一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法

专利名称：一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法
技术领域：
本发明涉及一种信息技术应用领域，尤指一种可用于空间分析的 地下构筑物三维数字化模型的构建方法。
背景技术：
地下构筑物三维数字化模型是三维空间数据模型的一种。 三维空间数据模型是为了再现、模拟空间物体，以便对其进行空 间分析、计算而提出、建立的。上世纪七八十年代以来，三维空间数 据模型的研究工作集中在以八叉树为代表的三维栅格数据模型，以及在CAD系统中广泛应用的实体结构几何(CSG)模型和边界表示 (B-R印)模型等。近年来，矢量数据模型和多种数据模型的集成及 混合以及基于这些模型的处理和分析算法成为研究热点。综合国内外 针对三维空间数据模型的研究，三维空间数据模型可划分为四大类， 即三维体元模型、三维面元模型、混合数据模型和集成数据模型。根 据具体实现方法的不同，每个大类下又有若干具有代表性的数据模 型。三维面元模型主要是采用面元对空间对象的表面进行连续或非 连续几何描述和特征刻划，不研究空间对象的内部特征；体元模型则采用体元对空间对象的内部空间进行无缝、完整的空间剖分，不仅描 述空间对象的表面几何，还研究空间对象的内部特征。混合数据模型 则是采用两种或两种以上的矢量模型或体元模型同时对同一空间对 象进行几何描述和建模，达到模型之间取长补短、分别满足不同应用 需求的目的。集成数据模型则是采用两种或两种以上的不同模型分别 对系统中不同的空间对象进行几何描述和三维建模，分别建立的3D 模型集成起来即形成对系统的完整三维表示。尽管有很多数据模型的构建方式，但在实际应用中，未曾有人对 地下构筑物进行过基于空间分析的实际建模。并且从实际应用效果来 看，三维体元模型比较适合于空间操作与空间分析，但数据量大、运算速度慢；三维面元模型数据量小，便于数据显示和数据更新，但难以组织起有效的空间分析。由于三维几何和拓扑的复杂性，很难用一 个统一的数据模型对多变的三维空间信息进行完整有效的描述。三维空间数据模型是对三维空间世界的抽象，是三维空间数据库 设计的基础。从实际地理空间世界到计算机虚拟现实环境世界，空间 数据模型可以分为多个层次。粗略地讲，空间数据模型可以划分成两个层次第一层次是空间数据抽象模型或者空间数据概念模型，其目 的在于提取地理空间世界的主要特征，不考虑其在计算机中的具体实 现；第二层次是空间数据组织模型，它是空间数据概念模型在计算机中的具体实现。本发明以下所设计的都是上述第一层次的模型。一个能够满足地下空间规划、管理应用要求的地下构筑物数字化 模型，应该同时满足三个方面的要求1) 能够表达地下构筑物不可见的外部表面；2) 能够表达可见到的内部表面；3) 能够满足地下空间检索和分析运算的需要。而现有的模型大多只能同时满足其中的一至两项要求。 发明内容为了克服上述不足之处，本发明的主要目的旨在提供一种地下构 筑物三维数字化模型及其建模方法，即提出并设计了 一种适应地下空 间分析的地下构筑物三维表达模型，并提出了建立三维模型的方法， 通过对系统中不同的空间对象进行几何描述和三维建模，分别将建立的3D模型集成起来，形成对系统的完整三维表示，使之再现、模拟空 间物体的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法。本发明要解决的技术问题是主要解决地下构筑物三维模型的设计和建立问题，要根据地下空间规划、管理应用要求对空间表现进 行分析，同时表达内外部物体的地下构筑物三维数字化模型等有关技 术问题。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该系统包括地下 构筑物及三维空间数据模型等，还包括地下构筑物数字化模型、模型整体及计算机软硬件。一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法，该 方法用地下构筑物三维空间数据模型，对地下构筑物的实体进行模型 构建，用地下构筑物三维表达模型，对各类位于地下的构筑物，以及 地面构筑物的地下延伸部分的基本实体进行三维数字化模型构建，再 现模拟空间物体，通过模型描述对象、三维面、体、模型分层、基本 层模型、连通层模型、扩展层模型、连通面、辅接面和模型的层间关 系，来完成模型整体设计，其中基本层模型中的外体模块与连通层 模型中的内体模块的信号之间为一对一属性或一对多属性连接，连通 层模型中的内体模块与扩展层模型中的构件模块的信号之间为一对 零属性或一对多属性连接；该模型建立的具体工作步骤是 步骤l.三维数字化的步骤为O .数字化外体以三维面为图形单元，绘出地下构筑物的外 部轮廓，标识以外体为单位的特征编号；以三维直线绘出每个桩基的中心线，形成桩基数据。2) .数字化内体以三维面为图形单元，绘出地下构筑物的内 部轮廓，其中包括与外部连接的通道、楼梯、电梯以及内体之间的连 接通道和门，标识内体的特征编号；3) .以三维空间的点、线、面为图形单元，分别将需要表达内 部物体的桌椅、隔墙和器材，根据形状特征分别以点、线、面符号表 达，记录空间位置，并分别标识唯一性编号；步骤2.面模型组织的步骤为执行完三维数字化模块后，则进入面模型组织模块，1) .外体面模型数据将数字化外体数据加工转换为面向外部 为正面的三角面数据，分离出外体连通面，再组合成外体面模型数据；2) .内体面模型数据将数字化内体数据加工转换为面向内部 为正面的三角面数据，分离出内体连通面，再组合成内体面模型数据；3) .完成内体间和内外体间辅接面的绘制； 步骤3.体模型组织的步骤为执行完面模型组织模块后，则同时进入体模型组织和生成平面 投影模块，1) .外体模型数据根据数字化外体数据，转换生成三棱柱体数据，再组合成模拟外体模型数据；2) .模拟桩体模型数据根据数字化桩基数据，沿桩基组平面分布和深度的外边沿生成三棱柱体数据，再组合成模拟桩体模型数据; 步骤4.生成平面投影根据数字化外体数据，运算生成外体在XY平面上的最大投影 面，形成平面投影数据，为地下构筑物投影平面； 步骤5.特征属性组织的步骤为执行完生成平面投影模块后，则同时进入特征属性组织和地理 定位模块，模型特征属性组织设有6个层次1) .地下构筑物属性以单个地下构筑物为单元，内容主要包括地下构筑物编号、名称、建筑面积、用途、权属单位、设计单位、建设单位和管理单位；地下构筑物属性模块的信号同时与外体属性和桩基属性模块的信号进行电连接，其中地下构筑物属性模块的信号 与外体属性模块的信号之间为一对一属性；地下构筑物属性模块的信号和外体属性模块的信号与桩基属性模块的信号之间为一对零属性 或一对多属性；2) .外体属性以外体为单元，内容主要包括X、 Y、 Z轴向 的最大、最小值，是否有桩基，连通面的个数和编号；外体属性模块 的信号同时与内体属性和三维面属性模块的信号进行电连接，其中 外体属性模块的信号与内体属性模块的信号之间为一对一属性或一 对多属性；外体属性模块的信号与三维面属性模块的信号之间为一对 一属性或一对多属性；3) .桩基属性以平面连成片的同类型桩基础为单元，内容主 要包括桩基组编号、材质类型、水平截面类型和桩长；4) .内体属性以内体为单元，内容包括内体编号、内体是 否为连通体；内体属性模块的信号同时与三维面属性和构件属性模块 的信号进行电连接，其中内体属性模块的信号与三维面属性模块的 信号之间为一对一属性或一对多属性；内体属性模块的信号与构件属 性模块的信号之间为一对零属性或一对多属性；5) .三维面属性以为三维面为单元，内容主要包括面编号、面类型，颜色或贴面，如果是连通面则记录连通状态；其中三维面 属性模块的信号与外体属性模块的信号之间为一对一属性或一对多 属性；三维面属性模块的信号与内体属性模块的信号之间为一对一属 性或一对多属性；6).构件属性以构件为单元，内容主要包括构件编号、构 件类型、构件名称、空间基点位置和旋转角度；其中构件属性模块 的信号与内体属性模块的信号之间为一对零属性或一对多属性； 步骤6.地理定位将所有模型按照真实位置和方向定位到统一的空间坐标系中。所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方 法的基本层模型包括模拟体数据、模拟外体、外体、模拟桩体和桩 基，其中所述的模拟体数据模块包括模拟外体模块和模拟桩体模块； 模拟外体模块的信号与外体模块的信号之间为一对一属性连接；模拟 桩体与桩基模块的信号之间为一对一属性或一对多属性连接；外体与 桩基模块的信号之间为一对零属性或一对多属性连接；所述的外体用以表达除了桩基础以外的地下构筑物的外部轮廓 和进行空间形态分析，以构筑物的外表面为界，模型以多个三维面的 组合来描述外体，其具体工作步骤是1) .每一个地下构筑物有且只有一个外体；2) .每一个外体由多个三维面组成；3) .附加连通面在外体模型中设计附加在外表面上的连通面；所述的桩基模型用以表达地下构筑物的桩基，其具体工作步骤是1) .以构筑物每根桩的中心位置和长度为依据，模型以一组或多组直线的方式来描述桩基；2) .平面位置以桩基的横截面中心位置点表示，起始深度以线 的起始点和终止点表示；模拟体数据模型包括模拟外体和模拟桩体，用以辅助地下构筑物 在三维空间中的分析，模型突出构筑物的三维体特征，以地下构筑物 外体、桩基布设区为体的构成框架，以空间体的方式存储数据，通过 对外体、桩基进行基本形态模拟而建立；所述的模拟外体为忽略或综合地下构筑物外部较为复杂的细部 形态，将其整合为规则几何体的组合，其具体工作步骤是1) .保持地下构筑物主体轮廓的准确；2) .保证地下构筑物的各个部分被包含在模拟外体之内； 所述的模拟桩体由地下构筑物桩基所在区域模拟而成，其具体工作步骤是1) .根据桩基类型和排列分布， 一个地下构筑物可以有多个拟 合桩体；2) .模拟桩体由桩基布设的平面区域和高度范围作为框架而形成。所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法的连通层模型位于外体之内，用于表达地下构筑主体的内部表面形 态和尺寸，以及各个分部之间连通关系和形态，连通层模型主要对象 是内体，包括普通内体和连通体，其中所述的普通内体是指具有一定使用意义的功能性办公室和食堂 的建筑单元，其具体工作步骤是-1) . 一个地下构筑物有至少l个内体；2) .内体为平面分布并垂直分为几层；所述的连通体为内体中特殊的建筑单元电梯，楼梯和车道，连 通体连接到达地面或各个水平层面，其具体工作步骤是1) .模型以构筑物的内表面为界，以多个三维面的组合来描述内体；2) .与外体的连通面对应，在内体模型中也设计了可以附加在内 表面上的连通面，其中，普通内体上一定存在一个或一个以上的连通 面，连通体上一定存在两个或两个以上的连通面。所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方 法的扩展层模型用于表达地下构筑内部非结构性的物体，包括简易 隔墙、吊顶、围栏、地铁闸机、售票亭和地下商铺柜台；扩展层模型 主要对象是构件，构件类型分为点状、线状和面状三类，根据特性， 地下构筑物主体内部的部分物体分别可以简化为点构件、线构件和面 构件，其具体工作步骤是1).所述的点构件以一个三维空间点来存储其空间位置，并结合三维点符号来表现；2) .所述的线构件以一组连续的三维空间点来存储其空间位置，并结合三维线符号来表现；3) .所述的面构件以一组连续且首尾相接，并处于一个平面的三维空间点来存储其空间位置，结合三维面符号来表现。所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方 法的连通面依附在组成外体或内体的面上，连通面依附在外体上时， 必然在该连通面相对位置的内体面上也存在一个连通面，并形成一一对应关系，其具体工作步骤是1) .地下构筑物与外界连通的出入口；2) .地下构筑物与其它地下构筑物连通的出入口；3) .地下构筑物内部结构之间的连通；4) .每个连通面都以三维面表达。 本发明的有益效果是设计了一种适应地下空间分析的地下构筑物三维表达模型，建立了三维数字化模型的方法，通过对系统中不同 的空间对象进行几何描述和三维建模，分别将建立的3D模型集成起 来，形成对系统的完整有效的三维表示，使之再现、模拟空间物体； 能够满足地下空间规划、管理应用要求的地下构筑物数字化模型，并 同时满足了三个方面的要求1).能够表达地下构筑物不可见的外部 表面；2).能够表达可见到的内部表面；3).能够满足地下空间检索 和分析运算的需要，该方法能广泛地使用，不存在安全问题。


下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 附图1是本发明模型层间的关系示意图； 附图2是本发明模型建立步骤流程方框图； 附图3是本发明外体制作过程示意图； 附图4是本发明内体制作过程示意图； 附图5是本发明外体与内体之间的空间关系示意图； 附图6是本发明点构件从空间定位点到符号表达过程示意图； 附图7是本发明外体三维面的法向量示意图；附图8是本发明外体三角化示意图； 附图9是本发明内体三维面的法向量示意图； 附图IO是本发明外体转换三棱柱示意图； 附图11是本发明模拟桩体模型数据示意图； 附图12是本发明地下构筑物平面投影示意图； 附图13是本发明模型特征属性组织6个层次示意图； 附图14是本发明模型整体分为三个层次之间的关系示意图； 附图15是本发明外体与连通面的关系示意图； 附图16是本发明点模拟外体整合为规则几何体的组合示意图;附图17是本发明模拟桩体示意图；附图18是本发明外体与内体垂直分层示意图； 附图19是本发明外体与连通面和辅接面之间的关系示意图；附图20是本发明实施例之一定位到上海城市坐标系中的五个地 下构筑物的模型示意图；附图中标号说明l一三维数字化；7—基本层模型；ll一数字化外体；70—连通面；111—连通通道；71—辅接面；12—数字化内体；72—模拟体数据；131—点构件空间定位点；73—模拟外体；132—点构件符号；74—外体；2—面模型组织；75—模拟桩体；21—外体面模型数据；76—桩基；22—内体面模型数据；8—连通层模型；3—体模型组织；80—地下构筑物外体;31—外体模型数据；81 —内体；32—模拟桩体模型数据；811 —内体A;4一生成平面投影；812—内体B;41一地下构筑物投影平面；813—内体C;5—特征属性组织；814—内体D;51—地下构筑物属性；82—连通体；52—外体属性；9一扩展层模型；53— 桩基属性； 91一构件；54— 内体属性；55— 三维面属性；56— 构件属性； 6—地理定位；具体实施方式
请参阅附图1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 11、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18、 19所示，本发明的硬件系统包括地下构筑物 及三维空间数据模型等，还包括地下构筑物数字化模型、模型整体 及计算机软硬件。一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法，该 方法用地下构筑物三维空间数据模型，对地下构筑物的实体进行模型 构建，用地下构筑物三维表达模型，对各类位于地下的构筑物，以及 地面构筑物的地下延伸部分的基本实体进行三维数字化模型构建，再 现模拟空间物体，通过模型描述对象、三维面、体、模型分层、基本 层模型7、连通层模型8、扩展层模型9、连通面70、辅接面71和模 型的层间关系，来完成模型整体设计，其中基本层模型7中的外体 74模块与连通层模型8中的内体81模块的信号之间为一对一属性或 一对多属性连接，连通层模型8中的内体81模块与扩展层模型9中 的构件91模块的信号之间为一对零属性或一对多属性连接；该模型 建立的具体工作步骤是步骤l.三维数字化l的步骤为1) .数字化外体ll:以三维面为图形单元，绘出地下构筑物的 外部轮廓(如图3所示)，标识以外体74为单位的特征编号；以三维直 线绘出每个桩基的中心线，形成桩基数据。2) .数字化内体12:以三维面为图形单元，绘出地下构筑物的 内部轮廓(如图4所示)，其中包括与外部连接的通道、楼梯、电梯 以及内体81之间的连接通道如门等，标识内体81的特征编号；内体数字化时采用与外体一致的坐标体系，因此外体与内体的空间关系将如图5所示。3) .以三维空间的点、线、面为图形单元，分别将需要表达内部物体，如桌椅、隔墙和器材，根据形状特征分别以点、线、面符号表达，记录空间位置，并分别标识唯一性编号；如图6左面所示，某 内体中的书桌以点符号表示，即点构件空间定位点131，以空间点的 方式记录书桌的位置，并记录书桌的方向；如图6右面所示，应用显 示时，根据空间位置和方向放置三维的书桌符号，即点构件符号132。 如图6左面所示，某内体中的书桌以符号表示，步骤如下1) 3D符号加工。使用CAD类软件工具将书桌数字化加工为3D 符号(如3DS格式)，确定符号的插入基点，本例将插入基点定义 在书桌正面的最左面(左前腿的最外边沿)。 如果已经有此类3D符号也可以直接选用。2) 空间位置记录。记录书桌插入基点位置的三维空间坐标；3) 空间方向记录。记录书桌桌面边沿与X轴的夹角，记录书桌桌面与Z轴的夹角。 调用时，将3D符号按位置基点插入三维空间，再按记录的空间方向 调整书桌的空间角度，最终就可以展现出书桌在三维空间中的场景。步骤2.面模型组织2的步骤为执行完三维数字化1模块后，则进入面模型组织2模块，1) .外体面模型数据21:将数字化外体数据加工转换为面向外部为正面的三角面数据，分离出外体连通面，再组合成外体面模型数据，如图7、图8所示；2) .内体面模型数据22:将数字化内体数据加工转换为面向内部为正面的三角面数据，分离出内体连通面，再组合成内体面模型数据，如图9所示；3) .完成内体间和内外体间辅接面71的绘制，如图19所示； 步骤3.体模型组织3的步骤为执行完面模型组织2模块后，则同时进入体模型组织3和生成 平面投影4模块，1) .外体模型数据31:根据数字化外体数据，转换生成三棱柱体数据,再组合成模拟外体模型数据，如图IO所示；2) .模拟桩体模型数据32:根据数字化桩基数据，沿桩基组 平面分布和深度的外边沿生成三棱柱体数据,再组合成模拟桩体模型 数据，如图11所示；步骤4.生成平面投影4
根据数字化外体数据，运算生成外体在XY平面上的最大投影 面，形成平面投影数据，为地下构筑物投影平面41，如图12所示; 步骤5.特征属性组织5的步骤为
执行完生成平面投影4模块后，则同时进入特征属性组织5和 地理定位6模块，
模型特征属性组织设有6个层次，其间关系如图13所示
1) .地下构筑物属性51:以单个地下构筑物为单元，内容主 要包括地下构筑物编号、名称、建筑面积、用途、权属单位、设计 单位、建设单位和管理单位；地下构筑物属性51模块的信号同时与 外体属性52和桩基属性53模块的信号进行电连接，其中地下构筑 物属性51模块的信号与外体属性52模块的信号之间为一对一属性； 地下构筑物属性51模块的信号和外体属性52模块的信号与桩基属性 53模块的信号之间为一对零属性或一对多属性；
2) .外体属性52:以外体为单元，内容主要包括X、 Y、 Z 轴向的最大、最小值，是否有桩基，连通面的个数和编号；外体属性 52模块的信号同时与内体属性54和三维面属性55模块的请号进行 电连接，其中外体属性52模块的信号与内体属性54模块的信号之 间为一对一属性或一对多属性；外体属性52模块的信号与三维面属 性55模块的信号之间为一对一属性或一对多属性；
3) .桩基属性53:以平面连成片的同类型桩基础为单元，内容主要包括桩基组编号、材质类型、水平截面类型和桩长；4) .内体属性54:以内体为单元，内容包括内体编号、内体是否为连通体；内体属性54模块的信号同时与三维面属性55和构件 属性56模块的信号进行电连接，其中内体属性54模块的信号与三 维面属性55模块的信号之间为一对一属性或一对多属性；内体属性 54模块的信号与构件属性56模块的信号之间为一对零属性或一对多 属性；5) .三维面属性55:以为三维面为单元，内容主要包括面编 号、面类型，颜色或贴面，如果是连通面则记录连通状态；其中三 维面属性55模块的信号与外体属性52模块的信号之间为一对一属 性或一对多属性；三维面属性55模块的信号与内体属性54模块的 信号之间为一对一属性或一对多属性；6) .构件属性56:以构件为单元，内容主要包括构件编号、 构件类型、构件名称、空间基点位置和旋转角度；其中构件属性 56模块的信号与内体属性54模块的信号之间为一对零属性或一对多 属性；步骤6.地理定位6将所有模型按照真实位置和方向定位到统一 的空间坐标系中。请参阅附图1所示，附图1是本发明模型的层间的关系基本层、 连通层、扩展层模型分别是对地下构筑物形态从简约到详细不同深度 的描述，之间的关系如图l所示。根据实际应用需求，各个层次的模型可以单独使用，也可以组合应用。请参阅附图14所示，模型整体分为三个层次，主要内容如图14所示，所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法的基本层模型7包括模拟体数据72、模拟外体73、外体74、 模拟桩体75和桩基76，其中所述的模拟体数据72模块包括模拟 外体73模块和模拟桩体75模块；模拟外体73模块的信号与外体 74模块的信号之间为一对一属性连接；模拟桩体75与桩基76模块 的信号之间为一对一属性或一对多属性连接；外体74与桩基76模 块的信号之间为一对零属性或一对多属性连接；基本层模型用于表达地下构筑实体占用地下空间形态和位置状 况，其中包括构筑主体外部尺寸、外部形态和桩基础。 基本层模型包括外体、桩基、模拟体。所述的外体74用以表达除了桩基础以外的地下构筑物的外部 轮廓和进行空间形态分析，以构筑物的外表面为界，模型以多个三维 面的组合来描述外体，其具体工作步骤是1) .每一个地下构筑物有且只有一个外体；2) .每一个外体由多个三维面组成；3) .附加连通面70:为了表达地下构筑物之间的连通性，在外 体模型中设计了附加在外表面上的连通面70。所述的桩基76模型用以表达地下构筑物的桩基，其具体工作步 骤是1) .以构筑物每根桩的中心位置和长度为依据，模型以一组或 多组直线的方式来描述桩基；2) .其中平面位置以桩基的横截面中心位置点表示，起始深 度以线的起始点和终止点表示；模拟体数据模型包括模拟外体和模拟桩体，用以辅助地下构筑物 在三维空间中的分析，模型突出构筑物的三维体特征，以地下构筑物 外体、桩基布设区为体的构成框架，以空间体的方式存储数据，通过 对外体、桩基进行基本形态模拟而建立；所述的模拟外体73为忽略或综合地下构筑物外部较为复杂的细 部形态，将其整合为规则几何体的组合，其原则和具体工作步骤是1) .保持地下构筑物主体轮廓的准确；2) .保证地下构筑物的各个部分被包含在模拟外体之内； 所述的模拟桩体75由地下构筑物桩基所在区域模拟而成，其具体工作步骤是1) .根据桩基类型和排列分布， 一个地下构筑物可以有多个拟 合桩体；2) .模拟桩体由桩基布设的平面区域和高度范围作为框架而形成。请参阅附图14所示，所述的一种用于空间分析的地下构筑物三 维数字化模型构建方法的连通层模型8位于外体之内，用于表达地 下构筑主体的内部表面形态和尺寸，以及各个分部之间连通关系和形态，连通层模型主要对象是内体81，包括普通内体和连通体82， 射所述的普通内体是指具有一定使用意义的功能性办公室和食堂 等的建筑单元，其具体工作步骤是1) . 一个地下构筑物有至少l个内体81， 一个地下构筑物可以有 一至数个内体；2) .这些内体81可以平面分布并垂直分为几层，如图18所示， 分别设有内体A 811、内体B 812、内体C 813、内体D 814;所述的连通体82为内体中特殊的建筑单元如电梯、楼梯和车道等，连通体82主要起到连接到达地面或各个水平层面的功能， 其具体工作步骤是1) .模型以构筑物的内表面为界，以多个三维面的组合来描述内体；2) .与外体的连通面对应，在内体模型中也设计了可以附加在内 表面上的连通面，其中，普通内体上一定存在一个或一个以上的连通 面，连通体上一定存在两个或两个以上的连通面。请参阅附图14所示，所述的一种用于空间分析的地下构筑物三 维数字化模型构建方法的扩展层模型9用于表达地下构筑内部非结 构性的物体，包括简易隔墙、吊顶、围栏、地铁闸机、售票亭和地 下商铺柜台等；扩展层模型主要对象是构件91,构件类型分为点状、 线状和面状三类，根据特性，地下构筑物主体内部的部分物体分别可以简化为点构件、线构件和面构件来表达，其具体工作步骤是1) .所述的点构件以一个三维空间点来存储其空间位置，应用时结合三维点符号来表现；如地铁车站的闸机、售票亭可以点构件形式 来存储和表达。2) .所述的线构件以一组连续的三维空间点来存储其空间位置， 应用时结合三维线符号来表现；如地下构筑物内部的管道、电缆等可 以线构件形式来存储和表达。3) .所述的面构件以一组连续且首尾相接，并处于一个平面的三 维空间点来存储其空间位置，应用时结合三维面符号来表现；如构筑 物内部的吊顶、夹层等可以面构件形式来存储和表达。辅助部分为了辅助表达地下构筑物的空间特性，模型还有两个 附加部件连通面和辅接面。请参阅附图15所示，所述的一种用于空间分析的地下构筑物三 维数字化模型构建方法的连通面70依附在组成外体或内体的面上，连通面依附在外体上时，必然在该连通面相对位置的内体面上也存在一个连通面，并形成一一对应关系；图15中示为地下构筑物外体80， 其具体工作步骤是1) .地下构筑物与外界连通的出入口；2) .地下构筑物与其它地下构筑物连通的出入口；3) .地下构筑物内部结构之间的连通；4) .每个连通面都以三维面表达。连通面用以表达地下构筑物与外界连通的出入口；地下构筑物 与其它地下构筑物连通的出入口 ；地下构筑物内部结构之间的连通； 连通面依附在组成外体或内体(包括连通体)的面上。连通面依附在 外体上时，必然在该连通面相对位置的内体面上也存在一个连通面， 并形成一一对应关系；每个连通面都以三维面表达。请参阅附图19所示，辅接面辅接面属于内体的辅助数据。 由于外体表达的是地下构筑物的外表面，内体表达的是地下构筑 物内部的内表面，内体与外体、内体与内体之间存在基于墙体空间的 缝隙。辅接面用于显示时填补两个相关连通面之间的这种缝隙(见图 19)。请参阅附图20所示，将所有模型按照真实位置和方向定位到统 一的空间坐标系中；如图20所示，其中有五个地下构筑物的模型， 周边为基础地形图要素。本发明的部分概念说明及相关技术特征如下模型描述对象包括地铁车站、地下停车场、地下公共设施、高 层建筑的地下室等各类位于地下的构(建)筑物，以及地面构(建) 筑物的地下延伸部分，如地下室、桩基等。三维面指三维空间中的处在同一平面中的多边形。 体指三维空间中占有一定空间位置的几何形体，由多个三维面 封闭组成。本发明中的体包括外体、内体和模拟体三种。模型分层数据模型分成三个层次基本层、连通层和扩展层，其中基本层用于表达地下构筑实体占用地下空间形态和位置状况； 连通层用于表达地下构筑主体的内部表面形态； 扩展层用于表达地下构筑主体内部非结构性的物体。 本发明按照上述方法建立的地下构筑物三维数字化数据模型，有 下列技术特征1) 基本层模型数据可以满足区域性空间内所有地下构筑物 參基于平面空间的空间检索、空间分析 參基于三维空间的外部形态表达、体积计算、空间检索、空间分析 參基于特征属性的检索和分析2) 基本层模型结合连通层模型数据可以满足对区域性空间内地下构筑物 參基于三维空间的内部形态表达、连通性分析3) 基本层模型结合连通层模型、扩展层模型可以进行地下构筑物*基于三维空间内部布置的模拟展示
权利要求
1.一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建系统，该系统包括地下构筑物及三维空间数据模型，其特征在于还包括地下构筑物数字化模型、模型整体及计算机软硬件。
2. —种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法， 该方法用地下构筑物三维空间数据模型，对地下构筑物的实体进行模 型构建，其特征在于用地下构筑物三维表达模型，对各类位于地下 的构筑物，以及地面构筑物的地下延伸部分的基本实体进行三维数字 化模型构建，再现模拟空间物体，通过模型描述对象、三维面、体、 模型分层、基本层模型(7)、连通层模型(8)、扩展层模型(9)、连通面(70)、辅接面(71)和模型的层间关系，来完成模型整体设计， 其中基本层模型(7)中的外体(74)模块与连通层模型(8)中的 内体(81)模块的信号之间为一对一属性或一对多属性连接，连通层 模型(8)中的内体(81)模块与扩展层模型(9)中的构件(91)模 块的信号之间为一对零属性或一对多属性连接；该模型建立的具体工 作步骤是歩骤l.三维数字化(1)的步骤为1).数字化外体(11):以三维面为图形单元，绘出地下构筑 物的外部轮廓，标识以外体(74)为单位的特征编号；以三维直线绘 出每个桩基的中心线，形成桩基数据。2) .数字化内体(12):以三维面为图形单元，绘出地下构筑物的内部轮廓，其中包括与外部连接的通道、楼梯、电梯以及内体(81)之间的连接通道和门，标识内体(81)的特征编号；3) .以三维空间的点、线、面为图形单元，分别将需要表达内部物体的桌椅、隔墙和器材，根据形状特征分别以点、线、面符号表达，记录空间位置，并分别标识唯一性编号； 步骤2.面模型组织(2)的步骤为执行完三维数字化(1)模块后，则进入面模型组织(2)模块，1) .外体面模型数据(21):将数字化外体数据加工转换为面 向外部为正面的三角面数据，分离出外体连通面，再组合成外体面模 型数据；2) .内体面模型数据(22):将数字化内体数据加工转换为面 向内部为正面的三角面数据，分离出内体连通面，再组合成内体面模 型数据；3) .完成内体间和内外体间辅接面(71)的绘制； 步骤3.体模型组织(3)的步骤为执行完面模型组织(2)模块后，则同时进入体模型组织(3) 和生成平面投影(4)模块，1) .外体模型数据(31):根据数字化外体数据，转换生成三 棱柱体数据，再组合成模拟外体模型数据；2) .模拟桩体模型数据(32):根据数字化桩基数据，沿桩基组平面分布和深度的外边沿生成三棱柱体数据，再组合成模拟桩体模型数据；步骤4.生成平面投影(4)根据数字化外体数据，运算生成外体在XY平面上的最大投影面，形成平面投影数据，为地下构筑物投影平面(41); 步骤5.特征属性组织(5)的步骤为执行完生成平面投影(4)模块后，则同时进入特征属性组织(5) 和地理定位(6)模块，模型特征属性组织设有6个层次 1) .地下构筑物属性(51):以单个地下构筑物为单元，内容 主要包括地下构筑物编号、名称、建筑面积、用途、权属单位、设 计单位、建设单位和管理单位；地下构筑物属性(51)模块的信号同 时与外体属性(52)和桩基属性(53)模块的信号进行电连接，其中 地下构筑物属性(51)模块的信号与外体属性(52)模块的信号之间 为一对一属性；地下构筑物属性(51)模块的信号和外体属性(52) 模块的信号与桩基属性(53)模块的信号之间为一对零属性或一对多 属性； 2) .外体属性(52):以外体为单元，内容主要包括X、 Y、 Z轴向的最大、最小值，是否有桩基，连通面的个数和编号；外体属 性(52)模块的信号同时与内体属性(54)和三维面属性(55)模块 的信号进行电连接，其中外体属性(52)模块的信号与内体属性(54)模块的信号之间为一对一属性或一对多属性；外体属性(52)模块的 信号与三维面属性(55)模块的信号之间为一对一属性或一对多属性;3) .桩基属性(53):以平面连成片的同类型桩基础为单元， 内容主要包括桩基组编号、材质类型、水平截面类型和桩长；4) .内体属性(54):以内体为单元，内容包括内体编号、 内体是否为连通体；内体属性(54)模块的信号同时与三维面属性(55) 和构件属性(56)模块的信号进行电连接，其中内体属性(54)模 块的信号与三维面属性(55)模块的信号之间为一对一属性或一对多 属性；内体属性(54)模块的信号与构件属性(56)模块的信号之间 为一对零属性或一对多属性；5) .三维面属性(55):以为三维面为单元，内容主要包括 面编号、面类型，颜色或贴面，如果是连通面则记录连通状态；其中 三维面属性(55)模块的信号与外体属性(52)模块的信号之间为一 对一属性或一对多属性;三维面属性(55)模块的信号与内体属性(54) 模块的信号之间为一对一属性或一对多属性；6) .构件属性(56):以构件为单元，内容主要包括构件编 号、构件类型、构件名称、空间基点位置和旋转角度；其中构件属 性(56)模块的信号与内体属性(54)模块的信号之间为一对零属性 或一对多属性；步骤6.地理定位(6) 将所有模型按照真实位置和方向定位到统一的空间坐标系中。
3.根据权利要求2所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法，其特征在于所述的基本层模型(7)包括模拟体数据(72)、模拟外体(73)、外体(74)、模拟桩体(75)和 桩基(76)，其中所述的模拟体数据(72)模块包括模拟外体(73) 模块和模拟桩体(75)模块；模拟外体(73)模块的信号与外体(74) 模块的信号之间为一对一属性连接；模拟桩体(75)与桩基(76)模 块的信号之间为一对一属性或一对多属性连接;外体(74)与桩基(76) 模块的信号之间为一对零属性或一对多属性连接；所述的外体(74)用以表达除了桩基础以外的地下构筑物的外部 轮廓和进行空间形态分析，以构筑物的外表面为界，模型以多个三维 面的组合来描述外体，其具体工作步骤是1) .每一个地下构筑物有且只有一个外体；2) .每一个外体由多个三维面组成；3) .附加连通面(70):在外体模型中设计附加在外表面上的连 通面(70);所述的桩基(76)模型用以表达地下构筑物的桩基，其具体工作 步骤是1) .以构筑物每根桩的中心位置和长度为依据，模型以一组或 多组直线的方式来描述桩基；2) .平面位置以桩基的横截面中心位置点表示，起始深度以线模拟体数据模型包括模拟外体和模拟桩体，用以辅助地下构筑物 在三维空间中的分析，模型突出构筑物的三维体特征，以地下构筑物 外体、桩基布设区为体的构成框架，以空间体的方式存储数据，通过对外体、桩基进行基本形态模拟而建立；所述的模拟外体(73)为忽略或综合地下构筑物外部较为复杂的 细部形态，将其整合为规则几何体的组合，其具体工作步骤是 1) .保持地下构筑物主体轮廓的准确； 2) .保证地下构筑物的各个部分被包含在模拟外体之内； 所述的模拟桩体(75)由地下构筑物桩基所在区域模拟而成，其具体工作步骤是 1) .根据桩基类型和排列分布， 一个地下构筑物可以有多个拟 合桩体； 2) .模拟桩体由桩基布设的平面区域和高度范围作为框架而形成。
4.根据权利要求2所述的一种用于空间分析的地下构筑物三 维数字化模型构建方法，其特征在于所述的连通层模型(8)位于 外体之内，用于表达地下构筑主体的内部表面形态和尺寸，以及各个分部之间连通关系和形态，连通层模型主要对象是内体(81)，包括 普通内体和连通体(82)，其中所述的普通内体是指具有一定使用意义的功能性办公室和食堂的 建筑单元，其具体工作步骤是1) . 一个地下构筑物有至少l个内体(81); 2) .内体(81)为平面分布并垂直分为几层； 所述的连通体(82)为内体中特殊的建筑单元电梯，楼梯和车道，连通体(82)连接到达地面或各个水平层面，其具体工作步骤是- 1) .模型以构筑物的内表面为界，以多个三维面的组合来描述内体； 2) .与外体的连通面对应，在内体模型中也设计了可以附加在内 表面上的连通面，其中，普通内体上一定存在一个或一个以上的连通 面，连通体上一定存在两个或两个以上的连通面。
5.根据权利要求2所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维 数字化模型构建方法，其特征在于所述的扩展层模型(9)用于表达地下构筑内部非结构性的物体，包括简易隔墙、吊顶、围栏、地铁闸机、售票亭和地下商铺柜台；扩展层模型主要对象是构件(91)， 构件类型分为点状、线状和面状三类，根据特性，地下构筑物主体内 部的部分物体分别可以简化为点构件、线构件和面构件，其具体工作 步骤是 1) .所述的点构件以一个三维空间点来存储其空间位置，并结合 三维点符号来表现； 2) .所述的线构件以一组连续的三维空间点来存储其空间位置， 并结合三维线符号来表现； 3) .所述的面构件以一组连续且首尾相接，并处于一个平面的三维空间点来存储其空间位置，结合三维面符号来表现。
6.根据权利要求2所述的一种用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法，其特征在于所述的连通面(70)依附在组成外体或内体的面上，连通面依附在外体上时，必然在该连通面相对 位置的内体面上也存在一个连通面，并形成一一对应关系，其具体工 作步骤是-1) .地下构筑物与外界连通的出入口；2) .地下构筑物与其它地下构筑物连通的出入口；3) .地下构筑物内部结构之间的连通；4) .每个连通面都以三维面表达。
全文摘要
一种涉及信息技术应用领域，尤指一种可用于空间分析的地下构筑物三维数字化模型构建方法。该系统有地下构筑物数字化模型、模型整体及计算机软硬件；该方法用地下构筑物三维空间数据模型，对各类位于地下的构筑物，以及地面构筑物的地下延伸部分的基本实体进行三维数字化模型构建，再现模拟空间物体；通过模型描述对象、三维面、体、模型分层、基本层模型、连通层模型和扩展层模型的层间关系，来完成模型整体设计。本发明的优点该方法构建的地下构筑物数字化模型能够满足地下空间规划、管理的应用需求，能够表达地下构筑物不可见的外部表面和可见到的内部表面；能够满足地下空间检索和分析运算的需要，该方法能广泛地使用，不存在安全问题。
文档编号G06T17/00GK101404090SQ200810202869
公开日2009年4月8日 申请日期2008年11月18日 优先权日2008年11月18日
发明者倪丽萍, 施秋良, 欣 蒋, 郭亨波, 俊 陆 申请人:上海城市发展信息研究中心;上海博坤信息技术有限公司