一种城市建筑物三维自动建模与可视化方法与流程

本发明涉及一种城市建筑物三维自动建模与可视化方法，属于防震减灾与地理信息系统交叉技术领域。

背景技术：

北京是我国的首都，是我国政治中心、文化中心、国际交往中心和科技创新中心，北京的城市安全和社会稳定具有极其重要的意义。作为首都，北京市带来了人口和财富的大量聚集，改变了原有的自然环境和社会环境，放大了地震灾害效应。而北京地区的地震背景及面临的震情形势也是非常复杂和严峻的。

北京及邻区的强震活动主要集中在北京平原断陷区和京西北盆岭构造区内，是我国历史上多地震的地区之一。据统计，自公元294年以来，北京市行政区域内共发生4.7级以上地震14次。其中4.7-4.9级地震3次，5.0-5.9级地震4次，6.0-6.9级地震6次，8.0级以上地震1次。其中6级以上强烈地震有：294年延庆东6.0级地震、1057年大兴南6.8级地震、1484年延庆6.8级地震、1536年通县南6.0级地震、1665年通县6.5级地震、1679年三河-平谷8级地震和1730年京西颐和园6.5级地震。北京中心城区历史上也曾发生多次5级以上地震，如1076年和1586年的5.0级地震均发生在中心城区。自1765年7月昌平西南5.0级地震后，北京地区已250多年未发生5级以上地震，现代以中小地震活动为主。自1996年12月顺义4.0级地震后，北京地区已20多年没有发生m≥4.0地震，中等地震缺震背景也十分显著。

在地震地质环境上，北京及邻区具有发生强烈地震的构造背景和条件。北京位于河北平原地震带、汾渭地震带和张家口-渤海地震带的交汇地区，是我国历史上地震活动较为强烈的地区之一。北京平原区主要发育有隶属华北平原断陷带的南口山前断裂、八宝山断裂、黄庄-高丽营断裂、顺义-良乡断裂、通县-南苑断裂、新夏垫断裂等多条北东向的活动断裂和隶属张家口-渤海构造带的南口-孙河断裂、二十里长山断裂、永定河断裂等北西向活动断裂。其中黄庄-高丽营断裂和顺义-良乡断裂的北段及南口-孙河断裂的西北段和新夏垫断裂等晚更新世以来均有过明显的活动。首都圈地区多年来一直被列为全国地震重点监视防御区，未来一段时期存在发生中强以上地震的潜在风险。

目前，北京正处于建设国际一流和谐宜居之都的关键时期，自然的和社会的安全风险交织并存，城市安全面临的挑战和考验更加复杂严峻。灾害和突发性事件已经成为制约首都现代化建设与发展的重要因素。开展巨灾情景构建与应急防御研究，对提高地震灾害防御能力、降低灾害风险、强化灾害应对能力、保障北京市经济社会可持续发展具有十分重要的战略意义。

通过计算机仿真模拟技术，对地震灾害发生的场景和应急救援演练进行仿真模拟，是一种科学、经济、有效的方法。王东明研究员在其博士论文“地震灾场模拟及救援虚拟仿真训练系统研究”中进行了地震灾害场景仿真模拟技术与方法、地震救援虚拟仿真训练系统的探索性研究，并构建了相关仿真模型和仿真系统。贾群林、周柏贾论述了构建相对真实地震灾害虚拟场景的方法和应用手段，实现了地震应急救援虚拟仿真演练系统。文里梁运用三维gis技术和卫星遥感影像技术，结合地震发生的空间信息，考虑地震破坏在不同地点、对不同建筑物影响的差别，建立了地震灾前、灾后的场景模拟。

当前，针对地震巨灾情景构建方面的研究，以建筑物震害预测为主。传统的震害预测方法包括经验总结法、直接统计法、当量统计法、专家评估法、模糊类比法、结构反应分析法等，这些方法大多是以建筑物的力学参数为基础建立预测模型，参照《地震灾害预测及其信息管理系统技术规范》(gb/t194282003)的规定进行。针对灾害场景的三维仿真的研究与应用相对较少。相对于传统二维gis，三维数字地球(三维gis)凭借其对空间信息更加生动形象的表达形式，能够更加精准和直观地反映和表达地震灾害场景，在防震减灾工作中受到越来越多专家和学者的青睐。在当前研究中，较常见的是针对单体建筑或局部场景的仿真模拟研究，针对大城市区域范围，由于需要大量城市目标的三维建模，大量三维模型的纹理贴图、渲染、可视化表达等，其研究和应用受到一定制约。因而，在目前的防震减灾工作中，缺乏基于三维数字地球的大城市区域范围的巨灾情景仿真技术，重点和难点是城市建筑物三维自动建模、大数据量空间数据的快速缓存与渲染、三维震害信息的可视化表达等。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了一种城市建筑物三维自动建模与可视化方法，本发明采用的技术方案如下：

一种城市建筑物三维自动建模与可视化方法，其步骤包括：

1)在数据预处理阶段，针对多源数据进行集成管理并可叠加在三维数字地球软件中显示。多源数据包括基础地理数据(矢量、影像、dem等)、地震业务数据(断裂、历史地震、避难场所等)和其他属性数据(经济、人口、地震预案等)。

2)在城市建筑物三维建模阶段，根据建筑物矢量数据及其属性信息进行自动建模及颜色渲染或纹理贴图。建筑物矢量数据是指面状矢量数据；自动建模是利用不规则三角形网格自动拼接出建筑物的外轮廓；属性信息包括建筑物高度、楼层数、建成年代等反映建筑物特性的信息；颜色渲染或纹理贴图是针对建筑物自动建筑外轮廓的可视化表达，包括建筑物顶部和四周。

3)在三维建筑模型的加载与动态可视化阶段，实现快速的数据读取与渲染。三维建筑模型的加载基于lod存储模型思想，在不同的视野情况下，匹配最优的数据分层信息；为了提供最优的检索速度，使用四叉树方法进行检索与可视化处理；使用缓存技术提高重复数据使用的效率，所使用的缓存技术包括服务器端的缓存和客户端的缓存。

4)在防震减灾综合应用阶段，结合地震应急与震害预测应用需求，可以直接集成到相应的业务应用系统中使用，以实现地震应急快速评估、震害预测评估等结果的快速可视化表达。

有益效果

1)根据建筑物矢量数据及其属性信息进行自动建模及颜色渲染或纹理贴图，大大提高建筑物数据建模处理效率。

2)基于lod存储模型、四叉树索引、缓存技术，实现快速的数据读取与渲染，大大提高三维建筑模型的加载与动态可视化效率。

3)结合地震应急与震害预测应用需求，可以直接集成到相应的业务应用系统中使用，从而实现地震应急快速评估、震害预测评估等结果的快速可视化表达。

附图说明

图1为本发明“一种城市建筑物三维自动建模与可视化方法”工作的流程示意图；

图2为某城市区域建筑物二维矢量数据效果图；

图3为三维自动建模结果叠加在影像地图上的可视化效果图；

图4为建筑物三维模型与三角形网格构建对比效果图；

图5为某测试地震作用下三维建筑物震害结果的可视化表达效果图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。

如本发明的技术流程图1所示，主要分为以下步骤：

1)步骤一：多源数据集成管理与展示

在数据预处理阶段，针对多源数据进行集成管理并可叠加在三维数字地球软件中显示。多源数据包括基础地理数据(矢量、影像、dem等)、地震业务数据(断裂、历史地震、避难场所等)和其他属性数据(经济、人口、地震预案等)。

2)步骤二：城市建筑物数据三维自动建模

在城市建筑物三维建模阶段，根据建筑物矢量数据及其属性信息进行自动建模及颜色渲染或纹理贴图。建筑物矢量数据是指面状矢量数据，如图2所示为某城市区域建筑物二维矢量数据效果图，如图3所示为三维自动建模结果叠加在影像地图上的可视化效果图；自动建模是利用不规则三角形网格自动拼接出建筑物的外轮廓，如图4所示为建筑物三维模型与三角形网格构建对比效果图；属性信息包括建筑物高度、楼层数、建成年代等反映建筑物特性的信息；颜色渲染或纹理贴图是针对建筑物自动建筑外轮廓的可视化表达，包括建筑物顶部和四周。

3)步骤三：三维建筑物数据的快速读取与动态渲染

在三维建筑模型的加载与动态可视化阶段，实现快速的数据读取与渲染。三维建筑模型的加载基于lod存储模型思想，在不同的视野情况下，匹配最优的数据分层信息；为了提供最优的检索速度，使用四叉树方法进行检索与可视化处理；使用缓存技术提高重复数据使用的效率，所使用的缓存技术包括服务器端的缓存和客户端的缓存。

4)步骤四：防震减灾综合应用

在防震减灾综合应用阶段，结合地震应急与震害预测应用需求，可以直接集成到相应的业务应用系统中使用，以实现地震应急快速评估、震害预测评估等结果的快速可视化表达，如图5所示为某测试地震作用下三维建筑物震害结果的可视化表达效果图，其中不同颜色值代表建筑物受到地震作用下不同的破坏程度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。