面向室内外导航应用的三维建筑物多细节层次模型自动简化方法

The fast growing digital city projects in recent years provide fluent data source of 3D building models (3DBM) for the application of 3D indoor-and-outdoor navigation. However, most resulting models are composed of intrinsic geometric structures and have huge data volumes, which cannot meet the performance restriction and requirement of multi-mode visualization of the navigation system. Therefore, the levels of detail (LoD) of such models should be generated. .Because of the complexity of building models, most of the work of simplification is still done manually and the existed automatic simplification methods could not well keep the characteristics of a building, which becomes the bottleneck prohibiting the wide use of 3D navigation and is also the research frontier in the field of virtual geographic environment. .This study begins with the present 3DBM data, which satisfied the definition of LoD4 and LoD3 in CityGML. The structural and visibility constraints of a building are introduced to study the methodologies of simplification for LoD4 models and the conversion from LoD4 model to LoD3 model. The shape and significance constraints are also introduced to study the the methodologies of simplification for LoD3 models and the conversion from LoD3 model to LoD2 model. These methods are to be proposed based on the latest techniques of digital geometry processing and 3D building generalization, which aim at the breakthrough of the limitations of traditional simplification methods for 3DBM, and providing a novel way for the automatic LoD producing of 3D buildings for indoor-and outdoor navigation applications.

近年来开展的数字城市建设为三维室内外导航应用提供了丰富的三维建筑物模型（3DBM）数据源，但现有较高细节程度的成果模型几何结构复杂、数据量大，无法适应导航系统的性能限制和多模式可视化需求，必须建立其多个细节层次（LoD）的模型。而3DBM人工生产代价巨大，已有自动简化方法对3DBM存在保真性与合理性方面的严重不足，这成为阻碍三维室内外导航广泛应用的重要瓶颈，也是虚拟地理环境等领域的研究前沿。本研究从3DBM成果数据(符合CityGML中LoD3/4定义)出发，拟分别引入建筑构造与可见性约束，研究LoD4自身及其向LoD3的自动简化理论；拟分别引入建筑形态与重要性约束，研究LoD3自身及其向LoD2的自动简化理论。借鉴数字几何处理、制图综合相关技术提出面向导航需求的3DBM自动简化方法。突破传统方法难以优化简化3DBM的局限，为室内外导航应用中建筑物LoD模型的自动建模提供一种新的途径。

本项目针对三维建筑物模型在室内外导航等实时应用中的快速可视化问题展开研究，并提出对复杂的三维建筑物模型建立多个细节层次模型（LoD）的理论和方法。.首先，当前不同应用领域中对三维建筑物模型的LoD的定义存在较大区别。但主要的理论来源均为国际开放地理信息协会（OGC）提出的CityGML标准。然而，当前定义的5级LoD在几何和语义并未实现均匀划分，LoD之间差异不均衡，难以定量细化，因此在应用中导致了许多不一致的问题。针对这一问题，本项目研究了对三维建筑物模型的几何LoD和语义LoD的一致性表达框架，并建立了其划分标准。这一建议在OGC组织的会议中进行了交流，受到了广泛关注，相关成果将部分纳入到CityGML3.0国际标准中。.在理论上定义LoD后，需要提出算法实现LoD模型的自动生成。在深入研究后发现：当前国内外已建成或者在建的三维建筑物模型仍主要面向简单的可视化需求，模型中隐含诸多几何以及拓扑错误。一方面导致简化等几何处理算法难以实施，另一方面导致该类模型无法满足分析、仿真等计算密集的应用。本项目首先针对不同LoD模型的几何正确性和拓扑正确性展开研究，形式化地给出其正确性定义，并研发三维建筑物模型质量自动检测工具，其结果为CityGML模型的建模过程提供重要依据。在此基础上，本项目提出了两步法模型自动修复的框架和对三维建筑物模型进行多层次的自动修复的方法。.本项目研究了三维城市LoD4模型、LoD3模型以及LoD2模型之间的自动简化方法。当前，LoD4模型大都来源于建筑信息模型（BIM）。因此，研究了对标准化的BIM模型，IFC模型的几何、拓扑和语义解析、并利用数学形态学和布尔运算将该类模型自动转化为LoD3模型的算法。该算法首次正确地将IFC模型自动转换为几何和拓扑正确的LoD3的CityGML模型，降低数据量达80%以上。针对LoD3模型和LoD2模型之间的自动简化，本项目通过对模型的几何和拓扑结构的分析, 提出一种基于约束四面体化的包络收缩算法，其能够对输入的符合CityGML定义的LoD3甚至是LoD4模型进行自动处理，生成几何与语义正确的LoD2模型。实现了从较高LoD到LoD2模型的自动简化。该算法还能同步修复模型中错误的几何和拓扑，并支持对CityGML2.0语义的自动推导。.本项目还针对LoD4模型在室内定位和导航中的应用进行了研究。