CN106355640A - 一种地上地下三维一体化空间的处理方法和*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地上地下三维一体化空间的处理方法和***，所述方法包括：根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型；以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型；建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。采用本发明，可提高模型的生成效率实现地上空间和与地下空间的一体化表达，改善用户体验。
Description
技术领域
本发明涉及地理信息***领域，尤其涉及一种地上地下三维一体化空间的处理方法和***。
背景技术
21世纪是地下空间开发利用的世纪，城市地下空间资源作为城市重要的自然资源，对城市的经济建设、民防建设、环境建设及可持续发展具有重要的影响，地下空间的开发利用离不开已有城市地下空间信息和三维空间分析决策支持***的支撑。
现有的城市地上或地下空间三维管理***存在如下几个方面的问题：①研究内容方面，地上空间与地下空间设施割裂：现有地上空间三维***的研究对象主要为地表地形和纹理，以及地上建筑和相关设施，而在地下空间三维***中，或是独立的地质地层数据三维***，或是独立的地下管线三维***，或是独立的地下人防或交通工程三维***。②三维数据建模方面，无法实现地上-地表-地下空间对象的一体化建模：如基于面表示的三维数据模型虽然便于表面显示、纹理贴图和数据更新，但难以进行空间分析，而基于体表示的模型虽然可以用来表达情况复杂、非均质的对象，且便于空间操作与分析，但其数据量大、算法复杂、构造难度大、几何精度不高、三维图形输出效果较差。③数据结构表达方面，现有三维GIS(Geographic Information System，地理信息***)空间数据结构，一是无法同时表达地上、地表、地下多种空间对象，二是很难在同一视口中同时对地上、地表和地下多种空间对象实现可视化以及相关的浏览和分析等。④***功能方面，三维可视化效果和强大的空间分析功能难以并存：由于现有三维GIS空间数据模型理论和技术尚不成熟，导致目前地上地下空间管理***的三维空间建模能力和三维空间分析能力都极为薄弱
发明内容
本发明实施例的目的在于提供一种地上地下三维一体化空间的处理方法和***，实现地上地下三维模型的一体化表达。
为实现上述目的，本发明实施例提供了一种地上地下三维一体化空间的处理方法，包括：
根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型；
以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型；
建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。
优选地，所述方法还包括：
根据硬件条件和数据处理内容，对每一帧画面中需要绘制的各个模型的绘制时间进行预测；
结合模型的可视性以及模型的重要性计算因子，对画面中每个模型的重要性进行计算；
根据模型的绘制时间预测结果以及重要性计算结果，为每个模型选择合适的细节层次，以使得每一帧画面的总绘制时间不超出预设的阈值。
优选地，所述方法还包括：
基于多种地下空间数据进行一体化分析，所述一体化分析包括空间量算分析、地质地层分析、管线与构筑物综合分析以及管线与地质地层综合分析中的一种或多种。
优选地，所述方法还包括：
通过光照贴图、公告牌技术、动画纹理和半透明化的方式，将重点区域制作成精细场景，以化身的方式实现场景中的三维漫游。
优选地，所述地上地下三维一体化模型采用树状的数据结构和分层的数据组织，不同类型的模型间采用松散耦合的方式进行显示。
相应地，本发明还提供了一种地上地下三维一体化空间的处理***，包括：
地下空间建模模块，用于根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型；
集成建模模块，用于以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型；
场景过渡模块，用于建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。
优选地，所述***还包括：
绘制时间预测模块，用于根据硬件条件和数据处理内容，对每一帧画面中需要绘制的各个模型的绘制时间进行预测；
重要性计算模块，用于结合模型的可视性以及模型的重要性计算因子，对画面中每个模型的重要性进行计算；
细节层次选取模块，用于根据模型的绘制时间预测结果以及重要性计算结果，为每个模型选择合适的细节层次，以使得每一帧画面的总绘制时间不超出预设的阈值。
优选地，所述***还包括：
一体化分析模块，用于基于多种地下空间数据进行一体化分析，所述一体化分析包括空间量算分析、地质地层分析、管线与构筑物综合分析以及管线与地质地层综合分析中的一种或多种。
优选地，所述***还包括：
模拟浏览模块，用于通过光照贴图、公告牌技术、动画纹理和半透明化的方式，将重点区域制作成精细场景，以化身的方式实现场景中的三维漫游。
优选地，所述地上地下三维一体化模型采用树状的数据结构和分层的数据组织，不同类型的模型间采用松散耦合的方式进行显示。
本发明采用了基于规则的算法，根据二维地下空间设施数据对二维图形进行拉伸和造型，实时自动构建三维模型，提高了模型的生成效率。通过地上模型与地下模型的最顶层界面的求交裁剪，将地上模型与地下模型进行无缝集成建模，实现多类别空间实体的一体化表达，有利于提升整个地下空间场景的表现力。同时，本发明还基于多层级参考面，利用射线判别法判断模型的三维空间位置关系，自动切换不同的参考面和视点，实现地上地下场景的平滑过渡浏览，有利于增强用户体验。
附图说明
图1是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理方法的一个实施例的方法流程图；
图2是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理方法的另一个实施例的方法流程图；
图3是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理***的一个实施例的结构示意图。
图4是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理***的另一个实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理方法的一个实施例的方法流程图。
如图1所示，所述地上地下三维一体化空间的处理方法包括：
S11，根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型。
本发明采用了基于规则的算法，根据二维地下空间设施数据，对二维数据进行拉伸和造型处理，实时生成三维数据。以地铁隧道为例，通过地铁中心线、宽度、高度和形状(如纺锤形、拱形和矩形等)等信息，实时生成三维地铁隧道模型。自动化构建的三维模型虽然不如精细模型那样详实，但是反映了地下空间的利用情况，可以进行相应的量算和分析，同样是真实有用的数据，同时这些数据来源广泛，便于自动化处理，可以作为***的重要数据来源。本实施例中，地上空间设施的三维模型可采用现有的方法进行建模，如基于三维激光扫描的三维建模方法等，本发明对此不作限定。
S12，以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型。
由于地上空间设施的三维模型(下述简称地上模型，包括地上建筑模型和地上景观模型等)以地表的地形为参照建立，而地下空间设施的三维模型(下述简称地下模型，包括地下地层模型和地下构筑物模型等)的最顶层界面也是地表的地形，地下模型和地上模型之间可能会存在相交和缝隙等问题。因此，本发明地上模型与地下模型求交的本质上为两地形模型的求交。例如，在具体实施当中，可以以地上建筑模型的地形为参照，将地上建筑模型与地下地层模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上建筑模型与地下地层模型的无缝集成建模。
在具体实施当中，首先进行地上目标与地形的集成建模，先建立起地上建筑物的三维模型，再将地上建筑物底边轮廓点作为约束更新地形模型。地下空间设施的三维模型的最顶层界面是更新过的地形模型，通过更新过的地形模型作为几何约束，对地下构筑物模型和地下地层模型建模，以地形作为最顶层切面裁剪，实现地上建筑模型与地下空间设施模型无缝集成。
其中，地质体由地层对应的上部层位面与下部层位面以及边界组成；对规则的层状地层，可直接用多层TIN(Triangulated Irregular Network，不规则三角网)模型模拟；对不规则的地层，可将地层排序并赋予代号,使地层中的每个钻孔不能重复穿越某类地层,钻孔整体穿越地层要有序，即任意相邻钻孔间对应层位的连线不得相交。
地上地下三维一体化模型采用采用树状的数据结构和分层的数据组织，地面、地层、钻孔和管线等分别表示不同的叶节点。不同类型的模型间采用松散耦合的方式进行显示，地面、地层、钻孔和管线可以同时显示，也根据分析需要进行松散组合。
S13，建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。
针对地上和地下两个空间区域，传统的三维GIS软件一般通过切换空间的方法分别表达地上和地下两个空间，无法对地上空间和地下空间对象进行一体化表达，而且在地下空间中由于存在构筑物和地质地层等多类空间实体，需要更灵活的视角自由度才能更顺畅地操作地下三维空间。本发明通过设立多个层级的三维空间参考面(如地上地下空间切分的地形参考面)，通过射线判别法((从视点发出一条射线判断与三维模型的空间位置关系))判断三维空间位置关系，判断当前视点是在地上还是在地下，当接近临界参考面时，自动抬高或降低视点，切换不同的空间场景，同时自动切换视点，并且平滑视点切换的过程。
由此可见，本发明采用了基于规则的算法，根据二维地下空间设施数据对二维图形进行拉伸和造型，实时自动构建三维模型，提高了模型的生成效率。通过地上模型与地下模型的最顶层界面的求交裁剪，将地上模型与地下模型进行无缝集成建模，实现多类别空间实体的一体化表达，有利于提升整个地下空间场景的表现力。同时，本发明还基于多层级参考面，利用射线判别法判断模型的三维空间位置关系，自动切换不同的参考面和视点，实现地上地下场景的平滑过渡浏览，有利于增强用户体验。
参见图2，是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理方法的另一个实施例的方法流程图。本实施例在图1所示实施例的基础上进一步包括：
S14，根据硬件条件和数据处理内容，对每一帧画面中需要绘制的各个模型的绘制时间进行预测。
S15，结合模型的可视性以及模型的重要性计算因子，对画面中每个模型的重要性进行计算。
S16，根据模型的绘制时间预测结果以及重要性计算结果，为每个模型选择合适的细节层次，以使得每一帧画面的总绘制时间不超出预设的阈值。
针对地上地下三维一体化模型的在线实时可视化应用，本发明提出了一种限时自适应可视化的技术框架，重点分析其中严重影响绘制帧率的数据装载和绘制两个阶段的相关因素，并建立一种定量化的时间估计模型，根据***的硬件条件和数据处理内容，对每一帧中绘制场景内容所需要的时间进行准确预测，为自适应调节数据装载和绘制过程提供依据。提出了模型可视性的概念，并将其与预先设置的对象重要性计算因子结合使用，以实现在时间受限的情况下尽可能保持重要对象的细节；提出了限时自适应LOD(Levels ofDetail，细节层次)选择算法，根据对象的绘制时间估计和重要性计算结果，为每个模型选择合适的LOD层次以使总绘制时间不超出预算。
通过模型的限时自适应可视化方法，提高了三维场景浏览的帧速率，并且在同一个视点，场景范围加载性能大大增强。例如，可在当前视点下同时加载地上模型、地下管线模型和地下建构筑物模型，在普通PC(Personal Computer，个人计算机)上调度3平方公里的数据，可达到22fps的帧速率。
S17，基于多种地下空间数据进行一体化分析，所述一体化分析包括空间量算分析、地质地层分析、管线与构筑物综合分析以及管线与地质地层综合分析中的一种或多种。
采用本发明，可实现二维与三维在数据模型和数据结构一体化、基于空间数据库的二维与三维数据管理、高端三维分析和建模、三维环境中直接操作二维GIS分析等方面的功能，可实时添加ArcSDE(ArcGIS的空间数据引擎)数据或与2D GIS联动。在二三维一体化技术体系下，二维GIS的大部分查询(包括属性查询、空间查询)、分析功能都可以在***的三维环境中使用。
所述空间量算分析包括垂直距离量算、地表面积量算、管线分段统计分析以及自定义区域管线统计分析等。所述地质地层分析包括地质层剥层分析和地质体内部开挖隧道分析等，地下空间分析不仅仅是对于地下管线或者地质层的分析，而是一个综合性的问题，比如开挖分析，不仅仅要知道需要迁移多少管线，同时需要知道要挖去多少土方量。在有地铁的地方，同时还要知道这个开挖会不会对地铁隧道造成影响，因此，虽然是同样一个挖方操作，需要得到大量的信息支持，对不同数据模型进行分析。所述管线与构筑物综合分析包括地表开挖分析和隧道开挖分析等。所述管线与地质地层综合分析包括挖填方分析等。
S18，通过光照贴图、公告牌技术、动画纹理和半透明化的方式，将重点区域制作成精细场景，以化身的方式实现场景中的三维漫游。
本发明可以精确地表现地表建筑、城市部件、地下管线，以及其他设备设施，通过光照贴图，使场景具有非常逼真的静态光影效果，通过Billbord(公告牌技术)、动画纹理和半透明等技术，可以实现片状树、喷泉、焰火、水波纹、广告牌、玻璃效果和镂空等多种特种，增强真实感。重点区域、建筑和规划方案等可制作成精细场景，独立控制。对于矢量线和面，本发明提供两种模式，包括矢量绘制模式和实时光栅化模式，支持半透明、渐变、自动贴地和颜色设置等，同时针对矢量，可进行贴地标注。可以模拟真人在场景中的走、跑和跳，实现基于真实地理环境的三维虚拟社区。同时，还支持模拟汽车、飞机和轮船等多种运动物体在场景中的实地漫游。
参见图3，是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理***。本实施例与图1所示方法实施例的基本原理一致，本实施例中未详述之处可参见图1所示实施例中的相关描述。
所述地上地下三维一体化空间的处理***包括：
地下空间建模模块31，用于根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型；
集成建模模块32，用于以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型；
场景过渡模块33，用于建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。
优选地，所述地上地下三维一体化模型采用树状的数据结构和分层的数据组织，不同类型的模型间采用松散耦合的方式进行显示。
参见图4，是本发明提供的地上地下三维一体化空间的处理***的另一个实施例的结构示意图。本实施例的基本原理与图2所示实施例一致，本实施例中国未详述之处可参见图2所示实施例中的相关描述。
本实施例在图3所示实施例的基础上进一步包括：
绘制时间预测模块34，用于根据硬件条件和数据处理内容，对每一帧画面中需要绘制的各个模型的绘制时间进行预测；
重要性计算模块35，用于结合模型的可视性以及模型的重要性计算因子，对画面中每个模型的重要性进行计算；
细节层次选取模块36，用于根据模型的绘制时间预测结果以及重要性计算结果，为每个模型选择合适的细节层次，以使得每一帧画面的总绘制时间不超出预设的阈值。
进一步地，所述***还包括：
一体化分析模块37，用于基于多种地下空间数据进行一体化分析，所述一体化分析包括空间量算分析、地质地层分析、管线与构筑物综合分析以及管线与地质地层综合分析中的一种或多种。
模拟浏览模块38，用于通过光照贴图、公告牌技术、动画纹理和半透明化的方式，将重点区域制作成精细场景，以化身的方式实现场景中的三维漫游。
综上所述，本发明综合运用虚拟现实、三维可视化及空间分析、GIS、数据库、三维激光扫描等先进的信息技术，针对不同的空间设施类型，采用不同的建模方法，同时基于树状的数据结构、分层的数据组织、标准化的XML格式等数据展现和存贮技术，实现了地上的城市三维模型(建筑、道路和绿地等)、地表的地形地貌(DEM+DOM)、地下的空间设施(地下管线、地质地层、地铁、APM以及其它地下设施)的一体化建模，不仅具有良好的三维可视化效果，而且具有强大的三维空间分析和决策支持功能。不仅为区域内地上地下空间的规划、设计、施工和运行维护管理提供准确详实的空间信息，而且为地下空间的合理开发利用提供了一个可视化的空间辅助决策平台。
需说明的是，以上所描述的***实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过专用硬件包括专用集成电路、专用CPU、专用存储器、专用元器件等来实现。一般情况下，凡由计算机程序完成的功能都可以很容易地用相应的硬件来实现，而且，用来实现同一功能的具体硬件结构也可以是多种多样的，例如模拟电路、数字电路或专用电路等。但是，对本发明而言更多情况下软件程序实现是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种地上地下三维一体化空间的处理方法，其特征在于，包括：
根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型；
以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型；
建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。
2.如权利要求1所述的地上地下三维一体化空间的处理方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据硬件条件和数据处理内容，对每一帧画面中需要绘制的各个模型的绘制时间进行预测；
结合模型的可视性以及模型的重要性计算因子，对画面中每个模型的重要性进行计算；
根据模型的绘制时间预测结果以及重要性计算结果，为每个模型选择合适的细节层次，以使得每一帧画面的总绘制时间不超出预设的阈值。
3.如权利要求1所述的地上地下三维一体化空间的处理方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于多种地下空间数据进行一体化分析，所述一体化分析包括空间量算分析、地质地层分析、管线与构筑物综合分析以及管线与地质地层综合分析中的一种或多种。
4.如权利要求1所述的地上地下三维一体化空间的处理方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过光照贴图、公告牌技术、动画纹理和半透明化的方式，将重点区域制作成精细场景，以化身的方式实现场景中的三维漫游。
5.如权利要求1～4任一项所述的地上地下三维一体化空间的处理方法，其特征在于，所述地上地下三维一体化模型采用树状的数据结构和分层的数据组织，不同类型的模型间采用松散耦合的方式进行显示。
6.一种地上地下三维一体化空间的处理***，其特征在于，包括：
地下空间建模模块，用于根据二维地下空间设施的数据，对二维图形进行拉伸和造型，自动构建地下空间设施的三维模型；
集成建模模块，用于以地上空间设施的地形为参照，将地上空间设施的三维模型与地下空间设施的三维模型的最顶层界面进行求交裁剪，实现地上空间设施与地下空间设施的无缝集成建模，获取地上地下三维一体化模型；
场景过渡模块，用于建立多个层级的三维空间参考面，通过射线判别法判断视点与所述三维空间参考面的空间位置关系，自动切换不同的空间场景和视点，并平滑视点切换的过程，实现地上地下三维场景的平滑过渡浏览。
7.如权利要6所述的地上地下三维一体化空间的处理***，其特征在于，所述***还包括：
绘制时间预测模块，用于根据硬件条件和数据处理内容，对每一帧画面中需要绘制的各个模型的绘制时间进行预测；
重要性计算模块，用于结合模型的可视性以及模型的重要性计算因子，对画面中每个模型的重要性进行计算；
细节层次选取模块，用于根据模型的绘制时间预测结果以及重要性计算结果，为每个模型选择合适的细节层次，以使得每一帧画面的总绘制时间不超出预设的阈值。
8.如权利要6所述的地上地下三维一体化空间的处理***，其特征在于，所述***还包括：
一体化分析模块，用于基于多种地下空间数据进行一体化分析，所述一体化分析包括空间量算分析、地质地层分析、管线与构筑物综合分析以及管线与地质地层综合分析中的一种或多种。
9.如权利要6所述的地上地下三维一体化空间的处理***，其特征在于，所述***还包括：
模拟浏览模块，用于通过光照贴图、公告牌技术、动画纹理和半透明化的方式，将重点区域制作成精细场景，以化身的方式实现场景中的三维漫游。
10.如权利要6～9任一项所述的地上地下三维一体化空间的处理***，其特征在于，所述地上地下三维一体化模型采用树状的数据结构和分层的数据组织，不同类型的模型间采用松散耦合的方式进行显示。
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