室内三维建模研究进展与问题分析_孙群.pdf

第 48 卷第 1 期2023 年 2 月Vol.48 No.1Feb.2023测绘地理信息Journal of Geomatics室内三维建模研究进展与问题分析孙群1，2 周晓光1 侯东阳11 中南大学地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，4100832 南昌工程学院水利与生态工程学院，江西 南昌，330099Research Progress and Problem Analysis of 3D Indoor ModelingSUNQun1，2 ZHOUXiaoguang1 HOUDongyang11 School of Geosciences and Info-Physics，Central South University，Changsha 410083，China2 School of Hydraulic and Ecological Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang 330099，China摘要：在概述室内空间定义及其特征的基础上，阐述了建筑领域、三维城市建模等相关研究领域室内三维空间建模与表达的研究进展，探讨了当前室内三维建模存在的不足，并重点分析了三维城市模型在室内三维空间建模与表达中存在的问题，对进一步研究室内三维建模给出了建议。关键词：室内三维建模；室内空间；拓扑关系；建筑信息模型（building information model，BIM）；城市地理标记语言（city geography markup language，CityGML）中图分类号：P208文献标志码：AAbstract：Based on the overview of the definition and characteristics of indoor space，we illustrate the research progress of 3D indoor modeling in related research fields such as architecture and 3D city modeling.Then，we discuss the shortcomings of current 3D indoor modeling，and emphatically analyze the issues of 3D city models in 3D indoor modeling，and give suggestions for further research.Key words：3D indoor modeling；indoor space；topological relationship；building information model（BIM）；city geography markup language（CityGML）随着智慧城市概念的不断普及，人们对空间位置的管理已由室外空间延伸到室内空间1。室内定位技术的快速发展推动了基于室内位置服务和应用的普及，如室内导航、室内应急救援2，3等。然而，随着城市化进程的不断发展，建筑物的结构、形状和类别越来越复杂，导致室内空间环境愈加复杂，在一定程度上影响了有效的室内导航和快速的室内应急响应，同时也使人们对室内位置应用的需求不断增加。传统的二维室内地图已不能满足当前复杂室内环境下人们对室内位置服务与应用的需求，因此，构建建筑物三维室内空间地理信息环境成为当前学术界和产业界的研究热点4。本文基于当前地理信息科学领域对室内空间概念的描述，从相关研究领域和学科对建筑物的室内三维空间建模与表达进行回顾与分析。1 室内空间概念1.1室内空间定义建筑物是由建筑构件按照不同的功能围合而成的一种空间环境。广义上，建筑空间分为室外空间和室内空间。Li5指出室内空间区别于室外空间的显著特征为空间的约束性，并将室内空间定义为由建筑构件（如墙壁、地板、门等）限制而形成的空间；Zlatanova等6将室内空间定义为由真实边界围成的供人类活动的场所，通常为封闭的空间；Walton等7认为室内空间是由墙壁、天花板、地板等建筑要素围成的封闭建筑空间，各个空间之间互相连接。1.2室内空间特征通过对室内空间定义的分析，可以看出室内空间具有以下特征：1）封闭性。室内空间由不同的建筑构件围成，形成了几何上由各个边界面封闭围成的体。2）邻接性。建筑构件将建筑物内部空间划分成一系列不同的室内空间，各室内空间之间没有重叠，DOI：10.14188/j.2095-6045.2021434文章编号：2095-6045（2023）01-0056-04引用格式：孙群，周晓光，侯东阳.室内三维建模研究进展与问题分析 J.测绘地理信息，2023，48（1）：56-59（SUN Qun，ZHOU Xiaoguang，HOU Dongyang.Research Progress and Problem Analysis of 3D Indoor Modeling J.Journal of Geomatics，2023，48（1）：56-59）基金项目：国家自然科学基金（41971360）。第 48 卷第 1 期孙群等：室内三维建模研究进展与问题分析通过共享的建筑构件进行连接8。3）连通性。不同的室内空间、室内与室外空间通过特定的建筑构件互相连通。4）功能性。室内空间是可供人类活动的场所，每个室内空间都具有明确的类型、功能和用途。1.3室内三维建模需求根据室内空间的定义和特征，室内三维模型需从以下 3个方面对室内空间进行描述：1）室内空间几何特征。室内空间及其建筑构件具有一定的空间特征和几何形态，需采用合适的几何模型对室内空间进行表达，为室内导航、室内应急等室内应用提供必要的室内位置信息。2）室内空间语义信息。室内空间及其建筑构件类型众多，且作用各不相同，需明确表示室内空间及其建筑构件的语义信息，准确表达室内环境的可达性与约束条件。3）室内空间拓扑关系。室内空间拓扑邻接关系是室内空间查询与分析的基础，是描述室内空间可达性的必要条件8，更是室内应急响应时获取的关键信息，因此要准确表达室内空间拓扑关系。2 室内三维空间表达模型2.1面向建筑领域的室内空间模型建 筑 信 息 模 型（building information model，BIM）是建筑领域对建筑物物理和功能特性的数字化 表 示。其 中，行 业 基 础 类（industry foundation classes，IFC）9是建筑领域广泛使用的用于数据交换与共享的 BIM 数据模型与标准，采用不同的类描述建筑构件几何、语义特性及其关系。其几何信息采用拉伸体（swept solid）和构造实体几何（constructive solid geometry，CSG）进行表达，不同类之间的空间关系则使用关系类 IfcRelationship描述。BIM（IFC）数据完整地描述了室内空间环境，利用语义丰富的 BIM 数据可提取室内环境中的可通行空间10或用于应急响应的建筑构件信息11，因此，BIM 可作为室内应用的重要数据来源。Isikdag等12针对室内导航需求提出了一种 BIM 室内导航模型；Tashakkori 等13则根据 IFC 模型针对室内应急响应需求设计了室内应急空间模型。BIM 主要面向建筑构件的表达，建筑构件的几何信息通常以 swept solid 和 CSG 数据格式描述，且IFC 关系类是在语义层次上描述建筑构件之间的空间关系，并非显式描述室内空间邻接关系14，因此，BIM 数据不能直接用于室内三维空间地理信息环境的构建。2.2面向三维城市建模的室内空间模型城市地理标记语言（city geography markup language，CityGML）15是用于存储和交换虚拟三维城市模型的开放数据模型与标准。CityGML 建筑物模型采用 5 种不同的细节层次（level of detail，LoD）描述建筑物主题和空间信息。其中，LoD4是在最详细的建筑物外部特征描述 LoD3的基础上，对室内空间及其设施进行详细描述。CityGML 采用边界表示描述室内空间及其建筑构件的几何特征，采用语义类房间描述室内功能空间，由不同语义类型的边界面封闭围成，如天花板面、地板面和内墙面等。CityGML采用 XLinks描述公共几何对象之间的拓扑关系。当一个几何对象被其他几何对象共享时，该对象仅描述一次，而其他对象通过几何属性 xlink：href对该对象进行引用。图 1中，两相邻建筑物B1和B2共享公共面s1，此时，面s1仅描述一次，B1和B2通过 XLinks对其进行引用。由于 LoD 的概念以及对室内空间及其建筑构件几何、语义信息的描述，CityGML 可支持各种不同的室内应用，如室内导航、室内应急救援16，17等。但 XLinks 拓扑机制没有独立的拓扑元素，因此，CityGML 无法在几何基元之间建立三维拓扑关系18，也不能表达室内空间拓扑邻接关系。2.3面向室内导航的模型与算法室内导航通常采用路径图模型描述基本的室内空间概念，图由结点和边组成，概略地描述空间及其相互关系19。Lee20采用网络结构描述建筑环境中三维对象之间的拓扑关系，如邻接关系、连通关系等。其三维对象用结点表示，对象之间的拓扑关系用边描述，称为结点关系结构。基于此，Lee等21提出组合数据模型简化室内环境中三维对象复杂的拓扑关系，以进行建筑物内部三维对象之间邻接和连通关系的查询与分析。室内地理标记语言（indoor geography markup language，IndoorGML）22是用于描述和交换三维室内空间信息的开放数据模型和标准，主要关注面向图 1XLinks拓扑关系描述Fig.1Topological Relationship Based on XLinks57测绘地理信息2023 年 2 月室内导航的室内空间建模。IndoorGML 不描述建筑构件（如墙壁、天花板等）本身，而是对室内空间及其关系进行抽象表达，采用结点关系图描述室内空间邻接关系和连通关系。因此，室内导航模型是以网络结构描述室内空间以及空间关系，尚未完整地描述室内空间约束和连通条件，且其拓扑关系描述是对室内对象空间关系的抽象和简化，并非显式地描述室内对象三维拓扑邻接关系。因此，室内导航模型可作为现有室内空间模型的补充23，但不能完全满足复杂环境下室内位置服务与应用的需求。3 问题分析通过对当前建筑物室内三维空间建模与表达研究成果的回顾与分析，可知 CityGML 是描述室内三维空间较为理想的数据模型。然而，将 CityGML 用于室内位置服务和应用时还存在一些待解决的问题。1）室内 LoD 定义。LoD4 是在 LoD3 的基础上对室内空间进行描述，因此，LoD4不仅包含了详细的室内空间信息，还能对建筑物外部特征（LoD3）进行描述，如外墙、屋顶等。其描述方式对于室内应用来说过于详细，存在一定的数据冗余。因此，LoD概念在一定程度上阻碍了室内应用发展，不能满足当前室内位置服务的需求24。针对 CityGML2.0 LoD 概念的不足，多位学者对其进行了改进。如室内与室外逐渐详细的细节层次描述25，或将 LoD4室内信息映射到 LoD0LoD3进 行 室 内 空 间 描 述24。基 于 上 述 研 究，在CityGML3.0 中，LoD4 已被移除，所有建筑物要素（包括室内信息）都在LoD0LoD3描述，不必将室内空间信息都局限于一个细节层次26。CityGML3.0 LoD 概念增强了室内空间信息描述的灵活性，可以更好地促进室内应用。然而，如何在 LoD0LoD3不同的细节层次上明确定义室内空间要素语义详细程度而不产生数据冗余，其几何精度又应如何限定，是当前室内三维建模中需考虑的重要因素。2）室内空间拓扑关系描述。在 CityGML 中，房间的几何属性为体，构成体的所有边界面（几何属性为多边形）都单独存储，每个多边形由一组闭合的顶点序列