面向导航的IFC建筑模型室内空间信息提取方法

随着BIM技术及其应用的快速发展,IFC标准的BIM模型已经成为一种重要的室内三维模型数据源。其详尽的几何语义、要素材质、功能信息及各要素之间关联关系,能为室内导航提供较充分的数据支持。本文基于IFC,设计实现了一种面向导航应用的IFC建筑模型室内空间信息提取方法,针对各个室内要素,通过几何过滤、语义清洗及楼层映射对IFC建筑模型进行一体化的提取,利用典型的复杂三维建筑物模型进行实验分析,提取导航所需的室内要素,验证了其正确性与有效性。     

BIM与SuperMap GIS数据集成技术

现代社会大型复杂建设工程越来越多,室内3D GIS应用需求旺盛,但海量室内3D数据的缺乏成为室内GIS应用瓶颈。建筑信息模型(Building Information Models,BIM)提供丰富的建筑空间几何和语义信息,可为GIS所用。BIM与GIS数据集成技术成为国内外研究热点。本文从GIS应用的角度出发,通过分析BIM与GIS在数据标准和几何、语义表达方面的差异,提出BIM与SuperMap GIS 8C软件的数据集成技术,并实现了BIM在SuperMap GIS中的高性能空间分析与可视化。本文的研究有助于扩展SuperMap GIS的应用领域至室内空间,实现室外到室内、城市宏观到建筑微观的一体化应用,满足大型复杂室内场所的应急救援、导航与位置服务需求,服务于智慧城市建设。     

一种建筑信息模型与三维数字城市集成方法

BIM的发展为数字城市三维模型提供了更加精确的数据来源,现有研究主要关注BIM空间实体模型向三维表面模型转换,缺少建筑语义信息映射及整体集成方案研究。本文以构成建筑骨架的主要空间构件为研究对象,在参考IFC标准基础上,结合数字城市应用特点设计了具有空间语义一致性的建筑构件信息模型BCM,在此基础上提出建筑信息模型和三维数字城市集成方案。首先,基于CAD图纸开展BIM模型交互式构建,然后,通过空间和语义信息映射将其转换为BCM,并基于ArcGIS Geodatabase建立建筑构件信息库,在三维数字城市场景开展建筑构件信息的集成应用。该方案可实现建筑构件信息与三维数字城市的大规模集成,对推动数字城市向智慧城市发展,进一步开展建筑内外模型集成展示、建筑节能分析、内部设施管理等具有重要价值。     

室内三维点云与BIM集成的建筑施工进度监测方法

施工阶段是建筑生命周期的重要阶段,施工进度如果存在拖延会影响整个建筑工程项目的完成。传统的施工进度监测主要依靠人工方式进行实地检查记录,而项目施工现场的数据丰富,信息量大,只依靠人手工采集耗时耗力。因此提出一种室内三维点云与BIM集成的建筑施工进度监测方法。该方法首先通过BIM数据解析将BIM模型转化为三角网表达;其次手动选取BIM模型与三维点云间匹配点,采用最小二乘优化方法计算三维变换矩阵,实现两者的精确配准与融合;根据BIM组件语义进行门窗部件筛选并提取部件轮廓信息并填充均匀点云,最后采用三维点云变化检测方法对门窗部件的施工进度进行核查。以Revit数据与Geo SLAM系统采集的三维点云作为数据来源,对该方法进行了实验验证,实验结果显示该方法可实现建筑施工进度半自动核查。     

BIM模型到多细节层次GIS模型转换方法

BIM精细化三维模型中的数据是三维GIS重要的数据来源,然而两者数据模型在几何和语义上差异是阻碍BIM与GIS集成应用的重要问题。IFC与City GML分别为BIM和三维GIS领域最通用的标准数据模型,当前的数据转换工具虽然可有效地将IFC数据转为City GML数据,但还是难以顾及到City GML所有的LOD层级,存在信息丢失和几何不准确的问题。本文通过分析IFC数据模型与City GML模型中所有的建筑构件类型以及其关联的语义信息,分别建立IFC数据模型到City GML各层级的映射模型,描述了一种从BIM模型到多层次细节GIS模型的完整转换方法。并通过具体的实验数据进行了验证,保证数据转换方法的正确性以及稳健性。     

一种市政道路BIM设计模型与三维GIS数据集成方法

针对现有市政道路模型交换标准的不足,以及道路BIM设计模型与GIS模型集成中的几何、语义信息缺失等问题,提出一种市政道路BIM设计模型与GIS数据集成的方法,其核心是以City GML模型标准为基础,重新定义了扩展后的道路设计模型;通过要素语义解析、几何模型转换等过程实现道路模型和GIS数据的集成存储与表达。以重庆市九龙坡区尹朝社周边市政道路设计工程为例,进行道路BIM设计模型与现状城市三维模型数据的集成实验,结果表明,方法较好地保留了道路设计模型的整体结构、横断面特征、路段拓扑信息等,并且扩展定义的道路设计模型完整地存储和表达了道路设计要素。方法在城市规划设计延伸应用上具有广阔的前景。     

房地一体化不动产三维数据模型研究

房地不动产具备天然的立体特性,在三维空间中对其进行准确刻画是当前城市地上地下综合开发的关键问题,国内外学者已经提出了各类房地不动产数据模型,旨在解决房地不动产的管理与权利空间的三维表达问题。分析国内外学者的研究成果发现,国外学者提出的房地不动产数据模型多以地籍为核心展开,不能完全适用于我国的房地不动产管理;而国内学者虽兼顾了地籍和房产,但忽略了建筑实体、建筑空间与产权空间的关系,无法将房地不动产信息与建筑物信息模型（Building Information Modeling,BIM）整合,不利于房地不动产的精细化管理。针对以上问题,本文提出了基于IFC（Industry Foundation Classes）标准扩展的房地一体化三维不动产数据模型,并通过实例验证了该模型在我国房地不动产管理上是可行的。研究结果表明,本文提出的模型正确表达了各类建筑对象和产权对象,既可以支持业务相关的关联关系的查询,也支持GIS常见拓扑关系的查询和表达,该模型除了能表达符合我国体制的房地不动产对象外,还关联了BIM模型中的建筑构件、建筑空间, 为城市建设与运维管理提供技术模型支持。     

引入城市公共设施要素的人口数据空间化方法研究

精细尺度的人口分布是当前人口地理学研究的热点和难点,其在灾害评估、资源配置、智慧城市建设等方面应用广泛。城区是人口分布集中的区域,揭示该区域人口分布差异是精细尺度人口空间化研究的核心内容。本研究基于城市公共设施要素点位数据,对居住建筑斑块进行分类,以社区作为人口数据空间化转换尺度,构建各类别斑块面积与人口数量的多元回归模型,生成了宣州城区居住建筑尺度的人口空间数据,揭示了研究区人口空间分布差异。结果表明：① 该方法生成的人口空间数据精度较高,结果可信。779个居住建筑斑块中,估算人数在合理区内的斑块个数占比为35.4%,相对误差在-20%~20%范围内的斑块个数比例之和为61.2%;城东社区、思佳社区作为精度验证单元,其人数估算的相对误差绝对值低于9%;② 城市公共设施要素数据,尤其是中小学及幼儿园、菜市场及水果店,是建筑物尺度上人口分布的指示性因素,其对多层居住建筑人数的估算精度较高,但对中高层居住建筑人数的估算精度偏低。     

方向关系在空间查询中的应用研究

空间方向关系作为空间查询的重要选取条件,在地理信息系统等许多领域得到了广泛的应用。本文利用锥形模型和四叉树索引提出一种基于方向关系的空间查询算法,并在其基础上结合空间距离关系,实现了基于方向和距离关系的复合空间查询。实验表明,提出的算法能够对不同几何类型的空间数据进行准确、高效的查询,较好地满足了实际应用的需求。     

BIM+GIS集成可视化性能优化技术

建筑信息模型(Building Information Model,BIM)和地理信息系统(Geographic Information System,GIS)的集成是一个新的快速发展的趋势,近年来已从研究过渡到了工业实践,特别是在建筑行业问题解决方面。由于BIM与GIS数据在应用场景、空间尺度、建模语言等方面的差异,BIM+GIS集成可视化存在语义信息错误与丢失、几何信息耦合度低、表达效率低等问题,因此,完整、高效地描述建筑物本身的物理与功能特性、建筑物外部环境的几何、语义信息,实现从微观到宏观的三维空间数据的管理与可视化分析是具有挑战的。拟从BIM生成、地图切片、数据集成与存储、场景调度与裁剪、高性能渲染等方面,阐述了BIM与GIS集成时可视化效率提升技术,以满足BIM+GIS高性能需求的应用。     

面向多源地理空间数据的知识图谱构建

知识图谱广泛应用于人工智能领域,基于此融合多源地理空间数据并表示地理事物的语义和时空信息,实现“数据—知识”的转换成为人们关注的热点。但现有通用知识图谱的空间知识覆盖度低且存在错误,同时基于维基百科构建的地理知识图谱存在空间关系、中文属性和坐标信息等属性缺失问题。因此本文以地理空间数据和百度百科数据的特征分析为基础,提出了以地理空间数据提取地理实体为主,百度百科补充属性信息为辅的知识图谱构建方式。① 基于GeoSparql设计模式层的地理实体、要素、几何形状和空间关系的逻辑关系;② 通过地理实体提取、实体链接和属性信息填充,在数据层实现空间知识融合;③ 结合关系型数据库和图数据库,设计空间知识存储方式;④ 在实体和关系2个方面定量分析知识图谱的构建规模。结果表明,本文构建的知识图谱中地理实体覆盖度和链接百科成功率相对较高,扩充了地理实体的概念描述信息,并将地理坐标的覆盖率提高到100%,对地理数据到地理知识的拓展具有重要意义。     

Douglas-Peucker算法全自动化的多尺度空间相似关系方法

地图综合本质上是空间相似变换,研究Douglas-Peucker算法及其参数的设置,实质是研究算法的最佳距离阈值与尺度变化间的定量关系,但目前二者关系未知,导致参数设置及化简结果的选择主观性强。为此,提出以多尺度线要素空间相似关系为契合点,利用阈值参数寻优原理确定二者间定量关系,以实现基于DP算法线要素的全自动化简。结果表明：① 二次函数是描述最佳距离阈值与尺度变化间定量关系的最优函数;② 针对来源于相同地理特征区,如长江下游平原,的线要素可行,利用同一最佳距离阈值可实现基于DP算法线要素的全自动化简,且化简结果与已有成果数据吻合度较高;而来源于不同地理特征区域,如长江下游平原和江淮平原,的线要素,用同一最佳距离阈值化简是不合理。因此,应选择不同的最佳距离阈值,以实现不同地理特征区域线要素的DP算法全自动化简。     

BIM与GIS集成的建筑物间距规划审批方法

建筑物间距规划方案审批是工程质量管理中的重要步骤,传统的规划审批方案以二维CAD线划数据为基础,其在数据完整性和可视化表达方面存在明显的局限性。BIM丰富的几何语义信息和3D GIS良好的数据管理与可视化分析能力为建筑规划审批提供了更为可靠的解决方案。本文设计实现了将典型BIM数据(revit数据格式)几何及其语义集成到3D GIS的技术方案,并开发了BIM与GIS集成的建筑间距自动化审批功能,为三维环境下建筑规划审批提供了更有效与可靠的技术支撑。     

扩展SPARQL的室内空间语义查询研究

针对室内空间特点以及人类对室内位置服务的迫切需求,探讨了适合室内空间语义查询的方法。基于全息位置地图室内空间本体模型,描述室内空间对象及与之相关的人、事的属性信息及其关系,以室内空间本体概念及其属性作为查询原语,增加查询函数实现室内特有的空间关系（如“对面”、“楼上”和“楼下”等）的计算与查询,扩展了SPARQL查询语言基本语法。设计了室内本体查询语言IndoorSPARQL,开发自定义查询语言解析器,初步实现了顾及空间计算的室内空间语义查询。最后,利用Protégé本体建模工具对试验区进行本体实例建模,采用自定义查询语言IndoorSPARQL进行室内语义查询,并将结果可视化。实验结果表明,基于自定义语言IndoorSPARQL的查询方法可有效地支持顾及室内空间计算的复杂语义查询。     

空间认知能力评价及其与场景草图面要素方位特征间关系的研究

场景草图是人们对周围环境认知结果的概括性表达,研究人们空间认知能力和场景草图不同特征之间的关系是实现场景草图与地图匹配的重要基础之一。然而,现有研究中仍然缺少空间认知与面要素间方向关系相互影响的研究。本文使用基于锥形模型的四方向模型和八方向模型以及基于投影的MBR模型描述场景草图中面要素间的方位关系,将空间认知能力划分为心理旋转能力（MRT）、方位能力和复杂图形记忆能力（CFT）,设计认知能力实验,分析在社区级尺度下多类型场景中人们空间认知能力差异和场景草图面要素方位关系之间的相关性。研究表明：在居民区、商业区等等面要素类型丰富且分布复杂的区域：(1)心理旋转能力和场景草图面要素方位关系呈正相关;(2)方位能力和面要素方位关系呈显著正相关;(3)复杂图形记忆能力和面要素方位关系则没有明显关联,而在面要素类型单一分布规整的区域,3种空间认知能力和面要素方位关系则关联不明显。本文研究结果可以为场景草图在数据库中匹配寻址提供支持,也表明草图中地物间的方位关系是一个合适的匹配因子。     

基于倾斜摄影测量技术的全要素地形数据生产

相比传统基础地形图测绘,全要素地形数据具有三维信息特征,属性信息丰富。在新型基础测绘框架下研究如何快速、高效生产出符合质量要求的全要素地形数据显得尤为重要,也是新型基础测绘体系建设的关键技术之一。作为近年兴起的空间三维数据采集技术手段,倾斜摄影测量技术应用不断拓展。本文以全要素地形数据生产为例,利用倾斜摄影测量技术生产影像数据、倾斜模型数据进行全要素地形数据内业提取,通过外业调绘与补测、数据修改与编辑、数据检查完成全要素地形数据生产,通过传统高精度测绘方式对全要素地形数据进行精度验证。结果表明,基于倾斜摄影测量数据生产得到的全要素地形数据满足项目精度指标,验证了利用倾斜摄影测量技术进行全要素地形数据生产的可行性。     

支持时空耦合计算的HTM-ST日地空间系统数据组织模型

数据组织模型是对科学数据进行有效管理、共享与应用的基础。日地空间物理学科通常采用基于语义标注的传统数据组织模型,但是该模型忽略了数据间的时空关系,难以支持大规模数据处理与关联分析,应建立一种支持时空计算的数据组织模型,从而有效支持当前日地空间物理领域对数据快速发现、精细结构识别、耦合关系研究与时空演化分析等方面的应用需求。鉴于此,本文提出了HTM-ST离散化时空数据组织模型,该模型在层次三角网格的基础上,在时间维度通过等长剖分进行扩展,从而形成离散化的时空剖分,采用时-空耦合编码将高维的剖分单元组织到一维空间中,并基于上述剖分结构与编码算法在HBase环境下设计了模型的存储方案。本文利用多颗极轨卫星的能量粒子探测数据实现了该数据组织模型的原型示范系统,并设计了基于该模型的时空查询算法和地方时全球数据插值算法,用于对该模型进行实验验证。实验分析表明,HTM-ST模型具有高效性和鲁棒性,可以作为面向时空关系的日地空间物理数据组织与存储基础。     

南京市老城区城市建筑点格局研究

城市建筑是城市形态的重要组成部分,而建筑高度对城市三维空间形态有重要的影响。目前,对城市二维形态的研究较为丰富,而对城市三维起伏形态特征及其空间分布格局方面研究较少,对城市上空利用程度及发展规律认识仍相对缺乏。本文以南京市老城区为例,基于城市数字高程模型数据,将城市建筑抽象为三维点要素,运用点格局分析法研究城市建筑三维宏观特征及建筑类型的空间分布规律。结果显示：（1）南京老城区建筑呈集聚分布,聚集性顺序是低层建筑>高层建筑>多层建筑>超高层建筑。除超高层建筑外,低层、多层和高层建筑的聚集程度,随着空间尺度先增后减,均在1.5 km尺度聚集性最大;显示1.5 km的街区单元应是城市规划管理的最适宜单元。（2）南京老城区建筑高度空间分布表现为“三高一低”,即3个高值区（新模范马路、新街口和珠江路区域）和1个低值区（集庆门区域）,它们与不同时期城市中心具有较好的对应关系;不同类型建筑与城市基准地价的相关分析显示,建筑高度的分布与城市基准地价呈现一定相关性。结果表明,点格局分析方法能有效地分析城市建筑在平面及三维的空间格局特征,进一步深化对城市形态特征的认识。     

面向区域增量更新的等高线群混合相似性度量模型

等高线是一种以曲线群簇展现地表起伏形态的表达方式,多源等高线数据之间的相似度能够反映地形地貌的变化程度,因此等高线群的相似性度量是地形图更新、多源数据融合及制图综合领域的关键环节之一。当前的等高线相似性度量方法主要基于要素的单一拓扑特征或几何特征,由于地理空间数据的复杂性和地理要素变化的多样性,这种通过计量多源数据数据单一特征之间的相似与差异程度的方法并不能完整表达多源数据之间的异同,在变化复杂区域、图幅边界区域以及等高线分布密集区域会导致不一致问题。因此,本文引入空间相似度理论,综合探讨了等高线群的相似性层次结构;研究了拓扑特征和几何特征在等高线群相似性度量中的关系和作用机理,构建了等高线群相似性层次结构;讨论了其中各个影响要素的相互关系和相似性度量方法,提出了一种基于拓扑特征和几何特征的区域等高线群混合相似性度量模型,并利用层次分析方法求解各级相似元的权重系数。通过模拟实验和真实数据实验对本文方法的可靠性和有效性进行验证,结果表明：本文提出的等高线群混合相似性度量模型能够定量描述不同尺度不同来源等高线群之间的相似与差异程度,并具有较好的有效性和可靠性;根据本文的混合相似性度量结果和更新阈值之间的关系,对满足更新要求的变化区域实施局部更新,且精度检验表明论文方法能够为等高线数据的更新应用提供可靠依据。     

矢量地理数据密级标识方法研究

密级标识是用于标识信息产品安全等级的隐蔽信息,是信息分级管理、控制与应用的基础和前提。作为涉密地理信息产品主要组织格式的矢量地理数据,其密级标识方法的研究具有重要意义。结合矢量地理数据在遭受几何攻击时,其要素空间关系不变性特征,以及密级标识方法的不可感知性、高鲁棒性要求,本文提出一种基于距离比值调制的矢量地理数据密级标识方法,以实现矢量地理数据的分级管理与保护。其主要研究思路为：① 基于距离比值调制的方法,能够较好地应对几何攻击;② 在每个线面要素内,通过重复嵌入密级标识,有效提高算法对于编辑操作的鲁棒性;③ 运用道格拉斯-普克算法提取特征点,在此基础上进行密级标识的嵌入,能够较好地对抗压缩攻击。实验结果表明：该方法具有良好的不可感知性;同时,对嵌入密级标识后的矢量地理数据进行几何变换、数据编辑、数据压缩等攻击后,其密级标识的提取率能够达到80%以上,表明方法具有较好的鲁棒性。