一种基于BIM的跨楼层路网提取方法

摘要

本发明公开了一种基于BIM的跨楼层路网提取方法,采用X‑Z平面投影、边界提取、X‑Z平面拓扑路径生成、拓扑路径与BIM构件交互四个步骤从任意形状的跨楼层构件中提取三维跨楼层拓扑路网；X‑Z平面投影采用自顶部向下的视图将跨楼层建筑构件的三维形状映射到X‑Z平面；边界提取采用一种全新的边界提取算法从X‑Z平面投影图中提取边界线；X‑Z拓扑路径生成则是从X‑Z投影边界图中生成二维拓扑路径；这条二维拓扑路径也是三维跨楼层拓扑路径在X‑Z平面的投影，拓扑路径与BIM构件交互将生成的X‑Z拓扑路径与BIM模型中跨楼层构件的三维形状相交来获取最终的三维跨楼层拓扑路网。

说明书

技术领域

本发明涉及数据挖掘、图像识别及信息可视化领域，特别是涉及一种基于BIM的跨楼层路网提取方法。

背景技术

当前，室内路网在室内定位、室内路径规划、室内机器人智能作业和三维地理信息系统等领域具有广泛的应用需求。室内路网的自动化提取是室内基于位置的服务的技术基础。然而，目前大多数室内路网都是依赖于手工建模，这种方法不仅繁琐耗时，而且极易出现错误。建筑信息模型(Building Information modeling,BIM)包含多维的计算机辅助设计信息，其为室内路网的自动化构建提供了可能。完整的三维室内路网包括同楼层路网和跨楼层路网。当前，研究者们提出的室内路网提取方法大多数只考虑同楼层路网的提取，少数研究者提出的跨楼层路网提取方法不能应用于具有不规则几何形状的跨楼层构件路径提取。

跨楼层构件(例如楼梯和坡道)连通两个不同的楼层，跨楼层构件上存在的路径能够将不同楼层的平面路网连接起来，形成完整的三维室内路网。因此，从BIM跨楼层构件中自动化地提取拓扑路径是构建跨楼层路网的一种有效方法。一些研究者试图通过寻找和连接跨楼层构件两端边界上的几何中心点来获得跨楼层路网。诚然，这种方法可以从具有规则几何形状的跨楼层构件中提取跨楼层拓扑路径。但是，这种方法不能应用于具有不规则几何形状的跨楼层构件，如弯曲楼梯。为此，从具有不规则几何形状的BIM跨楼层构件中自动化地提取跨楼层路网仍然是一项极具挑战性的任务。

发明内容

本发明是从跨楼层构件投影图的边界图中生成二维拓扑路径，然后将生成的二维拓扑路径与BIM构件进行交互，最终提取出完整的跨楼层路径。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种基于BIM的跨楼层路网提取方法，包括以下步骤：

X-Z平面投影：将跨楼层建筑构件的三维形状从Y轴的负方向投影到X-Z平面，得到X-Z平面投影图；

边界提取：从X-Z平面投影图中提取边界线，得到X-Z投影边界图；

生成X-Z拓扑路径：从所述X-Z投影边界图中生成二维拓扑路径；

平面拓扑路径与BIM构件交互：将所述X-Z拓扑路径与BIM模型中跨楼层构件的三维形状相交来获取最终的三维跨楼层拓扑路网。

优选地，所述X-Z平面投影是将跨楼层建筑构件C的三维形状从Y轴的负方向投影到X-Z平面，即将跨楼层建筑构件C的三维形状中Y轴坐标设置为y＝0，获得跨楼层建筑构件在X-Z平面上的投影。

优选地，所述跨楼层建筑构件C在BIM模型中连接两个不同楼层，BIM模型中的建筑构件由若干个三角形组成，所述三角形用t

优选地，所述跨楼层建筑构件C的每一个几何平面由若干个三角形表示，将相应的三角形的点和线的Y轴坐标值设置为y＝0，得到跨楼层构件C在X-Z平面上的投影图C

所述跨楼层建筑构件C的X-Z投影图C

优选地，所述X-Z投影图C

优选地，跨楼层构件X-Z投影图的外边界线b由若干条线段组成，每一条线段都是边缘线的一部分，b＝(e

优选地，所述X-Z拓扑路径生成的过程为：

S1.1、确定X-Z拓扑路径的起始方向和路径生成方向；

S1.2、沿路径生成方向作一条垂线，垂线的长度设置为一个确定值s，所述垂线的两个端点分别采用C

S1.3、沿所述垂线C

l(φ)＝l

h(φ)＝|l

当l和h取得最小值时，得到直线MN的旋转角φ，旋转后的线段MN就是所需的参照线；

S1.4、循环所述步骤S1.1、S1.2、S1.3，在每个循环中，生成部分拓扑路径，最后将所有生成的拓扑路径组合成完整的X-Z平面拓扑路径图。

优选地，所述X-Z拓扑路径生成的过程中，若在确定参照线时边界线上存在间隙，则排除边界线上的间隙对参照线选择的影响。

本发明的有益效果为：

(1)本发明可以提取X-Z投影图的完整边界线，最后，通过收集所有提取的边界线e

(2)在提取的完整边界b的基础上，应用本发明所提X-Z拓扑路径生成方法，可以在跨楼层构件上自动化地生成一条完整的X-Z拓扑路径；当短垂线s的值设置得足够小时，这条生成的X-Z拓扑路径就是跨楼层拓扑路径在X-Z平面上的投影；

(3)本发明将生成的X-Z拓扑路径与原始的跨楼层构件进行交互，通过增大X-Z拓扑路径中的Y轴坐标值可以获取其与跨楼层构件的交点，将Y坐标值最大的交点连接起来就可以生成一条完整的跨楼层拓扑路径。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明实施例BIM环境中的三维坐标系和弯曲楼梯的X-Z投影示意图；

图3为本发明实施例楼板和弯曲楼梯之间的相交线的示意图；

图4为本发明实施例两条相邻边界及其转角示意图；

图5为本发明实施例弯曲楼梯边界提取示意图,其中图(a)为弯曲楼梯的X-Z投影图,图(b)为投影交线示意图，图(c)为边界提取的中间过程；

图6为本发明实施例弯曲楼梯X-Z投影图的边界提取结果示意图；

图7为本发明实施例选择X-Z拓扑路径的起始线和路径方向的示意图，其中图(a)为跨楼层构件和楼板的部分截图示意图，图(b)为路径生成方向的选择原理示意图；

图8为本发明实施例生成X-Z拓扑路径的算法逻辑的示意图，其中图(a)为跨楼层构件投影图的边界提取结果示意图，图(b)为图(a)的局部放大示意图，图(c)为生成的完整X-Z拓扑路径示意图；

图9为本发明实施例m型楼梯投影边界图上的X-Z拓扑路径的生成示意图，其中图(a)为m型楼梯的三维形状示意图，图(b)为m型楼梯的边界示意图，图(c)为m型楼梯某一楼梯段上生成的X-Z拓扑路径示意图，图(d)为最终生成的m型楼梯的拓扑路径示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示为跨楼层建筑构件中提取三维拓扑路网的整个步骤。

S1、X-Z平面投影

如图2所示为BIM环境中的三维直角坐标系，它由三个轴组成，分别为X轴、Y轴和Z轴。与二维坐标一样，X轴是水平的，Y轴是垂直的，在三维环境中，Z轴代表深度。当y＝0时，得到一个X-Z平面。类似地，X-Y平面是z＝0时的二维平面，Y-Z平面表示x＝0时的二维平面。

确定了BIM环境中的三维直角坐标系后，X-Z平面投影问题就转换为将跨楼层建筑构件的三维形状映射到X-Z平面上的问题。将跨楼层构件三维形状中的所有点/线/面的Y轴坐标设置为y＝0，可以获得跨楼层建筑构件在X-Z平面上的投影。在X-Z平面投影过程中，三维形状中的点(x

跨楼层建筑构件C在BIM模型中连接两个不同楼层。BIM模型中的建筑构件由一系列三角形组成，这些三角形用t

X-Z平面投影图C

楼梯和坡道是BIM模型中最典型的跨楼层建筑构件。常见的楼梯有直楼梯、转角楼梯、L型楼梯、n型楼梯、m型楼梯和弯曲楼梯。直坡道和弯曲坡道是两种典型的坡道。本发明从这八种类型的跨楼层建筑构件中获得相应跨楼层构件的X-Z投影图，发现跨楼层建筑构件的X-Z投影图不存在相互重叠的部分。因此，跨楼层建筑构件C的X-Z投影图C

S2、边界提取

边界提取是提取跨楼层构件X-Z投影图C

跨楼层构件X-Z投影图的外边界线b由一系列线段组成，每一条线段都是边缘线的一小部分，因此，b＝(e

两条相邻线段e

叉积V是向量空间中向量的二元运算。它的运算结果是一个伪向量而不是一个标量，并且两个向量的叉积垂直于两个向量。向量p

V＝(V

其中，V

因为边缘线p

如果X-Z投影图中的e

如图4所示为两条相邻边界线及其转角的示例图。图中的平面几何图形由一系列三角形组成。给定一条边界线e

对于边界线上的某一顶点，以其为顶点的相邻两条边界线之间的转角最大，本发明可以提取出边界上的所有边缘线。

如图5所示为弯曲楼梯X-Z投影图的边界提取过程，图5(a)为弯曲楼梯的X-Z投影图，由图可见，弯曲楼梯的X-Z投影图由一系列三角形组成。弯曲楼梯的三维形状与不同楼层的楼板相交，投影的相交线是边界的一部分。如图5(b)所示，线段e

图5(c)为边界提取的某个中间过程。线段e

图6为弯曲楼梯X-Z投影图的边界提取示例结果。

算法1(如表1所示)总结了X-Z投影图外边界提取的全部过程。第2行设置了BIM环境中的三维直角坐标系。第3行获得了跨楼层构件的X-Z投影图。第4行和第5行提取了跨楼层构件和楼板的相交线的投影线。第4行到第16行描述了X-Z投影图外边界提取的集体步骤。第17行返回了所提取的外边界线b。

表1

S3、生成X-Z拓扑路径

本发明采用一种新的边界提取算法得到了跨楼层构件投影图的边界。X-Z拓扑路径生成的目的是从跨楼层构件投影图的边界图中生成二维拓扑路径，得到的二维拓扑路径是三维跨楼层拓扑路径在X-Z平面上的投影。

由于跨楼层构件投影图的边界线一般是闭合的，且由多条边组成，因此选择正确的起始线是生成X-Z拓扑路径的首要问题。此外，对于每条起始线，起始线的两侧都可以作为路径生成的方向。为了成功地从边界线中生成X-Z拓扑路径，首先确定X-Z拓扑路径的起始线和路径生成方向。

图7所示为X-Z拓扑路径的起始线和路径生成方向的选择原理。图7(a)为跨楼层构件(楼梯)和楼板的部分截图。由于跨楼层室内路径是使人和移动机器人能够到达两个不同楼层的拓扑路径，因此跨楼层构件与楼板的相交线就是X-Z拓扑路径的起始路径。在图7(a)显示了相交线，并表示为AB，是X-Z拓扑路径的起始路径。

为了选择正确的路径生成方向，本发明首先给起始线AB作一条法线。这条法线有两个不同的方向，每个方向都可以是X-Z拓扑路径的路径方向。然而，在提取的边界图中，起始线AB两侧的情况并不相同，即边界线存在于AB线的一侧，而不存在于AB线的另一侧。起始线AB的法线必定在一个方向上与边界相交。本发明选取法线与边界线存在交点的方向作为X-Z拓扑路径的合理路径方向。如图7(b)为路径生成方向的选择原理。

如图8为生成X-Z拓扑路径的逻辑架构。图8(a)显示了跨楼层构件投影图的边界提取结果。AB线是X-Z拓扑路径的一条起始线。图8(b)给出图8(a)的局部放大图，以显示路径生成的细节，生成的拓扑路径的端点分别表示为C

步骤1、沿路径生成方向作一条短垂线

线段AB是X-Z拓扑路径生成的起始线，同时也是第一条参照线。点C

步骤2、参照线选取

步骤1中生成了短垂线C

l(φ)＝l

h(φ)＝|l

当l和h取得最小值时，得到直线MN的旋转角φ，旋转后的线段MN就是所需的参照线。通过下列公式得到旋转角φ的值：

在边界提取过程中，提取的边界线可能存在一些间隙。当直线MN旋转通过这些间隙时，直线MN与边界线没有交点。此时l

在生成三维跨楼层拓扑路径的过程中，跨楼层构件上通常只存在一条合适的路径。但是，对于某些具有不规则三维形状的跨楼层构件，其上有可能存在不止一条可通行路径。例如，m型楼梯的上半部分存在两条拓扑路径。图9为m型楼梯的X-Z拓扑路径生成的详细信息。图9(a)为m型楼梯的三维形状。m型楼梯的上半部分有两个梯段，下半部分只有一个梯段。因此在m型楼梯的上半部分存在两条拓扑路径。因为X-Z拓扑路径的起始线是楼梯和楼板的相交线，则m型楼梯具有三条起始线。图9(b)为m型楼梯的边界图。在该边界图中生成X-Z拓扑路径时，端点C

根据步骤1和步骤2，可以确定点C

S4、拓扑路径与BIM构件交互

拓扑路径与BIM构件交互通过将X-Z拓扑路径与BIM模型中的三维构件进行交互来得到最终的三维跨楼层拓扑路径。

生成的X-Z拓扑路径是由有限条短垂线组成的，每条短垂线具有两个顶点。在拓扑路径与BIM构件交互和室内路径规划应用中，利用生成的X-Z拓扑路径中已有的顶点可以显著降低计算复杂度。将存在于生成的X-Z拓扑路径中的n+1个顶点C

对于生成的X-Z拓扑路径中的保留点f＝(x

算法2(如表2所示)总结了跨楼层三维拓扑路径生成的整个步骤。第2行和第3行获取全部的起始线。第4行到第17行详细讲述了X-Z拓扑路径的生成过程。第18行是拓扑路径和BIM构件的交互操作，此步骤生成最终的跨楼层拓扑路径。

表2

以上所述的实施例仅是对本发明优选方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。