面向三維城市建模的方法探討

王 寧

陜西工業職業技術學院 陜西 咸陽 712000

1 前言

三維城市模型作為GIS數據的重要組成部分，不僅可以模擬現實世界，而且在空間分析中也起著重要的作用，基于物理表示的模型數據組織方法和面向對象的模型數據組織方法，包括空間索引組織和元數據組織。引入地理認知邏輯來表達地理單元之間和內部復雜的共性特征，設計并實現了一個三維城市模型的結構，對于大規模集約化的空間規劃具有很強的實用價值。

2 實體及實體模型的概念

在現實世界中，物體在空間中占據著相應的位置。在應用系統中，對象的空間位置是非常重要的。這些物體被稱為空間物體，空間物體是地理空間中最重要的地理單元和主體，它能獨立地反映空間的一般定義。它在空間上有三個基本特征：空間位置特征、屬性特征和空間關系。

實體模型是實體在計算機空間中表示的基礎，重要的元素是對象建模，包括空間屬性、屬性和行為建模，它設置實體之間的關系，物理模型描述的地理對象比空間模型和數據模型具有更大的覆蓋范圍，基于物理表達，特別是在其他復雜城市和地理區域，建立了城市結構的三維模型[1]。

3 實體三維模型的數據特征

3.1 空間特征

三維城市實體模型的空間屬性主要包括：空間屬性和空間幾何特征，空間位置函數表示緯度坐標，常用直角坐標和三次坐標來確定特殊空間保持系統的強坐標和空間的基礎；空間幾何是用來表示空間幾何和強空間分布的，它們可以通過人工模擬來構造，減少數據量，采用相同的幾何模型，也適合表達具有相同幾何特性的物體的幾何特性。

3.2 屬性特征

三維城市實體模型屬性由具有完整信息存儲的對象定義、解釋。在復雜的城市空間中，不同分類標準的實體屬性可能不同。

3.3 實體關系

城市空間組織結構之間的復雜功能關系可以說是一種空間和語義的關系，它用來確定物體的空間位置，如教學樓，那里有兩條關系路徑；語義關系是指教師教學樓所在學院與學校之間的邏輯、語義關系[2]。

4 面向實體的三維城市模型數據組織

城市建設模型是基于物理對象建模的理論和方法，將城市地理空間的集成與系統建模相結合，旨在建立城市結構三維模型、城市空間三維建模和地理分析模型。

4.1 模型構建

實體模型是實體在計算機空間中表示的基礎，重要的元素是對象建模，包括空間屬性、屬性和行為建模，它設置實體之間的關系，物理模型描述的地理對象比空間模型和數據模型具有更大的覆蓋范圍，基于物理表達，特別是在其他復雜城市和地理區域，建立了城市結構的三維模型。城市實體模型的結構從對象分類入手，但涉及數據量大、復雜度高的實體種類繁多，直接關聯的建模難度較大，因此采用劃分和層次的概念，通過對城市空間劃分的結構組織過程，建立了一個基于主模塊劃分的完整結構模型。

(1)首先，部分是城市地理空間研究，是一個單獨的分區單元，每個分區單元只有一個標識符。根據城市空間指標體系，可根據行政區劃、地理位置、城市功能和相關標準編制不同的欄目。

(2)對于每個模塊區域，可以對相關特征進行分類，如地理命名，工作模塊劃分為不同的地理層，每個要素具有相同的識別，然后根據相關學科的分類規則建立各要素的分類系統。

(3)將對象連接到其相應的幾何模型。為了方便地訪問主對象模型，采用了代碼類型和對象索引。最后，所有實體模型都有一個索引。

4.2 模型組織

空間數據組織是合理設計空間數據的重要途徑之一，設置空間索引，提高空間數據恢復的效率，基于層次分類的三維城市結構模型中，對象之間具有一定的層次關系，較大的對象可以被較小的對象合并成不同的形狀，為達到目的提出了一種基于城市實體三維模型組織結構的城市對象空間R+樹索引和主題索引方法[3]。

4.3 存儲管理

城市的三維結構模型不僅包含幾何三維模型，如果是基于文檔存儲和管理的，還包含模型屬性和相關方法（包括模型和規則函數）的信息。軟件界面設計在數據庫操作中有很大的優勢。實現了對象界面與實體設計程序界面的平滑集成。分析了紋理特征模型與集成存儲控制操作集的相關性。第二層采用無紋理的自然幾何模型；第三層使用原始的幾何模型并附加實際的紋理數據，Blob二進制類型用于存儲矩陣中的幾何數據和紋理數據。

4.4 房屋建模方法

在三維城市模型中，房屋模型是巨大而多樣的。根據建筑造型方法，提出了充分利用邊界圖信息，總結不同風格的房屋的特點和相似性，提取房屋分割規律，從中提取模型，并利用邊界線。對房屋模型進行適當的分割，自動形成一個簡單的模型，設置好房屋模型后進行裝配，完成房屋模型的結構。最后，對部分房屋進行人工改造，對部分房屋進行美化，提高房屋模型的視覺效果[4]。

4.5 道路建模方法

道路模型是三維城市模型的框架，道路模型包括交叉口、路段、道路隔離區，由于城市道路比較完善，隔離區的道路數量和路燈模型非常復雜，在某些情況下，城市地表高度的變化可以由道路網的高度控制，當起伏較大時，應單獨調整場地高度，可根據道路寬度自動鋪設斑馬線和各種車道。

其中，鋪裝層模型創建器用于使用模板線形圖和線寬屬性創建適當寬度的鋪裝層。根據道路寬度的要求，人行道、兩車道和四車道的路面已經完成，根據絕緣帶模型的位置和高度，在一定距離內放置孤立行樹的程序會意外地將指定的樹模型插入到模型存儲庫中。路燈設置根據遮擋模型的位置和高度，隔離帶以一定的間隔將路燈模型插入路燈模型庫中。

利用該方法建立的公路模型能夠有效地控制城市道路系統的真實水平和高程位置，反映城市的高度波動。路障、樹和路燈可以與道路的高度相匹配[5]。

4.6 地塊景觀建模方法

土地景觀模型是三維城市模型的一部分，也是三維城市景觀模型效果的重點，內部道路、房屋、花壇、圍墻、景觀樹、人行道等由于城市區域的多樣性和不規則性，景觀建模的規劃層次和組織順序較低道路模型邊界和地面周圍的實際高度控制了地面高度的波動，補充了地面內部的高海拔波動，劃分了地面單元，并利用地面地形快速生成道路、景觀樹木和路燈[6]。

5 實踐

在上述三維城市結構模型的基礎上，設計并實現城市結構的三維模型和數據庫管理系統，例如開發一些三維城市社區模型，并將其集成到庫存管理中。有效提高模型搜索效率，提供更深入的區域分析。

5.1 基本模型庫

根據三維城市模型的組織方法，設計了綜合物理基礎，實施了概念設計，局部設計由邏輯設計和物理設計組成。基于結構模型的空間索引結構，根據社區分類體系和編碼規則進行屬性搜索，在一定程度上提高了搜索效率。

5.2 模型存儲管理系統

模型數據庫管理系統（MDBMS）是一種系統化的城市結構三維模型存儲管理系統，模型存儲系統的底層界面是根據模型對象的操作開發的，可以有效地處理布局數據庫。

6 結束語

在實體模型理論研究的基礎上，本文分析三維城市結構模型的數據特點和邏輯關系，建立了基于分段概念的三維城市結構模型，結合主題索引空間索引，提出了面向結構的數據組織模型，設計了三維城市實體模塊，實驗結果表明，該方法充分考慮了物理對象模型的特點，充分反映了城市的空間信息、屬性信息和主體關系，并能根據空間尺度和物理狀況快速獲取相關的建模數據，三維城市結構模型的組織是有效和實用的。將三維城市結構模型與相應的幾何模型相結合，實現它們之間的自動通信將節省大量的建模時間，提高建模效率，這是下一步的工作重點之一。