基于cityGML的桥梁三维建模技术

王颖

【摘要】cityGML是三维城市建模的通用模型，是一种三维数据存储与转换的标准格式。cityGML能够解决普通桥梁三维建模中数据格式不统一所导致的数据无法共用，数据冗余占用存储空间等问题，并在需要时可以向其他格式转化作进一步应用。本文以一个模拟桥梁为例，按照cityGML标准对桥梁进行三维建模，采用实测桥梁数据生成dwg格式文件并向cityGML格式进行转换的方法。之后介绍cityGML通用桥梁模型向其他格式进行转换，验证其通用模型向多格式模型转化的简便性与可能性。

【关键词】cityGML；桥梁；三维建模；可视化显示；转换

Construction of Bridge 3D Model Based on cityGML

WANG Ying

(School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha Hunan 410083, China)

【Abstract】cityGML is a universal form for 3D city model. It is a standard format for 3D data storage and transformation. cityGML could solve the problem that data could not be shared due to the different kinds of data formats from normal bridge modeling, so that to release the meaningless data storage of data redundancy. For further application , universal cityGML model could be transformed into special format. In this article, a simulated bridge was taken as example to build cityGML bridge model. Man can measure bridge data and build dwg file from autoCAD, then transform it to cityGML. After that, there is a brief introduction of transforming cityGML model into other formats, to prove the simpleness and possibility of using universal cityGML model.

【Key words】cityGML; Bridge; 3D model; Visualization; Transformation

0引言

桥梁是现代交通运输必不可少的重要一环，尤其是在机动车越来越普及的今天，公路桥、铁路桥、立交桥等各式各样的桥梁在现代城市生活中随处可见，是连接全国各地协调经济发展的命脉。现代科学技术中，对桥梁进行三维建模实现桥梁监测、三维城市展示等应用的例子屡见不鲜，例如秦浦雄、王叔庆在桥梁结构的三维建模技术中基于CAD技术和有限元技术对整个桥梁施工过程进行模拟[1]，李兴田、张丽萍、金栋进行了基于vtk的桥梁三维建模及可视化管理研究[2]，孙轶红、焦永和进行了基于特征描述及纹理的桥梁三维建模方法研究[3]等等。但是这些方法都是针对特定应用而开发，由于不同开发商或公司使用不同数据格式，导致数据可重用性差，造成大量数据冗余。尤其对于大型桥梁来说，数据的重复采集是费时费力又占用存储空间的工作。基于此，本文提出基于cityGML技术对数据进行存储的观点，将桥梁按cityGML通用模型进行存储，在进行特定应用时，按特定需要对cityGML通用模型进行转化，从而解决数据冗余的问题。

1cityGML概述

cityGML是由德国北莱茵-威斯特法伦州一个三维工作组提出的，该工作组致力于当地地理空间数据基础设施研究。cityGML是地理标记语言（Geography Markup Language，GML）的一种应用，目的就是为了解决三维城市建模中遇到的数据交换、语意、拓扑信息描述等问题[4-6] 。三维GIS发展初期没有统一标准， GIS 软件平台大都采用各自独立的数据模型和存储方式，无法进行系统之间以及应用之间的数据共享[7-8]，重复开发不断发生，浪费成本。cityGML的提出给各大平台和开放商提供了一种数据通用存储格式，该格式易于像现有各种数据格式转换，很好避免了重复开发与浪费。

cityGML具有以下主要特点[9-10]：

１）五层LOD层次模型。五层LOD层次满足了用户对于不同地物不同详细程度的要求，提高可视化和数据分析效率，包括地域景观模型，城市城区模型，城市街区、场地模型，建筑外围模型，建筑内部模型。

2）高度模块化。cityGML具有一个核心模块和11个扩展模块，保证用户可以根据实际情况进行模块选择，减少不必要地物类型建模，提高应用模型灵活性。

3）语义几何一致性。语义几何一致性保证cityGML模型在语义和几何方面一致，可以进行语义层次、几何层次以及两个层次之间遍历，完整表达三维实体。

4）封闭面。封闭面使得地下非完全封闭空间的体积计算得以进行，并且不会在DTM模型上产生孔洞。

5）应用领域扩展。应用领域扩展允许用户根据自身需求扩展通用模型，使得cityGML建模更加灵活。

2基于cityGML桥梁三维建模

2.1数据获取

可以采用实地手动测量或者三维激光扫描方法对桥梁进行数据采集。三维激光扫描方法不需要接触被测量物本身，远程使用激光获得被测量物的表面点云数据，可以满足数据量大、物体表面复杂的三维表面建模需求，利用点云重构三维表面也可以满足较高的重构建模精度，是近年来大规模三维建模数据采集的主流方法。对于真实桥梁尤其是大型桥梁非常适用。本文使用模拟桥梁进行桥梁三维模型建模，模拟桥梁体积较小，表面规则，仅由桥面与半圆弧组成，长度2m，可以采用实地手动测量方法。人工选择坐标原点（桥面一个角点），以坐标原点为基础进行测量。对桥面数据，把桥面看做长方体测量八个角点x，y，z坐标，对半圆弧线测量弧顶数据，以及其他若干处弧上数据。

2.2基于cityGML建模

使用cityGML建模时并不一定需要从源代码写起，cityGML可以通过很多常用格式转换而来，例如dwg，3DS，DAE等等。这也是使用cityGML进行桥梁三维建模的一个优势。

AutoCAD是一款为大家所熟知的计算机辅助设计软件，操作简便，可以辅助用户进行计算机绘图，包括文档设计、二维绘图、三维图形基础绘制等等。利用AutoCAD 可以建立线框模型对物体轮廓线进行显示，可以生成表面模型对物体表面进行轮廓和表面的同时显示，建立实体模型不仅显示轮廓和表面信息，还有三维体信息的表示。使用AutoCAD进行dwg格式建模是因为dwg格式可以通过软件转换成cityGML通用格式。通过FME工作台可以将dwg文件进行cityGML格式转换。FME是一个空间提取、变换、加载工具，操作灵活，功能强大。FME所包含的格式非常多，可以进行上百种格式之间的转换，特别是AutoCAD文件向GIS文件格式的转换。