城市三維建模數(shù)據(jù)庫設(shè)計與實現(xiàn)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(shè)和規(guī)劃等相關(guān)領(lǐng)域提供了具有真實表現(xiàn)力的應(yīng)用模型。本文針對關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理三維建模數(shù)據(jù)的一些問題，通過設(shè)計非關(guān)系MongoDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)對紋理、模型數(shù)據(jù)的快速更新，并支持各類建模數(shù)據(jù)的快速出入庫、快速更新、快速檢索，并通過實驗支持本文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的可用性。

關(guān)鍵詞：城市 ?三維建模 ?數(shù)據(jù)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(shù)字城市建設(shè)的重要內(nèi)容。城市建筑物繁多、地形復(fù)雜，現(xiàn)有數(shù)據(jù)管理方式普遍存在外業(yè)數(shù)據(jù)管理難度大，數(shù)據(jù)冗余等問題。同時因數(shù)據(jù)格式各異，難以采用統(tǒng)一管理方式，大量建模數(shù)據(jù)一般以文件形式獨立保存或簡單利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫保存，缺乏海量三維數(shù)據(jù)管理的支持，數(shù)據(jù)的整理、查詢等占用大量時間。

本文針對當前三維建模數(shù)據(jù)管理的一些問題，設(shè)計基于模型庫、紋理庫的三維建模數(shù)據(jù)庫建庫方案，并對建庫方案進行實現(xiàn)。

1 ?三維建模數(shù)據(jù)庫現(xiàn)狀

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫采用表結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，對海量數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用效率低，為簡化數(shù)據(jù)讀取流程，提供統(tǒng)一便捷的數(shù)據(jù)源，有必要采用合適數(shù)據(jù)管理方式對數(shù)據(jù)集成，以便建模人員建模。非關(guān)系數(shù)據(jù)庫MongoDB和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫有本質(zhì)區(qū)別，MongoDB以BSON格式組織數(shù)據(jù)，BSON格式類似于JSON格式，不存在關(guān)系數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)的限制，可方便存儲數(shù)據(jù)本身，且效率很高。

2 ?三維建模建庫方案設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)庫總體設(shè)計

三維建模數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)包括源數(shù)據(jù)庫、紋理庫、模型庫以及系統(tǒng)軟硬件支撐環(huán)境組成。

數(shù)據(jù)庫體系如圖1所示。如圖1，源數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫，紋理庫和模型庫是相對固定的庫，紋理數(shù)據(jù)庫是對紋理數(shù)據(jù)分門別類的保存，模型數(shù)據(jù)庫存放常見模型，當源數(shù)據(jù)用到相關(guān)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(dǎo)入紋理庫、模型庫。

2.2 數(shù)據(jù)存儲方式及格式設(shè)計

2.2.1 紋理數(shù)據(jù)編碼格式

三維建模紋理數(shù)據(jù)通常以類別存放，是紋理數(shù)據(jù)的庫外部存放方式。紋理數(shù)據(jù)庫主要由紋理數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)存放紋理，且支持紋理更新、調(diào)用。更新時根據(jù)紋理的類型，結(jié)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(yīng)用。

2.2.2 模型數(shù)據(jù)編碼格式

模型與紋理是匹配的，三維建模實質(zhì)也是紋理映射到模型的過程，因此模型庫的設(shè)計原理與紋理庫一致。模型數(shù)據(jù)庫由數(shù)據(jù)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(yīng)用。

2.2.3 源數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)編碼格式

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

2.3 數(shù)據(jù)字典設(shè)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(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與紋理結(jié)構(gòu)設(shè)計原理類似。

2.4 數(shù)據(jù)集合與接口設(shè)計

數(shù)據(jù)集的設(shè)計考慮物體空間參考、平均大小及數(shù)量，此外還要結(jié)合當前三維建模的操作流程及習慣，建立起對建模數(shù)據(jù)，例如模型、紋理、DLG數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)集合，即影像數(shù)據(jù)集、LiDAR點云數(shù)據(jù)集、矢量數(shù)據(jù)集。通過可視化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)的存儲、更新及各類檢索方式，以接口提供給外部系統(tǒng)調(diào)用。

3 ?三維建模數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)

3.1 建模數(shù)據(jù)庫框架

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)總體框架如圖3所示。建模數(shù)據(jù)庫分為數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)庫層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)入庫實現(xiàn)模型、紋理以封裝文件夾形式整體導(dǎo)入，模型包含若干個模型立面，紋理包含若干紋理面片。數(shù)據(jù)查詢實現(xiàn)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(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為每個數(shù)據(jù)自動生成keyvalue鍵值對形式的索引，相比關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，可直接按key定位到數(shù)據(jù)，檢索效率提升明顯。

3.2 檢索數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)

建模數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)支持查詢到的影像添加到指定的模型，實現(xiàn)檢索數(shù)據(jù)與模型的快速關(guān)聯(lián)，對已有模型或新建模型快速更新。支持設(shè)定查詢距離和檢索影像個數(shù)，對已有模型或新建模型實時更新，方便外業(yè)采集數(shù)據(jù)及時導(dǎo)入到相應(yīng)模型中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)。

4 ?數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實驗

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

5 ?結(jié)語

本文針對關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理三維建模數(shù)據(jù)的一些問題，通過設(shè)計非關(guān)系MongoDB數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實現(xiàn)對紋理、模型數(shù)據(jù)的快速更新，并支持各類建模數(shù)據(jù)的快速出入庫、快速更新、快速檢索，并通過實驗支持本文數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的可用性。

參考文獻

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