基于天正CAD的三維建筑構件信息抽取方法

李冠男，萬小飛，張 馳,2*，孟源思，陸吳軼，張麗莉

（1.南通大學 地理科學學院，江蘇 南通 226019；2.虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.江西省測繪應急保障服務中心，江西 南昌330209）

基于天正CAD的三維建筑構件信息抽取方法

李冠男1，萬小飛2,3，張 馳1,2*，孟源思1，陸吳軼1，張麗莉1

（1.南通大學 地理科學學院，江蘇 南通 226019；2.虛擬地理環境教育部重點實驗室，江蘇 南京 210023；3.江西省測繪應急保障服務中心，江西 南昌330209）

面向公眾服務的建筑物數據模型，需對可視化與應用分析提供支持；能對建筑內部進行表達，并包含相應的語義信息。以天正CAD建筑施工圖為數據來源，基于其所提供的組碼信息與二次開發接口，實現了建筑構件的識別與信息抽取。基于該方法所提取的建筑構件包含語義、定位、幾何、屬性、關系等信息，能為三維城市建設中內外一體化三維建筑模型的建立和應用提供完備的數據來源。

三維建模；建筑構件；語義信息；天正CAD

作為三維城市的重要組成部分，建筑物三維建模對三維城市建設具有重要意義。目前國內外對建筑物三維建模的研究較多，主要是基于激光掃描數據[1-3]、影像數據[4-5]、建筑CAD圖紙[6-8]3類數據源對建筑物進行建模，但建模方法仍存在不足。其中基于激光掃描數據、影像數據的建模方法主要是針對建筑物外表面建模，所構建的模型缺乏語義信息；基于建筑CAD圖紙的建模，由于其施工圖以線框模型為主，數據復雜瑣碎，至今尚未形成成熟的建模方法。隨著三維城市建設的不斷推進，面向公眾服務的建筑物三維模型，除了需要能夠支持可視化，還需要對路徑導航、氣流分析、日照分析等應用提供支持[9]。這就要求所構建的建筑物三維模型能夠對建筑物內部進行表達，并包含相應的語義信息。建筑構件是建筑物的基本組成部分，建筑物中包含的各類建筑空間都是由建筑構件圍合而成的。因此，要實現內外一體化的三維建筑模型構建，首先需要對建筑構件信息進行抽取。

天正CAD是根據AutoCAD二次開發框架Object ARX建立的插件系統，目前國內90%的建筑設計單位采用天正建筑軟件繪制建筑施工圖。天正CAD在AutoCAD基本幾何要素對象的基礎上擴展設計了常用構件的建筑領域專業對象模型，將建筑構件以單個對象的方式進行管理，并提供相關的訪問接口。通過該方式產出的建筑施工圖包含了地理空間分析所需的語義、定位、幾何、屬性等信息，可為城市建筑物三維建模提供一種簡便、快捷的方法。綜上所述，本文以天正CAD建筑施工圖為數據來源，基于其所提供的接口，研究了建筑構件的識別與數據抽取方法，為包含語義信息的三維城市建筑物三維建模提供支持。

圖1 部分組碼與組碼說明示例（以墻體為例）

1 天正CAD及接口分析

天正CAD的自定義對象技術將二維圖形描述與三維空間表現融于一體，利用參數化的建筑構件作為基本設計單元進行建筑設計。天正CAD與普通CAD的基本繪圖元素存在一定區別。普通CAD是以點、線、面等幾何元素來繪圖，而天正CAD則以墻、門、窗、柱等建筑類元素來繪圖，即天正的自定義對象。天正CAD將建筑構件的各種屬性以參數化的形式封裝起來，使得建筑構件包含了三維信息。

天正CAD可兼容普通CAD的dwg、dxf等文件格式。dxf文件由多個段組成，每段又由很多“代碼”和“值”組成的“數據對”構造而成。這里的代碼稱為組碼，記錄了圖形的全部信息。天正CAD的每個自定義對象都有各自的組碼結構和組碼說明。如圖1所示，天正CAD自定義對象的組碼和組值中包含了對象的語義、定位、幾何、關系、屬性等信息，通過組碼得到的值就能重現這些建筑構件對象的相關信息。通過天正CAD提供的二次開發接口，可以識別并抽取這些組碼與組值：利用抽取出的這些自定義對象的語義、定位、幾何、屬性、關系等信息，可進行建筑構件的三維建模，進而對建筑物的三維模型進行構建。

2 建筑構件信息抽取

基于上述分析，本文針對天正CAD自定義對象中提供組碼信息的建筑構件進行信息抽取，包含數據預處理、抽取程序開發、抽取結果分析等步驟，如圖2所示。

圖2 數據抽取流程圖

2.1 數據預處理

相同結構的樓層通常繪制在同一個平面圖上，將導致每張圖紙的定位信息與實際定位不符，每個樓層的起始坐標值不一致，需對其進行統一調整；另外，每一層建筑的起始高度也需由初始層數據逐一恢復其準確的Z值坐標。因此在建筑構件抽取之前，需對建筑圖紙進行預處理，包括圖紙規范性檢查、圖紙分幅和圖紙坐標配準。

2.2 數據抽取流程

本文通過對象標識碼識別建筑構件，并獲取它們的組碼與組值數據，具體步驟為：①利用高級程序設計語言調用LISP命令，基于天正自定義對象的對象識別碼，獲取相關對象的圖元名。②遍歷獲取的圖元名，逐行輸出自定義對象的組碼、組值信息，實現圖層對象組碼信息的抽取。③部分建筑構件存在子構件，如直線梯段和樓梯扶手是雙跑樓梯的組成部分，雙跑樓梯與直線梯段、樓梯扶手之間存在相互聚合關系，針對這種建筑構件，進一步提取其子構件的信息，并保留其與主構件之間的層次等級關系。④將提取的構件組碼、組值信息按樓層進行保存。

2.3 抽取結果分析

對提取出來的建筑構件組碼、組值信息進行融合，并利用獲取的建筑構件的語義、定位、幾何、屬性、關系等信息構建腳本，生成相應的構件模型。

圖3 示例實景圖與建筑施工圖

3 實例驗證

本文以南京師范大學中北學院綜合樓的天正建筑施工圖（圖3）為數據源，進行數據抽取。整套建筑施工圖包括圖紙目錄、建筑設計說明、建筑平面圖、建筑立面圖、建筑剖面圖和建筑詳圖。平面圖紙包括一 層平面圖、二層平面圖、三層平面圖、四層平面圖，包含墻、門、窗、轉角窗、雙跑樓梯、陽臺、直線梯段7種建筑構件。

根據本文所述方法，采用LISP語言，識別每層平面圖中對象標識碼為TCH_WALL、TCH_OPENING、TCH_RECTSTAIR、TCH_ASCENT、TCH_ BALCONY、TCH_LINESTAIR、TCH_CORNER_ WINDOW、TCH_COLUMN的建筑構件，獲取建筑構件的全部組碼、組值數據，并按樓層號進行存儲；然后將提取的建筑構件信息以txt格式保存，提取的部分組碼、組值信息見圖4。從抽取的組碼、組值中可以看出，門窗所包含的語義、定位、幾何、屬性、關系等信息均被成功抽取。

圖4 數據抽取結果示例

本文利用抽取的數據構建MaxScript腳本，在3ds Max中生成了內外一體化的建筑物三維模型，模型中的構件包括墻、門、窗、轉角窗、雙跑樓梯、陽臺、直線梯段等。通過模型中的構件可以看出，利用抽取的數據準確地構建了建筑物三維模型，抽取數據準確完善。圖5為所構建模型的整體效果圖和二層的內部效果圖。

圖5 模型效果圖

4 結 語

面向公眾服務的建筑物三維模型，不僅需要能支持可視化，而且需要對應用分析提供支持，這就要求所構建的建筑物數據模型包含語義、定位、幾何、屬性、關系等信息。天正CAD建筑施工圖具有空間定位精度高、語義明晰等特點，相對于其他建筑圖紙更適用于建筑物三維模型建模與數據抽取。基于天正CAD建筑施工圖所提供組碼信息以及二次開發接口，可實現對三維建筑構件信息的抽取，為三維城市建設中，建筑物的建模和分析提供了一條簡便快捷的方法。在今后的工作中，將基于本文所抽取的建筑構件信息，實現建筑空間的提取以及建筑關系的重構，從真正意義上實現支持可視化與應用分析的建筑物數據模型構建。

[1]Manandhar D, Shibasaki R. Geo-referencing of Multi-sensor Range Data for Vehicle-borne Laser Mapping System[J]. International Symposium on Remote Sensing, 2000(16):567-573

[2]El-Hakim S F, Brenner C, Roth G. A Multi-sensor Approach to Creating Accurate Virtual Environments[J]. Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,1998,53(6):379-391

[3]YU Y, Ferencz A, Malik J. Extracting Objects from Range and Radiance Images[J]. IEEE Transactions on Visualization & Computer Graphics,2001,7(7):351-364

[4]Früh C, Zakhor A. 3D Model Generation for Cities Using Aerial Photographs and Ground Level Laser Scans[C]. IEEE Computer Society Conference on Computer Vision & Pattern Recognition,2001

[5]Sequeira V, Ng K, Wolfart E, et al. Automated Reconstruction of 3D Models from Real Environments[J]. Isprs Journal of Photogrammetry and Remote Sensing,1999,54(1):1-22

[6]Clayton M J, Warden R B, Parker T W. Virtual Construction of Architecture Using 3D CAD and Simulation[J].Automation in Construction,2002,11(2):227-235

[7]Brumana R, Fassi F, Prandi F. Definition of the 3D Content and Geometric Level of Congruence of Numeric Cartography[M]. International Workshop on Innovations in 3D Geoinformation Systems,2006:185-194

[8]LU T, TAI C L, SU F, et al. A New Recognition Model for Electronic Architectural Drawings[J].Computer-aided Design, 2005,37(10):1 053-1 069

[9]張馳.內外一體化建筑物數據模型研究[D].南京:南京師范大學,2014

P208

B

1672-4623（2017）07-0109-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.033

李冠男，研究方向為地理信息系統開發與應用。

2016-04-18。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41501422）；大學生實踐創新訓練資助項目（201510304094X）；南通市科技資助項目（BK2014023）；江蘇省測繪科研資助項目（JSCHKY201406）。（*為通訊作者）