基于二維圖形數(shù)據(jù)的三維模型重建

張紀(jì)滿等

三維空間數(shù)據(jù)的快速獲取與重建是制約3D GIS發(fā)展的瓶頸問題之一，利用已有二維圖形數(shù)據(jù)重建三維模型是一條經(jīng)濟(jì)、快捷的途徑。本文以DXF的二維圖形為原始數(shù)據(jù)，將它們分為頂圖、底圖和結(jié)構(gòu)圖，利用ArcInfo工具進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，利用SketchUp進(jìn)行“拔高”重建三維模型數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明方法可行。

【關(guān)鍵詞】3DGIS DXF數(shù)據(jù) 三維重建 SketchUp

1 引言

三維空間數(shù)據(jù)的快速獲取與重建是制約3D GIS發(fā)展的瓶頸問題之一。特別是隨3D GIS 不斷成熟及應(yīng)用的深入，許多領(lǐng)域（如數(shù)字城市、房產(chǎn)管理）因昂貴的三維數(shù)據(jù)獲取方式而發(fā)展滯慢，如何快速、經(jīng)濟(jì)的重建是實(shí)現(xiàn)3D GIS在各領(lǐng)域深入應(yīng)用的關(guān)鍵。城市中的建筑物多為規(guī)則體，并有對應(yīng)的二維圖形數(shù)據(jù)（樓層平面圖）和高度信息，可采用基于二維圖形法的三維重建技術(shù)來獲取建筑物房產(chǎn)單元的三維模型，即以二維圖形為底面，按照給定高度，自下向上“拔高”生成體模型。基于二維圖形法的三維重建技術(shù)具有成本低、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。本文將研究基于二維圖形法的房產(chǎn)單元重建，為三維房產(chǎn)空間數(shù)據(jù)獲取、模型構(gòu)建提供快速、經(jīng)濟(jì)的手段。

2 二維數(shù)據(jù)預(yù)處理

以DXF格式建筑物的竣工測量圖和各樓層平面結(jié)構(gòu)圖為基礎(chǔ)，生成三維數(shù)據(jù)。其中竣工測量圖中的建筑物基底圖（建筑物首層）的各拐角點(diǎn)坐標(biāo)及其標(biāo)高提供了三維數(shù)據(jù)生成所需的坐標(biāo)和高程值。樓層平面結(jié)構(gòu)圖則提供了各樓層的結(jié)構(gòu)，依照這些樓層平面結(jié)構(gòu)圖可以生成每一層體的三維數(shù)據(jù)。因樓層平面結(jié)構(gòu)圖是示意圖，沒有坐標(biāo)，需要對它們進(jìn)行預(yù)處理。步驟如下：

2.1 同名控制點(diǎn)的選取

為了使校正后的各層平面圖與基底圖一致，每一棟樓至少要選取四個(gè)同名控制點(diǎn)，這四個(gè)點(diǎn)從基底圖出發(fā)，垂直向上延伸，與每一個(gè)樓層平面結(jié)構(gòu)圖相交，相交后產(chǎn)生的每一組交點(diǎn)即是該樓層平面結(jié)構(gòu)圖相對于基底圖的同名控制點(diǎn)。

2.2 格式轉(zhuǎn)換

利用ArcInfo的命令將dxf格式的樓層平面結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為Coverage格式，并剔除因格式轉(zhuǎn)換而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)問題，如數(shù)據(jù)丟失、增多等，生成規(guī)范化的樓層平面結(jié)構(gòu)圖。

2.3 創(chuàng)建控制點(diǎn)文件（Coverage格式）

將四個(gè)同名控制點(diǎn)的坐標(biāo)添加到控制點(diǎn)文件中。

2.4 仿射變換

利用同名控制點(diǎn)文件進(jìn)行仿射變換。

3 體的重建

經(jīng)仿射變換，各樓層的平面圖得到了校正，校正后的每一個(gè)樓層平面結(jié)構(gòu)圖與基底圖都具有相同的坐標(biāo)系統(tǒng)及相關(guān)參數(shù)。以各樓層二維平面圖數(shù)據(jù)來生成三維體數(shù)據(jù)過程實(shí)際上是對二維圖形“拔高”的過程。“拔高”采用了文獻(xiàn)所提出的三維拓?fù)渲亟ㄋ惴ā！鞍胃摺鄙婕叭愋畔ⅲ旱谝活愂撬鞍胃摺睂拥牡酌嫘畔ⅲ坏诙愂巧蓧w所依賴的框架，也是墻體生成的依據(jù)；第三類是所“拔高”層的頂面信息。為了獲得這三類信息，需要三張結(jié)構(gòu)平面圖來綜合的生成所“拔高”層的三維信息：

3.1 頂圖

由該層的平面結(jié)構(gòu)圖和上層的平面結(jié)構(gòu)圖疊加生成，如果該層為最頂層，頂圖等同于該層的平面結(jié)構(gòu)圖，頂圖用于生成該層的頂面面片信息。

3.2 結(jié)構(gòu)圖

即該層的平面結(jié)構(gòu)圖，結(jié)構(gòu)圖用于在拔高過程中生成側(cè)面墻體。

3.3 底圖

由該層的平面結(jié)構(gòu)圖和下層的平面結(jié)構(gòu)圖疊加生成。如果該層為第一層，底圖等同于該層的平面結(jié)構(gòu)圖，底圖用于生成該層的底面的面片信息。通過上述的步驟，利用“拔高”算法程序，生成一層體數(shù)據(jù)。對一棟建筑物中的每一層均采用上述方法，可以得到整個(gè)建筑物的三維數(shù)據(jù)。最后刪除重復(fù)的公共面，這樣就構(gòu)建了整棟樓的三維拓?fù)鋽?shù)據(jù)。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

以某小區(qū)住宅中的部分建筑物為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。利用小區(qū)的建筑物竣工測量圖與《房屋建筑層高表》分別獲取了三維宗地的平面結(jié)構(gòu)信息和高度信息。利用SketchUp “拔高”功能生成三維模型數(shù)據(jù)。圖1是多樓層三維體的“拔高”實(shí)驗(yàn)結(jié)果，左圖為某建筑物，其中透明的那層為選中效果，右圖為小區(qū)多個(gè)建筑物實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所使用的方法可行。

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作者單位

臨沂大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院 山東省臨沂市 276000endprint