴图的平铺比例。

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