城市三維建模數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

馮文雯 仇棟才 于波

【摘? 要】 三維逼真城市形象模型（3dcitymodels，3dcm）城市作為一個(gè)城市的三維逼真形象描述，為我國城市基礎(chǔ)建設(shè)和環(huán)境規(guī)劃等城市相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域研究提供了一種具有真實(shí)性和表現(xiàn)力的實(shí)際應(yīng)用三維模型。本文主要針對關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理三維圖形建模模型數(shù)據(jù)的一些常見問題，通過分析設(shè)計(jì)非三維關(guān)系型的mongodb關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對圖形紋理、模型圖等數(shù)據(jù)的快速處理更新，并同時(shí)支持各類三維建模模型數(shù)據(jù)的快速更新出入庫、快速數(shù)據(jù)更新、快速數(shù)據(jù)檢索，并通過多種實(shí)驗(yàn)措施支持本文建模數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的提高可用性。

【關(guān)鍵詞】城市;三維建模;數(shù)據(jù)庫;檢索

引言

城市三維立體建模技術(shù)是當(dāng)前我國推進(jìn)數(shù)字時(shí)代城市基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成內(nèi)容。城市內(nèi)部建筑物繁多、地形復(fù)雜，現(xiàn)有企業(yè)數(shù)據(jù)采集管理工作方式普遍存在著對外業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)采集管理工作難度大，數(shù)據(jù)冗余等復(fù)雜問題。同時(shí)因建模數(shù)據(jù)存儲格式各異，難以完全采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理存儲方式，大量三維建模后的數(shù)據(jù)一般以多個(gè)文件夾的形式獨(dú)立進(jìn)行保存或簡單直接利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，缺乏針對海量三維建模數(shù)據(jù)存儲管理的技術(shù)支持，數(shù)據(jù)的采集整理、查詢等都會占用大量存儲時(shí)間。

1.三維建模數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀

關(guān)系型海量數(shù)據(jù)庫建模采用關(guān)系表格型結(jié)構(gòu)方式組織海量數(shù)據(jù)，對用于海量和大數(shù)據(jù)資源管理的要求數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用實(shí)現(xiàn)效率低，為有效簡化海量數(shù)據(jù)庫的讀取處理流程，提供統(tǒng)一便捷的海量數(shù)據(jù)源，有必要考慮采用合適的大數(shù)據(jù)資源管理系統(tǒng)方式對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行集成，以便專業(yè)建模工作人員進(jìn)行建模。非關(guān)系系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫格式mongodb和關(guān)系型系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫之間有很多本質(zhì)區(qū)別，mongodb以BSON格式組織數(shù)據(jù)，bson關(guān)系格式結(jié)構(gòu)類似于oracle的json關(guān)系格式，不過也存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫對于表格和結(jié)構(gòu)的參數(shù)限制，可方便捷地存儲關(guān)系數(shù)據(jù)本身，且存儲效率很高。

2. 三維建模建庫方案設(shè)計(jì)

2.1數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計(jì)

三維數(shù)據(jù)建模系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)主要包括源代碼數(shù)據(jù)庫、紋理數(shù)據(jù)庫、模型庫以及操作系統(tǒng)軟硬件整合支撐四大環(huán)境部分組成。

源紋理數(shù)據(jù)庫主要是系統(tǒng)的兩個(gè)主要源數(shù)據(jù)庫，紋理數(shù)據(jù)庫和模型庫主要是相對固定的數(shù)據(jù)庫，紋理庫和數(shù)據(jù)庫主要是對系統(tǒng)紋理模型數(shù)據(jù)分門別類的紋理保存，模型庫和數(shù)據(jù)庫主要存放常見紋理模型，當(dāng)源紋理數(shù)據(jù)庫的用戶遇到?jīng)]有相關(guān)的系統(tǒng)紋理、模型時(shí)，可從舊的紋理數(shù)據(jù)庫、模型庫直接導(dǎo)入獲取，反之假如當(dāng)系統(tǒng)有新增的紋理、模型時(shí)則則可直接導(dǎo)入新的紋理數(shù)據(jù)庫、模型庫。

2.2數(shù)據(jù)存儲方式及格式設(shè)計(jì)

（1）紋理數(shù)據(jù)編碼格式。三維紋理建模中的紋理模型數(shù)據(jù)通常以文件類別方式存放，是三維紋理建模數(shù)據(jù)的資料庫外部文件存放一種方式。紋理表列數(shù)據(jù)庫主要由所有紋理表列數(shù)據(jù)庫名、紋理表列類型、紋理表列順序號等紋理表列信息組成。紋理存放庫按照所有紋理庫的編碼文件結(jié)構(gòu)自動(dòng)存放所有紋理，且同時(shí)支持所有紋理庫的更新、調(diào)用。更新時(shí)根據(jù)添加紋理的文件類型，結(jié)合已有的紋理順序號順次自動(dòng)分別賦予新增的順序號，順序號順次作為文件紋理在一個(gè)紋理文件庫的唯一應(yīng)用標(biāo)識，支持通過根據(jù)順序號順次找到該庫的文件紋理來進(jìn)行應(yīng)用。

（2）模型數(shù)據(jù)編碼格式。模型與三維紋理映射是相互匹配的，三維紋理建模庫在實(shí)質(zhì)性上也是三維紋理模型映射轉(zhuǎn)換到二維模型的一個(gè)過程，因此模型庫的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本原理與三維紋理映射庫一致。模型表列數(shù)據(jù)庫由模型數(shù)據(jù)庫名、類型、順序號等多種表列形式組成。模型的數(shù)據(jù)組織處理方式與模型紋理類似，通過根據(jù)類型分析判定每個(gè)模型的數(shù)據(jù)歸屬，模型庫為每個(gè)模型數(shù)據(jù)分配唯一的一個(gè)模型數(shù)據(jù)順序號，支持通過根據(jù)順序號方式檢索分析出來的模型數(shù)據(jù)來進(jìn)行應(yīng)用。

（3）源數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)編碼格式。根據(jù)不同紋理信息庫與模型庫的不同特點(diǎn)，源紋理數(shù)據(jù)庫中調(diào)用文件管理是以不同工程要求來進(jìn)行組織的，之所以我們選擇按不同工程要求管理調(diào)用數(shù)據(jù)，是為了保證屬于同一一個(gè)工程的紋理模型與不同紋理的準(zhǔn)確性相匹配，源紋理數(shù)據(jù)庫文件可以從舊的紋理數(shù)據(jù)庫、模型庫直接導(dǎo)入調(diào)用紋理數(shù)據(jù)，源紋理數(shù)據(jù)庫文件中的紋理數(shù)據(jù)也同樣可以直接導(dǎo)入到新的紋理數(shù)據(jù)庫、模型庫中。

2.3數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)

紋理在整個(gè)紋理數(shù)據(jù)庫中可以按類型分門別類進(jìn)行存放，紋理數(shù)據(jù)庫為每個(gè)不同類型紋理分配唯一的紋理編號，當(dāng)用戶需要手動(dòng)使用某個(gè)類型紋理時(shí)，可按照這一編號從整個(gè)紋理數(shù)據(jù)庫中自動(dòng)檢索紋理出來。模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與圖形紋理數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的原理非常類似。

2.4數(shù)據(jù)集合與接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮三維物體建模空間高度參考、平均空間大小及物體數(shù)量，此外還要充分結(jié)合當(dāng)前三維物體建模的實(shí)際操作管理流程及使用習(xí)慣，建立在一起對三維建模中的數(shù)據(jù)，例如物體模型、紋理、dlg值等數(shù)據(jù)、dem值等數(shù)據(jù)的三維工程化采集管理。每個(gè)三維影像建模應(yīng)用場景必須作為一個(gè)建模工程進(jìn)行管理，每個(gè)建模工程都必須包含3類基本影像數(shù)據(jù)庫的集合，即三維影像處理數(shù)據(jù)集、lidar點(diǎn)以及云影像數(shù)據(jù)集、矢量影像數(shù)據(jù)集。通過系統(tǒng)可視化的對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行系統(tǒng)管理查看數(shù)據(jù)，并同時(shí)支持按縱向列表圖形視圖、樹狀圖形視圖等多種顯示方式進(jìn)行查看，查看數(shù)據(jù)信息主要包括下載文件名，文件類型，文件位置坐標(biāo)，上傳文件時(shí)間等。建模各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存儲、更新及各類數(shù)據(jù)檢索處理方式，以通用接口數(shù)據(jù)提供方式給外部處理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。

3.三維建模數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)

3.1建模數(shù)據(jù)庫框架

數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)中，建模管理數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分為建模數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理層、數(shù)據(jù)庫建模層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用管理層。數(shù)據(jù)處理入庫器的實(shí)現(xiàn)是將模型、紋理以圖片封裝放在文件夾中的形式進(jìn)行整體數(shù)據(jù)導(dǎo)入，模型紋理包含若干個(gè)整體模型立面，紋理片則包含若干模型紋理和立面片。數(shù)據(jù)檢索查詢方式實(shí)現(xiàn)文件屬性信息檢索與文件地理信據(jù)空間信息檢索查找兩種查詢方式，屬性檢索查詢方式允許文件用戶按多個(gè)屬性檢索信息查找文件，地理信息空間檢索查找方式允許文件用戶按三個(gè)地理坐標(biāo)（x，y三個(gè)坐標(biāo)）和數(shù)據(jù)查詢時(shí)間半徑分別建立一個(gè)緩沖的方圓查找文件。

3.2檢索數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)

建模影像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)自動(dòng)支持已經(jīng)查詢檢索到的建模影像自動(dòng)添加數(shù)據(jù)到系統(tǒng)指定的數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)已經(jīng)檢索到的數(shù)據(jù)與指定模型的快速相互關(guān)聯(lián)，對已經(jīng)擁有的新模型或者重新建立的模型快速進(jìn)行更新。支持自動(dòng)設(shè)定實(shí)時(shí)查詢影像距離和實(shí)時(shí)檢索到的影像數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，對已經(jīng)所有新建模型或外業(yè)新建好的模型實(shí)時(shí)自動(dòng)更新，方便所有外業(yè)數(shù)據(jù)采集者將數(shù)據(jù)及時(shí)更新導(dǎo)入到外業(yè)相應(yīng)新建模型中，實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與已有模型無縫關(guān)聯(lián)。

4.結(jié)語

本文主要針對關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理三維圖形建模模型數(shù)據(jù)的一些常見問題，通過分析設(shè)計(jì)非三維關(guān)系型的mongodb關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對圖形紋理、模型圖等數(shù)據(jù)的快速處理更新，并同時(shí)支持各類三維建模模型數(shù)據(jù)的快速更新出入庫、快速數(shù)據(jù)更新、快速數(shù)據(jù)檢索，并通過多種實(shí)驗(yàn)措施支持本文建模數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的提高可用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 許嬌龍，李軍.基于City GML的三維城市模型實(shí)時(shí)可視化研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2012（6）：25-32.

[2]李成名，李華，趙占杰，等.CH/T 9016-2012三維地理信息模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)規(guī)范[S].北京：測繪出版社，2013.

本文根據(jù)課題： 基于模式識別的建筑語義化三維重建方法研究。課題項(xiàng)目編號2019A007。