三维GIS建筑物和道路实体模型与地形模型匹配方法

王爱爱，张 锦

(太原理工大学测绘科学与技术系，山西太原030024)

三维GIS建筑物和道路实体模型与地形模型匹配方法

王爱爱，张 锦

(太原理工大学测绘科学与技术系，山西太原030024)

以建筑物和道路实体模型为例，对其与地形模型的匹配方法进行研究与试验。结果表明，顾及建筑物与道路实体模型特征的地形模型匹配结果更符合实际建模要求，为构建逼真的三维数字环境提供了基础。

三维GIS;建筑物模型;道路模型;地形模型;匹配

一、引 言

三维GIS能更好地模拟真实的三维环境，给人以更真实的感受。三维GIS理论与技术的发展必然推动GIS在矿山、地质、环境、海洋、城市，以及相关信息管理领域的应用［1］。日渐成熟的三维GIS软件，如Skyline、ArcGIS等，为地面及地下实体模型的三维可视化提供了很好的建模技术与管理环境，推动了三维GIS的进一步发展。

集成三维数字地形模型，建筑物实体模型，以及道路、河流等模型，形成完整的三维数字环境表达，是三维GIS应用的基础。模型集成过程中是否考虑地物要素与地形的匹配是精细三维建模和应用的关键技术问题。如果地物没有与地形很好地相融合、相匹配，就会造成如地物飘在空中和钻入地下等与客观事实不符的情况。目前解决这一问题的方法主要是人机交互式的编辑方式，但没有系统和深入地研究。文献［2-3］中以地物边界作为地形建模的约束条件，在一定程度上还原了地形的逼真性，但没有很好地解决模型集成中地物模型与地形模型的匹配问题。为此，本文以建筑物与道路实体模型为例，对其与地形模型的匹配方法进行了研究和试验，试验结果逼真，初步解决了大比例尺地图上建筑物和道路实体模型与地形模型的匹配问题。

二、三维GIS模型集成中存在的问题

基于大比例尺地图的三维数字环境的构建中，视点的接近及应用对细节和精度的要求比较高。地形模型要细致逼真，且能与地物模型准确融合。然而，实际自然环境的地形模型包括逼真的地表形状和丰富的文化特征［4］，其中各种对象模型范围广泛、种类繁多，所以，模型集成时，地物与地形匹配易受多种因素的影响，会造成如下所述的情景。

1.建筑物

建筑物是自然环境的重要组成部分之一，实际自然环境中建筑物种类繁多，结构、造型和用途各不相同［5］。在地球引力的作用下，建筑物不可避免地会与地形发生不同程度的关系。三维建模环境中，地形是起伏变化的，而建筑物的基准面是水平的，所以当建筑物跨在两个或两个以上地形模型构造面片上时，就会出现建筑物飘在空中或钻入地下的情景，如图1所示。

图1 未与地形模型匹配的建筑物模型

2.道 路

数字地形中道路与地形的关系密不可分。数字三维环境中道路的特征表现为:道路中心纵截面轴线随地形起伏，道路表面横截面高程相同，周围地形有一定的改造并与道路无缝连接［4］。实际自然环境中，道路应为一定宽度的平面，左右边界线为一定宽度的平行线。实际生产过程中，道路则是依赖于地形格网的三维实体模型。但是，如果将道路特征高程点直接参与地形构网生产道路模型，易受周围地形的影响，生成的道路模型会与实际严重不符。如图2(a)所示，道路两侧是山坡，地形构网时，山坡上的点参与了道路构网，因此会出现道路严重失真的情形(如图2(b)所示)。也有一些学者提出将道路边界作为约束条件参与构网，但该方法不能很好地表达道路的起伏变化。

图2 未与地形匹配的道路图

三、建筑物及道路模型与地形模型的匹配方法

1.建筑物模型与地形模型的匹配方法

目前，解决建筑物与地形的匹配主要有以下两种方法［4］。

1)改变建筑物模型:如图3(a)所示，将建筑物放在其覆盖的地形面片中的最高点，通过构造建筑物基准面以下的模型达到建筑物与地形的融合。实际地形合成中，可以根据建筑物覆盖区地表的高差将建筑物实体向下延伸，直至到达模型所覆盖的地形区域的最低处［6］。

2)改变地形模型:如图3(b)所示，通过对地形模型的改造，使建筑物覆盖区的地表水平。具体方法为:将建筑物覆盖区多边形内部高程置平，然后将多边形经过的网格进行重新剖分。

图3 建筑物模型与地形匹配的两种方式

本文中建筑物对地形的适应处理为改变地形模型。具体方法为:

1)将试验区影像数据、高程数据及该区对应的地形数据叠加，若没有地形数据则通过影像矢量化来获取，确定失真的建筑物底面区域。

2)提取各失真建筑物底面范围内高程数据点，将各区域高程平均值作为该建筑物底面高程值H，并参与该区地形构网。

2.道路模型与地形模型的匹配方法

道路模型是依赖于地形格网的三维实体模型，需要通过对地形的改造完成道路模型与地形模型的匹配。目前，道路对地形的改造方法主要是基于约束Delauany三角网理论的道路拼合法［7］，即将边界线作为特征线嵌入到地形模型中，局部重新构网。该方法能保证道路模型与地形模型在衔接处紧密连接，但是不能很好地表达道路的起伏变化。本文利用道路坡度这一属性，以道路坡度的改变来描述道路的起伏变化。具体方法如下:

1)通过试验区的影像数据、高程数据及该区对应的地形数据确定失真的道路区域［8］。

2)道路中心纵截面轴线随地形起伏的，按道路起伏变化转折点将道路分成若干子段，放大后如图4所示，提取每个道路子段横截面中心轴线上首尾高程点数据，由式(1)计算各子段道路坡度

式中，i为坡度;h为A、B两点间高差;D为两点间平距;下同。

图4 道路分段图

3)每隔一定距离提取各子段上一定数量的道路边界点，根据该子段坡度由式(2)计算各边界点高程

4)将所求的所有道路边界高程点数据加入原始高程点数据中参与构网，即可建立与地形模型相匹配的三维道路模型。

综上所述，建筑物及道路模型与地形模型匹配流程如图5所示。

图5 建筑物及道路模型与地形模型匹配流程

四、实 例

1.建筑物模型与地形模型的匹配

以图1中建筑物为例，对该建筑物模型与地形模型进行匹配处理，具体步骤如下:

1)叠加试验区影像数据、高程数据及该建筑对应的地形数据，如图6所示。

2)提取该建筑物底面区域内高程数据点并计算其平均高程H，同时赋予建筑物底面高程均值H，将带有高程属性的建筑物底面参与该区地形构网，结果如图7所示。

图6 高程数据与该区地形数据叠加图

图7 建筑物模型与地形模型匹配结果图

2.道路模型与地形模型的匹配

以图2道路为例，道路对地形模型的改造具体步骤如下:

1)按道路高程数据起伏变化转折点将道路分成若干子段，基于VB编程，由道路各子段横截面中心轴线上首尾高程点数据计算各子段道路坡度，如图8(a)所示。

2)如图8(b)所示，将所求的所有边界点高程数据加入地形高程数据中，参与地形构网，最后根据实际情况映射不同的纹理，结果如图9所示。

图8 道路边界点高程计算

图9 道路模型与地形模型匹配结果图

由试验结果图7及图9可以看出，文中所提出的匹配方案具有较高的实用性。经过文中方法匹配后，建筑物及道路模型与地形模型能很好地融合衔接，满足视觉观察要求的同时大大改善了三维数字环境的可视化效果。

五、结束语

以建筑物和道路为例，针对三维GIS建模中建筑物及道路实体模型与地形模型集成时存在的模型不匹配问题进行了研究和试验，最终使建筑物及道路模型与地形模型完美融合。试验结果逼真，初步解决了大比例尺地图上建筑物及道路模型与地形模型的匹配问题，对数字三维环境中地形场景的创建有重要的参考价值。

［1］ 徐苏维，王军见，盛业华.3D/4DGIS/TGIS现状研究及其发展动态［J］.计算机工程与应用，2005，41(3): 58-62.

［2］ RODRIGUEZ J J，AGGARWAL J K.Matching Aerial Images to 3D Terrain Maps［J］.IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1990，12(2): 1138-1149.

［3］ 贾甲，张建斌.数字城市中建筑物模型与地形的拼接算法研究［J］.微电子学与计算机，2008，25(11): 225-228.

［4］ 刘晓艳，林珲，张宏.虚拟城市建设原理和方法［M］.北京:科学出版社，2003.

［5］ 隋刚，刘国栋，张锦.CSG方法在建筑物三维建模中的应用研究［J］.太原理工大学学报，2003，34(6):691-693，718.

［6］ 刘宁.虚拟地景仿真中地物与地形融合算法与精度评价［D］.郑州:信息工程大学，2004.

［7］ 郑艳.道路三维可视化研究［D］.阜新:辽宁工程技术大学，2007.

［8］ 李卉.集成LiDAR和遥感影像城市道路提取与三维建模［J］.测绘学报，2011，40(1):133.

Matching Method of Entity Model and Terrain Model on Buildings and Roads in Three-dimensional GIS

WANG Aiai，ZHANG Jin

0494-0911(2012)06-0084-03

P208

B

2011-12-09;

2012-02-10

王爱爱(1986—)，女，山西文水人，硕士生，主要研究方向为空间数据采集方法与数据处理。