基于cityGML的橋梁三維建模技術

王穎

【摘要】cityGML是三維城市建模的通用模型，是一種三維數據存儲與轉換的標準格式。cityGML能夠解決普通橋梁三維建模中數據格式不統一所導致的數據無法共用，數據冗余占用存儲空間等問題，并在需要時可以向其他格式轉化作進一步應用。本文以一個模擬橋梁為例，按照cityGML標準對橋梁進行三維建模，采用實測橋梁數據生成dwg格式文件并向cityGML格式進行轉換的方法。之后介紹cityGML通用橋梁模型向其他格式進行轉換，驗證其通用模型向多格式模型轉化的簡便性與可能性。

【關鍵詞】cityGML；橋梁；三維建模；可視化顯示；轉換

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

橋梁是現代交通運輸必不可少的重要一環，尤其是在機動車越來越普及的今天，公路橋、鐵路橋、立交橋等各式各樣的橋梁在現代城市生活中隨處可見，是連接全國各地協調經濟發展的命脈。現代科學技術中，對橋梁進行三維建模實現橋梁監測、三維城市展示等應用的例子屢見不鮮，例如秦浦雄、王叔慶在橋梁結構的三維建模技術中基于CAD技術和有限元技術對整個橋梁施工過程進行模擬[1]，李興田、張麗萍、金棟進行了基于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特定應用而開發，由于不同開發商或公司使用不同數據格式，導致數據可重用性差，造成大量數據冗余。尤其對于大型橋梁來說，數據的重復采集是費時費力又占用存儲空間的工作。基于此，本文提出基于cityGML技術對數據進行存儲的觀點，將橋梁按cityGML通用模型進行存儲，在進行特定應用時，按特定需要對cityGML通用模型進行轉化，從而解決數據冗余的問題。

1cityGML概述

cityGML是由德國北萊茵-威斯特法倫州一個三維工作組提出的，該工作組致力于當地地理空間數據基礎設施研究。cityGML是地理標記語言（Geography Markup Language，GML）的一種應用，目的就是為了解決三維城市建模中遇到的數據交換、語意、拓撲信息描述等問題[4-6] 。三維GIS發展初期沒有統一標準， GIS 軟件平臺大都采用各自獨立的數據模型和存儲方式，無法進行系統之間以及應用之間的數據共享[7-8]，重復開發不斷發生，浪費成本。cityGML的提出給各大平臺和開放商提供了一種數據通用存儲格式，該格式易于像現有各種數據格式轉換，很好避免了重復開發與浪費。

cityGML具有以下主要特點[9-10]：

１）五層LOD層次模型。五層LOD層次滿足了用戶對于不同地物不同詳細程度的要求，提高可視化和數據分析效率，包括地域景觀模型，城市城區模型，城市街區、場地模型，建筑外圍模型，建筑內部模型。

2）高度模塊化。cityGML具有一個核心模塊和11個擴展模塊，保證用戶可以根據實際情況進行模塊選擇，減少不必要地物類型建模，提高應用模型靈活性。

3）語義幾何一致性。語義幾何一致性保證cityGML模型在語義和幾何方面一致，可以進行語義層次、幾何層次以及兩個層次之間遍歷，完整表達三維實體。

4）封閉面。封閉面使得地下非完全封閉空間的體積計算得以進行，并且不會在DTM模型上產生孔洞。

5）應用領域擴展。應用領域擴展允許用戶根據自身需求擴展通用模型，使得cityGML建模更加靈活。

2基于cityGML橋梁三維建模

2.1數據獲取

可以采用實地手動測量或者三維激光掃描方法對橋梁進行數據采集。三維激光掃描方法不需要接觸被測量物本身，遠程使用激光獲得被測量物的表面點云數據，可以滿足數據量大、物體表面復雜的三維表面建模需求，利用點云重構三維表面也可以滿足較高的重構建模精度，是近年來大規模三維建模數據采集的主流方法。對于真實橋梁尤其是大型橋梁非常適用。本文使用模擬橋梁進行橋梁三維模型建模，模擬橋梁體積較小，表面規則，僅由橋面與半圓弧組成，長度2m，可以采用實地手動測量方法。人工選擇坐標原點（橋面一個角點），以坐標原點為基礎進行測量。對橋面數據，把橋面看做長方體測量八個角點x，y，z坐標，對半圓弧線測量弧頂數據，以及其他若干處弧上數據。

2.2基于cityGML建模

使用cityGML建模時并不一定需要從源代碼寫起，cityGML可以通過很多常用格式轉換而來，例如dwg，3DS，DAE等等。這也是使用cityGML進行橋梁三維建模的一個優勢。

AutoCAD是一款為大家所熟知的計算機輔助設計軟件，操作簡便，可以輔助用戶進行計算機繪圖，包括文檔設計、二維繪圖、三維圖形基礎繪制等等。利用AutoCAD 可以建立線框模型對物體輪廓線進行顯示，可以生成表面模型對物體表面進行輪廓和表面的同時顯示，建立實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進行dwg格式建模是因為dwg格式可以通過軟件轉換成cityGML通用格式。通過FME工作臺可以將dwg文件進行cityGML格式轉換。FME是一個空間提取、變換、加載工具，操作靈活，功能強大。FME所包含的格式非常多，可以進行上百種格式之間的轉換，特別是AutoCAD文件向GIS文件格式的轉換。