基于天正CAD的三维建筑构件信息抽取方法

李冠男，万小飞，张 驰,2*，孟源思，陆吴轶，张丽莉

（1.南通大学 地理科学学院，江苏 南通 226019；2.虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023；3.江西省测绘应急保障服务中心，江西 南昌330209）

基于天正CAD的三维建筑构件信息抽取方法

李冠男1，万小飞2,3，张 驰1,2*，孟源思1，陆吴轶1，张丽莉1

（1.南通大学 地理科学学院，江苏 南通 226019；2.虚拟地理环境教育部重点实验室，江苏 南京 210023；3.江西省测绘应急保障服务中心，江西 南昌330209）

面向公众服务的建筑物数据模型，需对可视化与应用分析提供支持；能对建筑内部进行表达，并包含相应的语义信息。以天正CAD建筑施工图为数据来源，基于其所提供的组码信息与二次开发接口，实现了建筑构件的识别与信息抽取。基于该方法所提取的建筑构件包含语义、定位、几何、属性、关系等信息，能为三维城市建设中内外一体化三维建筑模型的建立和应用提供完备的数据来源。

三维建模；建筑构件；语义信息；天正CAD

作为三维城市的重要组成部分，建筑物三维建模对三维城市建设具有重要意义。目前国内外对建筑物三维建模的研究较多，主要是基于激光扫描数据[1-3]、影像数据[4-5]、建筑CAD图纸[6-8]3类数据源对建筑物进行建模，但建模方法仍存在不足。其中基于激光扫描数据、影像数据的建模方法主要是针对建筑物外表面建模，所构建的模型缺乏语义信息；基于建筑CAD图纸的建模，由于其施工图以线框模型为主，数据复杂琐碎，至今尚未形成成熟的建模方法。随着三维城市建设的不断推进，面向公众服务的建筑物三维模型，除了需要能够支持可视化，还需要对路径导航、气流分析、日照分析等应用提供支持[9]。这就要求所构建的建筑物三维模型能够对建筑物内部进行表达，并包含相应的语义信息。建筑构件是建筑物的基本组成部分，建筑物中包含的各类建筑空间都是由建筑构件围合而成的。因此，要实现内外一体化的三维建筑模型构建，首先需要对建筑构件信息进行抽取。

天正CAD是根据AutoCAD二次开发框架Object ARX建立的插件系统，目前国内90%的建筑设计单位采用天正建筑软件绘制建筑施工图。天正CAD在AutoCAD基本几何要素对象的基础上扩展设计了常用构件的建筑领域专业对象模型，将建筑构件以单个对象的方式进行管理，并提供相关的访问接口。通过该方式产出的建筑施工图包含了地理空间分析所需的语义、定位、几何、属性等信息，可为城市建筑物三维建模提供一种简便、快捷的方法。综上所述，本文以天正CAD建筑施工图为数据来源，基于其所提供的接口，研究了建筑构件的识别与数据抽取方法，为包含语义信息的三维城市建筑物三维建模提供支持。

图1 部分组码与组码说明示例（以墙体为例）

1 天正CAD及接口分析

天正CAD的自定义对象技术将二维图形描述与三维空间表现融于一体，利用参数化的建筑构件作为基本设计单元进行建筑设计。天正CAD与普通CAD的基本绘图元素存在一定区别。普通CAD是以点、线、面等几何元素来绘图，而天正CAD则以墙、门、窗、柱等建筑类元素来绘图，即天正的自定义对象。天正CAD将建筑构件的各种属性以参数化的形式封装起来，使得建筑构件包含了三维信息。

天正CAD可兼容普通CAD的dwg、dxf等文件格式。dxf文件由多个段组成，每段又由很多“代码”和“值”组成的“数据对”构造而成。这里的代码称为组码，记录了图形的全部信息。天正CAD的每个自定义对象都有各自的组码结构和组码说明。如图1所示，天正CAD自定义对象的组码和组值中包含了对象的语义、定位、几何、关系、属性等信息，通过组码得到的值就能重现这些建筑构件对象的相关信息。通过天正CAD提供的二次开发接口，可以识别并抽取这些组码与组值：利用抽取出的这些自定义对象的语义、定位、几何、属性、关系等信息，可进行建筑构件的三维建模，进而对建筑物的三维模型进行构建。

2 建筑构件信息抽取

基于上述分析，本文针对天正CAD自定义对象中提供组码信息的建筑构件进行信息抽取，包含数据预处理、抽取程序开发、抽取结果分析等步骤，如图2所示。

图2 数据抽取流程图

2.1 数据预处理

相同结构的楼层通常绘制在同一个平面图上，将导致每张图纸的定位信息与实际定位不符，每个楼层的起始坐标值不一致，需对其进行统一调整；另外，每一层建筑的起始高度也需由初始层数据逐一恢复其准确的Z值坐标。因此在建筑构件抽取之前，需对建筑图纸进行预处理，包括图纸规范性检查、图纸分幅和图纸坐标配准。

2.2 数据抽取流程

本文通过对象标识码识别建筑构件，并获取它们的组码与组值数据，具体步骤为：①利用高级程序设计语言调用LISP命令，基于天正自定义对象的对象识别码，获取相关对象的图元名。②遍历获取的图元名，逐行输出自定义对象的组码、组值信息，实现图层对象组码信息的抽取。③部分建筑构件存在子构件，如直线梯段和楼梯扶手是双跑楼梯的组成部分，双跑楼梯与直线梯段、楼梯扶手之间存在相互聚合关系，针对这种建筑构件，进一步提取其子构件的信息，并保留其与主构件之间的层次等级关系。④将提取的构件组码、组值信息按楼层进行保存。

2.3 抽取结果分析

对提取出来的建筑构件组码、组值信息进行融合，并利用获取的建筑构件的语义、定位、几何、属性、关系等信息构建脚本，生成相应的构件模型。

图3 示例实景图与建筑施工图

3 实例验证

本文以南京师范大学中北学院综合楼的天正建筑施工图（图3）为数据源，进行数据抽取。整套建筑施工图包括图纸目录、建筑设计说明、建筑平面图、建筑立面图、建筑剖面图和建筑详图。平面图纸包括一 层平面图、二层平面图、三层平面图、四层平面图，包含墙、门、窗、转角窗、双跑楼梯、阳台、直线梯段7种建筑构件。

根据本文所述方法，采用LISP语言，识别每层平面图中对象标识码为TCH_WALL、TCH_OPENING、TCH_RECTSTAIR、TCH_ASCENT、TCH_ BALCONY、TCH_LINESTAIR、TCH_CORNER_ WINDOW、TCH_COLUMN的建筑构件，获取建筑构件的全部组码、组值数据，并按楼层号进行存储；然后将提取的建筑构件信息以txt格式保存，提取的部分组码、组值信息见图4。从抽取的组码、组值中可以看出，门窗所包含的语义、定位、几何、属性、关系等信息均被成功抽取。

图4 数据抽取结果示例

本文利用抽取的数据构建MaxScript脚本，在3ds Max中生成了内外一体化的建筑物三维模型，模型中的构件包括墙、门、窗、转角窗、双跑楼梯、阳台、直线梯段等。通过模型中的构件可以看出，利用抽取的数据准确地构建了建筑物三维模型，抽取数据准确完善。图5为所构建模型的整体效果图和二层的内部效果图。

图5 模型效果图

4 结 语

面向公众服务的建筑物三维模型，不仅需要能支持可视化，而且需要对应用分析提供支持，这就要求所构建的建筑物数据模型包含语义、定位、几何、属性、关系等信息。天正CAD建筑施工图具有空间定位精度高、语义明晰等特点，相对于其他建筑图纸更适用于建筑物三维模型建模与数据抽取。基于天正CAD建筑施工图所提供组码信息以及二次开发接口，可实现对三维建筑构件信息的抽取，为三维城市建设中，建筑物的建模和分析提供了一条简便快捷的方法。在今后的工作中，将基于本文所抽取的建筑构件信息，实现建筑空间的提取以及建筑关系的重构，从真正意义上实现支持可视化与应用分析的建筑物数据模型构建。

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P208

B

1672-4623（2017）07-0109-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.07.033

李冠男，研究方向为地理信息系统开发与应用。

2016-04-18。

项目来源：国家自然科学基金资助项目（41501422）；大学生实践创新训练资助项目（201510304094X）；南通市科技资助项目（BK2014023）；江苏省测绘科研资助项目（JSCHKY201406）。（*为通讯作者）