2015 第5讲 三维空间分析方法
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日照时间：任意一点在任意一天全天接受日照的时间 平均日照时间测试：任意一点一年中平均每天接受日照的时间 日照圆锥面：由全天不同时刻太阳光的方向线共同构成 地面日照等时线：DEM范围内日照等时线的绘制
日照棒影原理
08:38
城市天际线
City Skyline for Hong Kong Using GIS and Urban Design Guidelines
2015/4/28
第5讲 三维空间分析方法
朱 庆
三维空间分析
① 数据库视图 , 按一般 GIS 数据模型表示 空间信息的数据集 ② 可视化视图, 显示特征及其相互关系的 一组地图或其他视图 ③ 处理视图, 从已有数据集导出新数据集 的一系列信息转换处理
Analyze geospatial data in three dimensions to address problems that simply can't be solved in 2D
08:38
1
2015/4/28
高性能三维空间分析
① 基于图形的方法和基于数据的方法 ② 矢量化计算和栅格化计算的方法 空间决策支持
适宜性评价 日照分析 可视分析 管线分析 水文分析 模拟评估
通用分析
几何分析 表面分析 网络分析 统计分析
基础算法
3D 相交 3D 点集查询 3D 离散化 3D 布尔操作
第二阶段：
交互式模拟预报阶段
第三阶段：
第一阶段：
1960
1980
1990
应用
城市空间开放度的 评价以及城市开放 空间的分类
应用
视觉开放度评价 视觉开放度变化分析 环境敏感度评价
视线分析
空间句法
应用拓展
视觉景观色彩分析 视觉景观纹理分析 视觉景观层次分析 视觉景观构成分析 建筑轮廓线分析
视觉分析
08:38
16
2015/4/28
视觉开放度分析
V-VOI Value
view1
地下工程开挖
动态计算隧道开挖施工过程中挖掘的土石方量，显示开挖地层信息， 以及开挖过程中每层地层将要挖掘的土石方量和开挖的地层信息
① 以隧道开挖基线为准，根据预期开挖隧道的形状（如拱形、圆形等）和 参数（如宽、高和半径）生成隧道的轮廓曲面 ② 将生成的隧道轮廓曲面与地质体进行剪切，把剪切下来的体进行填挖运 算，得到隧道开挖土石方量 ③ 同时将开挖过程进行动态演示，开挖量进行动态更新
08:38
适宜性评价单元剖分
宏观区域的平面单元法
道路 规划地块图
223424
评估单元 及编码
竖 向 分 层 空间实体 其他要素分布图
平面 划分
矢量单元 栅格单元
竖向 划分
浅 层： 0～10m 次浅层：10～30m 次深层：30～50m 深 层： 50～100m
08:38
9
2015/4/28
适宜性评价单元剖分
visibility graph (H. Everett,1990) (Turner,2001)
spherical analyses 球面投影—天空开 放度(Teller,2002)
三维可视体分析 模型SOI(Fisher 2003,2005)
平面投影—视觉开放度 分析模型VOI，2005
应用
应用
天空开放度 平均视线长度 天际线规则度
道路网络模型发展趋势
概念
分类 道路中心线 R Roadway Centerline
转 行车道 道 LC 路 R 向 Carriageway S 表 几 何
特点
动 适用性 实 对 际 的
移
面 向
态 向 基 三 车 息 由物理分隔带或双黄线划分 ， 信 于 维 车辆轨道数据 道 尺 息 考虑实际的车辆行为 特 道 交通流分析和建模 度 征 双向或单向 路 道 实 路 非 际 中 把现实中每个车辆行驶车道 平 车 心 作为建模单元 ，单向 面 道 线 三 维 络 交通管理和 道 模 高层次应用 路 型 2007
体 缓 冲
10
08:38
5
2015/4/28
① 一般的剪切都在点、线、面与体模型之间进行，当这 种运算应用于两个体对象时，就被称为布尔运算 ② 基本的操作包括交、并、差等几种运算
08:38
难以处理复杂三维实体模型 考虑的三维空间关系比较单一 局限于小规模场景数据 性能
提出BSP与R树混合索引，有效处理 复杂实体模型及其拓扑关系 多核并行处理 基于TB级空间数据库的高性能分析
大城市
中小城市
大城市
日照标准日 日照时数（h） 有效日照时间带（h） 日照时间计算起点 ≥2 8-16
大寒日 ≥3 9-15
冬至日 ≥1
底层窗台面（室内地坪0.9m高的外墙位置）
08:38
18
2015/4/28
①在日照时间计算中，最基本的是要求计算太阳高度和太 阳方位百度文库太阳高度角是一天中太阳高度角的最大值（除 极地部分地区外），夏至时最大，冬至时最小 ②日照分析则提供对日照时间和日照平均时间准确计算的 结果
Victoria Harbor
08:38
19
2015/4/28
临水建筑合理排列形成城市冷桥与城市风道
高度轮廓差异促进城市空气流动
08:38
城市街道三维温度场在建筑物上的表现
城市环境风速三维表示
污染物水平方向扩散模拟
三维地下水流动和污染物运移
08:38
20
2015/4/28
城市街道三维噪声模型
典型的三维空间分析功能
三 维 查 询 与 度 量 分 析
实体内部属性 查询 三维点集区域 查询 等值面提取 等值体提取 空间距离/坡度 计算 表面积计算 体积计算 地形 因子 坡度 坡向 曲率 可 视 性 分 析 通视分析 可视域 可视表面 叠置分 析
三 实体集 维 合运算 几 何 分 析
缓冲区 分析
08:38
三维专题图
08:38
22
2015/4/28
通过城市感知、数据挖掘、智能提取和服务提供这四个主要环 节来建立一个城市级别的计算生态系统
研究范围
交通流 人类移动 能量消耗 环境 经济 人口
……
可用数据
移动电话信号 人和车的GPS轨迹 公共交通系统售票数据 用户生成内容 交通传感器网络 环境传感器网络 信用卡交易记录 ……
08:38
6
2015/4/28
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7
2015/4/28
Extracting a solid description from a boundary description based on the semantic relationship
08:38
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8
2015/4/28
视觉景观分析 资源分配 连通分析 网 络 测 度 指 数 β指数 冲突分析 流域 分析 网络提取 流域分割 地面淹没 地下淹没 爆管/塞管 碰撞检测 流程距离 缓冲分析 剖面分析 地 质 分 析 地质体剪切分析 井巷掘进模拟 隧道开挖模拟 剖面分析（斜、平、竖） 基坑挖掘 沟槽切割 栅栏图制作 构造体平衡分析 地层沉降史正反演分析
微观区域的立体单元法
08:38
适宜性评价单元剖分
08:38
10
2015/4/28
CBD地下空间的适宜性评价
①地层与构造 ②岩土条件 ③地下水环境 ④地面功能布局 ⑤已开发利用现状
08:38
在三维空间中寻径
① 三维网络模型与最佳路径搜索 ② 基于明显地标的路径导航
08:38
11
2015/4/28
典 型 领 域 应 用 模 型 分 析
淹没 分析 管线 分析
2
2015/4/28
① 求交，内插，剖切 ② 几何计算 距离，周长，面积，体积 方位，坡度 ③ 缓冲区分析，叠置分析 ④ 可视域
08:38
基于图形的分析
常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、邻近分析与空 间联结等方法都是以图形操作为主
城市街道噪声污染分析
08:38
单个建筑物周围的风场分析 城市局部环境的离散化有限元分析
三维城市模型与大气模型的耦合及其高性能计算
08:38
21
2015/4/28
基于数据的分析
基于图形的三维空间分析涉及到大量空间数据的运算和 复杂空间关系的判断，如何保证三维空间分析的准确性、 效率和可靠性，三维地质体自适应插值分析和三维空间 实体布尔运算及矢量剪切等是共性难点问题 基于数据的空间分析的理论基础是空间统计学，统计分 析是常用的数据分析方法之一 空间数据挖掘：从空间数据库中抽取未显示的、为人们 感兴趣的空间模式和特征，如空间分布差异与动态变化 等信息
交 并 差 均衡差 点 线 面 体 2.5D+2D 2.5D+2.5D 2.5D+3D 3D+3D
统 计 分 析
基本统计量 空间回归分析 空间聚类分析 空间相关分析 趋势面分析 空间拟合分析 空间内 插 克里 格 反距 离权 四面 体
网 络 分 析
最优路径 分析 室内外寻 径分析
日照分析
阴影分析 日照圆锥分析 日照等时线
缓冲区分析（Buffer analysis）：根据点、线、面实体自动建立其 周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在任 意方向得以扩展的信息分析方法
08:38
3
2015/4/28
复杂三维空间分析方法
复杂三维空间分析的关键算子：三维空间索 引支持下的三角形面片快速求交
08:38
实 体 模 型 的 矢 量 剪 切 流 程
08:38
4
2015/4/28
三维叠置分析
矢量方法：精度高，算法复杂，效率低
08:38
栅格缓冲区分析
距离变换：适合三维空间各向异性的非均质表达， 效率高，精度较低
曲 线 缓 冲
不 同 密 度 网 格 ， 同 等 缓 冲 半 径 的 曲 面 缓 冲
折 线 缓 冲
08:38
突破时间、空间和尺度的局限，超越现实、增强现实的能力
① 需要清楚地知道哪层楼、 哪个房间直接受到影响？ 以及可能间接影响到的 其他房间 、楼层和更复 杂的水电气等管线设 施… ② 准确分析安全可行的救 援路线和方案
事故现场的三维逼真模拟
08:38
23
2015/4/28
08:38
实时预报校正阶段 联机式水文自动遥测洪水警报系统
回路 数k α指数
空间凸壳计算 空间凸分解 三维拓扑分析 三维闵可夫斯基和 计算 三维空间相交检测
三 维 表 面 分 析
等值线提取 填挖计算 剖面 分析 地形 剖面 建筑 剖面
三 维 网 格 离 散 分 析
四面体剖分 不规则六面体剖 分 规则六面体剖分 3D Voronoi图 正交曲线网格 TIN剖分 2D Voronoi图 四边形网格剖分 γ指数 网络地址 匹配 三维动态 分段
08:38
08:38
15
2015/4/28
08:38
可视性分析
从可视性分析 到视觉分析
视域分析：从2D到3D
通视性分析 intervisibility analysis
视域分析 Isovist,view shed
应用
ISOVIST (Benedikt, 1979) 应用
建筑原型分类 空间形态结构
view2
Road Axes
08:38
08:38
17
2015/4/28
动态日照阴影
08:38
住宅建筑需要适宜的日照，主要目的是为了能使室内有良 好的卫生条件，起消灭细菌和干燥潮湿房间的作用，以及 在冬季能使房间获得太阳辐射热而提高室温 WHO对健康住宅的日照时数确定为一天3小时以上
I、II、III、VII气候区 建筑气候区别 IV气候区 中 小 城 市 V、VI 气候区
08:38
象 以道路中线为建模单元 竖 小比例尺宏观分析 车 ， 向 道 双向或单向 简单快速 时 横 信 行
宏观
网
实际车道 L 图 Lane 论
1960
微观
1996
室外三维寻径与导航
08:38
12
2015/4/28
The 13 Percent Technology ： GIS domain has always been the outdoors，but the average American only spends 13 percent of the time outdoors
08:38
13
2015/4/28
08:38
室内火灾模拟与应急疏散
① ② ③ 最短距离、最快撤离、不
会拥挤
14
2015/4/28
面向室内火灾动态分析的三维建筑信息模型
普遍缺少面向室内火灾专题语 义的关键设施部件及层次关系 描述，不适合火灾发生时的内 部空间划分且很难建立室内空 间的立体关联，急需规范与统 一其语义描述与信息表达 普遍面向室内导航，对室内空 间在语义层次的抽象划分与多 重关联往往针对建筑内部结构 空间的静态特征，难以应对室 内火灾的高动态环境变化所引 发的建筑部件功能、状态与生 命周期的改变
日照棒影原理
08:38
城市天际线
City Skyline for Hong Kong Using GIS and Urban Design Guidelines
2015/4/28
第5讲 三维空间分析方法
朱 庆
三维空间分析
① 数据库视图 , 按一般 GIS 数据模型表示 空间信息的数据集 ② 可视化视图, 显示特征及其相互关系的 一组地图或其他视图 ③ 处理视图, 从已有数据集导出新数据集 的一系列信息转换处理
Analyze geospatial data in three dimensions to address problems that simply can't be solved in 2D
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1
2015/4/28
高性能三维空间分析
① 基于图形的方法和基于数据的方法 ② 矢量化计算和栅格化计算的方法 空间决策支持
适宜性评价 日照分析 可视分析 管线分析 水文分析 模拟评估
通用分析
几何分析 表面分析 网络分析 统计分析
基础算法
3D 相交 3D 点集查询 3D 离散化 3D 布尔操作
第二阶段：
交互式模拟预报阶段
第三阶段：
第一阶段：
1960
1980
1990
应用
城市空间开放度的 评价以及城市开放 空间的分类
应用
视觉开放度评价 视觉开放度变化分析 环境敏感度评价
视线分析
空间句法
应用拓展
视觉景观色彩分析 视觉景观纹理分析 视觉景观层次分析 视觉景观构成分析 建筑轮廓线分析
视觉分析
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视觉开放度分析
V-VOI Value
view1
地下工程开挖
动态计算隧道开挖施工过程中挖掘的土石方量，显示开挖地层信息， 以及开挖过程中每层地层将要挖掘的土石方量和开挖的地层信息
① 以隧道开挖基线为准，根据预期开挖隧道的形状（如拱形、圆形等）和 参数（如宽、高和半径）生成隧道的轮廓曲面 ② 将生成的隧道轮廓曲面与地质体进行剪切，把剪切下来的体进行填挖运 算，得到隧道开挖土石方量 ③ 同时将开挖过程进行动态演示，开挖量进行动态更新
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适宜性评价单元剖分
宏观区域的平面单元法
道路 规划地块图
223424
评估单元 及编码
竖 向 分 层 空间实体 其他要素分布图
平面 划分
矢量单元 栅格单元
竖向 划分
浅 层： 0～10m 次浅层：10～30m 次深层：30～50m 深 层： 50～100m
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适宜性评价单元剖分
visibility graph (H. Everett,1990) (Turner,2001)
spherical analyses 球面投影—天空开 放度(Teller,2002)
三维可视体分析 模型SOI(Fisher 2003,2005)
平面投影—视觉开放度 分析模型VOI，2005
应用
应用
天空开放度 平均视线长度 天际线规则度
道路网络模型发展趋势
概念
分类 道路中心线 R Roadway Centerline
转 行车道 道 LC 路 R 向 Carriageway S 表 几 何
特点
动 适用性 实 对 际 的
移
面 向
态 向 基 三 车 息 由物理分隔带或双黄线划分 ， 信 于 维 车辆轨道数据 道 尺 息 考虑实际的车辆行为 特 道 交通流分析和建模 度 征 双向或单向 路 道 实 路 非 际 中 把现实中每个车辆行驶车道 平 车 心 作为建模单元 ，单向 面 道 线 三 维 络 交通管理和 道 模 高层次应用 路 型 2007
体 缓 冲
10
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① 一般的剪切都在点、线、面与体模型之间进行，当这 种运算应用于两个体对象时，就被称为布尔运算 ② 基本的操作包括交、并、差等几种运算
08:38
难以处理复杂三维实体模型 考虑的三维空间关系比较单一 局限于小规模场景数据 性能
提出BSP与R树混合索引，有效处理 复杂实体模型及其拓扑关系 多核并行处理 基于TB级空间数据库的高性能分析
大城市
中小城市
大城市
日照标准日 日照时数（h） 有效日照时间带（h） 日照时间计算起点 ≥2 8-16
大寒日 ≥3 9-15
冬至日 ≥1
底层窗台面（室内地坪0.9m高的外墙位置）
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2015/4/28
①在日照时间计算中，最基本的是要求计算太阳高度和太 阳方位百度文库太阳高度角是一天中太阳高度角的最大值（除 极地部分地区外），夏至时最大，冬至时最小 ②日照分析则提供对日照时间和日照平均时间准确计算的 结果
Victoria Harbor
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2015/4/28
临水建筑合理排列形成城市冷桥与城市风道
高度轮廓差异促进城市空气流动
08:38
城市街道三维温度场在建筑物上的表现
城市环境风速三维表示
污染物水平方向扩散模拟
三维地下水流动和污染物运移
08:38
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2015/4/28
城市街道三维噪声模型
典型的三维空间分析功能
三 维 查 询 与 度 量 分 析
实体内部属性 查询 三维点集区域 查询 等值面提取 等值体提取 空间距离/坡度 计算 表面积计算 体积计算 地形 因子 坡度 坡向 曲率 可 视 性 分 析 通视分析 可视域 可视表面 叠置分 析
三 实体集 维 合运算 几 何 分 析
缓冲区 分析
08:38
三维专题图
08:38
22
2015/4/28
通过城市感知、数据挖掘、智能提取和服务提供这四个主要环 节来建立一个城市级别的计算生态系统
研究范围
交通流 人类移动 能量消耗 环境 经济 人口
……
可用数据
移动电话信号 人和车的GPS轨迹 公共交通系统售票数据 用户生成内容 交通传感器网络 环境传感器网络 信用卡交易记录 ……
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Extracting a solid description from a boundary description based on the semantic relationship
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视觉景观分析 资源分配 连通分析 网 络 测 度 指 数 β指数 冲突分析 流域 分析 网络提取 流域分割 地面淹没 地下淹没 爆管/塞管 碰撞检测 流程距离 缓冲分析 剖面分析 地 质 分 析 地质体剪切分析 井巷掘进模拟 隧道开挖模拟 剖面分析（斜、平、竖） 基坑挖掘 沟槽切割 栅栏图制作 构造体平衡分析 地层沉降史正反演分析
微观区域的立体单元法
08:38
适宜性评价单元剖分
08:38
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CBD地下空间的适宜性评价
①地层与构造 ②岩土条件 ③地下水环境 ④地面功能布局 ⑤已开发利用现状
08:38
在三维空间中寻径
① 三维网络模型与最佳路径搜索 ② 基于明显地标的路径导航
08:38
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典 型 领 域 应 用 模 型 分 析
淹没 分析 管线 分析
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① 求交，内插，剖切 ② 几何计算 距离，周长，面积，体积 方位，坡度 ③ 缓冲区分析，叠置分析 ④ 可视域
08:38
基于图形的分析
常规的缓冲区分析、叠置分析、网络分析、邻近分析与空 间联结等方法都是以图形操作为主
城市街道噪声污染分析
08:38
单个建筑物周围的风场分析 城市局部环境的离散化有限元分析
三维城市模型与大气模型的耦合及其高性能计算
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基于数据的分析
基于图形的三维空间分析涉及到大量空间数据的运算和 复杂空间关系的判断，如何保证三维空间分析的准确性、 效率和可靠性，三维地质体自适应插值分析和三维空间 实体布尔运算及矢量剪切等是共性难点问题 基于数据的空间分析的理论基础是空间统计学，统计分 析是常用的数据分析方法之一 空间数据挖掘：从空间数据库中抽取未显示的、为人们 感兴趣的空间模式和特征，如空间分布差异与动态变化 等信息
交 并 差 均衡差 点 线 面 体 2.5D+2D 2.5D+2.5D 2.5D+3D 3D+3D
统 计 分 析
基本统计量 空间回归分析 空间聚类分析 空间相关分析 趋势面分析 空间拟合分析 空间内 插 克里 格 反距 离权 四面 体
网 络 分 析
最优路径 分析 室内外寻 径分析
日照分析
阴影分析 日照圆锥分析 日照等时线
缓冲区分析（Buffer analysis）：根据点、线、面实体自动建立其 周围一定宽度范围内的缓冲区多边形实体，从而实现空间数据在任 意方向得以扩展的信息分析方法
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复杂三维空间分析方法
复杂三维空间分析的关键算子：三维空间索 引支持下的三角形面片快速求交
08:38
实 体 模 型 的 矢 量 剪 切 流 程
08:38
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三维叠置分析
矢量方法：精度高，算法复杂，效率低
08:38
栅格缓冲区分析
距离变换：适合三维空间各向异性的非均质表达， 效率高，精度较低
曲 线 缓 冲
不 同 密 度 网 格 ， 同 等 缓 冲 半 径 的 曲 面 缓 冲
折 线 缓 冲
08:38
突破时间、空间和尺度的局限，超越现实、增强现实的能力
① 需要清楚地知道哪层楼、 哪个房间直接受到影响？ 以及可能间接影响到的 其他房间 、楼层和更复 杂的水电气等管线设 施… ② 准确分析安全可行的救 援路线和方案
事故现场的三维逼真模拟
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23
2015/4/28
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实时预报校正阶段 联机式水文自动遥测洪水警报系统
回路 数k α指数
空间凸壳计算 空间凸分解 三维拓扑分析 三维闵可夫斯基和 计算 三维空间相交检测
三 维 表 面 分 析
等值线提取 填挖计算 剖面 分析 地形 剖面 建筑 剖面
三 维 网 格 离 散 分 析
四面体剖分 不规则六面体剖 分 规则六面体剖分 3D Voronoi图 正交曲线网格 TIN剖分 2D Voronoi图 四边形网格剖分 γ指数 网络地址 匹配 三维动态 分段
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可视性分析
从可视性分析 到视觉分析
视域分析：从2D到3D
通视性分析 intervisibility analysis
视域分析 Isovist,view shed
应用
ISOVIST (Benedikt, 1979) 应用
建筑原型分类 空间形态结构
view2
Road Axes
08:38
08:38
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2015/4/28
动态日照阴影
08:38
住宅建筑需要适宜的日照，主要目的是为了能使室内有良 好的卫生条件，起消灭细菌和干燥潮湿房间的作用，以及 在冬季能使房间获得太阳辐射热而提高室温 WHO对健康住宅的日照时数确定为一天3小时以上
I、II、III、VII气候区 建筑气候区别 IV气候区 中 小 城 市 V、VI 气候区
08:38
象 以道路中线为建模单元 竖 小比例尺宏观分析 车 ， 向 道 双向或单向 简单快速 时 横 信 行
宏观
网
实际车道 L 图 Lane 论
1960
微观
1996
室外三维寻径与导航
08:38
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The 13 Percent Technology ： GIS domain has always been the outdoors，but the average American only spends 13 percent of the time outdoors
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室内火灾模拟与应急疏散
① ② ③ 最短距离、最快撤离、不
会拥挤
14
2015/4/28
面向室内火灾动态分析的三维建筑信息模型
普遍缺少面向室内火灾专题语 义的关键设施部件及层次关系 描述，不适合火灾发生时的内 部空间划分且很难建立室内空 间的立体关联，急需规范与统 一其语义描述与信息表达 普遍面向室内导航，对室内空 间在语义层次的抽象划分与多 重关联往往针对建筑内部结构 空间的静态特征，难以应对室 内火灾的高动态环境变化所引 发的建筑部件功能、状态与生 命周期的改变