實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的建設(shè)難點(diǎn)分析

劉沐洋 譚金石 祖為國

（廣東工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)校，廣東 廣州 510510）

實(shí)景三維是能夠真實(shí)、立體、時序化地反映人類生產(chǎn)、生活和生態(tài)空間的時空基底，是面向元宇宙、數(shù)字孿生城市建設(shè)的基本要求[1]，對于智慧城市建設(shè)[2]、自然資源科學(xué)管理[3]均具有重要價值。根據(jù)相關(guān)的實(shí)景三維中國建設(shè)技術(shù)指導(dǎo)文件，實(shí)景三維中國的建設(shè)任務(wù)十分艱巨，要求實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品體系、技術(shù)體系、生產(chǎn)組織體系、管理體系的全面轉(zhuǎn)型升級，技術(shù)難點(diǎn)突破涉及范圍廣，主要包括實(shí)景三維數(shù)據(jù)高效智能采集與生產(chǎn)、海量實(shí)景三維數(shù)據(jù)存儲與更新、實(shí)景三維數(shù)據(jù)與物聯(lián)感知數(shù)據(jù)的融合語義化等，目前實(shí)景三維中國建設(shè)仍在探索中。2019年至今，武漢試點(diǎn)已經(jīng)成功構(gòu)建了以地理實(shí)體為核心的新型基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品體系[4]，有關(guān)高效率的自動單體化實(shí)景三維模型構(gòu)建技術(shù)的研究也取得了一些突破[5-6]，但實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建設(shè)的瓶頸仍待突破。

1 實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建設(shè)需求

關(guān)于全面實(shí)景三維中國建設(shè)的通知明確要求，2025年初步建成國家—省—市（縣）多級關(guān)聯(lián)互通的實(shí)景三維在線與離線相結(jié)合的服務(wù)系統(tǒng)，2035年實(shí)現(xiàn)國家—省—市（縣）多級實(shí)景三維在線系統(tǒng)的泛在服務(wù)。與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)相比較，實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)有兩點(diǎn)重要轉(zhuǎn)變：一是數(shù)據(jù)庫的包含內(nèi)容隨著基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品的轉(zhuǎn)型，逐漸從以二維數(shù)據(jù)為主走向以三維數(shù)據(jù)為主，數(shù)據(jù)量的急劇增加對系統(tǒng)的存儲與運(yùn)行能力提出了更高的要求；二是實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)縱向上強(qiáng)調(diào)國家—省—市（縣）多級互聯(lián)互通、橫向上要求為其他業(yè)務(wù)提供同步數(shù)據(jù)共享應(yīng)用服務(wù)，對比傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，要求實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)具備更強(qiáng)的協(xié)同作業(yè)能力。

2 實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建設(shè)難點(diǎn)分析

2.1 沖突檢測

為了保證數(shù)據(jù)的完整性、連通性，沖突檢測是把關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品以數(shù)字線劃地圖（DLG）為核心，有關(guān)數(shù)字線劃地圖的沖突檢測技術(shù)已經(jīng)非常成熟[7]。而實(shí)景三維產(chǎn)品以基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)為核心，地理實(shí)體在分類體系、編碼設(shè)計、數(shù)據(jù)表達(dá)與組織上的邏輯都與數(shù)字線劃地圖完全不同。

在分類體系上，傳統(tǒng)的數(shù)字線劃圖基于要素單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，而基礎(chǔ)地理實(shí)體基于實(shí)體單位進(jìn)行數(shù)據(jù)分類，并對其分類體系進(jìn)行了明顯調(diào)整，基礎(chǔ)地理實(shí)體包含自然地理實(shí)體、人工地理實(shí)體、管理地理實(shí)體三大類，每一大類還包含有許多不同的二級分類、三級分類。在編碼設(shè)計上，為實(shí)現(xiàn)對地理實(shí)體的自動化智慧管理，參照利用身份證號碼記錄管理居民相關(guān)活動的方法，每一個基礎(chǔ)地理實(shí)體對應(yīng)一個全球唯一地理標(biāo)識碼，標(biāo)識碼由專有標(biāo)識域、位置碼、時間碼、分類碼、順序碼、擴(kuò)展域構(gòu)成，與每一個地理實(shí)體有關(guān)聯(lián)的任意格式的二維數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)、專題文本數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)等，都能夠通過全球唯一地理實(shí)體標(biāo)識碼這一橋梁建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)自動關(guān)聯(lián)管理。在數(shù)據(jù)表達(dá)與組織上，基礎(chǔ)地理實(shí)體遵循“一碼多態(tài)”原則，每一個地理實(shí)體都能夠以二維、三維、專題應(yīng)用等多種形式進(jìn)行表達(dá)。與傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪成果相比，面向?qū)嵕叭S的以地理實(shí)體為核心的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，存在更多的關(guān)聯(lián)關(guān)系，意味著在相關(guān)數(shù)據(jù)入庫實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)時，沖突檢測環(huán)節(jié)需要增加更多的關(guān)聯(lián)關(guān)系檢查功能。基礎(chǔ)地理實(shí)體的數(shù)據(jù)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的組成結(jié)構(gòu)

面向數(shù)字線劃地圖的傳統(tǒng)沖突檢測技術(shù)，在幾何邏輯層次仍可以適用基礎(chǔ)地理實(shí)體，但不能適用地理實(shí)體的數(shù)據(jù)組織邏輯。目前，有關(guān)基礎(chǔ)地理實(shí)體的數(shù)據(jù)組織標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)比較成熟，因此，如何針對基礎(chǔ)地理實(shí)體的數(shù)據(jù)組織邏輯研發(fā)相匹配的沖突檢測算法是實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的難點(diǎn)之一。

2.2 數(shù)據(jù)更新

基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品的現(xiàn)勢性直接關(guān)系著系統(tǒng)的服務(wù)能力，如何提高數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性、實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)的動態(tài)更新，一直以來都是傳統(tǒng)測繪行業(yè)致力突破的難點(diǎn)，從全面更新發(fā)展到增量更新，針對數(shù)字線劃地圖的動態(tài)更新技術(shù)已經(jīng)比較成熟[7]，該流程基本可以直接適用基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的更新。

隨著實(shí)景三維中國建設(shè)對于系統(tǒng)的聯(lián)動協(xié)同作業(yè)要求的提升，數(shù)據(jù)更新除了需要滿足現(xiàn)勢性的需求，二三維數(shù)據(jù)一體化更新、國家—省—市（縣）多級聯(lián)動更新、不同業(yè)務(wù)部門之間的協(xié)同更新都成為實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)研發(fā)的重難點(diǎn)。實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫包含二維的基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)與三維的單體化模型數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫以二維的基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)為主，實(shí)景三維的二維基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)在組織結(jié)構(gòu)上比基礎(chǔ)地形圖更復(fù)雜，還增加了三維的單體化模型數(shù)據(jù)，實(shí)景三維多樣化的數(shù)據(jù)表達(dá)使數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新的難度增大。

在縱向上，傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪時代的基礎(chǔ)地形圖數(shù)據(jù)在國家、省、市（縣）之間采用物理傳輸?shù)氖侄芜M(jìn)行傳遞，各級地區(qū)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)互相獨(dú)立，但實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)要求建立多級地區(qū)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的聯(lián)動關(guān)系，旨在通過實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新來實(shí)現(xiàn)縱向上國家—省—市（縣）的數(shù)據(jù)聯(lián)動更新。在橫向上，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪成果在各業(yè)務(wù)單位間主要以物理傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行傳遞，而實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)則要求與其他業(yè)務(wù)的相關(guān)系統(tǒng)建立直接連通的關(guān)系，使實(shí)景三維數(shù)據(jù)成果能夠在多業(yè)務(wù)部門之間的同步共享與協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)廣泛的實(shí)景三維數(shù)據(jù)成果應(yīng)用。實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新要求如圖2所示。

圖2 實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)更新要求

2.3 海量數(shù)據(jù)的存儲與管理

基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品從二維走向三維的轉(zhuǎn)型，必然導(dǎo)致計算機(jī)所需存儲的數(shù)據(jù)量急劇增大，并伴隨一些數(shù)據(jù)多源存儲的問題。傳統(tǒng)的基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)以4D產(chǎn)品（包括數(shù)字正射影像圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字柵格地圖、數(shù)字線劃地圖）的存儲與管理為主，各類數(shù)據(jù)之間沒有關(guān)聯(lián)，使用數(shù)據(jù)庫分別進(jìn)行存儲，數(shù)據(jù)存儲管理面向的數(shù)據(jù)量比較小，適配的數(shù)據(jù)格式單一。

對比傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)庫，實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫所需的數(shù)據(jù)存儲類型有明顯的改變。實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫由地理場景子庫、基礎(chǔ)地理實(shí)體子庫與元數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。地理場景包含多種分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、數(shù)字表面模型與數(shù)字正射影像，基礎(chǔ)地理實(shí)體包含地形級基礎(chǔ)地理實(shí)體、城市級基礎(chǔ)地理實(shí)體與部件級地理實(shí)體，元數(shù)據(jù)則包括關(guān)于地理場景與基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪成果相比，實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫增加了大量以基礎(chǔ)地理實(shí)體為單位的單體化三維模型數(shù)據(jù)，單體化三維模型一般是所需內(nèi)存較大的精模數(shù)據(jù)，而地理實(shí)體的表達(dá)單位從地形級到部件級要求對多級多尺度地理實(shí)體進(jìn)行單體化建模表達(dá)，使所需三維單體模型的數(shù)量要求明顯增加，因此對實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)提出了更高數(shù)據(jù)存儲需求。此外，實(shí)景三維各數(shù)據(jù)之間具備關(guān)聯(lián)關(guān)系，龐大的數(shù)據(jù)量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系錯綜復(fù)雜，也需要一定的存儲空間進(jìn)行記錄，因此如何有效且較少占據(jù)存儲空間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)關(guān)系記錄存儲方式，也是實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建設(shè)需要重點(diǎn)突破的一個難點(diǎn)。

實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)類型說明如表1所示。

表1 實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫包含數(shù)據(jù)類型說明

3 實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建設(shè)難點(diǎn)應(yīng)對措施

3.1 基于基礎(chǔ)地理實(shí)體的沖突檢測技術(shù)研究

基礎(chǔ)地理實(shí)體在幾何形式上與對象化的數(shù)字線劃地圖十分接近，因此，針對基礎(chǔ)地理實(shí)體的幾何特征，可以直接延續(xù)對象化地形圖的沖突檢測[7]方式。針對基礎(chǔ)地理實(shí)體的組織表達(dá)邏輯，需要仔細(xì)研究國家關(guān)于基礎(chǔ)地理實(shí)體的標(biāo)準(zhǔn)與各地所落實(shí)的基礎(chǔ)地理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)能夠兼容多地數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的沖突檢測算法。

3.2 探索二三維一體化動態(tài)聯(lián)動協(xié)同更新方式

二三維一體化動態(tài)更新可以延續(xù)傳統(tǒng)的二三維數(shù)據(jù)更新方式，以地理實(shí)體為單位，利用同一地理實(shí)體具有同一標(biāo)識碼的特征，同步更新多源多態(tài)的二三維數(shù)據(jù)。在產(chǎn)品體系轉(zhuǎn)變的基礎(chǔ)上，探索縱橫向上的生產(chǎn)組織管理體系的發(fā)展方向，結(jié)合現(xiàn)有的協(xié)同更新技術(shù)[8]實(shí)現(xiàn)縱橫快速協(xié)同數(shù)據(jù)共享。

3.3 海量數(shù)據(jù)的存儲與管理技術(shù)突破

實(shí)景三維中國建設(shè)強(qiáng)調(diào)突出數(shù)據(jù)要以地理實(shí)體為單位，海量的實(shí)景三維數(shù)據(jù)以傾斜攝影測量數(shù)據(jù)、激光雷達(dá)點(diǎn)云數(shù)據(jù)為主。因此可以有效利用基礎(chǔ)地理實(shí)體數(shù)據(jù)，以地理實(shí)體為單位，對象存儲海量的單體化實(shí)景三維模型。同時可以結(jié)合云計算技術(shù)，采用分布式服務(wù)框架，提高海量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)的操作運(yùn)行速度。針對數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系的記錄存儲，可以充分利用全球唯一地理實(shí)體標(biāo)識碼來建立索引，使用基于二維表或圖譜的方式進(jìn)行存儲，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系的快速索引連接。

4 結(jié)語

我國基礎(chǔ)測繪產(chǎn)品體系從4D產(chǎn)品到實(shí)景三維的轉(zhuǎn)型，驅(qū)動著面向基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)必須作出相應(yīng)的升級，突破面向基礎(chǔ)地理實(shí)體的沖突檢測技術(shù)、二三維一體化動態(tài)聯(lián)動協(xié)同更新技術(shù)、海量數(shù)據(jù)存儲管理技術(shù)等難點(diǎn)，助力提升測繪地理信息數(shù)據(jù)的服務(wù)能力，推動智慧城市建設(shè)。