3D数字城市数据组织与快速建模研究

 摘 要
近年来，随着3D GIS理论的不断成熟，作为三维GIS主要特征之一的三维数字城市也取得了较快发展，它被广泛应用到各种专业领域中，并不断的向大众化的方向发展。在未来几年，3D数字城市的应用将会渗透到普通用户群中，将会给人们带来全新的体验与服务，改变人们认识世界的方式。本文主要就数字城市的相关理论、数据模型、数据管理方法及若干关键技术和城市快速建模这些方面进行了相应的研究。具体内容包括以下几个方面：
（1）就三维数字城市的数据模型进行了相应的研究，提出了一种一体化的空间数据模型和与之相应的统一表示的三维几何模型，并给出了相应的数据库模型。该数据模型采用面向对象的方式实现，考虑到了数字城市中种类繁多的数据类型，具有很好的通用性。
（2）介绍了城市建模所涉及的几类数据获取的方法，并就数字城市所涉及的海量数据的管理进行了一定的研究，给出了相应的空间数据管理系统框架。该数据管理系统具备基于客户端-服务器(C/S)机制和基于XML的数据库存储与查询等特点。
（3）城市快速建模是本文研究的最主要问题之一。本文描述了几类常见的建模方法，包括自动建模、半自动建模和手工建模等方式，并分析了各类方法的优势与不足。在此基础上，提出了一种“基于规则的建模”的思想，并将其用到实际的城市建模中。
（4）提出了一种利用3ds Max二次开发进行城市快速建模的方法。通过与“基于规则的建模”的思想的结合，将各类初始数据定义成某种“规则”加入到“规则库”中，然后利用“规则”来不断对模型进行精化，从而节约大量的手工建模时间。
（5）就城市建模中最主要三类对象的快速建模进行了研究：对于房屋的建模，针对一些基本房屋类型，提出了相应的数据采集规范，并就房屋的女儿墙和屋檐的快速生成方法进行了研究和实现；对于利用道路平面线位和地形三角网数据生成道路立体模型的方法进行了研究，实现了道路三角网格与地形的无缝拼接；对于管线建模，提出相应的管线数据编码方式，并在Max下实现了管网的快速生成等。

关键词：3D数字城市；数据模型；三维建模；基于规则的建模；3ds Max；纹理贴图
目录
摘 要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
§1.1 研究目的、意义和方法 1
§1.1.1 本文研究目的与意义 1
§1.1.2 本文研究方法 2
§1.2 国内外研究现状 2
§1.3 论文研究主题和创新点 5
§1.4 本文的内容组织 6
第二章 3D数字城市数据获取与组织 7
§2.1 3D数字城市整体框架 8
§2.2 数据获取 10
§2.2.1 数据获取方法 10
§2.2.2 LOD数据获取 11
§2.3 数据管理 14
§2.4 数据模型 16
§2.4.1 概念模型 17
§2.4.2 数据库模型 19
第三章 城市快速建模研究 21
§3.1 城市建模概述 21
§3.2 基于规则的建模 23
§3.3 房屋快速建模 25
§3.3.1 建筑快速建模方法 26
§3.3.2 房屋模型精化 29
§3.3.3 房屋贴图处理 33
§3.4 道路快速建模 35
§3.4.1 道路建模概述 35
§3.4.2 道路建模相关原理 36
§3.4.3 道路建模小结 40
§3.5 三维管线建模 41
§3.5.1 管线数据采集与编码 42
§3.5.2 管道模型库与材质库的搭建 43
§3.5.3 管道自动生成 43
§3.6 其它物体建模 44
§3.7 基于3ds Max二次开发的快速建模研究与应用 45
§3.7.1 选择3ds max软件的理由 45
§3.7.2 Rule-based Modeling与Max二次开发结合 49
第四章 快速建模实验与可视化平台示例 51
4.1 基于Max二次开发的快速建模实验 51
4.2 三维可视化平台示例 55
第五章 结论与展望 57
论文主要文献 59
附 录 63
致 谢 65
§1.3论文研究主题和创新点
本文的研究主题大致可以分两个大的方面，分别对应本文第二章和第三章的相关内容。一是关于三维数字城市中的数据模型、数据管理及一些关键技术的问题，并简单介绍了3D数字城市的整体架构思路；二是数字城市建设中城市三维模型的快速建模方法的研究。本文的创新点主要体现在以下几个方面：
1）针对目前各类空间数据模型混杂的现实，在参考众多GIS空间数据模型相关文献后，本文提出了一套完整的空间数据模型，并采用面向对象的方式给出了一种统一表示的几何模型。
2）就数据管理方面给出了一个完整的数据库管理系统框架。不仅考虑到数据库的数据类容，还考虑到了文件系统的内容，并包含了客户端-服务器(C/S)机制、基于XML的数据库存储与查询等特征。
3）基于规则的建模的思想的引入。在一些初始数据的基础上，将房屋、道路的其它测量信息作为“规则”建立相应的规则库。通过“规则”的不断应用来逐渐对三维模型进行细化、优化，实现自动的快速的立体模型生成。
4）利用3ds Max二次开发加快城市建模。3ds Max是AutoDesk公司的一款优秀的专业三维建模软件。利用3ds Max SDK可以进行批量的建筑物“粗模”的制作，并充分利用“基于规则的建模”的思想进一步精化模型。在此基础上，用户还可以在Max软件平台下对各种模型进行进一步的修改润色，从而制作出更加精细的模型。还可以开发一些其它类型的插件（如材质管理、模型导出工具等）来加快城市建模的速度。
5）本文针对城市地物的不同类型，分别对建筑建模、道路建模、管线建模等三类最重要的地物的快速建模的实现做了较为细致的介绍。具体包括建筑物建模中女儿墙的快速生成、房顶构造的考虑及屋檐的快速生成；道路建模中有关道路几何模型的构造及与地形的拼接问题；管线数据的编码及Max下快速建模实现。