面向三维城市建模的方法探讨

王 宁

陕西工业职业技术学院 陕西 咸阳 712000

1 前言

三维城市模型作为GIS数据的重要组成部分，不仅可以模拟现实世界，而且在空间分析中也起着重要的作用，基于物理表示的模型数据组织方法和面向对象的模型数据组织方法，包括空间索引组织和元数据组织。引入地理认知逻辑来表达地理单元之间和内部复杂的共性特征，设计并实现了一个三维城市模型的结构，对于大规模集约化的空间规划具有很强的实用价值。

2 实体及实体模型的概念

在现实世界中，物体在空间中占据着相应的位置。在应用系统中，对象的空间位置是非常重要的。这些物体被称为空间物体，空间物体是地理空间中最重要的地理单元和主体，它能独立地反映空间的一般定义。它在空间上有三个基本特征：空间位置特征、属性特征和空间关系。

实体模型是实体在计算机空间中表示的基础，重要的元素是对象建模，包括空间属性、属性和行为建模，它设置实体之间的关系，物理模型描述的地理对象比空间模型和数据模型具有更大的覆盖范围，基于物理表达，特别是在其他复杂城市和地理区域，建立了城市结构的三维模型[1]。

3 实体三维模型的数据特征

3.1 空间特征

三维城市实体模型的空间属性主要包括：空间属性和空间几何特征，空间位置函数表示纬度坐标，常用直角坐标和三次坐标来确定特殊空间保持系统的强坐标和空间的基础；空间几何是用来表示空间几何和强空间分布的，它们可以通过人工模拟来构造，减少数据量，采用相同的几何模型，也适合表达具有相同几何特性的物体的几何特性。

3.2 属性特征

三维城市实体模型属性由具有完整信息存储的对象定义、解释。在复杂的城市空间中，不同分类标准的实体属性可能不同。

3.3 实体关系

城市空间组织结构之间的复杂功能关系可以说是一种空间和语义的关系，它用来确定物体的空间位置，如教学楼，那里有两条关系路径；语义关系是指教师教学楼所在学院与学校之间的逻辑、语义关系[2]。

4 面向实体的三维城市模型数据组织

城市建设模型是基于物理对象建模的理论和方法，将城市地理空间的集成与系统建模相结合，旨在建立城市结构三维模型、城市空间三维建模和地理分析模型。

4.1 模型构建

实体模型是实体在计算机空间中表示的基础，重要的元素是对象建模，包括空间属性、属性和行为建模，它设置实体之间的关系，物理模型描述的地理对象比空间模型和数据模型具有更大的覆盖范围，基于物理表达，特别是在其他复杂城市和地理区域，建立了城市结构的三维模型。城市实体模型的结构从对象分类入手，但涉及数据量大、复杂度高的实体种类繁多，直接关联的建模难度较大，因此采用划分和层次的概念，通过对城市空间划分的结构组织过程，建立了一个基于主模块划分的完整结构模型。

(1)首先，部分是城市地理空间研究，是一个单独的分区单元，每个分区单元只有一个标识符。根据城市空间指标体系，可根据行政区划、地理位置、城市功能和相关标准编制不同的栏目。

(2)对于每个模块区域，可以对相关特征进行分类，如地理命名，工作模块划分为不同的地理层，每个要素具有相同的识别，然后根据相关学科的分类规则建立各要素的分类系统。

(3)将对象连接到其相应的几何模型。为了方便地访问主对象模型，采用了代码类型和对象索引。最后，所有实体模型都有一个索引。

4.2 模型组织

空间数据组织是合理设计空间数据的重要途径之一，设置空间索引，提高空间数据恢复的效率，基于层次分类的三维城市结构模型中，对象之间具有一定的层次关系，较大的对象可以被较小的对象合并成不同的形状，为达到目的提出了一种基于城市实体三维模型组织结构的城市对象空间R+树索引和主题索引方法[3]。

4.3 存储管理

城市的三维结构模型不仅包含几何三维模型，如果是基于文档存储和管理的，还包含模型属性和相关方法（包括模型和规则函数）的信息。软件界面设计在数据库操作中有很大的优势。实现了对象界面与实体设计程序界面的平滑集成。分析了纹理特征模型与集成存储控制操作集的相关性。第二层采用无纹理的自然几何模型；第三层使用原始的几何模型并附加实际的纹理数据，Blob二进制类型用于存储矩阵中的几何数据和纹理数据。

4.4 房屋建模方法

在三维城市模型中，房屋模型是巨大而多样的。根据建筑造型方法，提出了充分利用边界图信息，总结不同风格的房屋的特点和相似性，提取房屋分割规律，从中提取模型，并利用边界线。对房屋模型进行适当的分割，自动形成一个简单的模型，设置好房屋模型后进行装配，完成房屋模型的结构。最后，对部分房屋进行人工改造，对部分房屋进行美化，提高房屋模型的视觉效果[4]。

4.5 道路建模方法

道路模型是三维城市模型的框架，道路模型包括交叉口、路段、道路隔离区，由于城市道路比较完善，隔离区的道路数量和路灯模型非常复杂，在某些情况下，城市地表高度的变化可以由道路网的高度控制，当起伏较大时，应单独调整场地高度，可根据道路宽度自动铺设斑马线和各种车道。

其中，铺装层模型创建器用于使用模板线形图和线宽属性创建适当宽度的铺装层。根据道路宽度的要求，人行道、两车道和四车道的路面已经完成，根据绝缘带模型的位置和高度，在一定距离内放置孤立行树的程序会意外地将指定的树模型插入到模型存储库中。路灯设置根据遮挡模型的位置和高度，隔离带以一定的间隔将路灯模型插入路灯模型库中。

利用该方法建立的公路模型能够有效地控制城市道路系统的真实水平和高程位置，反映城市的高度波动。路障、树和路灯可以与道路的高度相匹配[5]。

4.6 地块景观建模方法

土地景观模型是三维城市模型的一部分，也是三维城市景观模型效果的重点，内部道路、房屋、花坛、围墙、景观树、人行道等由于城市区域的多样性和不规则性，景观建模的规划层次和组织顺序较低道路模型边界和地面周围的实际高度控制了地面高度的波动，补充了地面内部的高海拔波动，划分了地面单元，并利用地面地形快速生成道路、景观树木和路灯[6]。

5 实践

在上述三维城市结构模型的基础上，设计并实现城市结构的三维模型和数据库管理系统，例如开发一些三维城市社区模型，并将其集成到库存管理中。有效提高模型搜索效率，提供更深入的区域分析。

5.1 基本模型库

根据三维城市模型的组织方法，设计了综合物理基础，实施了概念设计，局部设计由逻辑设计和物理设计组成。基于结构模型的空间索引结构，根据社区分类体系和编码规则进行属性搜索，在一定程度上提高了搜索效率。

5.2 模型存储管理系统

模型数据库管理系统（MDBMS）是一种系统化的城市结构三维模型存储管理系统，模型存储系统的底层界面是根据模型对象的操作开发的，可以有效地处理布局数据库。

6 结束语

在实体模型理论研究的基础上，本文分析三维城市结构模型的数据特点和逻辑关系，建立了基于分段概念的三维城市结构模型，结合主题索引空间索引，提出了面向结构的数据组织模型，设计了三维城市实体模块，实验结果表明，该方法充分考虑了物理对象模型的特点，充分反映了城市的空间信息、属性信息和主体关系，并能根据空间尺度和物理状况快速获取相关的建模数据，三维城市结构模型的组织是有效和实用的。将三维城市结构模型与相应的几何模型相结合，实现它们之间的自动通信将节省大量的建模时间，提高建模效率，这是下一步的工作重点之一。