>> 黄铎，2004，三维城市模型的数据内容
摘 要
作为地球表面人口、经济、技术、基础设施和信息最密集的地区，城市是人口与资源和社会经济要素高度密集的地理综合体，也是地球上最为复杂与活跃，人际交流强度最高的组成部分。随着城市的急剧膨胀，城市建设和管理的难题日益尖锐起来。就城市的建设者和决策者来说，城市建设需要解决问题的复杂性和需要处理信息的广义性，都是前所未有的。在城市建设一些重要的应用领域，虽然也关注于社会经济与发展问题，但已更多地关注于能够表征局部环境的美学、功能和感知的一些主题。与此相适应，城市逼真的三维数字表示由于其在城市基础设施管理、无线通讯网络规划、城市开发决策支持、污染分布仿真、土木工程与军事行动支持等众多领域显现出巨大的应用潜力，已经成为普遍关注的热点问题。城市的三维逼真描述——三维城市模型（3D City Models，3DCM）不仅具有传统虚拟现实表现的高度真实感，而且具有 3DGIS 数据库管理与分析应用等功能并能与其他社会经济信息互联，因而在城市空间信息科学领域受到了越来越多的关注。
自上世纪 90 年代于欧洲提出并在城市建设领域得到应用，目前三维城市模型已得到一定程度的发展，许多研究者从不同角度对三维城市模型进行了研究，而很多数据服务商已经能够提供全球范围内不同城市的三维模型。三维城市模型可以认为是 3DGIS 一种并不成熟但得到一定程度应用的系统原型，当前的研究，集中于三维城市模型的数据获取、数据模型、数据管理、可视化、空间分析模型等方面，但在数据规范和标准方面，鲜有系统而成熟的研究。作为一种空间数据，规范与标准对三维城市模型的应用和发展具有至关重要的意义。目前这一方面研究的缺乏，已直接阻碍了三维城市模型的发展。在三维城市模型不同类型的规范和标准中，三维城市模型的数据内容及其细节层次的表达是一个非常重要与基础的部分，它一方面决定数据生产者与使用者对数据的定义，另一方面也直接决定了三维城市模型在数据模型、可视化等其他领域的研究。
本文涉及的研究内容集中在三个方面：（1）基于不同应用分类的三维城市模型数据内容定义，主要包括分类依据的定义、各分类应用的特点、三维城市模型对象的属性特征、各分类具体的数据内容目录与列表。（2）三维城市模型多细节层次的定义，主要包括三维城市模型数据生产中多细节层次的特点、适合三维城市模型表达的数据模型、基于部件识别（ Recognition By Components ， RBC）理论应用于三维城市模型多细节层次的可行性分析、三维城市模型对象的纹理数据与几何数据的统一、对应三维城市模型不同应用类型的多细节层次定义。（3）三维城市模型的生产工艺与质量控制方案的制定，主要包括与三维城市模型数据生产相关的生产计划制定、不同三维模型数据类型（几何、纹理、属性等）完整的生产工艺流程、三维城市模型生产（包括DEM 、数据 源、 三维几何建模、纹理数据采集、属性数据采集等相关方面）的全面质量控制。
（1） 基于不同应用分类的三维城市模型数据内容定义
1.提出了三维城市模型应用的分类框架。三维城市模型目前在不同领域的应用繁杂而多样，而三维城市模型的很多实践已经证明， 三维城市模型应用的数据内容定义是基于应用导向的，因此缺乏统一的三维城市模型应用分类框架直接影响了数据内容标准的制定。传统上对三维城市模型不同应用的分类和统一，一般依据应用的功能进行，但这种区分是随意和难以统一的，因为不同的群体对具体功能的理解可能存在极大的差异，而同时应用类型也是随着应用的发展在时刻变化的。考虑三维城市模型是一种注重与用户基于可视化进行信息交流的数据类型，本文提出基于不同应用与人的可视和认知交流进行三维城市模型应用划分的观点。在对三维城市模型不同应用特点考察的基础上，将三维城市模型的不同应用分为基于逼真可视的三维城市模型应用、基于三维空间寻径与导航的三维城市模型应用以及针对特定分析模型的三维城市模型应用三个类别。这三种分类的提出，将所有三维城市模型种类繁多的应用归纳于统一的应用框架之下，为三维城市模型数据内容的规范化奠定了基础。
2.提出了三维城市模型对象的属性特征。由于在三维空间的扩展，三维城市模型在表达城市空间地物时更加复杂和多样。传统上对二维空间对象单一的包括位置（Position）、尺寸（Size）与形状（Shape）的几何特性描述，已不能完整地描述三维城市模型对象的特性。本文对三维城市模型对象从几何和可视两方面的特性，定义了三维城市模型在几何、纹理、多细节层次、可识别性、整体性、美观性等六个方面的对象属性特征。
3.实现了三维城市模型不同应用类别的数据内容目录定义。根据每一应用类别所依赖的分类依据，对多应用类别的应用环境与应用特点进行了分析。在城市所需要表达的空间与非空间对象中，对空间对象依据三维城市模型的六个对象属性特征，建立了每一应用类别的空间对象目录列表。
（2）三维城市模型细节层次的定义
1.提出了基于 RBC 理论定义三维城市模型多细节层次的可行性。三维城市模型多细节层次是三维城市模型数据表达的一个重要特征，对三维城市模型的数据生产、数据表达与数据应用都有很大的影响。传统上三维城市模型多细节层次的建立或者基于经验的方法，或者基于对生产技术的考虑，缺乏系统与明确的定义。本文基于 RBC 理论提出了解决三维城市模型多细节层次在对象识别、体元分解、几何与纹理统一等问题的可行性。
2.建立了三维城市模型多细节层次序列。三维城市模型的多细节层次，从最简单的立方体 BOX 简化模型，到表达建筑物细部结构的 CAD 精细模型，三维城市模型在应用中具有不同的细节特征。对三维城市模型不同应用类别与特定应用类别在不同场合下的细节程度要求，本文基于应用分类、 RBC 理论、几何纹理统一等相关因素，建立了三维城市模型在不同应用环境中的完整多细节层次序列。
（3）三维城市模型的生产工艺与质量控制方案的制定
1.提出了三维城市模型完整的生产工艺方案。与二维空间数据的生产相比，三维城市模型的数据生产具有更为复杂的生产工艺和流程。在生产实践的基础上，本文提出了三维城市模型数据生产包括生产计划和几何、纹理、属性等不同三维模型数据类型生产在内的完整工艺流程。
2.提出了三维城市模型数据生产过程中的全面质量控制。由于生产过程的复杂以及数据质量评价的不确定性，在三维城市模型的生产中质量控制是一种多数据类型相关的综合质量控制过程。本文在生产实践以及生产工艺制定的基础上，提出了在三维城市模型数据生产过程中的全面质量控制。
关键词： 三维城市模型 数据内容 多细节层次 生产工艺 质量控制
黄铎