基于CityGML的三维古建筑语义建模研究

Geometry-semantic modeling of ancient architecture is the basis for the applications of digital preservation, fine management, data sharing and interoperability, and culture dissemination. However, most of the existing building 3D modeling techniques focus on the geometry aspect, neglecting the semantic and topology representation. Thus, these purely graphical or geometrical models could almost only be used for visualization purposes. Considering the advantages and limitations of CityGML (City Geography Markup Language) international standard issued by Open Geospatial Consortium (OGC) for representing 3D ancient building models, this project will propose the research ideas of “semantic 3D model standards research – CityGML extended building model development – different model transformation – database design to store 3D semantic models”, so as to explore an effective and efficient approach for ancient architecture geometry-semantic modeling. The main research contents include: (1) developing an extended CityGML building schema via the ADE (Application Domain Extension) mechanism to represent the geometrical and semantical features of ancient architecture in different levels of detail. (2) exploring efficient conversion approaches from BIM (Building Information Models) to CityGML model, so as to generate geometrically and semantically correct CityGML building dataset. (3) constructing a spatial database allowing for efficient storage, management, thematic query, spatial analysis of 3D ancient building models in CityGML format. The achievements of this research can provide new theoretical methods and technical ways for cultural heritage preservation and protection.

几何/语义一体化三维建模是实现古建筑数字化保护、精细化管理、数据共享与互操作、文化价值传播等应用的基础，而现有古建筑三维建模技术大多偏重几何建模，忽略了语义和拓扑关系表达。针对CityGML标准在古建筑三维语义模型表达方面的优势与不足，本项目提出“语义模型标准研究-CityGML模型扩展-模型数据转换-数据库存储”的研究思路，探索合理、高效的古建筑几何/语义一体化三维建模方法。主要研究内容包括：（1）基于CityGML扩展的古建筑三维语义模型框架设计，实现古建筑各类重要构件的多尺度表达；（2）古建筑BIM模型与CityGML扩展模型的高质量转换方法研究，实现BIM与GIS集成的古建筑快速三维语义建模；（3）古建筑CityGML模型的空间数据库存储机制研究，满足大量古建筑三维语义模型的高效存储、专题查询和分析等应用。本研究成果能够为古建筑的数字化保护与管理提供新的理论方法与技术手段。

古建筑是珍贵的历史文化遗产，传统的古建筑保护使用二维平面图加上文字、图表等形式，表达不够直观，无法满足古建筑精细化管理要求。目前已经建立的大部分古建筑三维模型都是纯几何模型，忽略了语义信息，仅限于三维可视化，难以满足专题查询、空间分析和空间数据挖掘等深层次应用需求。.主要研究内容及结果总结如下：（1）古建筑构件分类体系及表达尺度研究。通过对不同种类和风格的古建筑进行比较分析，总结并提炼一些共性特征，确定常用构件分类体系及相关属性信息。（2）基于CityGML ADE的古建筑三维语义模型设计。结合古建筑的特点及构件分类，利用CityGML提供的ADE机制，从语义方面对建筑物模型进一步扩展，设计了一种新的基于CityGML的古建筑多尺度语义表达模型。（3）古建筑BIM模型到CityGML模型的转换方法。从语义映射和几何变换两种层次研究了古建筑BIM模型到CityGML扩展模型的高质量转换方法，使用FME软件和开源算法库实现了IFC模型与CityGML模型的自动快速转换，并采用部分模型数据进行了转换实验和结果分析，验证了转换方法的有效性。（4）古建筑CityGML语义模型空间数据库存储机制研究。基于开源PostgreSQL和3DCityDB数据库设计并实现了一种古建筑CityGML模型存储方案，能够对古建筑及其构件不同LOD的几何、语义、拓扑和外观等属性进行有效存储、表达和管理。相关研究结果在发表的期刊论文、指导的硕士学位论文中均有体现。同时还依托本项目研究成果申请了2项国家发明专利和2项软件著作权登记。.本项目基于CityGML标准研究并实现了古建筑几何语义一体化建模，使古建筑三维模型具有较强的语义表达能力，对于实现古建筑三维模型数据的标准化管理与共享，并满足一些特定的查询、分析和深层次应用具有重要意义。