基于三維GIS的現代化營房快速建模方法＊

李 相,荀 平,劉耀群

（陸軍勤務學院軍事設施系，重慶 401331）

1 引言

三維地理信息系統是一種對區域中空間對象進行三維描述、分析的重要空間信息系統，該系統可以收集、存儲、管控、計算、分析以及描述局部或整體表層空間的地理分布數據[1]。根據獲取的地理環境，經過環境信息查詢與分析，賦予用戶相關的信息支持與服務體驗，將地圖視覺化效果與地理分析性能相融合，再利用數據庫輔助操作，促進現代化發展方向轉向立體化發展的進程[2-4]。通過構建整體區域模型，真實表達空間對象之間的平面關系與垂直關系，賦予模型現實性、直觀性以及逼真性等優勢，更好地開展該區域的規劃設計、應急指揮以及信號站布設等工作。地理信息系統多用于城市地上與地下道路的模型架構或線路規劃，通過三維空間數據分析與決策推動城市發展。

國內外相關研究，呂?？萚5]利用三維地理信息系統平臺，優化城市軌道交通空間方位，承載建筑信息模型地理環境，在建筑信息模型軟件內自動集成三維地理信息系統的線路設計數據，參數化創建線路建筑信息模型。依據地理坐標與線路里程之間的空間相關性，集成三維地理信息系統場景與建筑信息模型，完成城市軌道交通的三維設計。于坤等[6]采用地理信息系統構建地浸礦山范圍地理信息庫，把地理單元從二維空間平面形式模型轉換成三維空間立體模型，利用動態立體三維模型，準確、生動地展示設計方案。Lee 等[7]提出一種基于無人機攝影掃描技術的三維建模生成方法，使用測光法和無人機來獲取圖像數據，來獲取大型物體的三維建模數據，利用所獲得的三維點云數據進行建模制作，渲染的動畫結果來尋找在各種環境中制作動畫的方法。

因三維地理信息系統中與軍事領域相關的數據資源不夠充足，所以，阻礙了該項技術在軍事應用領域里的發展。若使用簡單的建模方法，則無法真實展現出現實的三維模型，若建模過于精細化，不僅費時費力，而且獲取的海量數據也會提升可視化研究難度。作為軍隊建設的基本單元，營區的環境、物體以及人員均處于持續變化狀態，營房用途廣泛、新舊不一，且占地面積較大，為后續管理帶來了一定的挑戰性。相比二維地圖，三維空間建模方法能更詳盡地呈現第三維方向上的營房幾何位置信息與空間拓撲信息，直觀、完整反映出營房的客觀世界。

基于上述文獻方法優勢，本文將三維地理信息系統與軍事應用領域相結合，提出一種現代化營房快速建模方法。在建立的陡坎、土堆、斜坡以及土坑等復雜地形表面模型上添加特征點與特征線，提升采樣密度，增加格網表達精度；融合網格與點，便于數據獲取與模型建立，簡化數據結構，提升地形模型構建速度；通過拆分簡易對象為點、線、面狀等幾何形式，降低建模難度；求取二維坐標系內各投影點的相對坐標，降低數據采集量，簡化建模流程，提升建模速度。

2 現代化營房建模流程

建模前，先提取三維地理信息系統的營房圖像特征點，得到三維點云數據，通過去除諸如樹木、車輛等營房前側遮擋物，完成點云數據過濾。經過三維數據預處理，開始構建營房模型。

2.1 營房地形建模

表面重建或者表面建模是地形表面表達方式的處理形式，而需要重建的表面即為DEM(Digital Elevation Model，數字高程模型)表面[4]，表達式如下所示：

實現上列數字高程模型表面表達式，不同表面性質的建模通用多項式函數如表1所示。

表1 常用多項式統計表

若采用多項式0次項構建數字高程模型表面，各數據點均有一個對應的水平平面，此時通過下列表達式描述數字高程模型表面：

公式(2)中，i點附近一定區域的水平面高度是Zi，該點的高程為Hi。

當表面是雙線性表面時，一個表面至少要利用四個點方可確定，因此，需同時應用通用多項式的前三項與a3XY項，則該類數字高程模型表面的表達式為：

考慮到實用性與簡便性，以正方形格網[5]作為雙線性表面基礎，因為道路與植被等地面比較平坦，故使用一系列鄰接的雙線性表面，構建出圖1所示的數字高程模型表面。

利用該方法分別建立陡坎、土堆、斜坡以及土坑等復雜地形表面模型后，通過增加特征點與特征線，提升采樣密度，增加格網表達精度?；诟窬W數據與土坑底點以及外沿線的高程[6]數據，快速構建拋物曲面表面，表達式為：

采用網格與點相結合的表面建模策略，不僅便于數據獲取與模型建立，而且使數據結構更加簡單，地形模型構建更加迅速。

2.2 營房分棟式建模

營房、植被、道路等模型構建的基礎是地形要素表面模型架構完整?，F代化營房結構較為復雜，實現三維建模具有一定難度，將營房框架拆解成諸如屋頂、門廊、建筑主體等簡易對象，通過進一步拆分簡易對象為點、線、面狀等幾何形式，降低建模難度。

2.2.1 三維幾何形式建模

建模階段中，不同現代化營房形狀的表現形式各不相同，粗略可分成平頂營房、非平頂營房以及復雜營房。

(1) 平頂營房：營房結構種類中比較常見的是屋頂呈平面狀的平頂型(如圖2(a)所示)，該類型營房的頂面數據由底面各角點[7]的平面幾何數據代替，簡化成一個平面多邊形(如圖2(c)所示)。假設(xi，yi，zi)(i=1，2，…，n)是頂面角點三維坐標，底面角點平面坐標為(xi，yi)，則各角點高程值H的計算公式為：

(2) 非平頂營房：將不同的非平頂房屋統一歸類為常見的人字形屋頂結構種類(如圖3(a)所示)，該類營房的三維建模過程同平頂型房屋(如圖3(c)所示)，求取屋頂角點高程值時，需要在屋檐高程值上增加一個增量。

(3) 復雜營房：針對不同于平頂型與非平頂型兩種形狀的復雜型房屋構造，將結構分解成多個平頂型與非平頂型構造的房屋類型，通過組合不同的幾何模型特征，實現復雜房屋建模。為加快建模速度，應先分解復雜房屋結構，再采集每個典型構造的房屋數據。

2.2.2 紋理特征處理

令中介曲面可參數化，劃分紋理映射階段為兩個部分：從三維幾何模型到中介曲面；從中介曲面到紋理圖像。中介曲面若是平面，則投影方法選用中介曲面向量法，在紋理庫內選取對應紋理，映射分棟墻面與屋頂。

采用下列公式表達投影中介平面的點法式方程[10]：

假設任意一個分棟有2n個墻面，以任一墻面為起始，按固定方向從中選擇n個墻面實施紋理貼圖，假設S={s1，s2，…，sn}是所選墻面集合，=(ai，bi，ci)是各墻面法向量，則投影中介平面σ法向量即為所有墻面法向量的向量和，數學表達式如式(7)所示：

分棟幾何模型墻面的主要拼接形狀為三角形，可使用三個頂點{vi1，vi2，vi3}指代各平面si，頂點排列順序為逆時針方向，故各平面si的法向量表達式如式(8)所示：

因為中介平面選取與位置不存在關聯性，只與法向量相關，因此，令中介平面通過墻面的首個頂點，推導出中介平面點法式方程的全部未知項。

把公式(9)與公式(6)合并，簡化后得到常數的表達式為：

設頂點vi的投影坐標點為，由上列各式推算得出投影坐標點的參數方程，如公式(11)所示：

把一個二維平面坐標系架構在中介平面中，獲取二維坐標系內各投影點的相對坐標，降低數據采集量，簡化建模流程，提升建模速度。假設坐標原點是點，X 軸的方向和向量分別是、，通過計算軸向量與中介平面法向量的矢量乘積，求取Y 軸向量，表達式為：

用(nxx，nxy，nxz)與(nyx，nyy，nyz)表示X、Y 軸正方向的方向矢量，設定是任意投影坐標點，則二維坐標系內投影坐標點的坐標表達式為：

為完成投影平面與二維紋理映射，歸一化紋理坐標，采用投影坐標點的二維坐標極值，描述所有頂點的歸一化坐標：

極值取值范圍是[0，1]，將全部頂點映射至[0，0]→[1，1]的紋理空間，實現紋理貼圖與模型構建。

3 仿真實驗與分析

3.1 實驗數據獲取

選取面積為1．5km2的某現代化營房作為試驗目標，得到四幅比例尺是1：4000 的彩色航片，航測成像比例尺是1：1000。通過全數字攝影測量系統VirtuoZo 3．2 版本軟件實現對營房的數字測量，采用航測外業控制測量與內業加密成果以及8個像對航片，得到下列數據信息：四幅格網間距是20m的數字高程模型數據，分別是862-240．dem、862-235．dem、826-240．dem、839-235．dem；四幅帶三維坐標的建筑物矢量線圖，分別是862-240．xyz、862-235．xyz、826-240．xyz、839-235．xyz。此次實驗所用的計算機配置為：Intel(R)CoreTMi5 3．30GHz，8GB內存，Windows2010 操作系統。為驗證本文方法的建模效果與速度，以基于三維地理信息系統與建筑信息模型融合的城市軌道交通線路設計方法[5]、基于GIS的地浸礦山三維地理信息模型建立研究[6]、基于無人機攝影掃描技術的三維建模生成方法[7]這三種方法作為對照組，在Matlab仿真平臺進行建模測試。

3.2 建模效果分析

為了驗證本文方法在建模效果上的優勢，利用文獻[5]、文獻[6]、文獻[7]以及本文方法，構建該現代化營房的模型，架構結果如圖4所示。

通過圖4所示的各方法效果圖可以看出，文獻[6]方法降噪性能較差，文獻[5]方法因融合了三維地理信息系統與建筑信息模型，相比文獻[6]與文獻[7]方法，具有更好的降噪效果與細節保留效果，而本文方法則通過增加特征點、線與營房分棟，增加格網表達精度，最大程度保持邊緣信息。

3.3 建模速度分析

為進一步驗證本文方法在建模速度上的優勢，基于上述實驗環境，對比不同方法的地形建模與分棟建模時長，建模時間越短，速率越高。表2所示為各方法建模所用時長。

表2 建模時長統計表

根據表2中數據能夠發現，本文方法建模速度最快，這是因為采用了網格與點相結合的表面建模策略，簡化了數據結構，利用二維坐標系內各投影點的相對坐標，降低數據采集量，簡化建模流程，提升建模速度。

4 結束語

軍事應用領域的信息化發展，對三維地理信息系統的建模速度提出了更高的要求，為滿足營房建模需求，本文依據三維地理信息系統，提出一種現代化營房快速建模方法。因為相關技術方法的快速發展與知識水平的限制性，基于本文方法的研究成果，對以下方面進行深入探索與改進：可引入客戶端GPU 資源，進一步提升建模過程中的運算、地理分析以及模型仿真速度；應在今后的研究課題中，解決在大尺度地理場景中點云數據表達與地形不匹配問題；需消除瀏覽時因操作產生的差異，優化并發量、異步傳輸等軟硬件性能；改進復雜房屋分棟、組合的單個房屋結構無縫拼接效果。該方法為實現營房三維可視化管理奠定了一定的理論基礎，并提出指導性建議。