（计算机应用技术专业论文）基于矢量的建筑工程图对象识别算法的研究及其应用.pdf

摘要计算机辅助建筑工程量自动计算经历了二十多年的研究，形成了基于图形输入、数据交换文件等方法，并在实际运用中起到了一定的作用，但这些方法脱离了计算机辅助建筑设计，没有从根本上解决工程量的自动获取功能，因此本文提出了一种基于矢量施工图、结合标注语义的工程量信息获取方法。本文提出的工程量信息获取方法实质上是在施工图进行矢量化的基础上，识别出各种图形对象，对其进行旋转、位移及比例不变性分类，接着识别标注语义，关联平面、立面和剖面图，从而实现建筑图三维属性及钢筋信息的获取。本文第二章提出了基于图形线索识别图形对象的方法，采用位置索引的数据结构以及位置渐进搜索的算法，对较为规则的图形效果显著；第三章利用傅氏变换提取轮廓线的特征，对图形进行第一次分类，再根据最大隶属度原则对图形再次分类，并以实例做了分析；第四章根据建筑图的特点提出一系列规则，按照这种规则识别标注，从而关联平面、立面和剖面图，获取建筑图的三维属性及钢筋信息。将上述一系列算法运用在建筑图工程量分析的过程中发现，对于规则的图形，可以实现三维属性的获取，但建筑图存在很多人为因素，解决这些问题将是今后的研究重点。关键词矢量图，傅氏变换，模糊技术，图形分类，特征参数a b s t r a c tr e s e a r c ho fc o m p u t i n ge n g i n e e r i n gq u a n t i t ya u t o m a t i c a l l yb a s e do na r c h i t e c t u r a ld r a w i n 黟h a sb e e no v e rt w e n t yy e a r s ，a n ds o m em e a s u r e sh a v eb e e nf o u n d ，s u c ha sg r 印h i c si n p u t t i n gm e t h o d ，u s i n gf i l e sb a s e do nd a t ae x d h a n g ee t c s o m em e a s u r e sa r eb e i n gu s e dp r a c t i c a l l y ，b u ta l lt h e s em e a s u r e sh a v en o tr e s o l v e dr a d i c a l l yt h ea c q u i r e m e n ta u t o m a t i c a l l yo fe n g i n e e r i n gq u a n t i t y ，b e c a u s em e yh a v eb e e ns e p a r a t e df r o ma r c h i t e c t u r a ld e s 远nw i t hc o m p u t 钉a s s i s t a n c e f i r s yt h i sp a p e ra n a l y z e dt h ee x i s t i l l gs y s t e m s t h e nam e t h o do fa c q u i r i n ga u t o m a t i c a l l yt h ei n f o r m a t i o no fe n g i n e e r i n gq u a n t i t y ，w h i c hi sc o m m o na db a s e do nv e c t o rs h o pd r a w i n ga n dl a b e l ，i sb r o u g h tf b r w a r d m e t h o d so fa c q u i r i n ga u t o m a t i c a l l yt h ei n f o r m a t i o no fe n g i n e e r i n gq u a n t i t yi nt h i sp a p e 工a r ea c t u a 儿yam e a s u r e m e n to fi n f o m a t i o na c q u i r e m e n tb a s e do nv e c t o re n g i n e e r i n gd r a w i n g s e n g i n e e r i n gd r a w i n g sa r er e c o g n i z e da n dc l a s s i f i e dw i t h o u tt h i r l l ( i n go ft h e i re d d y ，d i s p l a c e m e n ta n ds c a l e t h e nt h ew h o l ei n f b r m a t i o no fi c h n o g r a p h ya ! l dc u t a w a yi sa c q u i r e da c c o r d i n gt ol a b e l s s ot f i p l ed i m e n s i o n a li n f o r m a t i o no fa r c h i t e c t u r a ld r a w i n g sa n di n f o r m a t i o no fs t e e lc o u l db ea c q u i r e d t h es e c o n dc h a p t e rb r i n g sf o r w a r dak i n do fm e t h o db a s e do ng m p h i c sd u e ，i tm a k e su s eo fc o o r d i n a t ei n d e xa n dm e a s u r eo fs e a r c hl i t t l eb yl i t ed i s p l a c e m e n ta n dc a i ls u c c e s s f u l l yr e c o g n i z er e g u l a rg r a p h t h et h i r dc h a p t e rp i c k su pf e a t u r e so fc o n t o u r1 i n eb yf o u r i e st f a n s f a c t i o n ，e l e m e n t so fe n g i i l e e r i n gd r a w i n g sa r cc a t e g o t i z e df o rt h ef i r s tt i m e ，t h e nc a t e g o r i z e db yp r i n c i p l eo fm a x i m a ls u b j e c t i o nv a l u ef o rt h es e c o n dt i m e ，t h ec l a s s i f i e da l g o r i t h mi sa n a l y z e db ye x a m p l e t h ef o u r t hc h a p t e rb r i n g sf o r v 矿a r das e r i e so fp r i n c i p l e sb yt h ef 色a t u r eo fe n g i n e e r i n gd r a w i n g s ，t h ec o i n p r e h e n s i o no fl i b e l sb yt h e s ep r i n c i p l e sm a k ei c h n o g r a p h ya s s o c i a t ew i t hc u t a w a yv i e w ，t h e nt h r e e - d i m e n s i o n a la t t r i b u t e so fe n g i n e e r i n gd r a w i n g sa n di n f o r m a t i o no fr e i n f o r c i n gs t e e lb a fc a nb ea c a u i r e d a n e rm e s ea l g o i i t h m sa r ea p p l i e dt oc o m p u t a t i o no fe n 舀n e e r i n gq u a n t i t y ，w ef i n di tc a nd e a lw i t hr e g u l a ra r c h i t e 咖m ld m w i n g s ，b u ts o m em a n m a d ef a c 幻r si m p a c to nt h er e s u l t ，s or e s o l v i n gm e s ep r d b l e m sw i l lb et h ee m p h a s e so f r c s e a r c hf o rt h ef u t u r e k e yw o r d ss h o pd r a w i n g ，f o u r i e st r a n s f a c t i o n ，f u z z ys e t s ，g r a p h i c sc a t e g o r i z a t i o n ，f e a t u r ep a r a m e t e ri n原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：豇点黍日期：巡年旦月驾日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：翮签掣吼丑幽掣日硕士学位论文第一章绪论1 1选题背景第一章绪论信息技术的迅速发展以及国内市场经济体制的逐步完善，企业竞争的环境发生了很大的变化，因此缩短产品的生产周期、降低产品的生产成本、提高产品的生产质量已经成为企业发展的主要因素。由于产品设计已经决定产品的内外在质量，因此设计方法的优劣关系到企业能否适应环境的变化，能否提高企业产品竞争力的决定性因素。建筑工程设计和产品设计都是设计方法学研究的重要应用领域。产品设计一般可描述为将一组功能上的需求转化成一个具体实现结果的过程，是一个涉及到各种学科知识应用的分析和综合系统，系统输入的是能量、材料、信号等信息，输出的是符合特定功能要求的实体。它涉及到经济、社会、环境等许多因素，需要经验和创作灵感的有机统一，是个复杂的系统工程。对产品设计系统中的变化规律目前还没有一个完美有效的描述方法。但一致都认为，产品设计仅仅是一个问题求解的过程，它利用现有的知识、资源或者已经存在的产品来创造新的产品的过程。产品设计自从形成了系统化设计方法以来，为了探究设计的本质规律，用形式化的方法来表达设计过程，抽象化与模式化一直被看作是设计方法学研究的重点f 1 ) 。在计算机辅助设计被广泛采用之前，人们通过对机械产品设计过程的阶段性划分和层次化表达，提出了框架化的过程描述方法和条目化的设计准则。c a d 技术在产品设计中的应用，特别是现代设计与制造技术的不断涌现，不仅大大提高了设计师进行产品设计的能力，而且深刻的改变了产品设计模式，产品信息模型构造与产品设计过程相结合，更能反映产品设计的本质及其特点。建筑工程同样可以看成是一件产品，它的设计是人们为了满足某些功能需求而进行的建筑方案设计、结构设计以及施工组织设计的一系列综合过程，涉及到城市规划、建筑、结构、给排水、采暖、通风空调、电气和预算等许多专业领域。一直以来，产品设计与建筑工程设计过程都是按阶段划分，逐步进行的。产品设计遵循的顺序：概念设计、详细设计、工艺设计、加工制造、实验验证、设计修改；而建筑工程设计过程一般需要经历方案设计、初步设计、施硕士学位论文第一章绪论工图设计三个阶段。1 。设计过程实际上是产品设计概念与设计信息的逐步演变过程，从用户需求开始，直到完成技术文件构成了个产品设计的全部阶段。不同设计阶段之间的转化和信息继承是过程进行的内在本质，设计过程的每个阶段都是在上一阶段设计结果的基础上产品设计信息的逐步进化，产品设计的过程性和继承性特点，表现了对产品设计信息和设计过程诸要素的继承和演化，如图1 1 所示。图1 1 建筑工程的设计过程建筑产品设计的过程性和继承性主要表现在以下两个方面”3 ：建筑工程设计从需求分析到详细设计的全过程中，各个阶段彼此之间相互关联、相互影响、相互反馈，任意一个设计阶段都是对前一阶段的继承和发展，设计的当前阶段离不开上一阶段的支持；在建筑产品信息建模进化中，当前模型包含的产品信息及其设计过程是建模修改和进化的重要依据。虽然建筑工程设计与产品设计的过程和方法不完全相同，但是它们都具备同一个特点：工程图形是设计概念和产品设计信息的主要表现形式，其中主要采用表现形式就是正投影画法的投影视图，比如机械工程图、建筑工程图。由于工程图目的是为了让人理解，它是以低层次的图形元素来表示高层次的设计和制造特征的，因此很难形成对工程图纸的一致的理解。为了更充分、更有效的利用早期的产品设计效果，实现机械产品c a d c a p p c a m 的有机结合，机械图样的计算机理解和三维重建被用来识别具有特定意义的设计和制造特征，并进而实现二维的工程图到三维模型的转化。由于工程图形的共同投影特点，通过基于图形理解实现建筑图样中建筑物功能部件的识别以及建筑物三维结构数据模型的重建不仅是可能的，而且还将为建筑工程设计各专业和设计过程各个阶段的产品设计信息交换、继承及各专业的集成提供新的途径，建筑工程设计过程和产品设计信息演进如图1 2 所示“1 。随着计算机技术、信息技术和网络通信技术的迅猛发展，计算机辅助设计2硕士学位论文第一章绪论的技术已经广泛应用于建筑业的各个方面。建筑行业主要的计算机应用系统可归纳为“3 ：计算机辅助设计与制造、计算机辅助施工、管理信系统、城市地理图1 2 建筑工程设计的信息演进过程信息系统等。c a d 技术的进步推动了建筑工程设计领域的发展，并覆盖了建筑、结构、给排水、电气、采暖通风等建筑工程设计的全过程。计算机辅助施工技术应用于管理和辅助施工项目建设的全过程，涉及概预算、工程项目管理和施工组织等施工领域的方方面面。由于目前建筑行业c a d 软件的过程建模以及图形信息建模能力有限，使得许多c a d 系统仅仅限于建立几何模型，擅长设计阶段中某一时刻设计的过程信息，造成了图形设计与设计过程的分离。所以，传统c a d 软件系统主要用作绘图工具而不是设计工具，设计各阶段的模型转化和信息继承难以有效的展开，同时也给软件的继承与发展带来了很多困难。因此，总的来说建筑工程中c a d技术的应用是有效的提高了设计质量和效率，但由于c a d 技术与方案设计、概预算、施工等各方面缺乏融合能力，这也就阻碍了c a d 技术应用于建筑行业并向更深层次的发展，难以满足现行c a d 技术的三个特征”1 ：完整性：在设计过程的各个阶段均能辅助设计人员的设计活动；灵活性：对于产品设计中所涉及的任何对象均能为设计人员提供辅助的方法；集成性：可与其它相关的系统一起使用。本文的研究内容是在上述背景下提出的，主要目的是提供一种基于矢量的施工图信息获取方法。通过图形识别算法，对其分类并结合标注语义的理解，实现工程量信息获取的自动化，促进建筑工程设计和概预算编制的有机结合和一体化，提高计算机辅助建设工程设计的完整性和灵活性。本文中，建筑施工3硕士学位论文第一章绪论图是工程量信息的载体，图形有效的分类识别是工程量信息获取的手段。1 2 工程量自动计算在国内外发展现状1 2 1 工程量自动计算在国内发展现状国内建筑施工单位运用计算机辅助应用技术也发展了几十年。1 9 7 5 年北京市建工局、天津市建工局和山东省建工局在原国建委建筑科学研究院经济室的指导下，在国产第二代计算机4 4 l b 3 上设计适合北京市、天津市和山东省的预算软件。天津市建工局和山东省建工局定期到北京上机处理，坚持了五年多，为建筑旌工企业应用计算机的第一例。1 9 8 3 年中国建筑科学研究院计算中心和北京市合作使用d b a s e 做预算定额库，编制出长城0 5 2 0 a 微机版的预算软件，北京市还发放了许可证，这是国内最早的预算软件应用之一“1 。从此以后，我国很多科研入员参与了预算工程量自动化的研究，也取得了许多研究成果，已有不少软件已经在实际工程中得到初步应用，在定程度上提高了预算水平和速度。现在国内建筑工程量计算软件采取的方案及研究现状是”“”：利用统筹法原理，采用表格输入方式的建筑工程量计算软件。统筹法是对计算工程量的全过程进行统一筹划，归纳工程量计算的共用数据，作为工程量计算的基数，合理安排计算顺序绘制成统筹图，根据统筹图确定的计算顺序，利用“基数”连续计算分项工程量，并且使前面的计算结果兼顾后面的计算过程，后面的计算可以利用前面的计算结果，减少重复计算工作。采用统筹法的工程量计算软件大多用e x c e l 开发完成，具有一定实用价值。缺点是表达方式不直观，自动化程度低，数据重用率低，推广面窄，难以掌握和进行系统扩充。利用图形矩阵法，采用图形化输入方式的建筑工程量计算软件。利用图形用户界面，采用轴线编辑与图元分析相结合的方式，利用面向对象的设计思想和语言。采用这种方法的建筑工程量计算已经有商品化软件出现，特点是表达方式直观，自动化程度较高。推广面较宽，但灵活性差，计算模型难以扩充。建筑c a d 设计文件，建立工程量计算软件与c a d 文件接口，实现建筑工程量的自动计算。这是一种较为新颖的思路，利用c a d 文件的图形输入法的建筑工程量计算软件表达方式直观，自动化程度较高，但由于我国造价管理体制的原因，工程4硕士学位论文第一章绪论预算编制部门对设计部门缺乏制约，甚至它们不是同一单位，这就限制了c a d文件的交换，也就限制了这类系统的使用。另一方面，设计单位的不同，采用的c a d 软件也就可能不同，即便相同，他们作二次开发的情况也不一致，设计的格式要求也不相同，这就造成c a d 文件的多样化，也就造成与c a d 文件接口困难重重。基于以上原因，这类系统实际上并不具备实用价值。集成化建筑c a d 系统。利用现成的c a d 系统，在此基础上作二次开发，将工程量计算和统计功能与设计集成于一体。毫无疑问，这是一种非常理想的工程量计算思想。但在多年以前，国内许多单位就已经对此作了研究，但没有取得突破性进展，也谈不上实用化，造成这种情况的原因是建筑工程图c a d 设计与工程量预算的分离，信息无法共享。c a d 二次开发难度和工作量过大，由于c a d 系统本身是其它的单位或国外设计的，没有形成统一的思想，而且c a d 系统也在不断升级，这就无法保证在c a d系统基础上的二次开发有一个持续、及时的过程。总结国内建筑工程量自动计算的研究现状，国内建筑工程量计算软件存在许多缺陷，归纳起来有下面几点：部分应用起点比较高，不适合中国发展的现状，并且存在非常多难以实际解决的问题，实用性比较差。部分只适用于结构相对简单，设计相对规范的常规民用建筑。建模不能统一，系统可维护性、适应性较差。对于不同地区，不同行业，不规范设计的应用能力较差。1 2 2 工程量自动计算在国外发展现状虽然我国经历了多年的改革开放，进行了市场经济体制改革，工程造价管理模式也在探索中得到改进，但总存在计划经济模式的痕迹。工程造价管理模式与国际惯例还未完全接轨，还存在很大差别“：工程造价费用的组成不同，如国际上工程单价中基本费，其相当于我国的直接费，只包括人工费和材料费，而施工机械费，工程水电费，脚手架费等列入开办费，间接费和利润等一般包括在每个子目的单价中，不易单独列项计算。再如现浇钢筋混凝土中的模板、钢筋、混凝土是分别单独计算的。工程量的项目划分不同，如分部工程、分项工程划分。计量单位不同。工程量计算方法不同。按国际惯例的工程量计算规则也较为简单，例如硕士学位论文第一章绪论计算体积时一律以扣除空隙后的实际方量为准。工程量的计算结果来源不同。在国外，工程量由业主提供，而业主提供的工程量来源于c a d 软件：在国内，预算人员计算造价的工作量，还包括了工程量的计算和统计工作。由于在造价管理模式上，国外与国内存在很大区别，因此国外的建筑工程量自动计算的部分研究成果就很难照搬到我国的造价管理中去，但是我们可以对其改善优化，恰当的运用，所以还是有必要了解一下国外的建筑工程量自动计算的研究现状。在国际上，目前惯用的工程量计算方法是以英国、美国为代表的模式。英国没有统一的计价定额，只有统的工程量计算通则建筑工程量标准计算方法，它规定了工程项哥划分、计量单位和工程量计算规则。工程计价是根据这一标准和各类机构发布的造价指数、价格信息来进行的；美国也没有统一标准的工料消耗定额，而是由行会组织根据本地区的实际特点，按工程结构类型、所用材料、装饰方式等制定出非常综合的平方英尺建筑面积的工、料、机消耗量。2 0 世纪6 0 年代，国外对工程造价的计算机管理就已经开始，目前运用计算机进行工程造价管理中己十分普通。工程量计算软件采用的方法大致可归纳为两种“：先由用户输入原始设计数据，计算机据此计算出每个分部工程( c o m p l e xw o r ki t e m ) 的工程量。把c a d 与工程量计算结合起来，实现工程量自动生成。这种思路已经在某些建筑设计软件中实现，是国外计算建筑工程量最普通、最有效的方式。造价管理网络化。例如日本鹿岛建设用了6 0 0 0 台计算机把全世界的1 2 0 0 个工地连接起来，实现信息的综合应用及总部一体化决策管理，应用的门类从投标报价所涉及的资格预审、材料价格到模拟施工方案、成本控制等。不仅提供计算机软件，还提供决策所需的各种信息服务。1 3 现有建筑工程量信息获取方法目前，建筑工程概预算工程量信息获取主要有以下四种方法“：公式法、直接输入法。根据施工图手工计算工程量，然后输入计算机，这种方法工作量大且容易出错。6硕士学位论文第一章绪论图形输入法。通过输入工程图纸数据，相当于在计算机上重新绘制一遍工程图纸，同时把各种附加属性输入计算机。如输入墙体信息，除了高度、厚度外，还需要输入墙上门窗洞口尺寸信息、种类信息、墙面、墙裙、对角线信息等，然后由计算机完成统计计算。表达式、数据关联。表达式是由数字、变量、函数、运算符组成的数学计算式。它具有直观、灵活、方便、能够实现工程间数据联系( 数据关联) ，从而实现一量多用等优点。由于以上三种方法均不是从设计过程的产品设计文件中获取工程量信息，分离了建筑工程设计与工程量自动计算，因而很难实现c 曲与颚算系统的集成。数据交换文件法。针对建筑和结构建模数据文件和数据库自动获取工程量信息并完成工程量的自动设计。1 3 1 数据交换文件法p k p m 系列软件对图形的几何和菲几何信息是以数据文件的形式描述的，各专业间的接口和转换都是以数据文件的形式进行交换的，形成了一套以数据文件为核心的工作方式；a b d 系列软件对图形的几何信息是以图形文件存放，而图形的非几何信息则是以数据库和数据文件存放形式存放的，各专业间的数据交换是以图形文件、数据库和数据文件三种形式并存的方式进行的。p k p m 和a b d “”之间及其与工程量预算之间进行数据交换和传递过程，如图1 3 所示“。图1 3p k p m 和a b d 系列软件接o1 3 2 产品信息模型法随羞设计方法与制造技术的不断发展，现有的c a d 系统已经为设计师提供一个数字化、集成化、协同化、智能化、网络化的产品开发环境，产品信息建模已经成为计算机辅助设计的核心技术，建模技术与设计方法相结合，使得仅包含几何信息的产品定义数据由按一定形式组织的产品数据结构，完整地提供各应用领域要求的对应产品信息，包含整个产品生命周期所涉及到的信息的产品模型所取代。硕士学位论文第一章绪论建立建筑产品的信息交换标准，将创造一个标准的系统环境，通过统一的产品描述语言实现建筑与各专业的集成。为了实现项目整个生命周期的各个阶段中参与者之间信息的共享，国际上有关组织正在协同努力进行着产品数据标准化工作，即标准项目模型，通过这个模型支持不同计算机系统应用间信息共享。目前主要有两个方向：i s 0 的s t e p 标准和i a i ( t h ei n d u s t r ya 1 1 i a n c ef o ri n t e r o p r a b 订i t y ) 的i f c ( i n d u s t r yf o u n d a t i o nc l a s s e s ) 标准。这两个标准都致力于制定国际的通用建筑语言，有利于建筑工程计算机辅助工作的协调。这种标准在将来会作为c a d 系统、a i 系统和数据库系统的信息标准“”。s t e p 集成产品信息模型s t e p 集成产品信息是完整意义上的信息产品模型，它是几何模型、特征模型及其相关建模技术的综合和扩展，该模型不仅描述设计和制造过程中各个应用领域需求的产品信息，而且也描述各个领域的专家设计经验和设计知识。目前i s 01 0 3 0 3 ( s t e p t h es t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e ld a t a )是进行集成产品信息建模的理想工具和方法。s t e p 集成产品信息模型的体系结构可以看成三层“。最上层是应用层，包括应用协议及对应的抽象测试集，这是与应用有关并面向具体应用的一个层次；第二层是逻辑层，包括集成资源，是一个从实际应用中抽象出来的完整的产品模型，并与具体应用无关；最底层是物理层，包括实现方法并给出了具体的计算机实现形式。可以看出，s t e p 集成产品信息模型不仅包括几何与拓扑特征、材料特征、形位公差特征和管理支持特征，还包括支持各应用领域的语义信息以及各应用领域的知识性数据等。目前，基于s t e p 标准的集成产品信息模型在应用系统的开发和实施中已经相当广泛。g m e s s i a n 和g t r i c o m i 采用s t e p 标准的i p i m 开发一个可以面向制造应用的程序语言环境( m a p l e ) ，利用m a p l 环境将机器人工业的不同应用工具集成起来；m a s h w o r t h 和m s b 1 0 0 r 等通过对i p i m 的应用实现了支持产品配置管理的信息管理系统；a j t r a p p e y 和t h l i u 等利用s t e p 标准e x p r e s s形式化建模语言建立了印刷电路板的装配模型，该模型是面向对象的，并用面向对象数据库技术实现了p c b 的自动装配：在国内由清华大学c a d 中心开发的g h c a d m i s 系统实现s t e p 标准的三层应用和c a d p e a c a p p c a m 的完整集成；浙江大学人工智能研究所采用s t e p 标准的i p i m 实现了c a d c a p p c a m 的集成，并实际应用g s 系列c a d 商品化软件中，现在又推出了更高的g s p d m 软件；s t e p应用协议被产业需求驱动并面向建筑行业，如l b o u r d e a u 等人开发了基于s t e p标准的面向集成建筑的通用数据模型i d m ( i n t e g e r a t i o nd a t am o d e l ) 。总之，8硕士学位论文第一章绪论随着计算机集成制造系统的发展和应用，s t e p 集成产品信息模型在国内外的发展和应用方兴未艾。i f c 产品基础类对于a e c 产业，可互操作性产业联盟i a i 开发了一个和s t e p 平行的产业标准i f c ，作为跨专业和技术应用之间的信息共享的基础。i f c 中的规范说明表示支持计算机的项目模型的共享数据结构，每种规范说明称为“类”，描述有公共特征的“事物”的范围。i a i 定义的类称为“产业基础类”，简称i f c s 。i f c s定义c a d 系统之间关于a e c 对象交换的数据结构，目的是提供一种可供整个建筑生命周期内各专业间智能对象共享的高级“公共语言”，使用于全球建筑产业，包括有关c a d 厂家。i f c s 为“项目模型”交换所用，定义的是墙、门、窗等类，其使用的实例称为对象，i a i 为i f c s 的共享项目数据定义两种标准格式；标准e x p r e s s 文件格式和使用i d l 的分布式对象说明。i f c 最终与s t e p 的建筑结构核心b c c m ( b u i l d i n gc o n s t r u c t i o nc o r em o d e l ) 合并。i f c 的体系结构是一个四层结构，分别为资源层、核心层、互操作层和领域应用层“。资源层在最底层，可以被其它层的类来引用。资源层中所有的资源表达个别事物的概念，可分通用资源、度量资源、几何资源、性质类型资源和性质资源。核心层在第二层，提供i f c 对象模型的基本结构和定义被i f c 对象模型高层规定的最抽象概念。核心层又分为核心和核心扩展两部分。互操作层位于第三层，主要是两个或两个以上的领域应用模型定义共用概念和对象的模块的规定。第四层是领域应用层，提供a e c f m 领域过程或应用类型的需要范围内的进一步模型细节。核心模型是i f c 的中心，其中有三种不同的i f c 元素类：i f c 装配元素类( i f ca s s e m b l e de l e m e n t ) 、i f c 制造元素类( i f cm a n u f a c t u r e de 1 e m e n t ) 和i f c 空间元素类( i f cs p a c ee l e m e n t ) 。i f c 类、对象以及对象之间的约束关系如图1 4 所示。图1 4 一个i f c s p a c e 由一个i f c w a 儿限制硕士学位论文第一章绪论i f c 的建筑项目建模标准化工作已进入实现阶段，目前许多软件开发商已在开发基于i f c 的产品，比如a u t o d e s ki f ci m p o r t e x p o r tu t i l i t yp r e v i e w软件，英国的n e w n h a m 等人开发了基于扩展i f c 模型的产品搜索系统a r r o w 。基于s t e p 或i f c 标准的集成产品信息模型，可以将建筑各专业共同所需要的专业对象建立在统一的属性数据库基础上，改变了以通用的几何实体表示专业对象的事实，将从根本上解决建筑设计各阶段和各专业之间的集成问题，并实现方便快捷的工程量信息获取。1 3 3 基于图形理解的信息获取方法基于数据交换文件的方法利用建筑和结构的建模数据，自动获取概预算的大部分工程量信息，原则上也是一种实现工程量信息自动获取的理想方法。但由于目前的各种建筑和结构c a d 软件前期建模方法还是非标准的，加之建筑不同领域之间数据交换格式没有行业标准，因此，该方法只能在某些开发商本身不同专业软件之间的实现，其建模数据无法提供给第三方来开发通用的工程量信息自动获取系统；基于s t e p 和i f c 标准的建筑产品集成信息建模，是实现工程量信息自动获取和建筑c a d 与概预算一体化最理想的方法，但s t e p 和i f c 的建筑项目建模标准化工作才进入实践阶段，还有许多工作要做。虽然目前使用的各种专业设计软件的建筑和结构建模方面是非标准的，但施工图都是d x f 格式的d w g 数据文件，通过对施工图的计算机理解，从中识别建筑物的各种功能部件，即可实现对概预算工程量信息的自动获取。同时d x f文件标准的、开放式的数据结构为施工图计算机理解和概预算工程量信息的自动获取提供了可能，并且该方法具有很强的通用性。基于s e t p 和i f c 的产品信息建模是实现工程量信息自动获取和建筑c a d 一体化的理想方法，但是基于对象识别，从而获取对象信息的方法在目前和今后相当长时期内都是具有重要的研究和实用价值，并将具有良好的应用前景。由于在目前各种广泛使用的建筑和结构设计专业软件的产品设计文件中，只有施工图文件都是d x f 格式的d w g 图形数据文件，因此，基于矢量施工图理解实现工程量信息自动获取是必要的，同时这种方法也是可行的。d x f 文件标准的、开放式的数据结构为工程量信息的自动获取提供了可能：现有工程图样的计算机理解和三维重建研究为建筑图样的图形理解和建筑物功能部件的识别提供了有益的借鉴；o b j e c t a rx 1 ”为基于图形理解的工程量信息获取和建筑c a d 与概预算一1 0硕士学位论文第一章绪论体化系统开发提供了强有力的工具。1 4 论文研究内容本文研究的主要内容：矢量施工图的图形识别任何工程图样都包含特定的工程语义且具有隐含性、经验性和习惯性等特点，工程图样中的图形实体又具有一定的功能语义；同时，由于工程图样表达的结果是静态的，而工程图样表达的方式是动态可变的，因此，施工图语义分析是建筑图样计算机理解和建筑物功能部件识别的基础。对矢量施工图进行识别，识别出各种图形对象。文章提出了一种空间渐近搜索的方法，并设计了辅助算法的“位置索引”结构，获得基本图形元素，同时也获得了建筑平面图的二维属性信息，并分析了圆形识别的应用实例，取得良好的效果。采用基于图形语法规则的图形识别算法是一种统一的方法，较直接读取矢量文件的方法更通用。矢量文件中只有部分实体做了定义，所以要分类识别，而且对于没有定义的实体很难识别。而文章提出的识别算法只要能对图形进行较完全的语法规则构造就可以进行统一的识别，因此在工程实践上很有实际意义。图形对象的分类经识别后的图形，都是一些基本的、较规则的几何图形，需要对其进行分类汇总，为工程量自动计算做好准备。文章提出了一种结合傅里叶变换和模糊技术的分类方案，但较一般的分类方法不同，它首先对图形轮廓线构造函数进行傅里叶展开，再根据展开式系数提取四个特征参数，最后分别进行了两次分类过程，这样提高了图形分类的精确度，不会因为图形旋转、图形放大缩小及图形的位移变化而不归为一类图形。为了深入自动化计算的概念，需要把面积计算公式相同的图形归为一类。有些图形只是位移发生变化，或者仅仅放大缩小，又或者旋转而已，由于这些图形在根本上还是一样的，面积计算公式是一致的，因此它们还是应该归为一类图形。为此，文章的分类算法提取了圆形度、细长度、散射度、及凹度四个特征参数并将其参与分类，结合模糊分类算法取得较好的效果。基于标注语义的信息获取硕士学位论文第一章绪论施工图上的元素除了图形外，还有文字标注，仅仅通过识别图形，还不能完全理解施工图，也不能精确的进行概预算。标注的作用对一些施工图上模糊的概念可以理解，并且理解图形之间的关联性。因此，文章对标注语义进行理解，使平面图、立面图和剖面图关联起来，在取得建筑图二维属性的基础上获取三维属性信息，同时建筑图中的钢筋信息也需要对标注语义理解后才能获取。标注的理解是基于标注的一些规则进行识别的，因此文章提出了平面图规则、截面圈规则及验证规则并将其运用到标注识别中。钢筋标注的理解是钢筋识别和钢筋量统计的基础，因此文章在基于钢筋标注理解基础上，提出钢筋用量的计算架构。硕士学位论文第二章基于矢量施工图的图形识别第二章矢量施工图的图形识别2 1 建筑工程施工图建筑工程量的计算是以建筑施工图为基础进行的，建筑工程图有平面图、立面图、剖面图三种。图2 1 和2 2 分别平面图以及立面图示例。錾j图2 1某综合楼卫生间平面图墨| 量io ，尘2兰“攮8 ；坶磊7；j 而ll鼗羹l 豳鼷髑鼢蹩口3 9 0 01f4 0 0 0图2 2 莱阳台的立面图房屋建筑的平面图就是一栋房屋的水平剖面图，主要表示房屋占地的大小、内部分隔、房间大小、台阶、楼梯、门窗的位置和大小、墙的厚度等。房屋建筑立丽图就是分别将房屋的几个主要墙面与其平行的投影面进行投影所得到的投影图。主要表示建筑物外部轮廓、房屋的形状和高度、门窗的位置、屋顶形式、外墙面、材料及做法等。房屋建筑剖面图是假想用一个或两个平面把建筑物沿垂直方向切开后所得的投影图。主要表明建筑物内部在高度方面的情况。硕士学位论文第二章基于矢量施工图的图形识别如屋面坡度、楼房层次、房间和门窗各部分的高度、楼板厚度等。平、立、剖面图之间既有区别又有联系。平面图可以表示建筑物各部分在水平方向的尺寸和位置，却无法表示它们的高度；立面图能表示建筑物外形的长、宽、高，却无法表示它们的内部关系；剖面图能表示建筑物内部高度方向的布置情况，却无法表示建筑物水平方向的尺寸；因此，只有通过平、立、割三种图互相配合才能完整地表示出建筑物从内到外，从水平到垂直的全貌。从建筑工程量计算角度看，平面图、立面图、剖面图都是工程量计算必需的赘料。2 2 矢量图形文件工程图纸矢量化处理流程如图2 3 所示n 8 “”3 。尉2 3 矢量处理漉程经过如图描述的二值平滑、图像分割、链码跟踪、模糊识别、格式转换等流程以后，图纸经历了图像到矢量文件的转变，图纸的各方面属性可以用矢量文件来描述。能够处理这种算法流程的系统软件有很多，可能生成的矢量文件格式不尽相同，下面将以a u t o c a d 软件生成的d x f 文件为例，并作简单的介绍。建筑施工图大多是由c a d 软件进行设计的，c a d 图形数据以非常紧凑的格式存储在图形文件( d w g ) 中，很难直接读取其中的数据，但可以将图形文件转换成包含图形矢量数据的文本文件( d x f 文件) ，又称矢量图形，然后编程读取所需图形矢量数据，d x f 文件由顺序出现的四大段( s e c t i o n ) 构成，即标题段( h e a d e rs e c t i o n ) 、表段( t a b l es e c t i o n ) 、块段( b l o c ks e c t i o n ) 和实体段( e n t i t i e ss e c t i o n ) ”“。h e a d e r 段包含有与文本和尺寸标准等相关韵组及信息：t a b l e 段主要定义了一些通用常量，如绘图“层”、观察角度和距离、坐标系等。“层”指的是构成矢量图的一个或多个互相重叠的层次图形；b 1 0 c k 段可以用名字定义实体组以形成若干个“块”。这些“块”允许在下面的实体段中以“集体”插入的形式加以运用；e n t i t i e s 段保存着真实的几何实体，它构成d x f 文件的主体。每个段中的最小描述单位由被称为“组”的数据对1 4硕士学位论文第二章基于矢量施工图的图形识别g r o u p c o 沈组码g r o u p v a l u e组值构成。组码是一个a s c 串整数，表明后面所跟组值的类型。典型实体的d x f 群组码表如表2 1 所示。表2 1 典型实体的d x f 群组码表p o m6 2颜色值1 0 ，2 0 ，3 0 x ，y ，z 方向坐标u n e6 2颜色值1 0 2 0 ，3 0起点x ，y ，z 方向坐标儿，2 1 ，3 1终点x ，y ，z 方向坐标s o i 。i d6 2颜色1 0 ，2 0 ，3 0第一点x ，y ，z 方向坐标1 1 ，2 1 ，3 1第二点x ，y ，2 方向坐标1 2 ，2 2 ，3 2第三点x ，y ，z 方向坐标1 3 ，2 3 ，3 3第四点x ，y ，z 方向坐标实体段用来记录图形中所有实体的定义信息。因此，各几何元素的信息均可从实体段中获得。实体段的总体结构如下：os e c t i o n2e n t i t i e s实体段开始o1 i n e线段节开始线段的线型、层等信息线段起点x 坐标值c i r c l e1 0圆心的x 坐标值oe n d s e c线段的起点、终点坐标值圆节开始圆的线型、层等信息圆心的x ，y ，z 坐标值及半径实体段结束硕士学位论文第二章基于矢量施工图的图形识别2 3 矢量施工图的图形识别图形理解的前提是图形的识别。目前有许多学者研究基于矢量图形的图形识别算法，由于矢量图形文件中保存了某些图形的实体信息，比如圆在矢量文件中就以圆心坐标及半径值来表达，但是对于复杂的多边形就没有整个图形实体的描述，而是以一条条线段来插述的，要对其进行一个整体的识别非常困难，所以这种方法也只能识别简单的图形，对于识别复杂的图形非常困难，而且没有延伸的余地。近些年来，也有许多学者已经研究过针对某一类图形的识别算法，如字符分离。“、箭头识别o “、圆弧识别、虚线识别等，但是由于这些图形识别方法都有专门的应用领域，它们只能应用在识别各自种类的图形，也就是说还没有一个统一的图形识别方法。而这一种图形识别思想并不适合建筑工程图具有丰富多样图形元素的特点。为了统一对各种图形的识别方法并提高它们的识别效率，我们这里提出了一种基于矢量图形文件的图形元素识别方法。由于是基于矢量的方法，当然只能在矢量化后应用。但是，它要作为一种图形识别的方法，该方法对矢量化的要求不是很高，一般只要求保留矢量线段和折线集等基本信息，而这些信息都可以从矢量化文件中很容易的获取。2 3 1 基于规则的图形线索工程图中每种图形都是由一些层次比较低的图素或图形按照一定的语法规则和语义规则组合而成的。例如，圆是由一系列弧线组成的，弧线我们可以看成是一组连续的、不共线的、等粗细的、等长度的、等大小的线段组成，每条线段之间存在角度基元；又如一条虚线是由一组共线的、不连续的、等粗细的、等长的和等间距的短线段组成的；再如，箭头可以被矢量化成一段粗线段，其一端连着一条与之共线的细线段，称为尾部，另一端紧靠一条与其垂直的短线段作为引证线，称为首部。本章所提出的统一的图形识别方法，就是根据每类图形的特点，总结其语法规则，通过这些规则来寻找图形的组成图素。如果能找到足够多的组成图素( 当然可以对其傲一个定量的判断) ，就能确定为某类图形。首先要知道该图形是否可能存在，由于每类图形都有其存在的线索，所以我们根据这些线索来判断。线索一般可分为两类：一类是直接的，即组成图形的一些基本图素可作为图形存在的线索，我们称之为组成线索。例如，圆弧就是圆的组成元素，细线段可作为箭头存在的线索。但有的时候这种组成线索对1