CityGML三维语义模型的扩展及其在传统民居建模中的应用.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：国家地方联合工程实验室开放基金项目（）作者简介：周俊国（），男，工程师，通信作者：张金牡（），女，硕士，高级工程师，文章编号：（）三维语义模型的扩展及其在传统民居建模中的应用周俊国，刘媛，张金牡（江西师范大学 基建处；地理与环境学院，江西 南昌 ）摘要：利用 对传统民居建筑进行三维建模时，在空间层次细节表达与关联属性方面存在一定程度的不匹配。本文针对传统民居建筑的特点，把 标准的 层语义模型扩展为 层语义分类模型，以增强对建筑部件细节的描述，并借助 语义规则实现中国传统民居的高精度语义分类建模。以湖南省衡阳市常宁市庙前镇中田村的一栋传统民居为实验，验证了扩展的 层模型在传统民居三维实体语义建模应用的效果。结果表明本文所提出的 语义模型建模过程高效、便捷、代码重复率高，且细节分类可以无限延伸，层次之间具有可追溯性，一定程度上解决了传统建筑三维建模过程中语义缺失的问题。关键词：民居建筑；多尺度；语义分类；三维建模中图分类号：文献标志码：，（，）：，（），：；传统民居是中华文化的物质载体，是研究地域文化的重要依据。智能化和数字化技术在保护传统建筑与文化传承等方面具有重要的现实意义。目前，主流的建筑建模方法大致可分为图像建模 、雷达点云建模 、逆向过程建模 以及基于过程的建模 。这些三维建筑建模大多偏重于数据驱动下的几何模型构建，忽略了建筑物结构的语义信息，其功能仅限于建筑模型的三维可视化，互操作性差 ，无法满足对传统建筑的精细化管理与属性查询，缺乏具备几何、语义、拓扑和外观等多种特征的语义表达与三维建模标准。是开放地理空间信息联盟（，）为实现城市三维模型信息共享和可视化而提出的国际标准，采用开放的数据模型和基于 的数据交换格式对虚拟模型中城市空间对象三维几何、拓扑、语义信息进行存储和交换，具有由简到繁的多细节层次的表达能力，并在城市三维建筑模型的抽象、细节展示和精细表达等方面得到了广泛的应用。王永君等 探讨了如何对 多细节层次建筑物模型数据进行自动检测与修复。应申等 提出了提取 几何数据的方法，给出了自动构建封闭三维建筑体的基本框架和流程。张文元 等探讨了构建一体化建筑物 的多尺度几何语义方法，为建筑物三维模型的互操作、数据共享、空间分析和精细化管理等应用提供了解决方案。基于语义关联，等 提出了一种应用驱动的 建模范式，通过组合不同 层级实现更加灵活的建筑物三维建模，解决 不能满足某些应用需求的问题。针对 对建筑物精细部件表达不够清楚的现象，等 提出了一种增强的 模型，扩展了室内对象的表达。为了更好地描述城市建筑的外部几何结构，等 改进了 建筑模型的 规范，从 所定义的 个细节层次扩展到 个细节层次，从而使得建筑信息得到了更丰富的表达。尽管 是具有良好语义分类与属性特征的三维模型标准，能够方便地描述城市景观对象及其空间和非空间的属性关系，以及复杂的细节层次结构 。然而，由于中国传统民居建筑的细部结构与城市建筑的细部结构明显不同，并且民居建筑部件的细节通常更为复杂，实践中如果简单套用现有面向城市建筑三维建模 的 层次细节（）标准模型对传统民居进行三维语义表达，则难以精细刻画中国传统建筑的复杂结构，造成空间层次细节表达与关联属性不匹配，难以满足对传统建筑的精细化管理与属性查询的需求。相比于城市建筑三维结构，传统民居建筑复杂性可归纳为：由于各种原因传统民居有部分会出现地基水平面与屋顶水平面不一致的情况；地基与墙体垂直立面的不一致性，中国传统民居大多都含有内凹结构，而城市建筑多为外延结构；屋顶结构差异明显，传统民居屋顶是多样的，如中田村民居屋顶就设有天井结构；建筑基础结构框架不一致性，传统民居梁柱结构与城市泥砖结构存在差异。针对传统民居建筑复杂和特殊的结构特点，本文基于 的 层细节分类标准，将现有 的语义分类模型进行有效扩展，对每一层 进 行 细 化（如 将 扩 展 为 ，和 ），形成一个面向传统民居建筑的 层新型语义分类模型，以增强对传统民居建筑复杂部件的表达能力，从而实现传统建筑的三维精准建模。以湖南省衡阳市中田村典型的传统民居为例，利用所扩展的 层 语义分类模型对传统民居进行多层次语义表达，并借助 语义规则实现了三维实景模型，从而验证了所提出的 层细节分类扩展模型在传统民居语义表达与三维建模的有效性，解决传统复杂建筑三维精细建模过程中语义缺失的问题。面向传统民居的 分类扩展模型 宏观尺度语义分类根据 标准的宏观尺度（），本文将传统民居建筑的 进行分层设计：其中 为传统建筑的基础地块；为粗略的体模型；表达增加了房屋屋顶结构，并表达了纹理信息；增加了对门窗的表达，同时细化了屋顶的部分细节。微观尺度语义分类细节模型在宏观尺度分类标准下，微观语义分类是对每个 层的细节进行分类，形成一个 级的微观尺度的 语义分类标准，具体分层如图 所示。下面对各层细节分类进行具体描述。图 微观尺度语义 细节的 级分类 层细节分类描述 表示为 水平多边形，用来表达建筑不同部件的高度，具有可选的屋顶水平高度。在南昌工程学院学报 年 层，在主垂直面做内部高度信息的分类，正对屋顶样式的挖空，并合理配置到指定的 层中。是最为粗略的模型，可以聚合建筑物。在 中，建筑物必须单独建模，并且应获取所有大型建筑物部件。由于传统民居建筑大多有天井，天井下方为空。为了突出反映这种情况，在 中，将房屋整体二维地面模型与挖空天井结构后的二维模型用不同的分层表示。要求获得较小的建筑部件和延伸部分，并挤压到单一高度。传统民居的大门一般有明显的内凹结构，相比较与 ，在 中用三层平面结构表达建筑信息，并增加表示了房屋的整体高度。从上往下看，第一层表示为房屋顶面，表达天井结构；第二层表达天井结构和大门的内凹结构；第三层为房屋的地基层，为整体底面。体现主要结构的不同高度，传统房屋建筑内凹结构一般位于房屋整体的中部，所以在这个层次表达时，将内凹结构的起始面、终止面与房屋整体起始面、终止面进行了区分，以表达内凹结构的位置。层细节分类描述 模型通常比 的概括更精细，层主要是在 的基础上拉伸以表达房屋的大致高度。在这一层主要表达房屋的体结构，突出房屋不同部件的拉伸情况。模型不一定要拉伸到统一的高度，建筑物相当大的部分可以使用不同的高度值单独建模，从而产生多个顶面，即使它们属于相同的占地面积。是将 按照房屋高度拉伸，是表达最 为 粗 糙 的 房 屋 三 维 模 型。是 将 模型按照房屋高度拉伸，这里主要将房屋的天井部件通过拉伸后有了简单的体现。将内凹结构处的整体部分挖空，突出体现内凹结构。是基于 上的拉伸，将房屋整体起始面拉伸至内凹结构的起始面，内凹结构的起始面拉伸至内凹结构的终止面，内凹结构的终止面拉伸至房屋整体终止面。层细节分类描述 是一个比 更详细的模型，主要对房屋的屋顶进行详细刻画，要求对单独的建筑物建模。模型为包含标准和简化的屋顶结构，并表达房屋的纹理结构。是具有标准屋顶结构的粗略模型，包括大型建筑部件，对屋顶的大致描述，但对墙体的表达仍然比较粗糙。与 相似，不同在于它需要更小的建筑部件和延伸部分，与 相比，能够刻画墙体的内凹结构。在 的基础上，增加了屋顶上部结构，主要体现了传统民居的人字形山墙结构，墙体沿用的是 的样式。加入了屋顶悬垂的样式，主要体现主屋顶的向外延伸。层细节分类描述 在 的基础上增加了墙体开口（即门窗）、以及更详细的屋顶结构和强制性屋顶悬垂，使其可以刻画民居建筑细节的内凹或外延，为最详细的房屋结构模型。模型是在 的基础上对屋顶进行更详细的表达，此时屋顶仍没有向外延伸的结构，但加入了人字形山墙这一部件。的屋顶没有大型的部件，如人字形山墙；但包含有屋顶的外延，在墙体方面，这一层加入门窗的部件。的屋顶为 的屋顶，墙体则沿用的是 的墙体表达。是为最精细的层次，在这一层次屋顶有人字形山墙等的大型部件，也包含有屋顶外延的部分，而对于墙体刻画更为细致，对墙体的一些细小部件进行了外延或内凹的表达，并对大门处的门墩进行了刻画，窗户处有了镂空，屋檐处也有更精细的刻画。传统民居的实体建模与应用为了验证本文模型的有效性，本文以湖南省衡阳市常宁市庙前镇中田村昌厚私宅为案例，进行传统民居的多层次表达与三维语义建模，验证所扩展的 层模型在传统民居三维实体语义建模应用的效果。中田村为第一批中国传统村落，是湖南省历史文化名村；昌厚私宅是湖南省重点文物保护单位，也是第 批全国重点文物保护单位。为实现 的分层建模，用单独的 规则来编写 个分层的细节 ，再利用可重复利用的部件代码，组合到不同的细节分层中。如屋顶的同一样式可被利用到不同层次细节模型，减少了代码的冗余。个层级之间具有复杂的关联，每个层级与上一层级都有着或多或少的关联。将 复制了一个面，并对复制的面进行分割和分层，体现出天井结构面与整体面的区别。则是在 的基础上，先将天井结构面中的大门内凹结构用 （分割）函数切割出来，随后将这个面复制并平移到房屋的整体高度处。将包含内凹结构和天井结构的面抬高至内凹结构的起第 期周俊国，等：三维语义模型的扩展及其在传统民居建模中的应用始位置和终止位置的高度。为展示方便，将顶层的整体面设置了透明度。将 用 （挤拉）函数拉伸到房屋整体高度，而 是将天井结构面拉伸至房屋整体高度。将包含内凹结构和天井结构的面拉伸至房屋整体高度；将内凹部分压缩到所需高度，将整体面的顶部与底部分别拉伸至所需高度。加入了屋顶的样式，将不同的屋顶样式单独编写 规则，屋顶的主要区别为有无外延部件（人字形山墙）以及屋顶悬垂长度的不同。随后在 规则中使用导入函数调用规则。中田村昌厚私宅屋顶为极具特色的复合式屋顶，并且含有天井。首先将屋顶面通过 （分割）将屋顶面拆分为主屋顶及两边的天井结构部分，随后将主屋顶赋予双坡顶的样式，并设定参数调节屋檐的悬垂长度。两边的天井结构则是赋予金字塔顶的样式，并设定参数调节金字塔顶的角度，而后将金字塔顶的面进行拆分后再分割，切割出天井结构。屋顶的人字形山墙则是通过导入模型实现。层主要对墙体和屋顶部分进行细化，运用 （分割）将墙体的门、窗户、箭孔、通风孔等切割出来，并赋予纹理或空操作。屋顶则是通过 （导入）函数调用屋顶规则。墙体部分相较于其他层更为复杂。为了调用方便，将 ，即 的墙体用不同的 分别编写，随后再用导入函数导入，实现规则建模的灵活运用。扩展模型应用效果的验证以 层次的屋顶结构为例，展示本文提出的扩展 层 语义分类方法在传统民居语义表达与三维建模的效果。建模时，首先将屋顶的三个层次（骨架层、置望板层、瓦片层）以及屋顶整体用四个规则分别编写。骨架层是将屋顶的面通过分割后，拉伸一定的高度并赋予颜色；置望板层是先将屋顶面抬升至骨架层顶部，随后再拉伸一定的高度；瓦片层在抬升至骨架层顶部后，将面拆分成瓦片的大小。设定常量 ，规定瓦片宽度为 倍的 ，因而可以调整瓦片大小，但瓦片长宽比例是固定的。瓦片立体样式是在瓦片面上赋予瓦片 模型实现。而屋顶整体的统一展示，是将屋顶面复制了三个面，而后将屋顶三个层次的 规则导入，分别作用在这三个面上，这样在导入屋顶整体规则时就可以将屋顶的三个层次一起展示出来，其效果图如图 所示。图 显示屋顶的骨架层、置望板层、瓦片层与屋顶整体借助 语义规则，对昌厚私宅进行多尺度语义分类建模。首先利用 构建的模型，导出成 支持的三维模型，并部署到 中进行三维展示，从而保证该语义模型生成的有效性和可行性。图 为 、以及 的多层建模结果。可以看出，由于该 分类对传统房屋进行了部件化表达，如屋顶拆分出来的骨架层、置望板层、瓦片层、屋顶整体，适用于传统民居建筑不同尺度的语义建模。由于部件代码可重复利用，并组合到不同的细节分层中，因而建模过程具有高效、便捷、代码重复率高等特点，且细节分类可以无限延伸，层次之间具有可追溯性等优势。由图 也可以看出，将整个房屋进行分层建模后，既可以对房屋进行粗略的表达，也可以实现房屋精细模型的表达。图 多层次 语义表达传统民居的三维模型 结论本文提出了适用于传统民居建筑的多层次（）语义表达分类模型，一定程度上解决了 的 标准在表达传统建筑由地基至顶部的多层次内部细节上的困难。实验表明该模型适用 过程建模，且对传统民居建筑的分类管理更加有序和高效，细节分类可以无限延伸，各分类层次之间具有可追溯性。该模型适用于大规模的多尺度拓展表达，为传统建筑建模提供了一套较为完整的语义分类表达模型标准，并可为后续传统建（下转第 页）南昌工程学院学报 年 ，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，：，（）：，：，（）：，（），：，：，（）：（上接第 页）筑建模提供参考规范与建模的实现方案。不足之处在于本文的研究结果只在中田村的一栋传统民居得到验证，虽然其被证实具有较好的建模效果，但是中国传统民居建筑是复杂多样的，对结构差异较大的其他传统民居建筑，尚需进一步验证。参考文献：王泽鹏 基于弱监督学习的图像语义建模技术研究 合肥：合肥工业大学，：廖紫骅，蔡继鸣，封全宏，等 三维激光扫描测量技术在古建筑维修保护中的应用 东华理工大学学报（自然科学版），（）：，（）：李尚林，谢文军，李琳，等 计算机快速建筑建模方法综述 计算机学报，（）：张文元，刘润桦，万君璧，等 基于 的明清古建筑三维语义模型扩展及转换研究 地球信息科学学报，（）：王永君，陈青燕，杨玉娇，等 语义辅助的 模型一致性检测方法 测绘学报，（）：应申，郭仁忠，靳凤攒，等 利用 模型自动构建三维封闭建筑体 武汉大学学报（信息科学版），（）：张文元，谈国新 建筑物多尺度三维语义建模研究 图学学报，（）：，：，（）：，：，（）：刘媛，邓运员，刘立生，等 支持下的传统民居复杂屋顶建模及优化：以衡阳市中田村为例 测绘通报，（）：南昌工程学院学报 年