三維GIS建筑物和道路實體模型與地形模型匹配方法

王愛愛，張 錦

(太原理工大學測繪科學與技術系，山西太原030024)

三維GIS建筑物和道路實體模型與地形模型匹配方法

王愛愛，張 錦

(太原理工大學測繪科學與技術系，山西太原030024)

以建筑物和道路實體模型為例，對其與地形模型的匹配方法進行研究與試驗。結果表明，顧及建筑物與道路實體模型特征的地形模型匹配結果更符合實際建模要求，為構建逼真的三維數字環境提供了基礎。

三維GIS;建筑物模型;道路模型;地形模型;匹配

一、引 言

三維GIS能更好地模擬真實的三維環境，給人以更真實的感受。三維GIS理論與技術的發展必然推動GIS在礦山、地質、環境、海洋、城市，以及相關信息管理領域的應用［1］。日漸成熟的三維GIS軟件，如Skyline、ArcGIS等，為地面及地下實體模型的三維可視化提供了很好的建模技術與管理環境，推動了三維GIS的進一步發展。

集成三維數字地形模型，建筑物實體模型，以及道路、河流等模型，形成完整的三維數字環境表達，是三維GIS應用的基礎。模型集成過程中是否考慮地物要素與地形的匹配是精細三維建模和應用的關鍵技術問題。如果地物沒有與地形很好地相融合、相匹配，就會造成如地物飄在空中和鉆入地下等與客觀事實不符的情況。目前解決這一問題的方法主要是人機交互式的編輯方式，但沒有系統和深入地研究。文獻［2-3］中以地物邊界作為地形建模的約束條件，在一定程度上還原了地形的逼真性，但沒有很好地解決模型集成中地物模型與地形模型的匹配問題。為此，本文以建筑物與道路實體模型為例，對其與地形模型的匹配方法進行了研究和試驗，試驗結果逼真，初步解決了大比例尺地圖上建筑物和道路實體模型與地形模型的匹配問題。

二、三維GIS模型集成中存在的問題

基于大比例尺地圖的三維數字環境的構建中，視點的接近及應用對細節和精度的要求比較高。地形模型要細致逼真，且能與地物模型準確融合。然而，實際自然環境的地形模型包括逼真的地表形狀和豐富的文化特征［4］，其中各種對象模型范圍廣泛、種類繁多，所以，模型集成時，地物與地形匹配易受多種因素的影響，會造成如下所述的情景。

1.建筑物

建筑物是自然環境的重要組成部分之一，實際自然環境中建筑物種類繁多，結構、造型和用途各不相同［5］。在地球引力的作用下，建筑物不可避免地會與地形發生不同程度的關系。三維建模環境中，地形是起伏變化的，而建筑物的基準面是水平的，所以當建筑物跨在兩個或兩個以上地形模型構造面片上時，就會出現建筑物飄在空中或鉆入地下的情景，如圖1所示。

圖1 未與地形模型匹配的建筑物模型

2.道 路

數字地形中道路與地形的關系密不可分。數字三維環境中道路的特征表現為:道路中心縱截面軸線隨地形起伏，道路表面橫截面高程相同，周圍地形有一定的改造并與道路無縫連接［4］。實際自然環境中，道路應為一定寬度的平面，左右邊界線為一定寬度的平行線。實際生產過程中，道路則是依賴于地形格網的三維實體模型。但是，如果將道路特征高程點直接參與地形構網生產道路模型，易受周圍地形的影響，生成的道路模型會與實際嚴重不符。如圖2(a)所示，道路兩側是山坡，地形構網時，山坡上的點參與了道路構網，因此會出現道路嚴重失真的情形(如圖2(b)所示)。也有一些學者提出將道路邊界作為約束條件參與構網，但該方法不能很好地表達道路的起伏變化。

圖2 未與地形匹配的道路圖

三、建筑物及道路模型與地形模型的匹配方法

1.建筑物模型與地形模型的匹配方法

目前，解決建筑物與地形的匹配主要有以下兩種方法［4］。

1)改變建筑物模型:如圖3(a)所示，將建筑物放在其覆蓋的地形面片中的最高點，通過構造建筑物基準面以下的模型達到建筑物與地形的融合。實際地形合成中，可以根據建筑物覆蓋區地表的高差將建筑物實體向下延伸，直至到達模型所覆蓋的地形區域的最低處［6］。

2)改變地形模型:如圖3(b)所示，通過對地形模型的改造，使建筑物覆蓋區的地表水平。具體方法為:將建筑物覆蓋區多邊形內部高程置平，然后將多邊形經過的網格進行重新剖分。

圖3 建筑物模型與地形匹配的兩種方式

本文中建筑物對地形的適應處理為改變地形模型。具體方法為:

1)將試驗區影像數據、高程數據及該區對應的地形數據疊加，若沒有地形數據則通過影像矢量化來獲取，確定失真的建筑物底面區域。

2)提取各失真建筑物底面范圍內高程數據點，將各區域高程平均值作為該建筑物底面高程值H，并參與該區地形構網。

2.道路模型與地形模型的匹配方法

道路模型是依賴于地形格網的三維實體模型，需要通過對地形的改造完成道路模型與地形模型的匹配。目前，道路對地形的改造方法主要是基于約束Delauany三角網理論的道路拼合法［7］，即將邊界線作為特征線嵌入到地形模型中，局部重新構網。該方法能保證道路模型與地形模型在銜接處緊密連接，但是不能很好地表達道路的起伏變化。本文利用道路坡度這一屬性，以道路坡度的改變來描述道路的起伏變化。具體方法如下:

1)通過試驗區的影像數據、高程數據及該區對應的地形數據確定失真的道路區域［8］。

2)道路中心縱截面軸線隨地形起伏的，按道路起伏變化轉折點將道路分成若干子段，放大后如圖4所示，提取每個道路子段橫截面中心軸線上首尾高程點數據，由式(1)計算各子段道路坡度

式中，i為坡度;h為A、B兩點間高差;D為兩點間平距;下同。

圖4 道路分段圖

3)每隔一定距離提取各子段上一定數量的道路邊界點，根據該子段坡度由式(2)計算各邊界點高程

4)將所求的所有道路邊界高程點數據加入原始高程點數據中參與構網，即可建立與地形模型相匹配的三維道路模型。

綜上所述，建筑物及道路模型與地形模型匹配流程如圖5所示。

圖5 建筑物及道路模型與地形模型匹配流程

四、實 例

1.建筑物模型與地形模型的匹配

以圖1中建筑物為例，對該建筑物模型與地形模型進行匹配處理，具體步驟如下:

1)疊加試驗區影像數據、高程數據及該建筑對應的地形數據，如圖6所示。

2)提取該建筑物底面區域內高程數據點并計算其平均高程H，同時賦予建筑物底面高程均值H，將帶有高程屬性的建筑物底面參與該區地形構網，結果如圖7所示。

圖6 高程數據與該區地形數據疊加圖

圖7 建筑物模型與地形模型匹配結果圖

2.道路模型與地形模型的匹配

以圖2道路為例，道路對地形模型的改造具體步驟如下:

1)按道路高程數據起伏變化轉折點將道路分成若干子段，基于VB編程，由道路各子段橫截面中心軸線上首尾高程點數據計算各子段道路坡度，如圖8(a)所示。

2)如圖8(b)所示，將所求的所有邊界點高程數據加入地形高程數據中，參與地形構網，最后根據實際情況映射不同的紋理，結果如圖9所示。

圖8 道路邊界點高程計算

圖9 道路模型與地形模型匹配結果圖

由試驗結果圖7及圖9可以看出，文中所提出的匹配方案具有較高的實用性。經過文中方法匹配后，建筑物及道路模型與地形模型能很好地融合銜接，滿足視覺觀察要求的同時大大改善了三維數字環境的可視化效果。

五、結束語

以建筑物和道路為例，針對三維GIS建模中建筑物及道路實體模型與地形模型集成時存在的模型不匹配問題進行了研究和試驗，最終使建筑物及道路模型與地形模型完美融合。試驗結果逼真，初步解決了大比例尺地圖上建筑物及道路模型與地形模型的匹配問題，對數字三維環境中地形場景的創建有重要的參考價值。

［1］ 徐蘇維，王軍見，盛業華.3D/4DGIS/TGIS現狀研究及其發展動態［J］.計算機工程與應用，2005，41(3): 58-62.

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［3］ 賈甲，張建斌.數字城市中建筑物模型與地形的拼接算法研究［J］.微電子學與計算機，2008，25(11): 225-228.

［4］ 劉曉艷，林琿，張宏.虛擬城市建設原理和方法［M］.北京:科學出版社，2003.

［5］ 隋剛，劉國棟，張錦.CSG方法在建筑物三維建模中的應用研究［J］.太原理工大學學報，2003，34(6):691-693，718.

［6］ 劉寧.虛擬地景仿真中地物與地形融合算法與精度評價［D］.鄭州:信息工程大學，2004.

［7］ 鄭艷.道路三維可視化研究［D］.阜新:遼寧工程技術大學，2007.

［8］ 李卉.集成LiDAR和遙感影像城市道路提取與三維建模［J］.測繪學報，2011，40(1):133.

Matching Method of Entity Model and Terrain Model on Buildings and Roads in Three-dimensional GIS

WANG Aiai，ZHANG Jin

0494-0911(2012)06-0084-03

P208

B

2011-12-09;

2012-02-10

王愛愛(1986—)，女，山西文水人，碩士生，主要研究方向為空間數據采集方法與數據處理。