基于CityGML的城市三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)研究

張純剛

[摘要]目前，全國(guó)正積極開(kāi)展智慧化和數(shù)字化城市建設(shè)，若想構(gòu)建智慧化、數(shù)字化的城市就必須建立三維信息化管理數(shù)據(jù)庫(kù)，但是三維模型數(shù)據(jù)通常較難共享，所以必須建立CityGML模型共享標(biāo)準(zhǔn)。為了進(jìn)一步明確在CityGML基礎(chǔ)之上的城市三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用價(jià)值，本文對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，望對(duì)該模型和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立提供新思路，并為日后應(yīng)用提供幫助。

[關(guān)鍵詞]CityGML城市三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)；設(shè)計(jì)研究

國(guó)家自從提出測(cè)繪地理信息“十二五”發(fā)展規(guī)劃之后，全國(guó)各地均積極開(kāi)始構(gòu)建完善的數(shù)字城市建設(shè)，傳統(tǒng)的數(shù)字城市三維景觀(guān)模型具有一定的缺陷，很多大數(shù)據(jù)格式難以兼容和共享，為了有效的完善該模型建設(shè)，為此，本文深入分析了CityGML技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，并為空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)建立了相關(guān)解決方案，最終實(shí)現(xiàn)了CityGML技術(shù)在模型中的應(yīng)用價(jià)值。現(xiàn)將研究?jī)?nèi)容論述如下。

一、CityGML技術(shù)和模型概述

1.概念概述

CityGML技術(shù)和模型也就是通常所說(shuō)的城市地理標(biāo)記語(yǔ)言技術(shù)和模型，該模型下的數(shù)據(jù)較為開(kāi)放，屬于GML3的一種應(yīng)用模式，其交換格式是在虛擬3D城市模型和XML的存儲(chǔ)基礎(chǔ)上得以實(shí)現(xiàn)的，可以對(duì)城市中的三維對(duì)象建立相關(guān)的信息模型，可以顯示多種地理對(duì)象之間的空間和數(shù)據(jù)關(guān)系，經(jīng)由該模型建立的區(qū)域模型的語(yǔ)義、拓?fù)洹缀侮P(guān)系明顯。使用這種技術(shù)和模型不僅可以有效的顯示城市模型的外觀(guān)，還可以建立其系統(tǒng)的語(yǔ)義屬性，可以更加直觀(guān)的表現(xiàn)城市植被、交通設(shè)施以及地面情況等。目前，較為先進(jìn)的版本為CityGML2.0版本。該版本中內(nèi)含11個(gè)擴(kuò)展模式和1個(gè)核心模式。

2.關(guān)鍵技術(shù)說(shuō)明

為了深入應(yīng)用該模型，必須對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行認(rèn)知和理解，其模型中主要的模型和技術(shù)包含兩點(diǎn)，一是LOD細(xì)節(jié)層次模型，二是語(yǔ)義/幾何一體化表達(dá)模型。在該模型中一共有五個(gè)連貫細(xì)節(jié)層次，只有提高這些細(xì)節(jié)層次才可以更加高效的收集各種細(xì)節(jié)。而細(xì)節(jié)層次聯(lián)合地域建立的LOD0-地域模型多指2.5維度的數(shù)字地形模型，屬于一種較為粗糙的層次模型。其中，該模型中的LODl模型缺少屋頂?shù)哪Ｐ徒Y(jié)構(gòu)；而LOD2模型則為屋頂和紋理的粗模，期間涵蓋了植被等物體；LOD3則是在此基礎(chǔ)上建立的建筑物模型，該模型的分辨率更高，細(xì)節(jié)層次呈現(xiàn)也較多，其中的交通設(shè)施和植被模型顯示更為精細(xì)；而LOD4模型則是在所有模型基礎(chǔ)上增設(shè)了細(xì)致的3D物體結(jié)構(gòu)，其層次也更加詳細(xì)。

在CityGML中，語(yǔ)義，幾何一體化表達(dá)模型是其主要的設(shè)計(jì)內(nèi)容。在該模型中可以建立語(yǔ)義機(jī)制，語(yǔ)義內(nèi)容中將窗戶(hù)、墻壁和建筑物等真實(shí)物體采用一定的特征表現(xiàn)手段進(jìn)行表示，內(nèi)含多種物體要素和屬性之間關(guān)系，而這些表達(dá)不涉及幾何內(nèi)容，由語(yǔ)義層面獲得。在空間層次上，則包含了語(yǔ)義信息和實(shí)體的空間位置?？梢哉f(shuō)該模型由幾何和語(yǔ)義兩個(gè)層次構(gòu)成，具有一定的表達(dá)機(jī)制。究其實(shí)現(xiàn)形式，幾何模型的表示是通過(guò)GML3來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其三維模型涵蓋了點(diǎn)、線(xiàn)、面三種形式，由線(xiàn)構(gòu)成面，再由面構(gòu)成體。所有要素均具有自身的坐標(biāo)系統(tǒng)。而CityGML就算幾何模型的集成表達(dá)形式，具有多線(xiàn)、多點(diǎn)、多體等更加復(fù)雜的幾何實(shí)體。

二、在CilyGML基礎(chǔ)之上的對(duì)象關(guān)系的存儲(chǔ)

1.基于CityGML的存儲(chǔ)粒度劃分策略

由上文所述可知，CityGML模型的數(shù)據(jù)是在GML3規(guī)范基礎(chǔ)上組織而生的，所以若想構(gòu)建CityGML數(shù)據(jù)庫(kù)就必須保證存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)要為數(shù)據(jù)文件或者模式文件。其中，前者屬于空間實(shí)體真正存儲(chǔ)內(nèi)容，而后者則對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)起到一定的決定和影響作用。

在CityGML引入模式文件時(shí)，需要嚴(yán)格依照該模式確立數(shù)據(jù)文件的劃分粒度。所謂粒度，就是指聚合和歸納數(shù)據(jù)的程度，可以影響甚至是決定多個(gè)數(shù)據(jù)文件在分解后所能形成的片段大小。茌CityGML模型中的數(shù)據(jù)文件中，區(qū)域范圍內(nèi)的要素經(jīng)由CityObjectMember標(biāo)簽通過(guò)單實(shí)體進(jìn)行劃分，所以，該標(biāo)簽實(shí)可作為數(shù)據(jù)文件的劃分粒度，不僅可以節(jié)省調(diào)用時(shí)間，還可以保證數(shù)據(jù)的完整性。通過(guò)這種方式能夠解析數(shù)據(jù)文件，還可以存儲(chǔ)和檢索相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.基于OracleXMLDB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

OracleXMLDB是一種新增的功能模塊，目的是為了存儲(chǔ)XML數(shù)據(jù)，便于將原生服務(wù)器數(shù)據(jù)類(lèi)型，也就是XMLType對(duì)象類(lèi)型進(jìn)行引入。而GML數(shù)據(jù)則為格式良好的XML數(shù)據(jù)。因?yàn)镃ityGML是GML的應(yīng)用擴(kuò)展，所以對(duì)OracleXMLDB功能模塊可以建立三維擴(kuò)展方式。而由于CityGML模式文件對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行了預(yù)定義，所以具體的GML的存儲(chǔ)管理內(nèi)容則可以細(xì)分為對(duì)CityGML模式文件的管理和對(duì)CityGML數(shù)據(jù)文件的管理。

三、構(gòu)建城市三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)

研究上述一系列內(nèi)容主要的目的就是使其幫助構(gòu)建城市三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型。該模型的構(gòu)建目的是為了存儲(chǔ)和管理CityGML上的相關(guān)數(shù)據(jù)。其操作對(duì)象則為數(shù)據(jù)文件和模式文件兩種。因?yàn)镃ityGML數(shù)據(jù)可以面向?qū)ο?，所以解析過(guò)程必須采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)來(lái)進(jìn)行，之后進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)位置為Oracle XML DB中，這是構(gòu)建城市三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)中較為重要的環(huán)節(jié)之一。而具體的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)包括以下幾部分，分別為CityGML模式、通用CityGML解析、CityGML查詢(xún)、CityGML數(shù)據(jù)管理以及CityGML索引等。不同的結(jié)構(gòu)發(fā)揮不同的作用，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享等操作。

總結(jié)：

目前，城市三維空間數(shù)據(jù)信息管理存在一定的困難和挑戰(zhàn)。亟待構(gòu)建統(tǒng)一的城市三維模型編碼規(guī)范，由此產(chǎn)生了CityGML技術(shù)。經(jīng)本文論證分析得出，在原有模型優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上應(yīng)用該技術(shù)可以真正實(shí)現(xiàn)城市三維數(shù)據(jù)模型的互操作和信息共享，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。但是本次研究仍然不夠全面，今后筆者將進(jìn)一步進(jìn)行深入的研究與探討，望能夠建立更加高效的管理模式和解決方案。