基于CityGML的城市三維模型的描述方法

周 寧,張 軍

(1.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院,遼寧 阜新 123000;2.中國測繪科學研究院,北京 100039)

基于CityGML的城市三維模型的描述方法

周 寧1,2,張 軍2

(1.遼寧工程技術大學 測繪與地理科學學院,遼寧 阜新 123000;2.中國測繪科學研究院,北京 100039)

傳統的三維城市空間數據庫中,在實現空間數據共享、互操作以及滿足各應用者對數據的特殊要求方面存在著諸多未能解決的問題。通過對OGC標準中CityGML三維模型描述方法的研究,從LOD、坐標系統、拓撲定義方面進行分析研究,從而為城市三維模型信息的描述與管理提供更優的方法。

三維城市空間數據庫;三維模型信息描述方法;CityGML;KML

21世紀的城市已進入信息社會,“數字城市”的概念已經提出。隨著計算機技術的不斷進步,傳統的二維 GIS在各行各業中的應用已逐步推廣。人們對 GIS的要求不再滿足于平面的、靜止的顯示,而是追求立體的、動態的效果。因此,三維 GIS應運而生。雖然目前已有不少城市建立起了自己的城市三維景觀模型,但大多數只局限于三維可視化角度,對三維空間數據的挖掘利用研究較少。因此,采用什么樣的模型描述方法進行城市三維空間數據的組織,用于城市規劃管理、交通管理、城市應急事件處置、城市災害監測、環境監測等多方面的分析應用成為目前亟需解決的問題。

1 三維模型描述概況

迄今為止,已經有許多學者對城市三維數據結構進行了研究,并取得了一定的成果。但是針對目前城市三維景觀模擬中模型的數據組織,大多還是僅把高度作為一個屬性項“立”起來的2.5維。在現實的三維世界中,對于一個(x,y)對應多個 z值的情況,這種方法顯得無能為力。隨著城市化進程的加快,這些系統已無法滿足人們對規劃信息更深層次的需求,例如:在物業管理領域,需要建立數字式的三維小區來模擬該小區的三維景觀,實現查看每一棟建筑物、每一層甚至每一戶的屬性(如:戶主、建筑面積等一系列屬性信息),實現二維 GIS無法達到的效果和功能。因此,對于城市三維模型的描述方法的研究成為影響城市三維景觀系統功能的瓶頸。

Open GISConsortiurn(OGC)是開放式地理數據互操作規范而成立的一個非盈利性組織。它制定了一套空間數據表達和操作的抽象模型,并鼓勵軟件開發商和系統集成者采用OGC的標準,以最大限度共享資源及操作模型。目前在三維模型信息描述方面也出現了不少方法,下面簡單介紹其中2種基本的描述方法。

1.1 CityGML(三維城市模型描述的標記語言)

CityGM L[1]是基于XML格式的用于存儲及交換虛擬3D城市模型的開放數據模型。它在 Geography Markup Language 3(GML3)的基礎上實現,GML 3是OGC和ISO TC211聯合起草的可擴展的空間信息交換國際標準。CityGML中定義了城市中的大部分地理對象的分類及其之間的關系,而且考慮了區域模型的幾何、拓撲、語義、外觀屬性等特征。其包括主題分類之間的層次、聚合,對象之間的關系、空間屬性等。這些專題信息不僅僅是一種圖形交換格式,而且支持將虛擬3D城市模型應用到各種不同領域中的復雜分析任務,例如仿真、城市數據挖掘、設施管理、主題查詢等[2]。

1.2 KML(Google中用來描述地物的標記語言)

KML全稱 Keyhole M arkup Language,是Google公司開發的、基于XML語法和文件格式的、用來描述和保存地理信息(如點、線、圖像、多邊形和3D模型等)編碼規范。KML在吸收和借鑒 GML標準的基礎上 ,舍棄地理模型中拓撲關系的描述,精簡描述元素,使用一種基于標簽(tags)的語法格式來描述地理信息。

KML與CityGML作為2種均能用來對三維模型進行描述的國際性通用標準,兩者有自己建立出發點,單純對兩者進行比較是沒有意義的,但是就當前要建立一個用于城市規劃的城市空間數據庫平臺的目標入手,本文從信息表述的詳略程度、LOD、拓撲表達、坐標系統等方面對CityGML和 KML進行了分析,通過比較,最終選擇一種適合當前目的的三維模型描述標準來構建針對城市規劃的城市空間數據庫系統。

2 城市三維建模標準與規范

由于CityGML和 KML都是以XML為基礎來延伸定義的標記性語言,因此在數據共享上都能滿足要求。而對于數據庫提供數據的能力來講,應當從建立數據庫的目的入手進行分析。其主要目的是建立一個基于三維可視化的城市級空間數據庫,來滿足在城市規劃中的一些查詢與分析工作。因此,本文將從以下幾方面分別對CityGML與 KML進行分析研究。

2.1 細節層次描述模型(LOD)

不同應用領域,對數據的關注程度不同,對模型細節層次描述(Level Of Detail,LOD)也有所不同,有的僅需要簡單結構的模型就能滿足要求,但有的部門可能需要詳細描述實體結構的模型。

在CityGML中,所有的模型可以分為5個不同的連貫細節層次(LOD),隨著細節層次的提升可以獲得關于幾何及語義的更多細節信息。LOD0–地域模型(Regional model),表現為2.5D數字地形圖;LOD1–城市/場地模型(City/Site model),表現為沒有屋頂結構的“樓塊模型”;LOD2–城市/場地模型(City/Site model),表現為包含貼圖和樓頂結構的粗模;LOD3–城市/場地模型,包含更多細節的建筑模型;LOD4–室內模型(Interior model),可以“步行進入”的建筑模型,即建筑內部結構、家具、門窗等設施都能給與詳細描述[3]。CityGML文件可以(但不是必須)同時包含每個對象的多個細節層次的描述。基于CityGML的LOD描述可以對某一類關注對象進行同一等級的描述,以便用戶根據自己的需求對數據的描述程度進行選擇。

相應的,KML中也有LOD的概念,但是其定義LOD的出發角度不同,注重的是根據顯示的分辨率來給用戶提供不同的可視化效果。即規定幾個分辨率的范圍,當分辨率在相應的范圍內時,給予相對等級下的LOD的描述。下面一段代碼是 KML中關于LOD的結構的定義,從中可以看到在 KML結構中,對LOD概念的著眼點是放在用戶可視化上的,通過 KML中LOD的設置,用戶可以設置某一像素范圍用于顯示某一特定模型。只有像素值在某個規定的范圍內時,才會被按照對應的模型渲染顯示出來。如圖1所示,根據屏幕上用于顯示該建筑的像素值來選擇不同的模型進行渲染。

圖1 KML中關于LOD的定義

CityGML是從信息描述的詳細程度出發,對城市中的實體分別按照LOD0-4進行定義,隨著LOD層次的增加,對實體幾何、拓撲、語義描述的詳細程度依次增加[4]。并且,LOD4描述在LOD3的基礎上增加了建筑的內部結構,如內部的門窗、家具等室內設施。

下面是一段描述建筑物幾何模型的CityGML文檔,本文摘抄了CityGML標準規范說明中的一個描述房屋LOD2幾何結構信息的例子中的部分代碼,建筑物模型如圖2所示。從文檔中可以看出,在描述建筑物的組成部分時,分別從建筑的前面、后面、地面、屋頂等對包圍建筑的面進行描述,將組成這些面的點坐標進行了詳細的記錄。

圖2 CityGML中房屋的LOD2描述

同時對同一實體進行5種不同細節等級的描述,并存入數據庫。不同的部門,根據自己的使用目的,從中選擇適合自身需求精度的模型來使用。比如氣象部門,只獲得城市中建筑的LOD1的塊狀結構,就足以進行氣象災害對城市影響的統計分析了;在城市規劃部門,可能還需要對每個建筑的門窗狀況進行統計了解,那么LOD3甚至LOD4的模型描述更加適合其應用。CityGML中,不同LOD等級對各元素精度的要求不一樣,例如LOD1模型中,對于點模型的精度要求在5m內,LOD2則要求在2 m內。將模型進行不同等級的描述,根據自身的需要,編寫 Schema結構,從CityGML文件中讀取所需要等級模型的描述。因此,按照用戶的需求從數據庫中提取數據,在使用中就避免了數據冗余的問題,但對數據庫的存儲量提出了較高的要求。

從另外的角度來看LOD應用在 KML和CityGML中的不同。比如作為房產部門,需要顯示城市中所有建筑的詳細細節描述的模型,雖然KML和CityGML均能實現對建筑的詳細描述,但是由于 KML是根據顯示的分辨率來渲染實體的,隨著顯示范圍的增大,用戶需要的建筑可能分布在不同的分辨率的范圍,造成顯示的模型不在同一描述等級下,使得不同細節等級的模型同時存在,如圖3所示。所以有可能不能滿足用戶顯示全部LOD4實體的要求。而CityGML就不同了,當用戶有以上要求時,可以直接將定義LOD4的所有實體顯示出來,不管實體在屏幕上顯示的分辨率是多少,CityGML中也可以根據用戶的需求同時顯示不同等級LOD的描述模型。

由此可以看出,雖然 KML與CityGML中都有關于LOD的定義,但是兩者的出發點完全不同,CityGML注重的是信息的描述,而 KML更加注重的是運行時的顯示效果。從應用于城市規劃目的的城市空間數據庫建立的角度,CityGML中的LOD定義更能滿足需求。

圖3 CityGML中不同LOD模型

2.2 坐標系定義[5]

一個點的位置由一(組)坐標描述。只有當與之關聯的坐標參考系統被完全定義時坐標才是確定的。而點是空間數據描述的基礎,因此,坐標系統的定義是空間信息進行描述的最基本入手點。

空間參考系統(Spatial Reference System-SRS)是地理信息系統數據處理的基礎。GML3封裝了空間地理坐標參考系統、投影關系及其編碼標準,以便于在分布式環境下不同應用系統中進行參考體系間的靈活互換。GML可以使用空間坐標系,并且有直接的屬性數據。例如用 GML編碼的一條道路可以有寬度、名字、路面信息等需要表示的信息,這些信息和空間地理數據緊密地集成在一起。這些屬性信息對用戶來說并不是必須的,用戶只需提取感興趣的信息。由于地理空間對象的屬性數據可以被直接得到,所以 GML可以用來作各種空間分析和統計分析程序的數據源。GML所采用空間參考系是可擴展的并與目前所使用的主要的投影類型和大地參考系是一致的。另外,GM L還允許用戶定義自己的單位和參考系的參數。

GML模式中的坐標參考系統模式定義了用于編碼坐標參考系統和坐標操作的6個 GML模式文檔,分別是:referenceSystem s.xsd參考系統模式;coo rdinateReferenceSystem s.xsd坐標參考系統模式;datum s.xsd基準模式;coordinateSystem s.xsd坐標系統模式;coo rdinateOperations.xsd坐標操作模式;dataQuality.xsd數據質量模式。

這6個模式文檔在內容、結構和依賴性上都有著密切的關系,使得在 GML中可以直接引用獨立的坐標系統,并能按照要求轉化成想要的坐標系統。例如,通過坐標操作模式的定義,可以實現2種不同坐標系間的轉換,再通過數據質量模式,對轉換的精度予以控制,能夠滿足規定的精度要求,保證轉換過程中的精確度。由于CityGML是 GML 3的一個應用Schema,是專用于城市三維建模描述的一種應用,本身還是來自 GML 3,因此 GML3中的一切功能CityGML中均能顧及到。即CityGML也支持不同坐標系的定義。

KML中關于坐標系統的描述則相對簡單,它要求所有的數據必須統一到WGS84坐標系統下,因此,在整個 KML文檔中,所有數據都是在統一的坐標系統下描述的。這種統一有時可能會給應用中帶來一些不便。例如,建筑部門使用的通常是工程坐標系,而應用者使用的軟件不可能都是針對工程坐標系的,通過 KML編碼后,坐標系統全部變化了,使用者就無法再使用自己的數據和軟件。

因此,就坐標定義來講,CityGML中關于坐標系統的定義更加的寬泛,更能照顧用戶使用數據的便利性。

2.3 基于CityGML的拓撲描述

拓撲關系是GIS中空間實體之間最基本、最重要關系之一,是進行空間查詢、分析推理的基礎[5]。在地理建模中,拓撲的最重要用途是加速幾何計算。拓撲的構建允許通過使用簡單的組合或代數算法來表達對象間的空間關系特征。通過適當的幾何實現拓撲允許緊湊與無歧義地表達地理要素間如何共享幾何。在城市空間數據庫的應用中,通過拓撲模型的描述可以提高空間信息的查詢效率,并能避免對拓撲相連的實體的重復定義[6]。

CityGML中支持拓撲模型的定義。與需要編碼坐標的幾何模型不同,GML拓撲模型編碼抽象對象的結構化關系。GML當前定義的模型包含的拓撲類型主要用于模擬地理要素。GML3.0提供如下4種拓撲基元:Node、Edge、Face和 TopoSolid,每一個實現不同的幾何對象,Node實現點對象;Edge用于可替換_Curve的對象;Face用于面對象;TopoSolid用于立體對象。CityGML支持將拓撲模型和幾何模型分開表示,中間通過Xlink來實現鏈接。拓撲的描述在一些查詢分析工作中相當重要[7]。

如圖4所示,一所房子 Solid1與一個車庫 Solid2相連,它們之間通過一個公共面相連。為了避免對公共面的重復定義,可以通過 Xlink來實現,下面一段代碼就是關于使用Xlink機制對公共面進行描述的部分。

圖4 CityGML中房屋的拓撲結構

KML中則省略了 GML中關于拓撲關系的描述,通過地標的形式來標注地球上的點。雖然通過幾何模型的定義,能夠實現一些簡單查詢,但是較存在拓撲描述的CityGML在查詢功能上存在一定的缺陷。

2.4 復雜對象分解處理方法[8]

1)在城市中存在著大量的非封閉的三維實體,如地下通道、停車場等。雖然其外觀結構是非封閉的,但有時需要計算出它們的容積(如在洪水災害管理工作中,需要計算地下通道的盛水量),需要將其虛擬的給封閉起來進行計算。另一方面,對于位于地下的一些三維實體,還必須把其位于地面上的入口封閉起來,以避免在DTM中出現“漏洞”。針對這一要求,CityGM L中關于封閉面Closure surface的定義就能很好的解決這一問題。這是CityGML區別于 KML所特有的,如圖5所示。

圖5 CityGML中封閉面的概念

2)原型模型的定義與建模。在城市建模中發現,有一些結構相同的實體在不同的位置重復出現,如公交站、交通信號燈、樹木等。為了提高建模效率,需減少建模次數,對某一模型進行一次建模,當重復出現時,只需要對模型的原型通過矩陣變化得到相應的模型,提高建模效率,并節省大量的存儲空間。CityGML中像樹木、交通標志等具有相同形狀的物體可以分別用一個相同的原型進行表示。在需要處對這些原型進行縮放、平移和旋轉等來實現。這也是CityGML區別于 KML,在城市建模中所特有的。

3 結束語

從城市數據庫用戶的需求出發,對 CityGML和 KML進行分析比較。雖然兩者都是基于XML,在實現了WebGIS數據共享與數據互操作要求的情況下,就實際應用中能夠解決問題的能力,CityGML較 KML而言,在三維城市空間數據庫的建立中有一定優勢。對于 KML來說,作為對GML3的簡化,省略了其中關于拓撲及坐標系統的定義,在一定的應用范圍內具有自身的優勢。針對建立規劃級的城市空間數據庫的應用中較CityGML的某些特性稍遜一籌。當然,CityGML的發展還剛剛起步,還有許多不足,在今后的發展中需要進一步的完善。

[1]http://www.citygm l.o rg

[2]ALEXANDRA STADLER,CLAUS NAGEL,GERHARD K?N IG,et al..Making interoperability persistent:A 3D geo database based on CityGML[J].Lee,Jiyeong/Zlatanova,Sis(Eds.)Sp ringer Verlag,2009:1-3.

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[4]Adena Schutzberg,CityGML Comes of Age,Directions Magzine[J],2007(11):4-5.

[5]張書亮,閭過年,龔健雅 ,等.地理標示語言——Geo-Web基礎[M].北京:科學出版社,2007.

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[7]ALEXANDRA STADLER,THOMAS H.KOLBE,Spatio-semantic coherence in the integration of 3D city models[J],The 5th Interationall SPRSSymposium on Spatial Data Quality ISSDQ 2007 in Enschede,The Netherlands,2007(6):5-7.

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[10]郭稚克.基于 GML的空間數據序存取模型研究[D].成都:四川大學,2004.

Research on 3D city models’representation with CityGML

ZHOU Ning1,2,ZHANG Jun2
(1.School of Geomatics,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.Chinese Academy of Surveying&Mapping,Beijing 100039,China)

The traditional storage of the three-dimensional urban space database has so many difficult p roblem s at spatial data sharing,interoperability and meeting the needs of different app lications.In this article w e’ll analyze the CityGML standard w hich can describe this models f rom the LOD,coo rdinate system s,topology analysis of the definition of research to p rovided a better method to describe and manage the three-dimensional model fo r cities.

three-dimensional urban space database;method of descrip t three-dimensional model info rmation;CityGML;KML

P208

A

1006-7949(2010)04-0050-06

2009-09-07

周 寧(1985-),女,碩士研究生.

[責任編輯張德福]