CN118036143A - 一种基于cad和倾斜模型的建筑物自动化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，本发明首先通过读取、处理建筑物电子设计图纸CAD信息，获得有效建筑物结构、材质信息，并自动化生成建筑物三维白膜模型。其次通过控制点匹配建立白膜与倾斜模型之间的空间位置映射、转换关系。最后通过位置映射转换方法，从倾斜模型中检索白膜部件需要的材质贴图，并对检索得到的材质贴图进行位置、旋转、缩放的转换，解决了白膜部件与倾斜模型部件不同形状导致的材质贴图不能直接使用的问题，得到高精度的建筑物三维模型，低成本、高自动化地完成了高精度建模流程。

Description

一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法

技术领域

本发明涉及建筑建模技术领域，尤其涉及一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法。

背景技术

智慧城市、智慧园区、智慧校园等智慧应用近年来得到快速发展，建筑物三维模型在这些应用中发挥着重要的作用，它可以帮助用户更好地理解和管理城市、园区、校园等场景中的各种设施和资源，提高城市规划、建设和管理的效率和质量。同时，三维模型还可以为智慧城市、智慧园区等应用提供更多的数据支持，帮助人们更好地了解城市、园区和校园中的各种问题，并制定更加科学合理的解决方案。然而智慧应用正面临着精细建筑物三维模型生产需求的日益增加、但精细建筑物三维模型的造价却过高的问题。

对于建筑物的三维建模，通常采用以下三种方式：

手工建模。手工建模是根据建筑物设计电子图纸(CAD)以及实地考察，使用建模软件对照图纸进行建模的过程。手工建模要求建模人员熟悉CAD内容解析、熟悉使用CAD软件、熟悉使用建模软件(如3ds Max)，得到的模型精度高，但存在对建模人员的专业程度要求高，建模工艺繁琐、效率低下、成本大的问题。

倾斜模型。通过无人机航拍并在室内进行自动化建模获得倾斜模型，成本低但存在模型粗糙、模型骨架错误多、复杂建筑物部件在结构上无法准确表达的问题。

点云建模，通过雷达激光设备对建筑物进行扫描并在业内进行处理得到点云模型数据，激光点云建模存在激光点云扫描设备昂贵，对采集人员的专业要求高的问题，且点云模型通常是由点组成的模型，无法满足基于物理碰撞检测的应用。

因此，如何以低成本、高自动化地完成高精度的建筑物三维建模流程，是业内需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法和应用，以解决现有建筑物的三维建模方式无法以低成本、高自动化地完成高精度的建筑物三维建模流程的问题。

本发明提供一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，包括：

步骤一，获取CAD形式的建筑物设计图纸数据，所述建筑物设计图纸数据包括建筑平面图、建筑立面图以及建筑剖面图；将所述建筑平面图、建筑立面图以及建筑剖面图进行建筑面映射；通过关键字匹配从所述建筑物设计图纸数据中提取建筑物材质标识，得到材质标识列表；根据所述材质标识列表，在基础材质库进行初步的自动材质匹配，再由人工对未匹配到的材质标识进行材质设置；

步骤二，根据所述建筑物设计图纸数据和建筑面映射，建立模型的父子关系树；通过关系树呈现的建筑物结构关系，检查建筑物部件之间的拓扑关系，对检查有问题的部件进行位置、尺寸的调整；遍历关系树末端节点，再分解节点部件为基础部件模型；根据基础部件模型的形状、尺寸生成对应OBJ模型；对基础部件模型更新对应的材质，对部件合并后输出建筑物白膜；

步骤三，在建筑物白膜和航拍得到的建筑倾斜模型中分别标注多个同一个位置的控制点，控制点最低不能小于4个；根据所述控制点获取模型位置的线性转换参数；

步骤四，从顶层往下遍历建筑物白膜的关系树，对未设置材质的部件进行材质匹配；通过建筑物白膜中部件的最基本材质面，线性匹配到建筑倾斜模型中部件材质的位置，得到更新处理后的材质信息；使用更新处理后的材质信息更新建筑物白膜OBJ模型后输出建筑物三维模型。

进一步地，步骤一中，所述建筑物设计图纸数据的图纸中包含图框和图形，所述图框用于界定图纸的边界，所述图形用于表达建筑物形状、尺寸、形位公差、基准面、基准线信息；

所述建筑平面图中包含底层平面图、标准层平面图、顶层平面图、屋顶平面图；所述建筑立面图中包含北平面图、南平面图、东平面图、西平面图；所述建筑剖面图包含的铅垂剖切平面图、各层楼地面图。

进一步地，步骤二中，根据所述建筑物设计图纸数据和建筑面映射，建立模型的父子关系树，包括：

按照底座、多个立面以及顶面的方式进行树结构组织，每个面包含多个部件，关系树以JSON的方式记录每个部件的编码、形状、大小、材质、位置、旋转信息；同时对特殊部件进行识别，进行单独的分类，针对特殊的部件，使用外部模型导入替换。

进一步地，步骤二中，通过关系树呈现的建筑物结构关系，检查建筑物部件之间的拓扑关系，包括：

检查建筑物部件之间的邻接关系是否接合、超出、错位。

进一步地，步骤二中，所述基础部件模型包括长方体、圆锥体、球体、圆柱体、管状体、圆环、四棱体、平面。

进一步地，步骤二中，根据基础部件模型的形状、尺寸生成对应OBJ模型之后，所述方法还包括：

计算OBJ模型包围盒、中心点，将中心点值更新到关系树中，生成的OBJ模型以关系树中的ID命名，并在OBJ属性表中写入ID属性字段。

进一步地，步骤二中，对基础部件模型更新对应的材质，包括：

对基础部件模型查询自身属性表，或在关系树往上查找父节点属性表中是否存在基础材质信息，若存在材质，更新部件模型对应的材质。

进一步地，步骤二中，对部件合并后输出建筑物白膜，包括：

从关系树的顶部节点往下循环检索，在末尾节点通过ID查找OBJ模型，根据属性表中存储的结构、位置、旋转，向上合并OBJ模型，最终输出合并后模型。

进一步地，步骤三中，根据所述控制点获取模型位置的线性转换参数，包括：

对控制点进行交叉精度验证，假设标注了n个控制点，使用n-1个点求得转换参数，使用转换参数结果计算剩余1个点的位置，得到的结果与实际位置差为误差，遍历所有控制点，进行n次交叉验证；

遍历关系树，获取最小部件尺寸，用控制点误差与最小部件尺寸进行对比，当误差影响最小部件位置时超过部件尺寸的1/10，剔除该控制点；

在剔除大误差控制点后，进行精度回归验证，在所有点都满足精度要求后，取计算结果为线性转换参数。

进一步地，步骤四中，从顶层往下遍历建筑物白膜的关系树，对未设置材质的部件进行材质匹配，包括：

使用白膜部件的包围盒，通过线性转换参数转换为倾斜模型坐标系下的包围盒，获取倾斜模型中与包围盒相交的倾斜模型部件，以及倾斜模型部件对应的贴图。

进一步地，步骤四中，通过建筑物白膜中部件的最基本材质面，线性匹配到建筑倾斜模型中部件材质的位置，包括：

对于一个白膜部件材质匹配到多个倾斜模型部件的情况，对每个倾斜模型部件材质进行单独计算，最终得到对应倾斜模型一个或多个材质的位置、旋转、缩放参数，将参数写入OBJ模型。

本发明的有益效果如下：本发明的基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，首先通过读取、处理建筑物电子设计图纸CAD信息，获得有效建筑物结构、材质信息，并自动化生成建筑物三维白膜模型。其次通过控制点匹配建立白膜与倾斜模型之间的空间位置映射、转换关系。最后通过位置映射转换方法，从倾斜模型中检索白膜部件需要的材质贴图，并对检索得到的材质贴图进行位置、旋转、缩放的转换，解决了白膜部件与倾斜模型部件不同形状导致的材质贴图不能直接使用的问题，得到高精度的建筑物三维模型，低成本、高自动化地完成了高精度建模流程。

附图说明

图1为本发明的基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法的流程图；

图2为本发明的基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法的示意图；

图3为本发明的基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法的关系树及部件属性示意图。

具体实施方式

下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明，有必要指出的是以下实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，如果该领域的技术熟练人员根据上述本发明内容对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明保护范围。

请结合图1，本发明提供一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，包括：

步骤一，获取CAD形式的建筑物设计图纸数据，所述建筑物设计图纸数据包括建筑平面图、建筑立面图以及建筑剖面图；将所述建筑平面图、建筑立面图以及建筑剖面图进行建筑面映射；通过关键字匹配从所述建筑物设计图纸数据中提取建筑物材质标识，得到材质标识列表；根据所述材质标识列表，在基础材质库进行初步的自动材质匹配，再由人工对未匹配到的材质标识进行材质设置。

具体地，在步骤一进行图纸参数设置，包括以下步骤：

CAD数据导入。以CAD形式的建筑物设计图纸数据为输入，即输入建筑物设计图纸数据的DWG文件。一份完整的设计图纸数据应该包括图纸目录、建筑物总平面图、建筑平面图、建筑立面图、建筑剖面图和建筑详图。图纸中应至少包含图框：用于界定图纸的边界；图形：表达建筑物形状、尺寸、形位公差、基准面、基准线等信息。

建筑面映射。将建筑物平面、立面、剖面所包含的多个角度所对应的CAD建立一一对应关系。如建筑平面图中包含底层平面图、标准层平面图、顶层平面图、屋顶平面图；所述建筑立面图中包含北平面图、南平面图、东平面图、西平面图；所述建筑剖面图包含的铅垂剖切平面图、各层楼地面图等。

基础材质映射。基础材质包括颜色、常见金属，不包括定制的瓷砖、瓦片等。读取导入CAD中的数据，通过关键字匹配提取建筑物材质标识得到材质标识列表，首先按照材质标识在基础材质库进行初步的自动材质匹配，再由人工对未匹配到的材质标识进行材质设置，材质包含系统材质库、外部导入材质，对于材质不明确或由后续步骤倾斜模型补充材质的可以将材质留空。

步骤二，根据所述建筑物设计图纸数据和建筑面映射，建立模型的父子关系树；通过关系树呈现的建筑物结构关系，检查建筑物部件之间的拓扑关系，对检查有问题的部件进行位置、尺寸的调整；遍历关系树末端节点，再分解节点部件为基础部件模型；根据基础部件模型的形状、尺寸生成对应OBJ模型；对基础部件模型更新对应的材质，对部件合并后输出建筑物白膜。

具体地，在步骤二进行白膜构建，包括以下步骤：

关系树构建。对导入的CAD数据和设置的建筑面映射，建立模型的父子关系树。按照底座+多个立面+顶面的方式进行树结构组织，每个面包含多个部件，关系树以JSON的方式记录每个部件的编码、形状、大小、材质、位置、旋转、其他属性信息。同时对特殊部件进行识别，比如楼梯、窗体等，进行单独的分类，针对特殊的部件，使用外部模型导入替换。

位置校正。通过关系树呈现的建筑物结构关系，检查建筑物部件之间的拓扑关系。包括邻接关系是否接合、超出、错位，包含关系去重。对检查有问题的部件进行位置、尺寸的调整。

部件建模。遍历关系树末端节点，再分解节点部件为基本形状：长方体、圆锥体、球体、圆柱体、管状体、圆环、四棱体、平面等，并根据部件的形状、尺寸生成对应OBJ模型，并计算模型包围盒、中心点，将中心点值更新到关系树中，生成的OBJ模型以关系树中的ID命名，并在OBJ属性表中写入ID属性字段。

设置基础材质。对上一步中生成的基础部件模型，查询自身属性表，或在关系树往上查找父节点属性表中是否存在基础材质信息，若存在材质，更新部件模型对应的材质。

部件合并输出。从树的顶部节点往下循环检索，在末尾节点通过ID查找OBJ模型，根据属性表中存储的结构、位置、旋转，向上合并OBJ模型，最终输出合并后模型。

步骤三，在建筑物白膜和航拍得到的建筑倾斜模型中分别标注多个同一个位置的控制点，控制点最低不能小于4个；根据所述控制点获取模型位置的线性转换参数。

具体地，在步骤三进行位置匹配，包括以下步骤：

输入模型。输入步骤二中的建筑物白膜、航拍得到的建筑物倾斜模型。

标注控制点。在建筑物白膜和建筑倾斜模型中分别标注多个同一个位置的控制点，控制点最低不能小于4个，以一个正四方建筑物为例，最佳控制点标注应包含模型的基准面的4个角点，顶部四个角点，以及其他明显的拐点。

获取线性转换参数。在园区的空间尺度下，模型位置可以进行线性转换。获取线性转换的参数步骤如下：

(1)对控制点进行交叉精度验证。假设标注了n个控制点，使用n-1个点求得转换参数，使用转换参数结果计算剩余1个点的位置，得到的结果与实际位置差为误差。遍历所有控制点，进行n次交叉验证。

(2)剔除大误差控制点。遍历步骤一中的部件关系树，获取最小部件尺寸，用控制点误差与最小部件尺寸进行对比，当误差明显影响最小部件位置时(取部件尺寸的1/10)，剔除该控制点。

(3)回归验证。在剔除大误差控制点后，进行精度回归验证。在所有点都满足精度要求后，取计算结果为线性转换参数。

步骤四，从顶层往下遍历建筑物白膜的关系树，对未设置材质的部件进行材质匹配；通过建筑物白膜中部件的最基本材质面，线性匹配到建筑倾斜模型中部件材质的位置，得到更新处理后的材质信息；使用更新处理后的材质信息更新建筑物白膜OBJ模型后输出建筑物三维模型。

具体地，在步骤四进行材质匹配，包括以下步骤：

材质检索。从顶层往下遍历白膜关系树，对未设置材质的部件进行材质匹配。步骤是使用白膜部件的包围盒，通过线性转换参数转换为倾斜模型坐标系下的包围盒，获取倾斜模型中与包围盒相交的模型(也称为倾斜模型部件)，以及倾斜模型部件对应的贴图。

材质处理。上一步匹配得到的倾斜模型部件与白膜的部件结构不一致，材质不能直接套用。需要通过白膜部件的最基本材质面，线性匹配到倾斜部件模型材质的位置，对于一个白膜部件材质匹配到多个倾斜模型部件的情况，需要对每个倾斜模型部件材质进行单独计算，最终得到对应倾斜模型一个或多个材质的位置、旋转、缩放参数，将参数写入OBJ模型。

模型输出。使用更新处理后的材质信息更新白膜OBJ模型，输出模型。

由以上实施例可知，本发明提出一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，根据建筑物电子设计图纸自动化生成建筑物三维模型骨架模型，代替手工建模中第一步骨骼模型建模过程；再通过位置匹配，从倾斜模型中获得模型的材质贴图，完成手工建模中第二步上材质的自动化过程。低成本、高自动化地完成了高精度建模流程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，包括：

步骤一，获取CAD形式的建筑物设计图纸数据，所述建筑物设计图纸数据包括建筑平面图、建筑立面图以及建筑剖面图；将所述建筑平面图、建筑立面图以及建筑剖面图进行建筑面映射；通过关键字匹配从所述建筑物设计图纸数据中提取建筑物材质标识，得到材质标识列表；根据所述材质标识列表，在基础材质库进行初步的自动材质匹配，再由人工对未匹配到的材质标识进行材质设置；

步骤二，根据所述建筑物设计图纸数据和建筑面映射，建立模型的父子关系树；通过关系树呈现的建筑物结构关系，检查建筑物部件之间的拓扑关系，对检查有问题的部件进行位置、尺寸的调整；遍历关系树末端节点，再分解节点部件为基础部件模型；根据基础部件模型的形状、尺寸生成对应OBJ模型；对基础部件模型更新对应的材质，对部件合并后输出建筑物白膜；

步骤三，在建筑物白膜和航拍得到的建筑倾斜模型中分别标注多个同一个位置的控制点，控制点最低不能小于4个；根据所述控制点获取模型位置的线性转换参数；

步骤四，从顶层往下遍历建筑物白膜的关系树，对未设置材质的部件进行材质匹配；通过建筑物白膜中部件的最基本材质面，线性匹配到建筑倾斜模型中部件材质的位置，得到更新处理后的材质信息；使用更新处理后的材质信息更新建筑物白膜OBJ模型后输出建筑物三维模型。

2.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤一中，所述建筑物设计图纸数据的图纸中包含图框和图形，所述图框用于界定图纸的边界，所述图形用于表达建筑物形状、尺寸、形位公差、基准面、基准线信息；

所述建筑平面图中包含底层平面图、标准层平面图、顶层平面图、屋顶平面图；所述建筑立面图中包含北平面图、南平面图、东平面图、西平面图；所述建筑剖面图包含的铅垂剖切平面图、各层楼地面图。

3.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤二中，根据所述建筑物设计图纸数据和建筑面映射，建立模型的父子关系树，包括：

按照底座、多个立面以及顶面的方式进行树结构组织，每个面包含多个部件，关系树以JSON的方式记录每个部件的编码、形状、大小、材质、位置、旋转信息；同时对特殊部件进行识别，进行单独的分类，针对特殊的部件，使用外部模型导入替换。

4.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤二中，通过关系树呈现的建筑物结构关系，检查建筑物部件之间的拓扑关系，包括：

检查建筑物部件之间的邻接关系是否接合、超出、错位。

5.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤二中，所述基础部件模型包括长方体、圆锥体、球体、圆柱体、管状体、圆环、四棱体、平面。

6.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤二中，根据基础部件模型的形状、尺寸生成对应OBJ模型之后，所述方法还包括：

计算OBJ模型包围盒、中心点，将中心点值更新到关系树中，生成的OBJ模型以关系树中的ID命名，并在OBJ属性表中写入ID属性字段。

7.如权利要求5所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤二中，对基础部件模型更新对应的材质，包括：

对基础部件模型查询自身属性表，或在关系树往上查找父节点属性表中是否存在基础材质信息，若存在材质，更新部件模型对应的材质。

8.如权利要求6所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤二中，对部件合并后输出建筑物白膜，包括：

从关系树的顶部节点往下循环检索，在末尾节点通过ID查找OBJ模型，根据属性表中存储的结构、位置、旋转，向上合并OBJ模型，最终输出合并后模型。

9.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤三中，根据所述控制点获取模型位置的线性转换参数，包括：

对控制点进行交叉精度验证，假设标注了n个控制点，使用n-1个点求得转换参数，使用转换参数结果计算剩余1个点的位置，得到的结果与实际位置差为误差，遍历所有控制点，进行n次交叉验证；

遍历关系树，获取最小部件尺寸，用控制点误差与最小部件尺寸进行对比，当误差影响最小部件位置时超过部件尺寸的1/10，剔除该控制点；

在剔除大误差控制点后，进行精度回归验证，在所有点都满足精度要求后，取计算结果为线性转换参数。

10.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤四中，从顶层往下遍历建筑物白膜的关系树，对未设置材质的部件进行材质匹配，包括：

使用白膜部件的包围盒，通过线性转换参数转换为倾斜模型坐标系下的包围盒，获取倾斜模型中与包围盒相交的倾斜模型部件，以及倾斜模型部件对应的贴图。

11.如权利要求1所述的一种基于CAD和倾斜模型的建筑物自动化建模方法，其特征在于，步骤四中，通过建筑物白膜中部件的最基本材质面，线性匹配到建筑倾斜模型中部件材质的位置，包括：

对于一个白膜部件材质匹配到多个倾斜模型部件的情况，对每个倾斜模型部件材质进行单独计算，最终得到对应倾斜模型一个或多个材质的位置、旋转、缩放参数，将参数写入OBJ模型。