基于三维GIS的现代化营房快速建模方法＊

李 相,荀 平,刘耀群

（陆军勤务学院军事设施系，重庆 401331）

1 引言

三维地理信息系统是一种对区域中空间对象进行三维描述、分析的重要空间信息系统，该系统可以收集、存储、管控、计算、分析以及描述局部或整体表层空间的地理分布数据[1]。根据获取的地理环境，经过环境信息查询与分析，赋予用户相关的信息支持与服务体验，将地图视觉化效果与地理分析性能相融合，再利用数据库辅助操作，促进现代化发展方向转向立体化发展的进程[2-4]。通过构建整体区域模型，真实表达空间对象之间的平面关系与垂直关系，赋予模型现实性、直观性以及逼真性等优势，更好地开展该区域的规划设计、应急指挥以及信号站布设等工作。地理信息系统多用于城市地上与地下道路的模型架构或线路规划，通过三维空间数据分析与决策推动城市发展。

国内外相关研究，吕希奎等[5]利用三维地理信息系统平台，优化城市轨道交通空间方位，承载建筑信息模型地理环境，在建筑信息模型软件内自动集成三维地理信息系统的线路设计数据，参数化创建线路建筑信息模型。依据地理坐标与线路里程之间的空间相关性，集成三维地理信息系统场景与建筑信息模型，完成城市轨道交通的三维设计。于坤等[6]采用地理信息系统构建地浸矿山范围地理信息库，把地理单元从二维空间平面形式模型转换成三维空间立体模型，利用动态立体三维模型，准确、生动地展示设计方案。Lee 等[7]提出一种基于无人机摄影扫描技术的三维建模生成方法，使用测光法和无人机来获取图像数据，来获取大型物体的三维建模数据，利用所获得的三维点云数据进行建模制作，渲染的动画结果来寻找在各种环境中制作动画的方法。

因三维地理信息系统中与军事领域相关的数据资源不够充足，所以，阻碍了该项技术在军事应用领域里的发展。若使用简单的建模方法，则无法真实展现出现实的三维模型，若建模过于精细化，不仅费时费力，而且获取的海量数据也会提升可视化研究难度。作为军队建设的基本单元，营区的环境、物体以及人员均处于持续变化状态，营房用途广泛、新旧不一，且占地面积较大，为后续管理带来了一定的挑战性。相比二维地图，三维空间建模方法能更详尽地呈现第三维方向上的营房几何位置信息与空间拓扑信息，直观、完整反映出营房的客观世界。

基于上述文献方法优势，本文将三维地理信息系统与军事应用领域相结合，提出一种现代化营房快速建模方法。在建立的陡坎、土堆、斜坡以及土坑等复杂地形表面模型上添加特征点与特征线，提升采样密度，增加格网表达精度；融合网格与点，便于数据获取与模型建立，简化数据结构，提升地形模型构建速度；通过拆分简易对象为点、线、面状等几何形式，降低建模难度；求取二维坐标系内各投影点的相对坐标，降低数据采集量，简化建模流程，提升建模速度。

2 现代化营房建模流程

建模前，先提取三维地理信息系统的营房图像特征点，得到三维点云数据，通过去除诸如树木、车辆等营房前侧遮挡物，完成点云数据过滤。经过三维数据预处理，开始构建营房模型。

2.1 营房地形建模

表面重建或者表面建模是地形表面表达方式的处理形式，而需要重建的表面即为DEM(Digital Elevation Model，数字高程模型)表面[4]，表达式如下所示：

实现上列数字高程模型表面表达式，不同表面性质的建模通用多项式函数如表1所示。

表1 常用多项式统计表

若采用多项式0次项构建数字高程模型表面，各数据点均有一个对应的水平平面，此时通过下列表达式描述数字高程模型表面：

公式(2)中，i点附近一定区域的水平面高度是Zi，该点的高程为Hi。

当表面是双线性表面时，一个表面至少要利用四个点方可确定，因此，需同时应用通用多项式的前三项与a3XY项，则该类数字高程模型表面的表达式为：

考虑到实用性与简便性，以正方形格网[5]作为双线性表面基础，因为道路与植被等地面比较平坦，故使用一系列邻接的双线性表面，构建出图1所示的数字高程模型表面。

利用该方法分别建立陡坎、土堆、斜坡以及土坑等复杂地形表面模型后，通过增加特征点与特征线，提升采样密度，增加格网表达精度。基于格网数据与土坑底点以及外沿线的高程[6]数据，快速构建抛物曲面表面，表达式为：

采用网格与点相结合的表面建模策略，不仅便于数据获取与模型建立，而且使数据结构更加简单，地形模型构建更加迅速。

2.2 营房分栋式建模

营房、植被、道路等模型构建的基础是地形要素表面模型架构完整。现代化营房结构较为复杂，实现三维建模具有一定难度，将营房框架拆解成诸如屋顶、门廊、建筑主体等简易对象，通过进一步拆分简易对象为点、线、面状等几何形式，降低建模难度。

2.2.1 三维几何形式建模

建模阶段中，不同现代化营房形状的表现形式各不相同，粗略可分成平顶营房、非平顶营房以及复杂营房。

(1) 平顶营房：营房结构种类中比较常见的是屋顶呈平面状的平顶型(如图2(a)所示)，该类型营房的顶面数据由底面各角点[7]的平面几何数据代替，简化成一个平面多边形(如图2(c)所示)。假设(xi，yi，zi)(i=1，2，…，n)是顶面角点三维坐标，底面角点平面坐标为(xi，yi)，则各角点高程值H的计算公式为：

(2) 非平顶营房：将不同的非平顶房屋统一归类为常见的人字形屋顶结构种类(如图3(a)所示)，该类营房的三维建模过程同平顶型房屋(如图3(c)所示)，求取屋顶角点高程值时，需要在屋檐高程值上增加一个增量。

(3) 复杂营房：针对不同于平顶型与非平顶型两种形状的复杂型房屋构造，将结构分解成多个平顶型与非平顶型构造的房屋类型，通过组合不同的几何模型特征，实现复杂房屋建模。为加快建模速度，应先分解复杂房屋结构，再采集每个典型构造的房屋数据。

2.2.2 纹理特征处理

令中介曲面可参数化，划分纹理映射阶段为两个部分：从三维几何模型到中介曲面；从中介曲面到纹理图像。中介曲面若是平面，则投影方法选用中介曲面向量法，在纹理库内选取对应纹理，映射分栋墙面与屋顶。

采用下列公式表达投影中介平面的点法式方程[10]：

假设任意一个分栋有2n个墙面，以任一墙面为起始，按固定方向从中选择n个墙面实施纹理贴图，假设S={s1，s2，…，sn}是所选墙面集合，=(ai，bi，ci)是各墙面法向量，则投影中介平面σ法向量即为所有墙面法向量的向量和，数学表达式如式(7)所示：

分栋几何模型墙面的主要拼接形状为三角形，可使用三个顶点{vi1，vi2，vi3}指代各平面si，顶点排列顺序为逆时针方向，故各平面si的法向量表达式如式(8)所示：

因为中介平面选取与位置不存在关联性，只与法向量相关，因此，令中介平面通过墙面的首个顶点，推导出中介平面点法式方程的全部未知项。

把公式(9)与公式(6)合并，简化后得到常数的表达式为：

设顶点vi的投影坐标点为，由上列各式推算得出投影坐标点的参数方程，如公式(11)所示：

把一个二维平面坐标系架构在中介平面中，获取二维坐标系内各投影点的相对坐标，降低数据采集量，简化建模流程，提升建模速度。假设坐标原点是点，X 轴的方向和向量分别是、，通过计算轴向量与中介平面法向量的矢量乘积，求取Y 轴向量，表达式为：

用(nxx，nxy，nxz)与(nyx，nyy，nyz)表示X、Y 轴正方向的方向矢量，设定是任意投影坐标点，则二维坐标系内投影坐标点的坐标表达式为：

为完成投影平面与二维纹理映射，归一化纹理坐标，采用投影坐标点的二维坐标极值，描述所有顶点的归一化坐标：

极值取值范围是[0，1]，将全部顶点映射至[0，0]→[1，1]的纹理空间，实现纹理贴图与模型构建。

3 仿真实验与分析

3.1 实验数据获取

选取面积为1．5km2的某现代化营房作为试验目标，得到四幅比例尺是1：4000 的彩色航片，航测成像比例尺是1：1000。通过全数字摄影测量系统VirtuoZo 3．2 版本软件实现对营房的数字测量，采用航测外业控制测量与内业加密成果以及8个像对航片，得到下列数据信息：四幅格网间距是20m的数字高程模型数据，分别是862-240．dem、862-235．dem、826-240．dem、839-235．dem；四幅带三维坐标的建筑物矢量线图，分别是862-240．xyz、862-235．xyz、826-240．xyz、839-235．xyz。此次实验所用的计算机配置为：Intel(R)CoreTMi5 3．30GHz，8GB内存，Windows2010 操作系统。为验证本文方法的建模效果与速度，以基于三维地理信息系统与建筑信息模型融合的城市轨道交通线路设计方法[5]、基于GIS的地浸矿山三维地理信息模型建立研究[6]、基于无人机摄影扫描技术的三维建模生成方法[7]这三种方法作为对照组，在Matlab仿真平台进行建模测试。

3.2 建模效果分析

为了验证本文方法在建模效果上的优势，利用文献[5]、文献[6]、文献[7]以及本文方法，构建该现代化营房的模型，架构结果如图4所示。

通过图4所示的各方法效果图可以看出，文献[6]方法降噪性能较差，文献[5]方法因融合了三维地理信息系统与建筑信息模型，相比文献[6]与文献[7]方法，具有更好的降噪效果与细节保留效果，而本文方法则通过增加特征点、线与营房分栋，增加格网表达精度，最大程度保持边缘信息。

3.3 建模速度分析

为进一步验证本文方法在建模速度上的优势，基于上述实验环境，对比不同方法的地形建模与分栋建模时长，建模时间越短，速率越高。表2所示为各方法建模所用时长。

表2 建模时长统计表

根据表2中数据能够发现，本文方法建模速度最快，这是因为采用了网格与点相结合的表面建模策略，简化了数据结构，利用二维坐标系内各投影点的相对坐标，降低数据采集量，简化建模流程，提升建模速度。

4 结束语

军事应用领域的信息化发展，对三维地理信息系统的建模速度提出了更高的要求，为满足营房建模需求，本文依据三维地理信息系统，提出一种现代化营房快速建模方法。因为相关技术方法的快速发展与知识水平的限制性，基于本文方法的研究成果，对以下方面进行深入探索与改进：可引入客户端GPU 资源，进一步提升建模过程中的运算、地理分析以及模型仿真速度；应在今后的研究课题中，解决在大尺度地理场景中点云数据表达与地形不匹配问题；需消除浏览时因操作产生的差异，优化并发量、异步传输等软硬件性能；改进复杂房屋分栋、组合的单个房屋结构无缝拼接效果。该方法为实现营房三维可视化管理奠定了一定的理论基础，并提出指导性建议。