2.2　城市建筑物参数化模型

2.2.1　建筑物的分类与模型描述尺度

建筑是一种社会文化现象,体现一定时期一个国家、地区或民族的生产力发展水平,是技术进步和艺术特色的综合反映[46]。不同的国家、自然条件、地理环境和民族习惯,形成了各种不同的地方建筑风格。中国有着悠久的历史文化,地域辽阔,又是一个多民族国家,因此建筑物种类繁多,反映出丰富多彩的文化内涵。如四川地区的山地建筑文化,珠江流域的岭南建筑文化,长江流域的江南水乡建筑文化等。对于城市建筑物来说,它也包含了丰富的城市文化。大致来说,文献[16]提出了根据如下一些分类标准来对城市建筑物进行分类。

2.2.1.1　根据用途来分类

城市往往是政治、经济、文化的中心,所以建筑物的用途很多。主要可以分为:文化场所(学校)、政府部门、居民住宅、商业建筑、办公楼、娱乐场所等几大类。

2.2.1.2　根据风格来分类

我国历史悠久,各个城市在历史沿革中形成了不同的建筑物风格,包括以下几种:欧式建筑群、板式建筑群、点式建筑、混合式建筑群、中国古代建筑群等。

2.2.1.3　根据时间来分类

建筑艺术不仅同社会意识形态有关,而且还与社会经济基础有直接联系。年代不一样,建筑材料、建筑风格都不一样。按照大的时间标志,可以分为如下几个时期:1840年以前,这期间主要是各种各样的中国古建筑形式;1840—1949年期间,出现了大量“欧式建筑”;1949—1978年期间,由于社会意识形态问题,建筑艺术也受到苏联的影响,主要采用苏联的“板式”楼风格;1979年以后,各种建筑艺术思潮涌入中国,出现了一些新材料、新技术和新功能的建筑物。

2.2.1.4　按照地区特色来分类

目前我国仍是一个城乡差别较大的国家,农村建筑多以砖、瓦、土坯等材料为主,风格沿袭中国古建筑,讲究朝向、对称性等;城市建筑多以钢筋、混凝土、水泥等为建筑用料,多为高层建筑,分布集中,形状各异。

2.2.1.5　按照建筑几何形状来分类

城市建筑物绝大部分为人工建造,虽然建筑风格和样式日趋多样化,但总而言之,对于固定城市、固定区域或者固定年代而言,其外观样式总存在一定的相似性和共同性。城市景观三维模型库的基本原理就是基于如外表颜色、质地、屋顶构造、屋檐形状等的相似性特征,将其归纳为一些特定类型,并设计构造这些模型以服务于大区域城市范围景观的构建。为了能够充分利用模型库中的各个元素,需要对复杂的建筑物进行由繁到简的分解,应用模型库中的元素进行组合。

建筑物的几何结构在模型重建时起着重要的作用。建筑物随地域不同其几何特征各异,例如欧洲的建筑物多为尖顶而且局部的细节很多,如包括拱形门廊、圆柱等。在美国则方盒型建筑物比较常见,而中国的平顶和单屋顶建筑物较多,这些都应该在建模和描述建筑物的问题中考虑到。根据人们的认知习惯,并通过实地考察国内几大城市近现代建筑的特点,我们采用将建筑物的几何结构分为主体、特征和附属物三部分的拆分方法[47]。其中,主体指建筑物的主要构成部分,通常为我们所说的主楼体,多为规则形状,可以定义长方体、圆柱体、三棱体等基本几何结构体来表达规则建筑物的主体,也有不规则的建筑物主体,比如那些具有保存价值的古建筑和由曲面造型所设计的复杂现代建筑。特征是建筑物的一部分,指能体现建筑物区别于其他建筑物的标志性细节,如屋顶、房檐、室外楼梯等;附属物是不属于建筑物本身的部分,但依附建筑物而存在,如房顶的天线、卫星接收器、墙壁的悬挂物等。特征和附属物大多为不规则对象,至于不规则的建筑物主体和其他对象,可以用数字表面模型(DSM,Digital Surface Model)来表达,不规则三角网(TIN,Triangulated Irregular Network)是目前表达DSM的最佳方法,因此可以定义TIN面片来表达不规则的面对象,关于不规则对象的表达不在本文讨论的范围内。

通过对众多不同建筑物结构的分析,根据建筑物主体和特征及附属物的情况,这里我们根据建筑物的几何结构形状将建筑物分成五类[48]。其中,前三类建筑物由于其几何信息的提取可以通过采集少量特征点,然后根据建筑物的结构和对称性实现三维建筑物的立体模型的建立,可以依据算法实现自动或半自动重建,称之为规则建筑物;而后两类建筑物则必须采集更多的特征点才能构建正确的建筑物的三维模型,称之为复杂建筑物。具体分类如下。

(1)平行六面体类建筑物,包括长方体类建筑、平行六面体类建筑物。

(2)人字形屋顶建筑物,包括人字形和双面人字形屋顶建筑物。

(3)弧顶建筑物,具体包括圆柱、圆锥、圆台形等建筑物(即建筑物顶部为直立的圆柱、圆锥、圆台等)。

(4)没有内部点的复杂建筑物,所有特征点都为边界点但不属于前三类的建筑物。

(5)有内部点的复杂建筑物,除边界点外还有内部特征点但不属于前三类的建筑物。

本书在这种建筑物几何形状分类的基础上,采用面向对象的CSG技术对规则建筑物进行三维建模的研究。

在确定了表达内容之后,另外一个重要的问题就是确定三维景观的描述尺度,即三维建筑物表达的精细程度。确定三维建筑物的重建精确度对实际的重建工作有着极其重要的指导意义。首先,它将为重建之前的数据源的采集提供规范和依据。各种三维景观重建方法主要的不同就是采用的数据源不同,各种方法数据采集时的工作量差别也很大,缺乏相关标准是制约三维数据获取能力提高的主要因素之一。确定描述尺度将在一定程度上为此问题的解决提供规范,根据重建的目的不同,对于那些处于描述范围之外的地物特征可以不予考虑,从而减少不必要的工作量。其次,在确定描述尺度后,可以加快复杂地物的建模效率,将大量的琐细工作简化或省略。现代建筑的风格向多元化发展,客观上增加了三维重建的难度。而依据确定的描述尺度,将建筑物的细节进行面向应用的划分,可以摒弃那些没有必要表达的特征要素,实现三维场景的快速重建。

模型的用途不同,建立模型的侧重点也不同。如果建立的建筑物模型是为了制作局部静态效果图,那么所有能观察到的细节都应该在重建结果中有所体现。如果是用于建筑模拟的特征模型,除了包含建筑构件的几何形体拓扑信息外,还应该包含建筑构件的特征信息,例如定位面、定位尺寸和材料等。而且,可以使用材质纹理来简化模型的建立。本文针对建筑物图像,研究规则建筑物模型的重建方法,主要目的将应用于虚拟现实中的动态网页浏览或其他限定条件下的快速自动参数化建模,因此能正确描述目标的位置、目标的类别、目标的主要形体特征、纹理即可,对于细节采用模糊处理,建筑物体的表面直接作为墙面纹理处理;除建筑物外的其他信息采用粗略的估计,不做量化描述。另外,考虑到本系统的特征,地表纹理也将使用三维图形软件中的纹理库中典型纹理覆盖渲染,不做详细的表示。

2.2.2　规则建筑物模型的参数

2.2.2.1　建筑物的类型参数

根据建筑几何形状对建筑物进行分类,确定建筑的类型,对最常见的建筑物来说,建筑物的类型为:平顶形建筑物、人字形屋顶建筑物或双面人字形屋顶建筑物。不同类型的建筑物对应不同的几何结构参数。

2.2.2.2　建筑物几何结构参数

几何结构参数在已知建筑物模型类型的情况下可以生成唯一的建筑物模型。根据建筑物的结构和包含的几何信息,可以为其建立参数模型,用一些参数变量来描述这些建筑物。城市中的建筑物多为长方体或主体形状为长方体的规则形状的组合体,即便是属于复杂建筑物的情况,描述建筑物主体的包围盒也对各种三维重建算法及虚拟漫游交互具有重要的意义[34]。因此,本书主要给出了典型的平顶建筑物、人字形屋顶建筑物和双面人字形屋顶建筑物的结构参数化模型。

(1)平顶类建筑物结构参数为:长、宽、高,如图2.1所示。

(2)人字形屋顶类建筑物结构参数为:建筑物主体的长、宽、高、屋顶的高,如图2.2所示。

(3)双面人字形屋顶类建筑物的结构参数为:建筑物主体的长、宽、高、屋顶的高、屋脊的长度,如图2.3所示。

建筑物参数模型的建立基于这样一个假设,即每个建筑物各自独立,建筑物与建筑物是相互分离的,并且建筑物在地形表面上的轮廓线为矩形。从图2.3可以看出建筑物几何形状越复杂就需要越多的参数对其进行描述,因此采用基于参数表达的建筑物模型建模方法需要首先将建筑物进行有繁到简的划分,描述成各种典型几何体的组合。

2.2.2.3　建筑物的信息属性参数

三维城市重建系统中的社会属性数据主要用来进行查询,其用来描述建筑物实体的属性数据主要包括:建筑物的风格、建筑年代、建筑材质、所属城市区域、建筑物名称、特殊的文化意义、建筑物的层数等。

2.2.2.4　建筑物的纹理属性

房屋的表面并不是一个简单的平面,而是具有门窗、涂层、框架结构的复杂图案表面,这些房屋模型的细节如果采用三维模型来表示,将大大增加模型的复杂度,因此,需要用表示建筑物各个部分的纹理来反映三维建筑物的视觉效果。规则和不规则的三维建筑物模型的空间平面都应该有相应的纹理图像。因此,建筑物的纹理属性是与三维空间中的各个平面一一对应的,当用户位于某个视角进行模型浏览的时候,往往可见三维建筑物模型的几个表面,因此,从该视角拍摄的图像中能够提取该建筑物所对应的纹理,也就是经过处理的一系列图像。或者也可使用计算机模拟的纹理来代替真实纹理,此时建筑物表面对应的纹理属性即为计算机中的模拟纹理。