第1章绪论
1.1研究背景
近一个多世纪以来，地理信息系统科学与技术在全球范围内引起了广泛的关注，并取得了可观的进展[1-2]。早在二十世纪六十年代，有“GIS之父”之称的加拿大测量学专家罗杰汤姆林森（R.RTomlinsorL)首次提出了地理信息系统(GIS)这个概念，他主持并开发了加拿大地理信息系统[3]，这是世界上第一个实际投入使用的GIS系统。汤姆林森认为数字形式地图更便于计算机进行处理和分析。这是最早的二维GIS系统。二维GIS在各个行业应用广泛，如城市规划，土地管理，城市管网，交通运输等等W。但随着技术的发展，简单的二维GIS已经不能满足人们对三维连续空间数据处理的需求，它对描述三维世界无能为力。上个世纪末在加利福尼亚科学中心，美国时任副总统戈尔于幵幕典礼上发表演说，题为“数字地球：认识二十一世纪我们所居住的星球”。数字地球(digitalEarth)就此提出，它是一个与GIS、网络、虚拟现实等密切相关的概念。数字地球的概念对全球产生了巨大的影响，戈尔认为数字地球是“地球三维多分辨率呈现、允许大量地理数据放入”[5],是关于整个地球、GIS与虚拟现实、网络等多种技术相结合的产物。城市是地球上信息最密集的地区，工业化革命之后城市呈现急剧膨胀的现象，如何有效管理城市建设城市变得日益重要起来。随着数字地球概念席卷全球，数字城市（digital City)应运而生其以计算机技术、大规模存储技术和多媒体技术为基础，依赖网络传输，运用GPS、RS、GIS、遥测、仿真-虚拟等技术，进行城市多尺度、多分辨率、多种类、多时空三维描述，利用信息技术手段在网络上进行过去、现在和未来的城市数字化虚拟，实现三维城市建模，这吸引了人们的目光。世界上许多城市致力于建立和完善自己的三维模型系统。
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1.2研究意义及思路
为了解决日益增长的建立数字地球、数字城市的需要，解决上节所述三维GIS中的关键问题，幵放式地理信息系统协会于2008年将城市地理标记语言CityGML (City Geography Markup Language)作为三维城市建模统一编码标准其优点在于定义了城市中常见地物类型与它们之间的关系，顾及地物的几何、拓扑、外观、语义等属性，这些属性包括专题类型间层次、聚合、地物间关系以及地物空间属性等。CityGML是基于XML格式的幵放数据模型，其作用是虚拟3D城市模型的存储与交换，其目的就是为了解决三维城市建模中遇到的数据交换、语意、拓扑信息描述等问题[13-15]。如上节所述，三维GIS发展初期没有统一标准，传统的三维城市建模，在空间数据共享、互操作方面不能满足要求，也不能满足不同应用者对数据的不同要求，模型基本上只能用于查看、欣赏，不能进行属性和专题查询、模型之间关系分析和进行空间数据挖掘等。软件生产商各自都有自己的地理信息数据结构来存储GIS数据，导致了现有的GIS软件平台大都采用各自独立的数据模型、结构、组织方式、存储和表现方式，从而无法进行系统之间以及应用之间的数据共享[16-17]。这使得重复开发不断发生，造成成本的浪费。
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第2章CityGML相关技术
2.1 CityGML基础技术
CityGML 是 GML (Geography Markup Language)的一个应用，基于可扩展标记语言 XML ( extensible Markup Language )。GML 技术和 XML 技术是CityGML技术的发展基础。1998年2月，W3C正式批准了可扩展标记语言的标准定义，XML是一种元语言，它可以被用来定义各个数据格式在XML中指定的数据格式被称为XML应用。XML时下在网络上各种各样的数据交换中起着重要作用。例如：在GIS领域的OGC的WebServices它被用来可以用XML进行数据标记、传输和存储、XML可以进行数据类型定义，允许用户定义自己的标记语言[21]。可扩展标记语言可以对文档和数据进行结构化处理，使得文档和数据描述更加准确。XML使得方便的传送软件组件成为可能，对于独立结构化数据可提供统一方法进行描述或交换。XML文档同时满足机器可读性和人类可读性，它的结构和语法类似于HTML,设计体现了正式性和精确性。XML文档的正确性可以通过应用项目的外部扩展来检测。比较著名的XML应用的例子比如：可伸缩矢量图形SVG，同步多媒体集成语言SMIL，开放式地理空间信息联盟的地理标记语言GML。
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2.2 CityGML核心技术
上一章中提到GML有很多的实际应用模型，本章将要详细介绍的CityGML便是重要的一种，它基于GML3实现，用于城市空间建模，是一种独立于应用的地理信息模型，实现三维城市可视化和景观建模[29-31]。CityGML数据模型具有开放特性，基于XML来实现虚拟三维城市模型的数据存储与交换，包括不同主题区域，例如建筑物、植被、水体、地形、交通等等。数据模型（UML)根据ISO 191XX标准家族实现。交换格式来自UML图到GML3应用模式的规则映射。现行标准由OGC定义。CityGML用来表示三维几何、三维拓扑、语意以及外观。这些表现有五个独立尺度。在CityGML研究中，现慕尼黑工业大学的Thomas Kolbe教授贡献卓越，Kolbe教授专门从事城市三维模型的研究。目前CityGML最新的版本是CityGML2.0,但是CityGML 1.0仍然是各种应用的主要标准。CityGML的具体发展过程如下表2-2: CityGML的发起组织是一个三维特别工作组(SDI 3D),这个工作组致力于德国北莱茵河威斯特法伦地理空间数据基础设施研究。这个工作组是一个开放组，包含超过七十个团体和研究机构，这些团体和研究机构都致力于可视化三维城市模型的技术和组织工作，致力于三维城市模型的商业利用。SDI3D特别工作组提出了 Web 3D Service(W3DS)，用于三维模型服务CityGML是一种通用模型，是表示3D城市的一种模板。城市和区域中地物目标类型及相互关系都可以通过CityGML来定义、CityGML还考虑几何、拓扑、语义、外观属性，包括类型间的层次、聚合、地物相互关系以及空间属性等。这些专题信息一方面是可以作为图形交换格式，另一方面可以将虚拟3D城市模型进行高级分析，用于各种应用领域，例如城市数据挖掘、模拟、专题查询、设施管理等。
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第3章模型桥梁CityGML建模..........23
3.1 CityGML建模辅助桥梁监测意义 ........23
3. 2 CityGML桥梁建模数据采集与建模........ 24
3.3 dwg文件转换Ci tyGML格式........ 27
3. 4模型桥梁CityGML建模结果........ 28
3. 5模型入库 ........36
3. 6小结........ 37
第4章CityGML可视化及转换........ 38
4. 1 CityGML建模可视化......... 38
4.2 CityGML 格式转换 ........39
4.3有限元分析应用........ 43
4. 4 小结 ........45
第5章总结与展望........ 46
5. 1 论文总结........ 46
5.2不足之处与下一步工作方向........ 46
第4章CityGML可视化及转换
4.1 CityGML建模可视化
对CityGML文件进行可视化显示选择使用FZKViewer v4.0软件。FZKViewer是一款开源的CityGML模型可视化显示软件，由德国卡尔斯鲁尔理工大学参与幵发，能够多角度可视化显示CityGML建模模型。第三章中桥梁展示都是通过FZKViewer软件实现。上图4-1中只有一行信息，因为桥梁作为一个整体以一个ID保存。这些属性包括 ID、name、discription、class、usage、measuredHeight 等等。属性中可以看出许多属性值为空，因为在转换前的dwg文件中没有设置相应值，转换过程中自动默认为空。由于桥梁模型只含有一个建筑物即桥梁本身，所有长方体部分不论是outer Bridge Construction 或是 outer Bridgelnstallation 或是 consistsOfBridgePart,他们都属于桥梁整体city Object Member。在一个cityModel中可以有多个city Object Member,每个city Object Member中可以设定自身高度，这个高度对city Object Member中所有部分都适用。本文只对一个桥梁进行CityGML建模，因此整个cityModel中只有一个city Object Member，代码中设定桥梁整体city Object Member的高度为8米，所以使用不同颜色对CityGML文件中建筑物进行区分时整个桥梁整体显示为相同颜色蓝色，总数为1。如果换成一个较为复杂含有多个建筑物的层次模型，比如有两座桥，最后文件中则会存在两个city Object Member,分别设定不同高度值，便能更直观地看到这个功能。
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总结
针对城市三维建模技术需求，本文围绕基于CityGML桥梁模型建模技术进行研究与应用，工作内容与成果如下：
(1) 在分析城市三维建模技术需求的基础上，提出了基于CityGML进行城市建模的基本技术思路。
(2) 分析了 CityGML相关技术
