王穎

【摘要】cityGML是三維城市建模的通用模型，是一種三維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換的標(biāo)準(zhǔn)格式。cityGML能夠解決普通橋梁三維建模中數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一所導(dǎo)致的數(shù)據(jù)無(wú)法共用，數(shù)據(jù)冗余占用存儲(chǔ)空間等問(wèn)題，并在需要時(shí)可以向其他格式轉(zhuǎn)化作進(jìn)一步應(yīng)用。本文以一個(gè)模擬橋梁為例，按照cityGML標(biāo)準(zhǔn)對(duì)橋梁進(jìn)行三維建模，采用實(shí)測(cè)橋梁數(shù)據(jù)生成dwg格式文件并向cityGML格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換的方法。之后介紹cityGML通用橋梁模型向其他格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證其通用模型向多格式模型轉(zhuǎn)化的簡(jiǎn)便性與可能性。

【關(guān)鍵詞】cityGML；橋梁；三維建模；可視化顯示；轉(zhuǎn)換

Construction of Bridge 3D Model Based on cityGML

WANG Ying

(School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)

【Abstract】cityGML is a universal form for 3D city model. It is a standard format for 3D data storage and transformation. cityGML could solve the problem that data could not be shared due to the different kinds of data formats from normal bridge modeling, so that to release the meaningless data storage of data redundancy. For further application , universal cityGML model could be transformed into special format. In this article, a simulated bridge was taken as example to build cityGML bridge model. Man can measure bridge data and build dwg file from autoCAD, then transform it to cityGML. After that, there is a brief introduction of transforming cityGML model into other formats, to prove the simpleness and possibility of using universal cityGML model.

【Key words】cityGML; Bridge; 3D model; Visualization; Transformation

0引言

橋梁是現(xiàn)代交通運(yùn)輸必不可少的重要一環(huán)，尤其是在機(jī)動(dòng)車越來(lái)越普及的今天，公路橋、鐵路橋、立交橋等各式各樣的橋梁在現(xiàn)代城市生活中隨處可見，是連接全國(guó)各地協(xié)調(diào)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的命脈?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中，對(duì)橋梁進(jìn)行三維建模實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)、三維城市展示等應(yīng)用的例子屢見不鮮，例如秦浦雄、王叔慶在橋梁結(jié)構(gòu)的三維建模技術(shù)中基于CAD技術(shù)和有限元技術(shù)對(duì)整個(gè)橋梁施工過(guò)程進(jìn)行模擬[1]，李興田、張麗萍、金棟進(jìn)行了基于vtk的橋梁三維建模及可視化管理研究[2]，孫軼紅、焦永和進(jìn)行了基于特征描述及紋理的橋梁三維建模方法研究[3]等等。但是這些方法都是針對(duì)特定應(yīng)用而開發(fā)，由于不同開發(fā)商或公司使用不同數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)致數(shù)據(jù)可重用性差，造成大量數(shù)據(jù)冗余。尤其對(duì)于大型橋梁來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)的重復(fù)采集是費(fèi)時(shí)費(fèi)力又占用存儲(chǔ)空間的工作?；诖?，本文提出基于cityGML技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)的觀點(diǎn)，將橋梁按cityGML通用模型進(jìn)行存儲(chǔ)，在進(jìn)行特定應(yīng)用時(shí)，按特定需要對(duì)cityGML通用模型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，從而解決數(shù)據(jù)冗余的問(wèn)題。

1cityGML概述

cityGML是由德國(guó)北萊茵-威斯特法倫州一個(gè)三維工作組提出的，該工作組致力于當(dāng)?shù)氐乩砜臻g數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施研究。cityGML是地理標(biāo)記語(yǔ)言（Geography Markup Language，GML）的一種應(yīng)用，目的就是為了解決三維城市建模中遇到的數(shù)據(jù)交換、語(yǔ)意、拓?fù)湫畔⒚枋龅葐?wèn)題[4-6] 。三維GIS發(fā)展初期沒(méi)有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)， GIS 軟件平臺(tái)大都采用各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)模型和存儲(chǔ)方式，無(wú)法進(jìn)行系統(tǒng)之間以及應(yīng)用之間的數(shù)據(jù)共享[7-8]，重復(fù)開發(fā)不斷發(fā)生，浪費(fèi)成本。cityGML的提出給各大平臺(tái)和開放商提供了一種數(shù)據(jù)通用存儲(chǔ)格式，該格式易于像現(xiàn)有各種數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，很好避免了重復(fù)開發(fā)與浪費(fèi)。

cityGML具有以下主要特點(diǎn)[9-10]：

１）五層LOD層次模型。五層LOD層次滿足了用戶對(duì)于不同地物不同詳細(xì)程度的要求，提高可視化和數(shù)據(jù)分析效率，包括地域景觀模型，城市城區(qū)模型，城市街區(qū)、場(chǎng)地模型，建筑外圍模型，建筑內(nèi)部模型。

2）高度模塊化。cityGML具有一個(gè)核心模塊和11個(gè)擴(kuò)展模塊，保證用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模塊選擇，減少不必要地物類型建模，提高應(yīng)用模型靈活性。

3）語(yǔ)義幾何一致性。語(yǔ)義幾何一致性保證cityGML模型在語(yǔ)義和幾何方面一致，可以進(jìn)行語(yǔ)義層次、幾何層次以及兩個(gè)層次之間遍歷，完整表達(dá)三維實(shí)體。

4）封閉面。封閉面使得地下非完全封閉空間的體積計(jì)算得以進(jìn)行，并且不會(huì)在DTM模型上產(chǎn)生孔洞。

5）應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展。應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展允許用戶根據(jù)自身需求擴(kuò)展通用模型，使得cityGML建模更加靈活。

2基于cityGML橋梁三維建模

2.1數(shù)據(jù)獲取

可以采用實(shí)地手動(dòng)測(cè)量或者三維激光掃描方法對(duì)橋梁進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。三維激光掃描方法不需要接觸被測(cè)量物本身，遠(yuǎn)程使用激光獲得被測(cè)量物的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)，可以滿足數(shù)據(jù)量大、物體表面復(fù)雜的三維表面建模需求，利用點(diǎn)云重構(gòu)三維表面也可以滿足較高的重構(gòu)建模精度，是近年來(lái)大規(guī)模三維建模數(shù)據(jù)采集的主流方法。對(duì)于真實(shí)橋梁尤其是大型橋梁非常適用。本文使用模擬橋梁進(jìn)行橋梁三維模型建模，模擬橋梁體積較小，表面規(guī)則，僅由橋面與半圓弧組成，長(zhǎng)度2m，可以采用實(shí)地手動(dòng)測(cè)量方法。人工選擇坐標(biāo)原點(diǎn)（橋面一個(gè)角點(diǎn)），以坐標(biāo)原點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行測(cè)量。對(duì)橋面數(shù)據(jù)，把橋面看做長(zhǎng)方體測(cè)量八個(gè)角點(diǎn)x，y，z坐標(biāo)，對(duì)半圓弧線測(cè)量弧頂數(shù)據(jù)，以及其他若干處弧上數(shù)據(jù)。

2.2基于cityGML建模

使用cityGML建模時(shí)并不一定需要從源代碼寫起，cityGML可以通過(guò)很多常用格式轉(zhuǎn)換而來(lái)，例如dwg，3DS，DAE等等。這也是使用cityGML進(jìn)行橋梁三維建模的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

AutoCAD是一款為大家所熟知的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，操作簡(jiǎn)便，可以輔助用戶進(jìn)行計(jì)算機(jī)繪圖，包括文檔設(shè)計(jì)、二維繪圖、三維圖形基礎(chǔ)繪制等等。利用AutoCAD 可以建立線框模型對(duì)物體輪廓線進(jìn)行顯示，可以生成表面模型對(duì)物體表面進(jìn)行輪廓和表面的同時(shí)顯示，建立實(shí)體模型不僅顯示輪廓和表面信息，還有三維體信息的表示。使用AutoCAD進(jìn)行dwg格式建模是因?yàn)閐wg格式可以通過(guò)軟件轉(zhuǎn)換成cityGML通用格式。通過(guò)FME工作臺(tái)可以將dwg文件進(jìn)行cityGML格式轉(zhuǎn)換。FME是一個(gè)空間提取、變換、加載工具，操作靈活，功能強(qiáng)大。FME所包含的格式非常多，可以進(jìn)行上百種格式之間的轉(zhuǎn)換，特別是AutoCAD文件向GIS文件格式的轉(zhuǎn)換。