城市三維建模數據庫設計與實現研究

吳清勇 馮成武

摘 ? 要：三維城市模型（3D City Models，3DCM） 作為城市的三維逼真描述，為城市建設和規劃等相關領域提供了具有真實表現力的應用模型。本文針對關系數據庫管理三維建模數據的一些問題，通過設計非關系MongoDB數據庫系統，實現對紋理、模型數據的快速更新，并支持各類建模數據的快速出入庫、快速更新、快速檢索，并通過實驗支持本文數據庫系統的可用性。

關鍵詞：城市 ?三維建模 ?數據庫 ?檢索

中圖分類號：P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）04（c）-0011-02

城市三維建模是我國數字城市建設的重要內容。城市建筑物繁多、地形復雜，現有數據管理方式普遍存在外業數據管理難度大，數據冗余等問題。同時因數據格式各異，難以采用統一管理方式，大量建模數據一般以文件形式獨立保存或簡單利用關系數據庫保存，缺乏海量三維數據管理的支持，數據的整理、查詢等占用大量時間。

本文針對當前三維建模數據管理的一些問題，設計基于模型庫、紋理庫的三維建模數據庫建庫方案，并對建庫方案進行實現。

1 ?三維建模數據庫現狀

關系型數據庫采用表結構組織數據，對海量數據管理的數據庫結構復雜，應用效率低，為簡化數據讀取流程，提供統一便捷的數據源，有必要采用合適數據管理方式對數據集成，以便建模人員建模。非關系數據庫MongoDB和關系型數據庫有本質區別，MongoDB以BSON格式組織數據，BSON格式類似于JSON格式，不存在關系數據庫表結構的限制，可方便存儲數據本身，且效率很高。

2 ?三維建模建庫方案設計

2.1 數據庫總體設計

三維建模數據庫系統包括源數據庫、紋理庫、模型庫以及系統軟硬件支撐環境組成。

數據庫體系如圖1所示。如圖1，源數據庫是系統的主數據庫，紋理庫和模型庫是相對固定的庫，紋理數據庫是對紋理數據分門別類的保存，模型數據庫存放常見模型，當源數據用到相關的紋理、模型時，可從紋理庫、模型庫直接獲取，反之當有新紋理、模型時可導入紋理庫、模型庫。

2.2 數據存儲方式及格式設計

2.2.1 紋理數據編碼格式

三維建模紋理數據通常以類別存放，是紋理數據的庫外部存放方式。紋理數據庫主要由紋理數據庫名、紋理類型、紋理順序號等表列組成。紋理庫按照紋理編碼結構存放紋理，且支持紋理更新、調用。更新時根據紋理的類型，結合已有的順序號順次自動賦予新順序號，順序號作為紋理在紋理庫的唯一標識，支持通過順序號找到該文件來應用。

2.2.2 模型數據編碼格式

模型與紋理是匹配的，三維建模實質也是紋理映射到模型的過程，因此模型庫的設計原理與紋理庫一致。模型數據庫由數據庫名、類型、順序號等表列組成。模型的組織方式與紋理類似，通過類型判定模型的歸屬，模型庫為模型分配唯一的模型順序號，支持通過順序號檢索出模型來應用。

2.2.3 源數據庫數據編碼格式

根據紋理庫與模型庫的特點，源數據庫中文件是以工程來組織的，之所以選擇按工程管理數據，是為了屬于同一工程的模型與紋理的準確匹配，源數據庫可以從紋理庫、模型庫直接調用數據，源數據庫中的數據也可以導入到紋理庫、模型庫中。

2.3 數據字典設計

紋理在紋理庫中按類型分門別類存放，紋理庫為每個類型分配唯一的編號，當需要使用某個紋理時，可按照編號從紋理庫中檢索出來。模型數據結構與紋理結構設計原理類似。

2.4 數據集合與接口設計

數據集的設計考慮物體空間參考、平均大小及數量，此外還要結合當前三維建模的操作流程及習慣，建立起對建模數據，例如模型、紋理、DLG數據、DEM數據的工程化管理，如圖2。每個三維建模場景作為一個工程管理，每個工程都包含3類基本數據集合，即影像數據集、LiDAR點云數據集、矢量數據集。通過可視化數據庫系統管理數據，并支持按列表視圖、樹狀視圖等顯示方式查看，查看信息包括文件名，文件類型，文件坐標，上傳時間等。建模數據的存儲、更新及各類檢索方式，以接口提供給外部系統調用。

3 ?三維建模數據庫實現

3.1 建模數據庫框架

數據庫系統總體框架如圖3所示。建模數據庫分為數據管理層、數據庫層、數據應用層。數據入庫實現模型、紋理以封裝文件夾形式整體導入，模型包含若干個模型立面，紋理包含若干紋理面片。數據查詢實現屬性檢索與地理空間檢索兩種方式，屬性查詢允許用戶按屬性信息查找文件，地理空間查找允許用戶按地理坐標（X，Y坐標）和查詢半徑建立緩沖圓查找文件。此外，本文通過數據庫系統為每個數據自動生成keyvalue鍵值對形式的索引，相比關系型數據庫，可直接按key定位到數據，檢索效率提升明顯。

3.2 檢索數據與模型關聯

建模數據庫系統支持查詢到的影像添加到指定的模型，實現檢索數據與模型的快速關聯，對已有模型或新建模型快速更新。支持設定查詢距離和檢索影像個數，對已有模型或新建模型實時更新，方便外業采集數據及時導入到相應模型中，實現數據與模型關聯。

4 ?數據庫系統實驗

為驗證數據庫系統的入庫效率，進行如下數據出入庫測試，測試機器配置如下：（1）CPU：Intel（R）Core（TM）2Duo，2.66GHz;（2）內存：16GB;（3）操作系統：Windows7UltimateX64;（4）測試數據庫：MongoDB2.6.3、MySql、SQLServer2008。實驗數據：若干平均大小為5M的街景系統文件，若干SWDC-5數字航空傾斜攝影儀拍攝影像，平均大小為160MB。不同數據庫導入平均大小為6MB的數據時，隨著數據量增大，SqlServer變化較大，MongoDB和MySql比較平穩，用時較少，導出同樣數據時，本文系統用時最小。當導入相同數量不同大小的數據時，本文設計的MongoDB數據庫系統耗時最少，導出數據時情況類似，本文數據庫系統耗時最少。

5 ?結語

本文針對關系數據庫管理三維建模數據的一些問題，通過設計非關系MongoDB數據庫系統，實現對紋理、模型數據的快速更新，并支持各類建模數據的快速出入庫、快速更新、快速檢索，并通過實驗支持本文數據庫系統的可用性。

參考文獻

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