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(shí)表現(xiàn)力的應(yīng)用模型。本文針對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理三維建模數(shù)據(jù)的一些問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)非關(guān)系MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)、快速更新、快速檢索，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)支持本文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的可用性。

關(guān)鍵詞：城市 ?三維建模 ?數(shù)據(jù)庫(kù) ?檢索

中圖分類號(hào)：P208 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）04（c）-0011-02

城市三維建模是我國(guó)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(wèn)題。同時(shí)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(dú)立保存或簡(jiǎn)單利用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)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(shí)間。

本文針對(duì)當(dāng)前三維建模數(shù)據(jù)管理的一些問(wèn)題，設(shè)計(jì)基于模型庫(kù)、紋理庫(kù)的三維建模數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)方案，并對(duì)建庫(kù)方案進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

1 ?三維建模數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)狀

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)采用表結(jié)構(gòu)組織數(shù)據(jù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)管理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用效率低，為簡(jiǎn)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(duì)數(shù)據(jù)集成，以便建模人員建模。非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)MongoDB和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)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(kù)表結(jié)構(gòu)的限制，可方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)本身，且效率很高。

2 ?三維建模建庫(kù)方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

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

數(shù)據(jù)庫(kù)體系如圖1所示。如圖1，源數(shù)據(jù)庫(kù)是系統(tǒng)的主數(shù)據(jù)庫(kù)，紋理庫(kù)和模型庫(kù)是相對(duì)固定的庫(kù)，紋理數(shù)據(jù)庫(kù)是對(duì)紋理數(shù)據(jù)分門(mén)別類的保存，模型數(shù)據(jù)庫(kù)存放常見(jiàn)模型，當(dāng)源數(shù)據(jù)用到相關(guān)的紋理、模型時(shí)，可從紋理庫(kù)、模型庫(kù)直接獲取，反之當(dāng)有新紋理、模型時(shí)可導(dǎo)入紋理庫(kù)、模型庫(kù)。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式及格式設(shè)計(jì)

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(kù)外部存放方式。紋理數(shù)據(jù)庫(kù)主要由紋理數(shù)據(jù)庫(kù)名、紋理類型、紋理順序號(hào)等表列組成。紋理庫(kù)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(shí)根據(jù)紋理的類型，結(jié)合已有的順序號(hào)順次自動(dòng)賦予新順序號(hào)，順序號(hào)作為紋理在紋理庫(kù)的唯一標(biāo)識(shí)，支持通過(guò)順序號(hào)找到該文件來(lái)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(shí)質(zhì)也是紋理映射到模型的過(guò)程，因此模型庫(kù)的設(shè)計(jì)原理與紋理庫(kù)一致。模型數(shù)據(jù)庫(kù)由數(shù)據(jù)庫(kù)名、類型、順序號(hào)等表列組成。模型的組織方式與紋理類似，通過(guò)類型判定模型的歸屬，模型庫(kù)為模型分配唯一的模型順序號(hào)，支持通過(guò)順序號(hào)檢索出模型來(lái)應(yīng)用。

2.2.3 源數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)編碼格式

根據(jù)紋理庫(kù)與模型庫(kù)的特點(diǎn)，源數(shù)據(jù)庫(kù)中文件是以工程來(lái)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(zhǔn)確匹配，源數(shù)據(jù)庫(kù)可以從紋理庫(kù)、模型庫(kù)直接調(diào)用數(shù)據(jù)，源數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)也可以導(dǎo)入到紋理庫(kù)、模型庫(kù)中。

2.3 數(shù)據(jù)字典設(shè)計(jì)

紋理在紋理庫(kù)中按類型分門(mén)別類存放，紋理庫(kù)為每個(gè)類型分配唯一的編號(hào)，當(dāng)需要使用某個(gè)紋理時(shí)，可按照編號(hào)從紋理庫(kù)中檢索出來(lái)。模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與紋理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理類似。

2.4 數(shù)據(jù)集合與接口設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)集的設(shè)計(jì)考慮物體空間參考、平均大小及數(shù)量，此外還要結(jié)合當(dāng)前三維建模的操作流程及習(xí)慣，建立起對(duì)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(gè)三維建模場(chǎng)景作為一個(gè)工程管理，每個(gè)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(diǎn)云數(shù)據(jù)集、矢量數(shù)據(jù)集。通過(guò)可視化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)，并支持按列表視圖、樹(shù)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(biāo)，上傳時(shí)間等。建模數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、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(kù)實(shí)現(xiàn)

3.1 建模數(shù)據(jù)庫(kù)框架

數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)總體框架如圖3所示。建模數(shù)據(jù)庫(kù)分為數(shù)據(jù)管理層、數(shù)據(jù)庫(kù)層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層。數(shù)據(jù)入庫(kù)實(shí)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(gè)模型立面，紋理包含若干紋理面片。數(shù)據(jù)查詢實(shí)現(xiàn)屬性檢索與地理空間檢索兩種方式，屬性查詢?cè)试S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(biāo)（X，Y坐標(biāo)）和查詢半徑建立緩沖圓查找文件。此外，本文通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)為每個(gè)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成keyvalue鍵值對(duì)形式的索引，相比關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，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(kù)系統(tǒng)支持查詢到的影像添加到指定的模型，實(shí)現(xiàn)檢索數(shù)據(jù)與模型的快速關(guān)聯(lián)，對(duì)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(gè)數(shù)，對(duì)已有模型或新建模型實(shí)時(shí)更新，方便外業(yè)采集數(shù)據(jù)及時(shí)導(dǎo)入到相應(yīng)模型中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與模型關(guān)聯(lián)。

4 ?數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的入庫(kù)效率，進(jìn)行如下數(shù)據(jù)出入庫(kù)測(cè)試，測(cè)試機(jī)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(cè)試數(shù)據(jù)庫(kù)：MongoDB2.6.3、MySql、SQLServer2008。實(shí)驗(yàn)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(kù)導(dǎo)入平均大小為6MB的數(shù)據(jù)時(shí)，隨著數(shù)據(jù)量增大，SqlServer變化較大，MongoDB和MySql比較平穩(wěn)，用時(shí)較少，導(dǎo)出同樣數(shù)據(jù)時(shí)，本文系統(tǒng)用時(shí)最小。當(dāng)導(dǎo)入相同數(shù)量不同大小的數(shù)據(jù)時(shí)，本文設(shè)計(jì)的MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)耗時(shí)最少，導(dǎo)出數(shù)據(jù)時(shí)情況類似，本文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)耗時(shí)最少。

5 ?結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)管理三維建模數(shù)據(jù)的一些問(wèn)題，通過(guò)設(shè)計(jì)非關(guān)系MongoDB數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kù)、快速更新、快速檢索，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)支持本文數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的可用性。

參考文獻(xiàn)

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