专利名称：一种基于矢量和栅格混合表示的城市环境量化数据组织方法
技术领域：
本发明涉及用于三维城市中环境信息量化数据的表示方法，特别是一种基于矢量和栅 格混合表示的城市环境量化数据组织方法，属于计算机虚拟现实和仿真应用领域。
技术背景随着地理信息系统的不断发展，城市建设中环境信息的表述变得越来越复杂。传统上， 城市建设所应用的环境信息主要是城市地物投影于二维平面的空间数据。根据城市建设不 同领域的特点，二维空间数据应用的重点与方式有所不同。比如在城市规划领域，城市的 规划管理和设计部门应用高精度的二维空间数据，在空间数据库的支持下，进行空间数据 的查询和特定应用模型的空间分析。而在城市交通设计方面，二维空间数据的应用则主要 包括基础设施规划、设计与管理、交通分析与控制、环境影响评估等方面。尽管二维空间 数据的应用己十分广泛，但在越来越多的领域，二维空间数据的作用被认为是有限的，并 不能表达和解决更为复杂的一些空间现象。以三维城市模型3DCM为研究对象的3DGIS对环境信息的要求则更复杂，三维城市的 快速发展， 一方面表现在城市功能的日趋复杂，另一方面表现在城市空间形态，特别是三 维空间形态的多样性与复杂性。这种存在于城市地面之上和地面之下各种空间地物，使用 传统的空间数据是难以表现它们的形态以及相互之间的关系。目前，环境信息应用最广泛的是计算机生成兵力(CGF)中的地形数据库，国外CGF系 统的地形数据库主要有ModSAF、 CCTTSAF、 OpenSAF等，这些均是一脉相承的计算机 生成兵力系统，每一个都在前一个的基础上进行了补充和扩展。ModSAF最早是一个模拟 地面坦克及分队的CGA系统，其地形数据库的构建是基于地面的兵力进行的，因此其地形 数据库只支持陆地地形，仅在美国陆军(Army)的虚拟战场环境中使用。CCTT为了最大 限度的利用ModSAF的成果，采用了 ModSAF'sCTDB和Quadtree两种数据库的混合。在 OpenSAF中，对ModSAF的地形数据库进行了扩充，从陆地到海洋，再到天空，形成了一 个增强的虚拟海陆空综合环境(包含大气、海洋、天气和时间变化)。它们的环境数据库 的组织结构都是基于栅格和四叉树方式，在ModSAF的地形数据库中两种组织结构形成独 立的两个数据库CTDB和Quadtree。 CCTT的"Model Reference"数据库(MRTDB)则把两 种组织方式集中在一个数据库里。上述几种的环境数据库的具体内容和实现方式都在不断 的发展，对环境的描述也更加综合。从陆地到海洋、天空从刚开始6t高，程地形和简单特 征，到碰撞检测、武器杀伤范围检测、视线等。更进一步的研究包括高层路径规划和障碍 规避，区域的通视性、掩护和隐蔽，动态地形效果，天气等。ModSAF、CCTTSAF、 OpenSAF 三个系统的地形数据库都提供实时服务，这也是CGF的必然要求。通过比较，发现己有的CGF系统中对于环境信息数据的组织方法主要的表示集中在野 外作战的环境信息表示上，同时数据是基于栅格方式的二维表达。在三维城市下，上述的 技术很难得到延伸与发展，易造成数据量大、精度低，考虑到三维城市中环境信息数据表 示的精确性和语义性特点，有必要提出一种新的环境信息量化表示方法，来解决此类问题。 发明内容本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于矢量和栅格混合表示的 城市环境量化数据组织方法，该方法结合城巿环境信息的特点，有效地避免了完全釆用栅 格方式描述城市环境的缺点，如数据量大、精度低的缺点，同时将传统的环境信息二维 空间描述扩展到了三维空间上，以适用于三维城市中的交互仿真。本发明的技术解决方案 一种基于矢量和栅格混合表示的城市环境量化数据组织方法，其特点 在于步骤如下(I )首先按照给定的CAD或相关图纸构建三维城市模型；(2) 其次进行的是数据量化组织阶段将三维城市模型中的特征物进行景观分类，划分 为街区环境和室内建筑环境两类对于街区环境，首先进行精度设置，然后再进行图层划分， 对划分后的每个图层采用栅格化表示对于室内建筑环境，首先进行语义层面的实体划分，然 后再进行图层划分，图层利用矢量法表示；(3) 将最终的栅格矢量基础数据图层与基于XML描述的空间对象一一映射，上层的仿真 应用按照如上的描述，以特征物对象为査询单元，就可以方便找出相关环境信息数据。本发明与现有技术相比的有益效果在于本发明将三维城市模型分为街区环境和室内建筑 环境，通过对街区环境不同精度的栅格表示划分，减少了城市量化数据的数据量；基于矢量表 示的室内建筑环境，有效的提高了仿真交互的真实性；基于XML表示的空间对象，可以灵活的 进行属性扩展和标注，避免了交互时对于原始几何模型的查询，提高了仿真效率。
图l为本发明方法的流程图；图2为本发明的街区的层次结构图；图3为本发明的室内某建筑层的层次结构图；图4为本发朋采用的街区地形等距栅格划^!示意图;,
图5为本发明采用的城市街区基础数据的分图层邻述； 图6为本发明采用的建筑内基础数据的分图层描述； 图7为本发明采用的对特征物采用闭合轮廓线的矢量表达示例； 图8为本发明采用的空间实体属性描述示意图； 图9为本发明采用的空间实体空间关系描述示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明方法的具体步骤如下1. 首先进行的是三维城市建模阶段(1) 按照假想或者真实三维城市的CAD数据或者图纸数据，利用测量工具计算出所需典 型特征物的几何构造数据。例如房屋、道路等的轮廓线信息，复杂建筑物的包围盒信息(包 含长、宽、高)等。(2) 本发明实施例选用Multigen Creator作为实施方式中的三维建模工具，也可以选取其 它相应的建模软件。利用测量出的特征物几何构造数据，以面片为最基本的模型表示单元，逐 一搭建所需的典型特征物几何模型。(3) 在各类型的典型特征物几何模型搭建完毕后，首先按照室内和街区环境对特征物几何 进行归类划分将房屋，道路等划分到街区环境；将包含内部结构的复杂建筑物划分到室内环 境，室内环境中首先按照建筑层进行划分，每个建筑层又包含房间、门、窗、通道等若干类建 筑实体。上述的划分在模型中具体体现在模型树的层次结构上。其中街区的层次结构与室内某建筑层的层次结构分别如图2，图3所示 其中图2举例说明了三维城区所包含的几类特征物，包括街道、建筑、绿化带等；图3 举例说明了某建筑层所包含的几类特征物，包括通道、房间等。2. 然后进行的是数据量化与组织阶段由于建模阶段当中己经对街区与室内的特征物做了划分，所以数据的量化组织阶段主要是 针对街区与室内特征物做数据的提取与组织。对于街区环境，首先进行精度设置，然后再进行 图层划分，对划分后的每个图层栅格化表示，具体步骤如下所示U)按照1米X1米的栅格表示，计算街区的长宽度所需划分的栅格数m、 n，其它 精度的栅格划分基于m、 n的等比縮放；(2) 规范好各类典型特征物，如公路、建筑等， 一类特征物定义为一类图层，同类特 征物用不同ID，如特征物名称进行划分；(3) 对每个图层进行栅格化表示，其中栅格化的表示需要按照以下的规范进行定义 i为栅格图层的列标号，j为栅格图层的行标号，MaxCol， MaxRow分别为最大列数与最大 行数。Pos一x(ij)， Pos一y(i,j)表示列数为i，行数为j的栅格点在街区地形中的突际坐标。Grid[i][j] 表示指定行列栅格点的值。<(Pos—x(ij), Pos一y(i，j^表示以(Pos—x(i,j), Pos—y(i，j),z—min)为起始 点，垂直图层方向的射线。z—min小于对应图层几何信息的最小Z向值。限制条件0<=i<=MaxCol， 0<=j<=MaxRow高程图层Grid[i][j] = 0 <(Pos—x(i,j), Pos一y(i，j)〉与高程图层三角片面集无交点Grid[i][j] = h <(Pos_x(i，j)， Posj(i，j)〉与高程三角片面集有交点。其中h =交点Z值其它特征物图层Grid[i][j] = 0 <(Pos_x(i,j), Posj(i,j)〉与特征物图层三角片面集无交点Grid[i][j] = ID—num <(Pos—x(i，j), Pos—y(i，j)〉与特征物图层三角片面集有交点。其中ID_num=此特征物的标识值栅格表示方式如图4所示，对于每个图层还要考虑图5当中所指的特征物ID与特征物属性表的映射关系。图4当中按街区长宽划分成了等距栅格，并用数字标号说明某一特征物的空间覆盖范围。图5具体定义出了特征物的属性表， 一个数字标号对应某一特征物的属性表。对于室内建筑环境，首先进行语义层面的实体划分，然后再进行图层划分，图层利用矢量 法表示，具体步骤如下所示(1) 将室内的一建筑层划分为高程图层与特征物图层，特征物图层划分为墙体与空 间两类，墙体可扩充门窗构件，空间可扩充房间，通道等。(2) 规范好各类典型特征物，如墙体、房间、门，窗、通道等，每一类特征物归 为一类图层，同一图层的各个特征物对象用不同ID区分。(3) 对每个图层进行矢量化表示 其中矢量化的表示需要按照以下的规范进行-这里定义triangle为一个三角面片表示，height一min， height_max表示垂直图层方向的Z 高度值。Min一Z表示指定特征物包围盒的最小Z值，Max—Z表示指定特征物包围盒的最大Z值。 — 高程图层{trianglel triangle e高程节点} 特征物图层{ triangle,height_min，height_max | triangle e指定特征物节点的二维轮廓三角形 集,height—min = Min一Z， height_max = Max—Z}
矢量表示方式如图7所示，对于每个图层还要考虑图6当'中所指的特-征物ID与特征物 属性表的映射关系。图7当中主要为说明基于轮廓线的矢量表示，图6则是说明了基于矢 量表示的特征物对应的特征物属性表。最后将基于矢量栅格表示的基础数据与基于XML描述的空间实体属性与空间关系数 据做映射。由于栅格与矢量表示只是对于基础数据(主要是几何数据的描述)，所以对于图8、图 9的空间实体属性与空间实体关系的描述，这里选用基于XML的描述方式。图8说明了空 间属性的树型结构、图9说明了空间关系的图型结构。 空间实体基本属性的规范性描述 <SpatialEntity ID= ><attributel value= ><sub attribute 1 value= /></attribute> <attribute2 value= /> <attribute3 value= /> <attribute4 value- url= /></SpatialEntity>空间实体空间关系的规范性描述有树型描述与图型描述两类,下面分别做介绍: 聚合结构空间实体的规范描述-<SpatialEntity_A ID= > <SpatialEntity—B ID= ><SpatialEntity—Bl ID= /></SpatialEntity_B><SpatialEntity_C ID= /><SpatialEntity_D ID= /> </SpatialEntity—A>关联结构空间实体的规范描述 <SpatialEntityAsEdge ID= ConnectProperty= ><SpatialEntityAsNode ID= /><SpatiaffintityAsNode ID= />
</SpatialEntityAsEdge>
例如，对于聚合关系明显的室内空间实体的组织，可以由如下抽象表达完成:〈Building name="3#"><floor name="01">this is first floor <Room name="10r property= ><Door name="dl0r/> </Room><Room name="102" property= ><Door name="dl027> </Room><Stair name= ConnectProperty= > </Stair></floor></Building>
将最终的栅格矢量基础数据图层与基于XML描述的空间对象一一映射，例如可以在 XML文件上对应某类空间特征物的标签节点上添加矢量表示或者栅格表示文件的URL路 径。上层的仿真应用按照如上的描述，以特征物对象为查询单元，就可以方便找出相关环 境信息数据。
权利要求
1、一种基于矢量和栅格混合表示的城市环境量化数据组织方法，其特征在于步骤如下(1)首先按照给定的CAD或相关图纸构建三维城市模型；(2)其次进行的是数据量化组织阶段将三维城市模型中的特征物进行景观分类，划分为街区环境和室内建筑环境两类；对于街区环境，首先进行精度设置，然后再进行图层划分，对划分后的每个图层采用栅格化表示；对于室内建筑环境，首先进行语义层面的实体划分，然后再进行图层划分，图层利用矢量法表示；(3)将最终的栅格矢量基础数据图层与基于XML描述的空间对象一一映射，上层的仿真应用按照如上的描述，以特征物对象为查询单元，就可以方便找出相关环境信息数据。
2、 根据权利要求1所述的基于矢量和栅格混合表示的城市环境量化数据组织方法，其特征 在于在所述的街区环境中，每个图层其中栅格化的表示按照以下的规范进行定义i为栅格图层的列标号，j为栅格图层的行标号，MaxCol， MaxRow分别为最大列 数与最大行数，Pos一x(ij),Posj(i，j)表示列数为i,行数为j的栅格点在街区地形中的实际坐 标，Grid[i][j]表示指定行列栅格点的值，<(Pos—x(i,j)， Pos—y(i，j)>表示以(Pos—x(i j)， Pos_y(i,j)，z—min)为起始点，垂直图层方向的射线。z一min小于对应图层几何信息的最小Z 向值；限制条件0<=i<=MaxCol, 0<=j<=MaxRow 高程图层Grid[i]D] = 0 <(Pos—x(ij), Pos—y(i，j)〉与高程图层三角片面集无交点Grid[i][j] = h <(Pos—Posj(i,j)〉与高程三角片面集有交点，其中h =交点Z值其它特征物图层Grid[i][j] = 0 <(Pos—x(ij)， Pos—y(i,j^与特征物图层三角片面集无交点 Grid[i][j] = ID—num <(Pos—x(ij)， Posj(i，j)〉与特征物图层三角片面集有交点。其中 ID_num=此特征物的标识值
3、 根据权利要求1所述的基于矢量和栅格混合表示的城市环境量化数据组织方法，其特征 在于在所述步骤(2)的室内建筑环境中，矢量化按照以下规范进行-定义triangle为一个三角面片表示，height_min, height_max表示垂直图层方向的Z高度 值；Mhi—Z表示指定特征物包围盒的最小Z值，Max_Z表示指定特征物包围盒的最大Z值； 高程图层{triangle| triangle e高程节点} 特征物图层{ triangle,height—min,height_maX | triangle e指定特征物节点的二维轮廓三角形 集,height—min = Min_Z， height_max = Max一Z}。
全文摘要
一种基于矢量和栅格混合表示的城市环境量化数据组织方法(1)构建三维城市模型；(2)将三维城市模型中的特征物划分为街区环境和室内建筑环境两类；对于街区环境，首先进行精度设置，再进行图层划分，对划分后的每个图层采用栅格化表示；对于室内建筑环境，首先进行语义层面的实体划分，再进行图层划分，图层利用矢量法表示；(3)将栅格矢量基础数据图层与基于XML描述的空间对象一一映射，上层的仿真应用按照如上的描述，以特征物对象为查询单元，就可以方便找出相关环境信息数据。本发明有效的避免了完全采用栅格方式描述城市环境的缺点，如数据量大、精度低，同时将传统的环境信息二维空间描述扩展到了三维空间上，以适用于三维城市中的交互仿真。
文档编号G06F17/30GK101158966SQ20071017672
公开日2008年4月9日 申请日期2007年11月1日 优先权日2007年11月1日
发明者梁晓辉, 王正光, 霍晓栋 申请人:北京航空航天大学