面向三維城市建模的方法探討

王 寧

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 咸陽 712000

1 前言

三維城市模型作為GIS數(shù)據(jù)的重要組成部分，不僅可以模擬現(xiàn)實(shí)世界，而且在空間分析中也起著重要的作用，基于物理表示的模型數(shù)據(jù)組織方法和面向?qū)ο蟮哪Ｐ蛿?shù)據(jù)組織方法，包括空間索引組織和元數(shù)據(jù)組織。引入地理認(rèn)知邏輯來表達(dá)地理單元之間和內(nèi)部復(fù)雜的共性特征，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個三維城市模型的結(jié)構(gòu)，對于大規(guī)模集約化的空間規(guī)劃具有很強(qiáng)的實(shí)用價值。

2 實(shí)體及實(shí)體模型的概念

在現(xiàn)實(shí)世界中，物體在空間中占據(jù)著相應(yīng)的位置。在應(yīng)用系統(tǒng)中，對象的空間位置是非常重要的。這些物體被稱為空間物體，空間物體是地理空間中最重要的地理單元和主體，它能獨(dú)立地反映空間的一般定義。它在空間上有三個基本特征：空間位置特征、屬性特征和空間關(guān)系。

實(shí)體模型是實(shí)體在計(jì)算機(jī)空間中表示的基礎(chǔ)，重要的元素是對象建模，包括空間屬性、屬性和行為建模，它設(shè)置實(shí)體之間的關(guān)系，物理模型描述的地理對象比空間模型和數(shù)據(jù)模型具有更大的覆蓋范圍，基于物理表達(dá)，特別是在其他復(fù)雜城市和地理區(qū)域，建立了城市結(jié)構(gòu)的三維模型[1]。

3 實(shí)體三維模型的數(shù)據(jù)特征

3.1 空間特征

三維城市實(shí)體模型的空間屬性主要包括：空間屬性和空間幾何特征，空間位置函數(shù)表示緯度坐標(biāo)，常用直角坐標(biāo)和三次坐標(biāo)來確定特殊空間保持系統(tǒng)的強(qiáng)坐標(biāo)和空間的基礎(chǔ)；空間幾何是用來表示空間幾何和強(qiáng)空間分布的，它們可以通過人工模擬來構(gòu)造，減少數(shù)據(jù)量，采用相同的幾何模型，也適合表達(dá)具有相同幾何特性的物體的幾何特性。

3.2 屬性特征

三維城市實(shí)體模型屬性由具有完整信息存儲的對象定義、解釋。在復(fù)雜的城市空間中，不同分類標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)體屬性可能不同。

3.3 實(shí)體關(guān)系

城市空間組織結(jié)構(gòu)之間的復(fù)雜功能關(guān)系可以說是一種空間和語義的關(guān)系，它用來確定物體的空間位置，如教學(xué)樓，那里有兩條關(guān)系路徑；語義關(guān)系是指教師教學(xué)樓所在學(xué)院與學(xué)校之間的邏輯、語義關(guān)系[2]。

4 面向?qū)嶓w的三維城市模型數(shù)據(jù)組織

城市建設(shè)模型是基于物理對象建模的理論和方法，將城市地理空間的集成與系統(tǒng)建模相結(jié)合，旨在建立城市結(jié)構(gòu)三維模型、城市空間三維建模和地理分析模型。

4.1 模型構(gòu)建

實(shí)體模型是實(shí)體在計(jì)算機(jī)空間中表示的基礎(chǔ)，重要的元素是對象建模，包括空間屬性、屬性和行為建模，它設(shè)置實(shí)體之間的關(guān)系，物理模型描述的地理對象比空間模型和數(shù)據(jù)模型具有更大的覆蓋范圍，基于物理表達(dá)，特別是在其他復(fù)雜城市和地理區(qū)域，建立了城市結(jié)構(gòu)的三維模型。城市實(shí)體模型的結(jié)構(gòu)從對象分類入手，但涉及數(shù)據(jù)量大、復(fù)雜度高的實(shí)體種類繁多，直接關(guān)聯(lián)的建模難度較大，因此采用劃分和層次的概念，通過對城市空間劃分的結(jié)構(gòu)組織過程，建立了一個基于主模塊劃分的完整結(jié)構(gòu)模型。

(1)首先，部分是城市地理空間研究，是一個單獨(dú)的分區(qū)單元，每個分區(qū)單元只有一個標(biāo)識符。根據(jù)城市空間指標(biāo)體系，可根據(jù)行政區(qū)劃、地理位置、城市功能和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)編制不同的欄目。

(2)對于每個模塊區(qū)域，可以對相關(guān)特征進(jìn)行分類，如地理命名，工作模塊劃分為不同的地理層，每個要素具有相同的識別，然后根據(jù)相關(guān)學(xué)科的分類規(guī)則建立各要素的分類系統(tǒng)。

(3)將對象連接到其相應(yīng)的幾何模型。為了方便地訪問主對象模型，采用了代碼類型和對象索引。最后，所有實(shí)體模型都有一個索引。

4.2 模型組織

空間數(shù)據(jù)組織是合理設(shè)計(jì)空間數(shù)據(jù)的重要途徑之一，設(shè)置空間索引，提高空間數(shù)據(jù)恢復(fù)的效率，基于層次分類的三維城市結(jié)構(gòu)模型中，對象之間具有一定的層次關(guān)系，較大的對象可以被較小的對象合并成不同的形狀，為達(dá)到目的提出了一種基于城市實(shí)體三維模型組織結(jié)構(gòu)的城市對象空間R+樹索引和主題索引方法[3]。

4.3 存儲管理

城市的三維結(jié)構(gòu)模型不僅包含幾何三維模型，如果是基于文檔存儲和管理的，還包含模型屬性和相關(guān)方法（包括模型和規(guī)則函數(shù)）的信息。軟件界面設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)庫操作中有很大的優(yōu)勢。實(shí)現(xiàn)了對象界面與實(shí)體設(shè)計(jì)程序界面的平滑集成。分析了紋理特征模型與集成存儲控制操作集的相關(guān)性。第二層采用無紋理的自然幾何模型；第三層使用原始的幾何模型并附加實(shí)際的紋理數(shù)據(jù)，Blob二進(jìn)制類型用于存儲矩陣中的幾何數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)。

4.4 房屋建模方法

在三維城市模型中，房屋模型是巨大而多樣的。根據(jù)建筑造型方法，提出了充分利用邊界圖信息，總結(jié)不同風(fēng)格的房屋的特點(diǎn)和相似性，提取房屋分割規(guī)律，從中提取模型，并利用邊界線。對房屋模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆指?，自動形成一個簡單的模型，設(shè)置好房屋模型后進(jìn)行裝配，完成房屋模型的結(jié)構(gòu)。最后，對部分房屋進(jìn)行人工改造，對部分房屋進(jìn)行美化，提高房屋模型的視覺效果[4]。

4.5 道路建模方法

道路模型是三維城市模型的框架，道路模型包括交叉口、路段、道路隔離區(qū)，由于城市道路比較完善，隔離區(qū)的道路數(shù)量和路燈模型非常復(fù)雜，在某些情況下，城市地表高度的變化可以由道路網(wǎng)的高度控制，當(dāng)起伏較大時，應(yīng)單獨(dú)調(diào)整場地高度，可根據(jù)道路寬度自動鋪設(shè)斑馬線和各種車道。

其中，鋪裝層模型創(chuàng)建器用于使用模板線形圖和線寬屬性創(chuàng)建適當(dāng)寬度的鋪裝層。根據(jù)道路寬度的要求，人行道、兩車道和四車道的路面已經(jīng)完成，根據(jù)絕緣帶模型的位置和高度，在一定距離內(nèi)放置孤立行樹的程序會意外地將指定的樹模型插入到模型存儲庫中。路燈設(shè)置根據(jù)遮擋模型的位置和高度，隔離帶以一定的間隔將路燈模型插入路燈模型庫中。

利用該方法建立的公路模型能夠有效地控制城市道路系統(tǒng)的真實(shí)水平和高程位置，反映城市的高度波動。路障、樹和路燈可以與道路的高度相匹配[5]。

4.6 地塊景觀建模方法

土地景觀模型是三維城市模型的一部分，也是三維城市景觀模型效果的重點(diǎn)，內(nèi)部道路、房屋、花壇、圍墻、景觀樹、人行道等由于城市區(qū)域的多樣性和不規(guī)則性，景觀建模的規(guī)劃層次和組織順序較低道路模型邊界和地面周圍的實(shí)際高度控制了地面高度的波動，補(bǔ)充了地面內(nèi)部的高海拔波動，劃分了地面單元，并利用地面地形快速生成道路、景觀樹木和路燈[6]。

5 實(shí)踐

在上述三維城市結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)城市結(jié)構(gòu)的三維模型和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，例如開發(fā)一些三維城市社區(qū)模型，并將其集成到庫存管理中。有效提高模型搜索效率，提供更深入的區(qū)域分析。

5.1 基本模型庫

根據(jù)三維城市模型的組織方法，設(shè)計(jì)了綜合物理基礎(chǔ)，實(shí)施了概念設(shè)計(jì)，局部設(shè)計(jì)由邏輯設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)組成?；诮Y(jié)構(gòu)模型的空間索引結(jié)構(gòu)，根據(jù)社區(qū)分類體系和編碼規(guī)則進(jìn)行屬性搜索，在一定程度上提高了搜索效率。

5.2 模型存儲管理系統(tǒng)

模型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（MDBMS）是一種系統(tǒng)化的城市結(jié)構(gòu)三維模型存儲管理系統(tǒng)，模型存儲系統(tǒng)的底層界面是根據(jù)模型對象的操作開發(fā)的，可以有效地處理布局?jǐn)?shù)據(jù)庫。

6 結(jié)束語

在實(shí)體模型理論研究的基礎(chǔ)上，本文分析三維城市結(jié)構(gòu)模型的數(shù)據(jù)特點(diǎn)和邏輯關(guān)系，建立了基于分段概念的三維城市結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合主題索引空間索引，提出了面向結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)組織模型，設(shè)計(jì)了三維城市實(shí)體模塊，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法充分考慮了物理對象模型的特點(diǎn)，充分反映了城市的空間信息、屬性信息和主體關(guān)系，并能根據(jù)空間尺度和物理狀況快速獲取相關(guān)的建模數(shù)據(jù)，三維城市結(jié)構(gòu)模型的組織是有效和實(shí)用的。將三維城市結(jié)構(gòu)模型與相應(yīng)的幾何模型相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)它們之間的自動通信將節(jié)省大量的建模時間，提高建模效率，這是下一步的工作重點(diǎn)之一。