基于CityGML的三維模型轉換與可視化研究

吳王潤 ，劉坡，吳塹虹

(1.中南大學地球科學與信息物理學院，湖南 長沙 410000; 2.中國科學院遙感與數字地球研究所，北京 100010)

1 引 言

傳統的三維城市模型大多是純幾何模型，忽略了語義和拓撲層面，僅用于可視化，對專題查詢、分析或空間數據挖掘等支持較差，可重用性有限［1］。CityGML 作為一種三維城市模型的數據存儲和交換格式，已經成為一種國際標準，它具有較強的表達、檢索和共享三維地理信息的能力，極大地促進了三維地理信息的發展［2］。在國外，隨著CityGML 使用的日益增加和成熟，很多城市使用CityGML 作為三維城市建模的格式，如斯圖爾特、波恩和柏林。相關學者對CityGML 展開了一系列的研究，如標準的制定、模型的生成、可視化與存儲、模型簡化等。在國內，目前的研究主要側重于CityGML 標準的引進、建模方法的介紹、數據查詢和可視化，具體的應用案例比較少。CityGML 目前轉換方式主要有:FME［3，4］，Libcitygml［3］，3D City Database Import/Export［5］。本文對相關轉換軟件進行了總結及分析比較。另外，由于CityGML 是一種存儲模型，在可視化方面沒有做優化［4］，隨著HTML5 的出現，瀏覽器的功能越來越強大，如何將CityGML 數據在瀏覽器中有效的可視化表達也是一個值得研究的問題。

本文的主要研究內容:①CityGML 格式與特性的研究;②比較分析現有的轉換軟件及方法，將目前的三維模型轉換為CityGML 實現模型的存儲與共享;③探討CityGML 模型在瀏覽器中的可視化方法。

2 基于CityGML 格式的轉換與可視化

2.1 CityGML 三維模型格式

CityGML 是一個開放數據模型，采用XML 作為虛擬三維城市模型存儲和交換的數據格式。CityGML 數據模型覆蓋了城市對象的幾何、語義、拓撲、外觀各個方面，具有5 種不同的細節層次描述及專題模塊，每個模塊均有其屬性及相應的描述方法，可根據具體的應用，將理論擴展模型進行任意組合并最終與核心模型連接起來，這給不同應用需求的用戶的使用帶來了極大地便利，提高了使用的靈活性。

與傳統的三維模型相比，CityGML 有其獨有的優勢與特性:

(1)5 層LOD 模型;對同一物體進行多層次細節的描述。

(2)語義/幾何一體化;同一物體在語義和幾何層面的描述一致化，如:一個房子有一扇門，則在幾何表述上一個房子包含一扇門。

(3)模塊化;CityGML 對虛擬城市三維模型中大多重要類型進行了分類定義，根據特別的信息數據選用結構中相應的子集。2012年4月推出的CityGML2.0，包括一個核心模塊CityGML Core 及13 個專題拓展模塊［7］。

(4)可擴展性;CityGML 提供擴展機制，可針對不同應用領域進行擴展，包括對現有模塊定義新屬性以及新對象模型的定義，實現在CityGML 框架下的統一建模和信息共享。

CityGML 用 CityModel 表示模型的根節點。CityGML 中每個對象對應一個具有完整的模型結構的CityObjectMember。不含語義信息的模型向CityGML轉換通常采用Generic 專題進行存儲。面信息用gml:SurfaceMember 標簽表示，主要包括多邊形面標簽gml:Polygon 及線環gml:LinearRing。紋理信息存于app:appearance 的app:surfaceDataMember 中，包括紋理文件及光源信息。

2.2 轉換方法及軟件比較

目前CityGML 文件轉換的方法主要由一些軟件及開源的插件支持，如:LandXplorer、FME、FZKViewer、Aristoteles3D、The 3D City Database Importer/Exporter

(以下簡稱CDIE)、Libcitygml、CityGML Building Export Plugin for SketchUp(以下簡稱CBEP)等。表1從軟件的推出機構、支持轉換為CityGML 的格式、CityGML 轉換輸出的格式和主要特點方面進行比較，滿足不同用戶和應用的需求。

表1 常用的模型轉換軟件的比較

從表1可以看出，主要有以下幾個特點:①軟件格式支持方面:FME 是專業轉換軟件，支持的格式較多，而其他的軟件支持相當較少，開源庫需要自定義轉換開發;②支持LOD 方面:目前FME、LandXplorer 和CBEP軟件都支持LOD 分級存儲;③支持數據庫方面:LandXplorer 支持Oracle 和ArcSDE，CDIE 支持Oracle 或者PostGIS;④支持Shp 文件:目前LandXplorer 和FME 軟件都支持，可以將大量矢量屬性數據保留下來，減少語義信息的丟失。⑤可擴展性:相關專業軟件，擴展能力較弱，開源軟件擴展能力強，需要大量的開發。

另外，大多數軟件僅支持幾何變換，保證外觀特征一致，語義信息很少能做到完整有效的保留。而對于CityGML 來說，語義信息的保留、編輯與存儲尤為重要。目前LandXplorer 支持語義編輯，CBEP 只支持建筑物語義編輯，FME 不支持編輯，但支持自定義的語義轉換。直接編輯在此就不加贅述，FME 可采用圖1方式達到語義轉換的目的。以建筑為例，將建筑物各部分拆分至CityGML 標準對應的專題類型，采用自定義的模塊CityGMLGeometryCreator 用于CityGML 的幾何創建，包括選擇幾何類型、創建FeatureID、設置LOD、控制幾何屬性、創建gml_id 等。將輸出與AttributeCreator 函數連接，設置citygml_feature_role 與gml_parent_id，同時可加上自己定義的屬性值，達到語義轉換的目的。

圖1 傳統模型轉換至CityGML 的處理流程圖

綜上可得出:FME 適用于大多情況下的格式轉換，包括語義及LOD 等的支持;LandXplorer 編輯功能較為強大;Aristoteles3D、FZKViewer 更傾向于作為瀏覽器使用;CDIE 用于CityGML 存儲較為合適;CBEP 適合對建筑物的編輯;Libcitygml 擴展性好，適宜開發工作者對CityGML的解析轉換。用戶應根據不同的應用和自身的開發實力，選擇合適的軟件和工具來進行相關的轉換工作。

2.3 可視化

CityGML 的可視化表達有三種模式:①使用桌面瀏覽器，如FZKViewer、Aristoteles3D 等。這種方法可視化簡單易實現，效果較好，可漫游，具備簡單查詢功能，但相對可移植性差、無法集成和開發。②利用citygml4j 類庫或底層圖形類庫OpenGL、Direct3D 等開發自己的瀏覽器［11，12］，采用這種方法的缺陷在于工作量大且CityGML 格式在直接可視化方面支持不足［13］。③將CityGML 轉至較為有效的可視化格式如VRML、X3D 等在瀏覽器中可視化。這種方法較為簡單且隨著三維GIS 向著網絡化和分布式的發展，利用普通的瀏覽器進行三維模型的可視化將是一個重要的方向。

Web 上的3D 圖形可視化有眾多方式，如Flash，O3D，java3D 等，這些方式均需要使用特定的瀏覽器且安裝插件。所有的插件支持方式都存在安全性、操作系統不兼容以及開發人員不易開發的缺陷。WebGL 繪圖標準將JavaScript 與OpenGL ES 2.0 結合，在HTML5 的Canvas 元素中提供GPU 加速功能，解決了現有Web 交互式三維動畫的兩個問題:①Web 交互式三維動畫的制作是通過HTML 腳本本身，所以無需任何瀏覽器插件支持。②采用統一標準且跨平臺的OpenGL 接口實現底層的圖形硬件加速進行的圖形渲染［14］。

圖2 CityGML 屬性保存至XML 處理流程圖

HTML5 的3D 技術需要通過X3D 來實現。CityGML 轉換至X3D 過程中，語義信息的保留可以通過以下兩種方式:①使用CDIE 將CityGML 文件存于數據庫，CDIE 軟件開源且具有CityGML 存儲的解決方案，用戶可自行建立關聯，在轉換至X3D 后通過SQL查詢得到語義信息。②在轉換過程中采用XML 存儲語義信息，如圖2所示。在實際應用當中，以LOD3 建筑物為例，雖模型本身存儲格式并不包含語義信息，但可通過編程同步X3D 文件與XML 文件中的ID，自定義拓撲關系規則，以保證幾何結構所對應的屬性信息的不丟失，同時也可為項目的應用分析提供支持。

3 案例分析

本文實驗案例以SKP 為輸入模型，首先進行CityGML 的轉換，然后轉換至X3D，最后將其使用X3DOM 框架可視化在支持HTML5 的瀏覽器中。實驗采用浙江嘉興嘉善縣丁香花園小區的一棟房屋為例，原始的數據為SKP 格式，采用FME Desktop 2013 進行轉換，X3D-Edit 構建X3DOM 框架。

圖3 三維模型向CityGML 轉換

原始模型如圖3(a)所示，轉換方法如2.2 節所述，轉換后的CityGML 標準模型如圖3(b)所示，在Browser Toolbar 欄可以看到模型已經分為窗戶、門等專題。由于不同軟件的環境光照的不同，小區顯示明暗程度有所不同，但不影響數據整體顯示的效果。整個轉換除去光照效果，模型的幾何結構及紋理信息均保持完好。對于光照問題可采用將相關的光照及陰影信息直接渲染到紋理上，以便更好還原原始模型顯示效果。

CityGML 轉至X3D 默認背景顏色為黑色，在X3D- Editor 中添加Background 節點并將模型嵌入X3DOM 框架后可實現無插件瀏覽器可視化且便于開發者開發。由于X3D 模型本身不帶語義。本實驗在模型轉換過程中采用2.3 節所述方式使用XML 存儲語義信息，在具體項目應用時，用戶可利用X3DOM 的射線相交得到圖形ID，并與XML 相連，通過HTML5的開發對圖形屬性進行查詢分析等操作。最終模型的顯示效果如圖4所示。

圖4 X3D 文件在瀏覽器中顯示

4 結 語

本文針對CityGML 格式轉換及可視化問題，分析了CityGML 的文件結構，總結并比較現有模型轉換軟件且提出了可行的轉換方法，最后探討了CityGML 在瀏覽器中可視化及案例驗證。通過本文的研究，可以為相關的三維模型制作單位和研究人員提供一定的參考。

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