CN113989456B - 基于gis数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，包括如下步骤：设计面向三维模型生成的二维拓扑规则；对地铁站的二维数据进行标准化处理；在二维拓扑规则下，根据标准化处理后的二维数据构建基于预制件的三维模型；在二维拓扑规则下，根据标准化处理后的二维数据构建基于几何形状的三维模型；合并基于预制件的三维模型和基于几何形状的三维模型，得到地铁站室内的三维模型。本发明能真实还原地铁站室内要素的空间构成、位置走向和交集关联等特征，有效解决实际生产中三维精细化模型快速构建与动态更新问题，为精细化、高效率的三维模型生产和维护提供有力的技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及室内空间的三维建模技术和纹理贴图技术，属于参数化三维建模领域，具体是一种基于GIS（Geographic Information System，地理信息系统）数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法。
背景技术
随着城市化建设的不断推进和地理信息技术的快速发展，对城市空间管理提出越来越多的要求，三维建模技术作为三维城市空间场景再现的重要手段也在不断丰富和完善。目前，用于城市建模方法有很多，如基于摄影测量、基于遥感影像、基于视觉图像序列和基于三维激光扫描三维建模方法，这些建模方法虽然能够很好的体现城市建筑体的外部特征，但是涉及到建筑体内部，尤其是地下空间的精细化复杂化部件的建模时显得力不从心。
地铁站作为城市的重要交通枢纽，其内部空间结构复杂，层次交错，多层之间存在隶属关系，同层之间存在跨越关系，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虽然也能够进行地铁站室内三维模型构建，但是地铁站室内的设施、设备、装备等部件会随安保活动产生变更，同时地铁站随着逐步建设发展也不断变更着室内空间结构，手工建模方式既需要进行测量数据的质检，又需要分层构建三维模型，工序繁琐效率低下。并且，站内二三维数据的维护、质检和更新工作繁重且持续发生，对室内三维地图更新的时效性提出了挑战。因此，如何利用二维空间数据快速构建出满足地铁站室内空间展示和动态更新的三维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GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法。本发明分析地铁站室内建筑三维特征，建立三维实体与二维数据的映射关系。通过在二维几何信息中补充相应的空间属性和拓扑信息，还原三维模型的空间构成和交集关联等特征。针对室内建模要素设计自动构建算法，实现室内楼层空间结构、垂直通道、部件设施等多种三维对象的参数化自动化建模；同时满足仅修改二维数据即可动态调整三维模型的空间位置和姿态。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设计面向三维模型生成的二维拓扑规则；
步骤2：对地铁站的二维数据进行标准化处理；
步骤3：在二维拓扑规则下，根据标准化处理后的二维数据构建基于预制件的三维模型；
步骤4：在二维拓扑规则下，根据标准化处理后的二维数据构建基于几何形状的三维模型；
步骤5：合并基于预制件的三维模型和基于几何形状的三维模型，得到地铁站室内的三维模型。
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包括如下子步骤：
步骤1.1：分析地铁站室内的建筑实体特征，将地铁站室内的实体分为两类，一类是可基于预制件建模的实体，另一类是可基于几何形状建模的实体，地铁站室内的三维建模则分为基于预制件建模和基于几何形状建模；
步骤1.2：建立实体与二维数据之间的映射关系；
步骤1.3：构建“站-层-类别”的空间划分规则，进行各实体的空间位置匹配，其中站表示所在的站点，层表示所在的楼层，类别表示数据的类别；
步骤1.4：设计基于预制件建模的空间计算规则，其中定义预制件模型的初始状态以及对应实体的正方向，结合二维数据处理标准，解算出基于预制件的三维模型的空间姿态参数；
步骤1.5：设计基于几何形状建模的空间计算规则，其中获取用于建模的各要素的空间位置，定义各要素在三维空间上的拓扑邻接关系，将各要素连接在一起构成基于几何形状的三维模型。
进一步地，所述步骤2包括如下子步骤：
步骤2.1：对地铁站的二维数据进行分类，增加字段名区分为基于预制件建模的二维要素和基于几何形状建模的二维要素；
步骤2.2：将分类后的二维要素再进行分站和分层设置，并赋予对应的站点号和楼层号；
步骤2.3：将基于预制件建模的二维要素分为点要素和线要素进行处理，在点要素的属性中新增地坪高属性和方位角；对面要素求取最小外包矩形，保证每个面要素是由四个点位构成的矩形，同时计算出矩形的中心点坐标和方位角；
步骤2.4：将基于几何形状建模的二维要素分为线要素和面要素进行处理，线要素用于隔离栏的立体呈现，在线要素中新增隔离栏高度属性以及贴图类型属性；面要素用于生成三维面片和三维结构体，三维面片用于轨道的建模，处理用于生成三维面片的面要素时，对不规则多边形进行空间切分和平滑处理，保证多边形同一走向的两条对边由相同数量的点构成；处理用于生成三维结构体的面要素时，新增地坪高属性，定义各面要素在三维空间上的拓扑邻接关系，新增拉升高度属性值，其中对于带有坡度的面要素，获取其对应的最高点和最低点高程，计算前进方向方位角；
步骤2.5：合并经过步骤2.1到步骤2.4处理后的二维数据，将同一站点同一楼层的同一类别数据放在同一图层文件中。
进一步地，所述步骤3中，构建基于预制件的三维模型包括如下子步骤：
步骤3.1：按楼层按类别提取二维要素的几何数据和空间属性；
步骤3.2：获取对应的预制件模型，检测预制件模型的世界原点位置是否在其几何中心上，并提取预制件模型的方位角；
步骤3.3：对于点要素的三维建模，首先将点要素的二维几何数据（X，Y）转换为三维坐标数据（X，Y，Z），其中Z代表地坪高度，其次计算当前点要素的方位角与预制件模型的方位角的角度差，然后将已拷贝的预制件模型按照三维坐标数据和角度差进行摆放和旋转以实现空间定位；
步骤3.4：对于面要素的三维建模，首先计算预制件模型外包盒在水平面上的投影与面要素最小外包矩形的比例K，将预制件模型按照K值进行缩放，再将面要素中矩形中心坐标的二维几何数据（X1，Y1）转换为三维坐标数据（X1，Y1，Z1），其中Z1表示三维模型的实际高度，完成三维模型的空间位置确定；最后计算当前面要素的方位角与预制件模型的方位角的角度差，进行空间旋转实现三维模型的姿态矫正；
步骤3.5：合并经过步骤3.3和步骤3.4所得到的当前楼层同类别的三维模型，得到基于预制件的三维模型。
进一步地，所述步骤3.4中，Z1=h0+h1/2，其中h0表示当前楼层高度，h1表示当前预制件模型的高度。
进一步地，所述步骤4中，构建基于几何形状的三维模型包括如下子步骤：
步骤4.1：按楼层按类别提取二维要素的几何数据和空间属性；
步骤4.2：对线要素进行三维立体平面参数化构建，三维立体平面参数包括立体面的长度、高度和纹理贴图，在线要素的前进方向上根据高度参数沿线段构建立体平面，根据贴图属性获取对应的纹理贴图，同时计算每一块立体平面的长宽比，以此作为立体平面进行纹理贴图的平铺比例；
步骤4.3：对于面要素的三维平面构建，将面要素各个顶点坐标的二维几何数据转换为三维坐标数据，生成三维空间里的轨道面，沿轨道面延伸方向进行纹理贴图；
步骤4.4：对于面要素的三维结构体参数化构建，在处理无坡度的面要素时，将二维几何数据转换成三维坐标数据，进而构建三维面片，所得三维面片再根据拉升高度参数沿垂直方向向上进行拉升构建三维结构体；面对带有坡度的面要素时，根据前进方位角、最高点属性和最低点属性，将高程信息匹配到平面对应的各个顶点上，计算平面各个顶点的三维坐标，构建三维平面，再根据拉升高度参数沿垂直方向向上进行拉升构建三维结构体；
步骤4.5：合并经过步骤4.2到步骤4.4所得到的当前楼层同类别的三维模型，得到基于几何形状的三维模型。
进一步地，所述步骤4.2中，纹理贴图的长和宽均采用2的n次幂像素值。
进一步地，所述步骤5中，分站点分楼层合并所有类别的三维模型，构建出完整的地铁站室内的三维模型。
本发明的有益效果是：
本发明通过分析地铁站室内建筑三维特征，建立三维实体与二维数据的映射关系，构建二维数据的三维拓扑规则，在二维点、线、面数据的基础上补充空间属性和拓扑信息，就能真实还原地铁站室内要素的空间构成、位置走向和交集关联等特征。
本发明提出了基于预制件建模和基于几何形态建模的两种构建算法，针对站内大量存在、结构复杂、外观一致且重复出现的设备设施，引入预制件模型，并结合标准化的二维数据进行快速建模。面对复杂结构体构建时，二维要素完全通过结构化属性进行定义，三维中的所有的体、面、块通过公式化描绘构建出来的，通过三维空间上的拓扑邻接关系，将通道、夹层、墙体等建筑结构和设备设施连接在一起构成一个复杂的结构体。通过调整各要素的几何形变参数、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室内三维模型，并具有一定的普适性。
本发明解决了实际生产中三维精细化模型快速构建与动态更新问题，为精细化、高效率的三维模型生产和维护提供有力的技术支持。
附图说明
图1是本发明提出的基于GIS数据的轨交站点空间三维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是地铁站室内空间局部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。
本发明在具体实施例中使用的是地铁站室内空间数据，包括出入口、消防报警按钮、紧急制动按钮、闸机、售票机、服务台、查缉台、休憩设施、消防箱、消防栓、装备柜、安检机、摄像头、隔离栏之类的设备设施实体，以及商铺、楼面、墙体、立柱、夹层、轨道、无障碍电梯和楼梯之类的建筑结构体的二维几何数据和基本属性信息，二维空间内以点、线、面的形式呈现。室内建筑结构体的二维几何要素基于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，使其对建筑三维结构的构成拥有基础的空间信息量。同时为了方便数据的采集和更新，地铁站内大量存在、结构复杂、外观一致且重复出现的设备设施，采用预制件的形式并结合二维数据处理标准进行快速建模，实现从二维数据到三维模型的转化。
如图1所示，本发明实施例所述的一种基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，为满足地铁站室内建筑参数化自动建模需求，设计面向三维模型生成的二维拓扑构建规则；具体参照图2，包括以下子步骤：
步骤1.1，分析站内建筑实体特征，将站内实体分为两类，一类是可基于预制件（预先制作完成的基础模型，可根据其空间位置和姿态直接嵌入到三维场景中，亦可根据实际大小进行缩放）建模的实体，主要适用于地铁站内大量存在、结构复杂且重复的设备设施，另一类是可基于几何形状建模的实体，主要适用于地铁站内依据二维几何要素和相关空间信息进行参数化构建的结构体；
步骤1.2，建立建模实体与二维数据的映射关系，基于预制件建模依靠预制件模型与二维的点、面数据实现三维模型空间定位和批量生成，基于几何形状建模的实体则通过二维的线、面数据进行参数化模型构建；
步骤1.3，构建“站-层-类别”结构的空间划分规则，进行各实体对象的空间位置匹配。
步骤1.4，面向基于预制件建模的构建规则中，定义预制件模型的初始状态（包括模型的世界原点、正方向、朝向、大小）以及对应实体的正方向，结合二维数据处理标准，解算出模型的空间姿态参数实现精准定位。
步骤1.5，面向基于几何形状建模的空间拓扑规则设计中，获取各要素的空间位置，定义三维空间上的拓扑邻接关系，将通道、夹层和墙体等部件连接在一起构成一个复杂的结构体。
步骤2，二维数据标准化处理；具体参照图3，包括以下子步骤：
步骤2.1，对所有地铁站二维空间数据进行分类，增加字段名区分可基于预制件建模和可基于几何形状建模的二维要素；
步骤2.2，室内数据分站、分层设置，划分各要素所在楼层，本发明中以实体对象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之间的实体应归属于B2F），并赋予对应的站点号和楼层号；
步骤2.3，面向基于预制件建模的二维数据处理过程中，分为点要素和线要素的处理。在点要素属性中新增DPG地坪高属性和方位角（实体正方向在水平面上投影作为目标方向，以正北方向线顺时针旋转至目标方向的水平夹角）；应用于消防报警按钮、紧急制动按钮和摄像头之类小部件设施的空间定位。面要素中简化二维几何数据，求取最小外包矩形，保证每个要素是由四个点位构成的矩形，同时计算出矩形的中心点坐标和方位角；应用于出入口、售票机、服务台、查缉台、休憩设施、消防箱、消防栓、装备柜和安检机之类较大设备设施的空间判定。
步骤2.4，面向基于几何形状建模的二维数据处理过程中，分为线、面两种要素处理。线要素主要应用于隔离栏的立体呈现，在线要素中新增隔离栏高度属性以及贴图类型属性；面要素可用于生成三维面片和生成三维结构体。三维面片主要应用于轨道的建模，在这类面要素处理过程中，对不规则多边形进行空间切分和平滑处理，保证多边形同一走向两条对边由相同数量的点构成。三维结构体主要应用于商铺、楼面、墙体、立柱、夹层、无障碍电梯和楼梯的建模，在这类面要素处理过程中，新增地坪高属性，定义各要素三维空间上的拓扑邻接关系，新增拉升高度属性值。对于带有坡度的实体要素，获取其对应的ZGD最高点和ZDD最低点高程，计算该实体的前进方向方位角（最低点通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2.5，合并二维数据，同一站同一层的同一类要素数据放在同一图层文件中；
步骤3，基于预制件的三维模型构建；具体参照图4，包括以下子步骤：
步骤3.1，按楼层按类别提取二维要素的几何数据和空间属性；
步骤3.2，获取对应的预制件模型，检测预制件模型的世界原点位置是否在其几何中心上，提取模型的正方向方位角，由于预制件属于基础模型，一次加载多次复用，所以只需要在初次调用时进行检测；
步骤3.3，面向二维点要素数据的三维建模，首先将点的二维几何数据（包含X、Y）转换为三维坐标数据（包含X、Y、Z，其中Z代表地坪高度），其次计算当前要素的方位角与预制件模型的方位角的角度差，然后将已拷贝的预制件模型按照三维坐标和角度差进行摆放和旋转实现空间定位；
步骤3.4，面向二维面要素数据的三维建模，首先计算预制件模型外包盒在水平面上投影与二维数据最小外包矩形的比例K，将预制件模型按照K值进行缩放。再将面要素中矩形中心坐标的二维几何数据（包含X1、Y1）转换为三维坐标数据（包含X1、Y1、Z1，其中Z1代表三维模型的实际高度，由当前楼层高度h0和当前预制件模型的高度h1的一半构成），完成三维模型的空间位置确定。最后计算当前要素的方位角与预制件模型的方位角的角度差，进行空间旋转实现三维模型的姿态矫正。
步骤3.5，合并当前楼层同类别的三维模型。
步骤4，基于几何形状三维模型构建；具体参照图5，包括以下子步骤：
步骤4.1，按楼层按类别提取二维要素的几何数据和空间属性；
步骤4.2，基于线要素的三维立体平面参数化构建，三维立体平面构建参数包括立体面的长度、高度和纹理贴图，在线的前进方向上根据高度参数沿线段构建立体平面，根据贴图属性获取对应的纹理贴图，同时计算每一块三维立体平面的长宽比（线段长度作为长，高度参数作为宽），以此作为立体平面进行纹理贴图的平铺比例。为保证贴图不被拉伸和变形，纹理贴图长、宽均采用2的n次幂像素值；
步骤4.3，基于面要素的三维平面构建，将面要素各个顶点坐标的二维几何数据（包含X2、Y2）转换为三维坐标数据（包含X2、Y2、Z2），Z2表示竖直平面上的高度，生成三维空间里的轨道面，沿轨道面延伸方向进行纹理贴图，贴图要求与上述步骤4.2中一致；
步骤4.4，基于面要素的三维建筑结构体参数化构建，无坡度面要素处理时，根据其几何数据将其转换成三维坐标构建三维面片，所得三维面片再根据拉升高度参数沿垂直方向向上进行拉升构建三维结构体模型。面对带有坡度的面要素时，根据前进方位角和ZGD最高点、ZDD最低点属性，将高程信息匹配到平面对应的各个顶点上，计算立体平面各个顶点的三维坐标，构建三维平面。再根据拉升高度参数沿垂直方向向上进行拉升构建三维结构体模型；
步骤4.5，合并当前楼层同类别的三维模型。
步骤5，分站分楼层合并所有要素的三维模型，构建出完整的地铁站室内三维模型。图6所示是地铁站室内空间局部三维建模成果的效果图。
由上述实施例可知，本发明方法简化了传统三维模型生产、质检和更新维护的流程，有效提高了模型的生产效率，同时降低了模型更新的难度、周期和成本。当然，本发明适用的数据不仅仅是地体站室内建筑数据，结构相似的建筑体室内建筑数据均适用。
Claims (4)
1.基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：设计面向三维模型生成的二维拓扑规则；所述步骤1包括如下子步骤：
步骤1.1：分析地铁站室内的建筑实体特征，将地铁站室内的实体分为两类，一类是可基于预制件建模的实体，另一类是可基于几何形状建模的实体，地铁站室内的三维建模则分为基于预制件建模和基于几何形状建模；
步骤1.2：建立实体与二维数据之间的映射关系；
步骤1.3：构建“站-层-类别”的空间划分规则，进行各实体的空间位置匹配，其中站表示所在的站点，层表示所在的楼层，类别表示数据的类别；
步骤1.4：设计基于预制件建模的空间计算规则，其中定义预制件模型的初始状态以及对应实体的正方向，结合二维数据处理标准，解算出基于预制件的三维模型的空间姿态参数；
步骤1.5：设计基于几何形状建模的空间计算规则，其中获取用于建模的各要素的空间位置，定义各要素在三维空间上的拓扑邻接关系，将各要素连接在一起构成基于几何形状的三维模型；
步骤2：对地铁站的二维数据进行标准化处理；所述步骤2包括如下子步骤：
步骤2.1：对地铁站的二维数据进行分类，增加字段名区分为基于预制件建模的二维要素和基于几何形状建模的二维要素；
步骤2.2：将分类后的二维要素再进行分站和分层设置，并赋予对应的站点号和楼层号；
步骤2.3：将基于预制件建模的二维要素分为点要素和线要素进行处理，在点要素的属性中新增地坪高属性和方位角；对面要素求取最小外包矩形，保证每个面要素是由四个点位构成的矩形，同时计算出矩形的中心点坐标和方位角；
步骤2.4：将基于几何形状建模的二维要素分为线要素和面要素进行处理，线要素用于隔离栏的立体呈现，在线要素中新增隔离栏高度属性以及贴图类型属性；面要素用于生成三维面片和三维结构体，三维面片用于轨道的建模，处理用于生成三维面片的面要素时，对不规则多边形进行空间切分和平滑处理，保证多边形同一走向的两条对边由相同数量的点构成；处理用于生成三维结构体的面要素时，新增地坪高属性，定义各面要素在三维空间上的拓扑邻接关系，新增拉升高度属性值，其中对于带有坡度的面要素，获取其对应的最高点和最低点高程，计算前进方向方位角；
步骤2.5：合并经过步骤2.1到步骤2.4处理后的二维数据，将同一站点同一楼层的同一类别数据放在同一图层文件中；
步骤3：在二维拓扑规则下，根据标准化处理后的二维数据构建基于预制件的三维模型；所述步骤3中，构建基于预制件的三维模型包括如下子步骤：
步骤3.1：按楼层按类别提取二维要素的几何数据和空间属性；
步骤3.2：获取对应的预制件模型，检测预制件模型的世界原点位置是否在其几何中心上，并提取预制件模型的方位角；
步骤3.3：对于点要素的三维建模，首先将点要素的二维几何数据（X，Y）转换为三维坐标数据（X，Y，Z），其中Z代表地坪高度，其次计算当前点要素的方位角与预制件模型的方位角的角度差，然后将已拷贝的预制件模型按照三维坐标数据和角度差进行摆放和旋转以实现空间定位；
步骤3.4：对于面要素的三维建模，首先计算预制件模型外包盒在水平面上的投影与面要素最小外包矩形的比例K，将预制件模型按照K值进行缩放，再将面要素中矩形中心坐标的二维几何数据（X1，Y1）转换为三维坐标数据（X1，Y1，Z1），其中Z1表示三维模型的实际高度，完成三维模型的空间位置确定；最后计算当前面要素的方位角与预制件模型的方位角的角度差，进行空间旋转实现三维模型的姿态矫正；
步骤3.5：合并经过步骤3.3和步骤3.4所得到的当前楼层同类别的三维模型，得到基于预制件的三维模型；
步骤4：在二维拓扑规则下，根据标准化处理后的二维数据构建基于几何形状的三维模型；所述步骤4中，构建基于几何形状的三维模型包括如下子步骤：
步骤4.1：按楼层按类别提取二维要素的几何数据和空间属性；
步骤4.2：对线要素进行三维立体平面参数化构建，三维立体平面参数包括立体面的长度、高度和纹理贴图，在线要素的前进方向上根据高度参数沿线段构建立体平面，根据贴图属性获取对应的纹理贴图，同时计算每一块立体平面的长宽比，以此作为立体平面进行纹理贴图的平铺比例；
步骤4.3：对于面要素的三维平面构建，将面要素各个顶点坐标的二维几何数据转换为三维坐标数据，生成三维空间里的轨道面，沿轨道面延伸方向进行纹理贴图；
步骤4.4：对于面要素的三维结构体参数化构建，在处理无坡度的面要素时，将二维几何数据转换成三维坐标数据，进而构建三维面片，所得三维面片再根据拉升高度参数沿垂直方向向上进行拉升构建三维结构体；面对带有坡度的面要素时，根据前进方位角、最高点属性和最低点属性，将高程信息匹配到平面对应的各个顶点上，计算平面各个顶点的三维坐标，构建三维平面，再根据拉升高度参数沿垂直方向向上进行拉升构建三维结构体；
步骤4.5：合并经过步骤4.2到步骤4.4所得到的当前楼层同类别的三维模型，得到基于几何形状的三维模型；
步骤5：合并基于预制件的三维模型和基于几何形状的三维模型，得到地铁站室内的三维模型。
2.如权利要求1所述的基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，其特征在于：所述步骤3.4中，Z1=h0+h1/2，其中h0表示当前楼层高度，h1表示当前预制件模型的高度。
3.如权利要求1所述的基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，其特征在于：所述步骤4.2中，纹理贴图的长和宽均采用2的n次幂像素值。
4.如权利要求1所述的基于GIS数据的轨交站点空间三维模型自动构建方法，其特征在于：所述步骤5中，分站点分楼层合并所有类别的三维模型，构建出完整的地铁站室内的三维模型。
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