技术领域
[0001] 本
发明属于建筑物
三维建模技术领域，涉及一种建筑物三维语义建模方法，具体涉及一种基于CityGML扩展的建筑物三维语义建模方法。
背景技术
[0002] 目前已经建立的大部分建筑物三维模型都是以纯图形或几何的形式被制作出来，忽略了语义和拓扑关系的表现。这些模型仅限于三维
可视化，难以满足专题查询、空间分析和空间
数据挖掘等深层次应用需求。由于缺乏统一的建模和编码标准，许多三维模型数据格式互不兼容，可重用性差，不仅使得建筑物三维信息管理面临巨大挑战，而且导致不同领域间的信息共享困难。
[0003] 城市地理
标记语言CityGML(City Geography Markup Language,简称CityGML)是开放地理空间信息联盟(OGC)推出的用于虚拟三维城市模型存储和交换的国际开放标准，也是一种表达城市三维对象的通用语义信息模型，为建筑物三维信息的广泛应用和共享带来了契机。CityGML可以从语义上对城市建筑物三维模型进行描述，并可以在广域网环境下实现建筑物三维模型的传输、共享和互操作。这将使城市建筑物三维模型具有可重用性，也将大大降低城市三维建模的成本，从而推进三维数字城市的发展。此外，CityGML强调空间对象的多尺度表达，以及对象的几何、拓扑和语义表达的一致性，它弥补了传统三维模型在数据共享和互操作等方面的不足。因此，以CityGML标准为
基础，针对建筑物的特点和数字化管理和保护等需求对其进行扩展，研究建筑物几何和语义一体化建模技术，使建筑物三维模型具有较强的语义和拓扑表达能
力，对于实现城市建筑物三维模型数据的标准化管理与共享，提高建筑物三维模型重用性，并满足特定的查询、分析和深层次应用需求具有重要意义。
[0004] 针对建筑物的三维数字化建模，国内外进行了大量研究，但大部分都侧重于利用三维激光扫描和数字摄影测量等技术进行数据驱动下的
几何模型构建，忽略了建筑物结构的语义信息，不利于建筑物资源的精细化管理和数字化保护。
[0005] 在建筑物三维语义模型组织与表达方面，目前主要有GIS领域的CityGML和BIM(Building Information Modeling,
建筑信息模型)领域的IFC(Industry Foundation Classes,工业基础类)两类代表性国际标准。CityGML主要用于GIS环境下城市现代建筑三维语义建模，而IFC在单个古建筑三维精细建模方面应用较多。目前，国内有关CityGML的研究和应用还较少，主要集中于CityGML标准介绍、建模、存储、转换和可视化方面，在信息共享、空间查询和分析等具体应用方面成果甚少。IFC模型包含大量的建筑细节描述，具有面向设计和分析应用的多种几何表达方式和丰富的语义信息，可以实现建筑信息的表达、共享和应用。但是，IFC模型数据量大，可视化预处理时间长，目前主要被用于对单个建筑物或
桥梁等工程项目的设计和管理应用。此外，IFC模型往往针对局部
坐标系下的单一建筑，没有与周边建筑和地形环境有机结合，因而难以集成到GIS系统中进行统一管理与共享。
[0006] 针对IFC和CityGML模型之间的集成和映射，国内外学者进行了相关研究。但是，现有的许多转换方法专注于几何对象的转换，并且偏重简化后的IFC模型向低细节层次CityGML模型(LOD1/LOD2)的转换。此外，转换过程容易造成大量语义信息丢失，如IFC模型定义的柱子、横梁、
楼梯、管道等实体对象在转换后的CityGML模型中均无对应的语义描述。转换后的CityGML文件体积较大，文件解析和可视化
渲染效率低。总体来说，由于IFC与CityGML语义信息的不对称，现有的研究方法均难以实现建筑物IFC与CityGML模型各类语义实体的完整映射，并且还可能出现几何和拓扑转换错误等问题。
发明内容
[0007] 为了实现GIS环境下建筑物几何/语义一体化三维建模，本发明开拓性地提供了一种基于CityGML扩展的建筑物三维语义建模方法。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：一种基于CityGML扩展的建筑物三维语义建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0009] 步骤1：构建基于CityGML的建筑物多尺度三维语义模型，记为CityGML扩展模型；
[0010] 具体实现包括以下子步骤：
[0011] 步骤1.1：对建筑物及其构件分类，提炼出基本语义实体对象；并确定实体对象的类型和属性；
[0012] 步骤1.2：构建基于CityGML的建筑物三维语义模型；
[0013] 采用统一
建模语言UML对CityGML 2.0定义的Building XML Schema文件进行扩充，包括新实体类型和属性的定义，以及对已有实体的属性扩充，最终形成一个新的Building Schema文件；
[0014] 步骤2：基于语义映射和几何变换，实现建筑物IFC模型到CityGML扩展模型的高
质量转换，快速获取几何、语义和拓扑均正确的CityGML扩展模型，从而实现GIS环境下建筑物高
精度CityGML扩展模型数据的快速生成；
[0015] 其中，将IFC这种基于CSG表达的实
体模型根据确定的语义映射关系在语义和几何两种层次上分别进行转换；考虑到CityGML不同实体对象之间存在关联关系，从IFC模型中提取的对象虽然具有几何和语义信息，但是各个对象之间仍然是相互独立的，没有按照其所属关系进行拓扑和层次组织。因此，需要根据IFC建筑模型各个实体类型的关联关系，参照CityGML定义的实体对象间的关联关系进行重新组织，建立子对象与父对象的隶属关系或邻接关系等，从而实现语义增强。此外，IFC模型的CSG表达与CityGML模型的B-Rep表达存在很大差异，经过几何变换后的IFC对象需按照CityGML标准的几何表达方式进行几何重构，最终形成用B-Rep表达的不同LOD CityGML扩展模型。
[0016] 相对于
现有技术，本发明的有益效果是：首先，采用国际开放标准CityGML来对建筑物三维模型进行语义表达，并且针对中国古现代建筑进行了语义扩展，形成了细节更丰富的三维建筑物语义模型，有利于建筑物三维模型数据的共享与互操作。其次，设计了一种从BIM领域的建筑物IFC模型高效转化为GIS领域扩展CityGML模型的方法，
算法效率高，转化效果好，能够快速获取高质量的多细节层次表达的CityGML模型，建模成本低,也有利于BIM领域与GIS领域的集成应用；最后，设计了一套扩展CityGML模型的空间
数据库存储方案，可以满足今后三维建筑模型的专题检索和空间分析等深层次应用需求，便于城市建筑的数字化管理和精细化保护。
附图说明
[0018] 图2为本发明实施例的基于CityGML扩展的建筑物三维语义模型UML图；
[0019] 图3为本发明实施例的IFC与CityGML模型几何表达与语义描述对比示例图；
[0020] 图4为本发明实施例的IFC模型到多尺度CityGML扩展模型的转换流程图；
[0021] 图5为本发明实施例的建筑物三维语义模型数据库E-R图；
[0022] 图6为本发明实施例的几何/语义一体化三维建筑物CityGML模型可视化示例图。
具体实施方式
[0023] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0024] 本发明针对城市建筑物的特点和数字化保护需求，在分析比较CityGML和IFC两种模型标准优缺点的基础上，按照“标准研究—模型扩展—数据转换—数据库存储”这种逐层递进的思路，从建筑物语义组织、CityGML建筑物模型扩展、IFC模型与扩展CityGML模型转换方法等方面展开深入研究。
[0025] 请见图1，本发明提供的一种基于CityGML扩展的建筑物三维语义建模方法，包括以下步骤：
[0026] 步骤1：建筑物三维语义模型相关标准研究；
[0027] 首先，充分了解建筑物三维模型组织与表达方面的相关标准规范，尤其是掌握CityGML 2.0、IFC和面向室内导航的IndoorGML这几类与建筑物三维语义模型紧密相关的国际开放标准，总结分析这些标准针对建筑物从室外到室内不同粒度对象在几何、语义、拓扑和外观表达方面的特点及差异。其中，IFC是BIM领域通用的数据模型，被ISO收录为国际标准(ISO16739)。在语义信息方面，IFC模型包含大量的建筑细节描述，共有900多个不同的类型，包括600多个建筑实体的定义和300多个建筑类型的定义，同时还包含各种建筑部件间的语义连接关系。IndoorGML是开放地理空间信息联盟推出的用于室内空间信息语义表达和交换的开放数据模型。
[0028] 步骤2：构建基于CityGML的建筑物多尺度三维语义模型，记为CityGML扩展模型；
[0029] 具体实现包括以下子步骤：
[0030] 步骤2.1：对建筑物及其构件分类，提炼出基本语义实体对象；并确定实体对象的类型和属性；
[0031] 分析现代城市不同建筑的差异，总结我国建筑的特点和基本构件分类体系。根据建筑文物数字化保护需求，定义建筑物三维建模需要表达的各类实体类型和相关属性描述等语义信息。
[0032] 现有的建筑物三维模型很少涉及建筑物附属设施和室内各种构件的语义表达与管理。CityGML定义的Building模型虽然能够实现城市普通建筑物三维模型的多尺度表达，但是还不能满足我国各类建筑数字化保护与精细化管理等需求。即使是有关学者结合BIM模型对CityGML进行了相关扩展，但仅仅是针对现代建筑部分附属物的语义增强，例如立柱、楼梯、
栏杆等，没有涵盖一些特殊建筑以及古建筑特殊
屋顶和关键部件等重要对象的语义表达。因此，需要根据这些建筑的构造特点和模型精度要求，对现有CityGML模型进行扩展。这种扩展包括LOD概念增强和建筑物某些新增实体类型的定义和属性描述。
[0033] 本实施例首先，参照建筑类型学等理论对建筑物及其构件分
门别类，提炼出台基、立柱、斗拱、梁、屋顶、墙、
围栏、楼梯等基本语义实体对象。其次，依据CityGML 2.0Building Schema定义的要素类型，确定用CityGML标准来存储和表达建筑物三维模型还缺少的实体对象类型和属性。例如，山墙、檐墙等可直接用CityGML中的WallSurface表达；但是，柱、梁、斗拱、台基和围栏这些构件在CityGML中就没有明确定义，需要扩展新的实体类型。
[0034] 步骤2.2：构建基于CityGML的建筑物三维语义模型；
[0035] 针对CityGML建筑物多尺度语义模型标准的不足，结合我国各类建筑的特点及其构件需要表达的语义信息，参考GeoBIM ADE的设计思路，对CityGML2.0定义的Building Schema进行扩展，本实施例设计了一种基于CityGML的建筑物三维模型ADE，用于三维建筑模型的多尺度、几何/语义一体化表达。
[0036] 本实施例采用UML(Unified Modeling Language，
统一建模语言)对CityGML2.0定义的Building XML Schema(XSD文件)进行扩充，包括台基、围栏、横梁室内楼梯这些新实体类型和属性的定义，以及对LOD3层级下门、窗等已有实体进行属性扩充(增加宽度width和高度height属性)，最终形成一个新的Building Schema文件。
[0037] 图2为本实施例的初步设计的三维建筑CityGML UML模型，拟在LOD2-LOD4层次分别增加一些新的实体类别和属性。具体来说，LOD2层级新增台基(Base)对象，适用于有单独台基或共有台基广场的建筑物，可以对其进行建模与语义表达；LOD3层级增加室外立柱、栏杆、斗拱和室外装饰等实体对象；针对楼层空间这类非常重要但在CityGML中未定义的对象，既可以在现有LOD3层级，又可以定义新的LOD3.5层级，用Storey要素来描述建筑物某一楼层的几何形状、类别和用途等几何和语义信息；LOD4层级增加梁架(Beam)、楼梯(Stair)和室内装饰(IntOrnament)等对象的建模与语义表达。由于图幅大小限制，此UML图中并未列出用于表达建筑物CityGML模型的所有对象和相关属性等信息，例如RoofSurface、WallSurface、FloorSurface、CeilingSurface等Feature对象，Multisurface、Multicurve、Solid等Geometry对象，以及Material和SimpleTexture等Appearance对象，具体可以参考CityGML 2.0编码标准中相关定义。
[0038] 在构件实体属性扩展方面，可分为三类信息。(1)几何属性：如构件的长、宽、高等几何数据；(2)构造属性：构件名称、编码、模数、彩绘以及受损程度等；(3)物理特性：如
弹性模量、材质、强度、力学性能以及抗
腐蚀性能、抗虫蚁性能。此外，还可以增加维护信息，如维护单位、维护日期、维护价格等。
[0039] 针对建筑整体属性扩展，除了类别、用途、建设年份、毁灭年份、屋顶样式、测量高度、楼层数等基本属性，还可增加材料工艺(木结构、石结构、砖砌体结构、土结构)、房屋结构(抬梁式、穿斗式、井干式、混合式等)、建设朝代(唐、宋、元、明、清、现代)、历史版本(建成期、损毁期、修缮期、保护期)等特殊属性，便于古建筑文物的数字化保护与修缮管理。
[0040] 步骤3：基于语义映射和几何变换，实现建筑物IFC模型到CityGML扩展模型的高质量转换，快速获取几何、语义和拓扑均正确的CityGML扩展模型，从而实现GIS环境下建筑物高精度CityGML扩展模型数据的快速生成；
[0041] 由于应用领域的不同，IFC与CityGML两种标准在建筑物三维模型方面采用了不同的几何表达方式和语义描述方法。例如，IFC采用构造实体几何(Constructive Solid Geometry,CSG)来表达三维对象，也就是通过一些简单图形在三维空间进行布尔运算来构造复杂三维对象。而CityGML主要采用边界表示法(Boundary Representation,简称B-Rep)，通过描述对象的面、边缘、
顶点及它们之间的关系来表达三维对象的形状细节。
[0042] 语义描述方面，IFC模型包含大量建筑细节的描述，有600多个建筑实体的定义和300多个建筑类型的定义，而CityGML建筑语义信息相对较少，只有几十个建筑实体对象的定义。即使是同一实体，二者的语义描述也有差别。例如，建筑内部横梁在IFC中定义为IfcBeam，而在CityGML中只能用IntBuildingInstallation来抽象描述，如图3所示。
[0043] 因此，在模型转换的过程中，需要将IFC这种基于CSG表达的实体模型在语义和几何两种层次上分别进行转换，再通过几何和语义增强形成用B-Rep表达的不同LOD CityGML模型。具体转换流程如图4所示，将IFC这种基于CSG表达的实体模型在语义和几何两种层次上分别进行转换，最终形成用B-Rep表达的不同LOD CityGML扩展模型。
[0044] 在语义映射方面，鉴于IFC模型比CityGML模型语义更丰富，因此需要根据各类建筑特点对CityGML现有语义实体进行扩展，在形成三维建筑CityGML扩展模型之后，再建立二者之间的语义映射规则。IFC到CityGML扩展模型的语义映射方法可分为一对一映射、一对多映射和间接映射三种类型。表1列举了IFC与扩展CityGML模型之间部分建筑实体的一对一(1:1)和一对多(1:n)映射规则。例如，IFC的Door对象与CityGML的Door对象可以建立一对一映射，而IfcWall是实体墙，对应CityGML的WallSurface(外墙)和InteriorWallSurface(内墙)两部分，属于一对多映射。间接映射是指无法从IFC类型直接映射到CityGML相应类型，需要基于一对一映射和一对多映射结果经过几何运算才能得到。
以CityGML中的Room为例，在IFC模型中IfcBuildingStore和IfcCovering类型可获得Room空间时，可以通过一对一或一对多的方式实现间接映射。
[0045] 表1 IFC、CityGML GeoHBIM ADE之间的语义映射规则
[0046]
[0047]
[0048] 基于上述语义映射关系，IFC与CityGML扩展模型之间在LOD2-LOD4等不同层级下分别建立同类对象的语义映射关系，确定IFC模型中哪些对象需要简化或删除，据此获取不同细节层次下需要保留的IFC实体几何和语义信息，然后再分别对不同实体进行几何变换，形成CityGML定义的相应LOD层级的几何对象。
[0049] 在具体转换方法方面，首先利用空间
数据处理软件FME提供的各类
接口编程实现两种模型之间数据的转换。在数据读写方面，FME不仅支持标准IFC和CityGML文件的读写，而且也支持扩展CityGML文件解析。此外，FME还提供要素类型过滤(FeatureTypeFilter)、几何图形过滤(GeometryFilter)、几何图元提取(GeometryPartExtractor)、几何类型转换(GeometryCoercer)、几何属性设置(GeometryPropertySetter)和几何图形有效性检验(GeometryValidator)等大量语义过滤和几何操作函数，完全支持各类语义模型数据的转换。因此，根据IFC模型各类要素的类型、几何形状和拓扑关系等信息，分别建立与CityGML扩展模型对象之间的转换流程，再进行一系列的几何变换和语义增强来实现IFC模型到CityGML模型的快速转换。
[0050] 本实施例还对建筑物CityGML扩展模型数据库存储机制进行了研究；
[0051] CityGML模型采用XML文件存储，当模型数据精度高且数量多时，对其进行解析、三维可视化和专题查询的效率非常低。为了对三维建筑CityGML模型数据进行更为有效的存储、管理并支持空间分析等应用，本技术设计了一套建筑物CityGML模型空间数据库存储方案。基于成熟的对象-关系型
数据库管理系统设计多张表来分类存储建筑屋顶、墙面、
窗户、门、房间、梁、柱等不同对象的几何形状、纹理和各种属性数据，并建立分类编码、主键、外键等机制，建立对象之间的层次、关联和拓扑关系，从而支持根据不同的应用需求进行多尺度CityGML模型导入、导出、编辑、查询和更新等应用，促进建筑物三维语义模型数据的互操作和共享。
[0052] 在数据库逻辑设计方面，根据三维建筑CityGML模型各类语义对象的特点和关联关系创建如下基本数据表，这些表的名称、用途和关键属性描述见表2。
[0053] 表2建筑物三维语义模型数据表设计与描述
[0054]
[0055]
[0056] 这些数据表通过主键和外键建立联系，用于表达建筑物各个语义实体之间的层次、关联等关系，其实体-联系图(Entity Relationship Diagram，简称E-R图)如图5所示。所有的对象都继承cityobject，cityobject与building、building_installation、room等建筑物整体或部件之间存在一对多的关系。room与building_installation或building_furniture之间也存在一对多关系。所有实体对象的几何形状都存储在surface_geometry表中，通过lodx_brep_id或lodx_multi_surface_id等进行关联，这样可以灵活表达同一对象LOD1-LOD4等不同尺度的几何形状，有利于不同LOD层级对象的快速查询和提取。图5只列举了部分数据表的关系，此外，还需设计appearance(外观)、surface_data(表面数据)、tex_image(纹理或材质)等数据表用于存储和管理几何对象的材质和纹理等信息。在属性方面，图5也只是列举了这些数据表的关键字段。除此之外，每个对象都包含class(类别)、function(功能)和usage(用途)等基本属性，building表包含roof_type(屋顶类别)、measure_height(测量高度)、storeys(楼层数)、construction_year(建设年代)、dynasty(所属朝代)、ConservationAgency(保护机构)等专题属性。斗拱、梁、柱等古建筑构件若有特殊属性，也可以再创建单独的数据表来存储，通过设定编码、主键和外键等机制建立关联。
[0057] 最终建立的建筑物三维语义模型可视化示例如图6所示，屋顶、地面、墙面等不同实体分别用不同
颜色进行渲染。
[0058] 为了实现GIS环境下建筑物几何/语义一体化三维建模，本方法首先在分析当前CityGML标准在建筑物三维模型语义表达方面不足的基础上，利用CityGML提供的ADE机制，从语义和拓扑方面对建筑物模型进一步扩展，形成一种新的基于CityGML的建筑物多尺度语义表达模型；其次，从语义映射和几何变换两种层次上提出了一种建筑物IFC模型到扩展CityGML模型的高质量转换方法，能够快速获取几何、语义和拓扑均正确的CityGML建筑物模型，从而实现GIS环境下建筑物高精度CityGML模型数据的快速生成。本发明效率高，人工交互少，建模结果可以进行使用数据库进行高效存储，能够满足建筑物三维语义模型的专题检索和空间分析等深层次应用需求。
[0059] 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。
[0060] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，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。
