面向實體的三維空間數據模型組織方法及應用

谷勝濤,李景文,劉源璋,李春龍

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西桂林 541004; 2.桂林理工大學GIS研究中心,廣西桂林 541004)

面向實體的三維空間數據模型組織方法及應用

谷勝濤1*,李景文1,2,劉源璋1,李春龍1

(1.桂林理工大學土木與建筑工程學院,廣西桂林 541004; 2.桂林理工大學GIS研究中心,廣西桂林 541004)

三維空間數據模型是對現實世界模型化的基礎,是空間數據組織的概念和方法,反映了現實世界空間實體及實體間的關系。傳統的三維數據模型大多從幾何特征表達的角度出發,割裂了空間對象個體之間的邏輯聯系,不能完整表達地理實體。本文將地理實體抽象為能獨立反映完整空間和邏輯關系的空間對象,提出了面向實體的三維空間數據模型的組織方法。重點探討了面向對象的三維空間數據模型的描述方法、組織體系、存儲方法及其模型庫、紋理庫的構建方法,并在三維城市供水管網模型建模中進行了應用。

地理實體;邏輯語義;三維城市供水管網

1 引 言

當今地理空間信息表達已經步入三維時代,相關的三維空間數據模型的研究與應用不斷深入。然而,現有的三維空間數據模型主要側重于表達地理現實的幾何特征,將地理事物以空間上的個體或者局部為基本模型單元加以描述和表達,這在一定程度上簡化了數據存儲和組織的復雜程度,卻人為地割斷了這些個體之間的邏輯聯系。造成數據模型與客觀世界認知不能形成良好的邏輯映射,難以表達復雜的地理對象整體特征,更難以實現較深層次的查詢和空間決策分析。本文從面向對象的角度,將地理實體抽象為能獨立反映完整空間和邏輯關系的空間對象,提出了面向實體的三維空間數據模型(Entity-Oriented 3D Model,EO3DM),為三維空間信息的查詢管理、空間分析、決策分析與應用提供了有效的數據組織管理方法。

2 面向實體的三維空間數據模型的描述

在現實世界中,三維地理空間信息是對地理空間上連續分布,語義上相互關聯的地理實體的具體描述和表達。面向實體的三維數據模型則是運用面向對象的方法,將地理實體抽象為能獨立反映完整邏輯關系的空間對象,從而將其空間、屬性特性與對象間的邏輯語義有機結合起來,使數據能更好地模擬現實世界及其聯系,進而為提供三維空間信息決策分析服務。

定義1:直接或間接與地理空間分布有關的事物、現象、特征等的總和,連同對它們的描述稱為地理現實[1,7],若用點的集合(點集)表示空間,則地理現實表現為二元組。

Pi={[(xi,yi,zi),(a1,a2,…,an)]｜i∈R,R為實數集,i=1,2,…,i}

其中(x,y,z)表示空間上的任意點,(a1,a2,…, an)表示在該點上的地理事物、特征、現象的集合,Pi為空間上的任意點,S={P1,…,Pi,…,Pn}作為研究對象的三維地理空間。

定義2:地理實體是指為方便真實表達地理空間客體及其組織關系而進行抽象的實體,是現實三維世界中具有完整空間屬性特征和邏輯語義的空間對象。其邏輯語義與人的認知觀念及社會屬性相匹配,空間特征由自身空間位置描述。實體因模型的復雜程度及范圍,可以由其他的實體組合而成,即:

3DE(Three Dimensional Entity)={(3de1,3de2, 3de3,…,3dei)｜i∈R,R為實數集,i=1,2,3,…i}, 3dei是具有完整空間特征和邏輯語義的地理實體,Λ為地理實體的類型,X是空間操作集合,A是屬性集合,α是邏輯語義約束集合。

定義3:單元實體(Unit Entity,UE)為具有完整空間特征的物體,但不具備完整邏輯語義。對于建筑物體,單元實體分為三類:主體、特征及附屬物。單元實體由一個或多個元對象組成[4]。

定義4:元對象[3](Meta Object,MO)是為單元實體進一步細分,包含點、線、面和體等元對象。點對象只有空間位置而沒有空間形狀,線對象具有位置和長度特征,面對象具有位置和面積特征,體對象具有位置和體積特征。組合對象為按對象屬性相近的歸類組合。

定義5:把構成元對象的節點、邊、平面稱為元素(Element)。節點元素P={Pid,X,Y,Z},邊元素L= {Lid,Pid1,Pid2,Pid3,…,Pidn,…},平面元素A={Aid, Lid1,Lid2,Lid3,…,Lidn,…},元對象的空間構成是節點、邊、平面等元素或它們的組合,即MO.G={{P},{L}, {A}}。

圖1 面向實體的三維數據模型的元對象

3 面向實體三維空間數據模型的組織

3.1 數據模型組織體系

面向實體的三維空間數據模型采用了層次模型[4]組合的表達方式,每個三維實體都可細分為單元實體,元對象和幾何元素,每一元對象都連接有屬性信息,面對象和體對象的平面元素附加柵格影像紋理;組合對象是由多個元對象構成,多個組合對象又可以構成新的組合對象。單元實體可由單一的元對象描述,還可由多個元對象的組合成組合對象來表達,單元對象根據社會邏輯語義屬性合并為地理實體,一個地理實體有多個單元實體組成。

3.2 存儲管理

三維空間數據類型繁多、多層嵌套、海量,數據存儲自然成為三維空間數據管理的關鍵。三維數據存儲管理方式大體可分為兩種:集成存儲方式和完全的數據庫管理方式。其中主要運用的完全數據庫管理方式有兩種方法:一種是使用數據庫提供的空間數據管理的選件(如Oracle Spatial),另一種是依靠用戶定義的空間數據結構,利用二進制字段保存大的數據塊(如 Oracle的BLOB字段),面向實體的三維空間數據管理主要采用后面一種方式[5]。它采用用戶定義數據類型及其關系、并作為基本或本地類型存儲在Oracle數據庫的GEOLOC類型的SDO-GEOMETRY字段中;三維模型及紋理圖像利用Oracle的二進制BLOB字段保存大的數據塊。

4 三維實體模型庫和紋理庫組織管理

隨著經濟社會的發展,地理事物呈現出形式多樣,結構復雜、造型各異的特點,增加了三維模型構建的難度。通過與Oracle數據庫技術相結合,構建完善的三維模型庫和紋理庫,簡化相同或相似地物的建模,對于地理空間中所涉及的大量相同地物和紋理特征,可以直接調用數據庫中的模型和紋理,避免了模型重復建模,提高了模型構建的工作效率。

圖2 地理實體模型組織體系

4.1 模型庫

模型庫[6]是按照地物幾何特征剖分為具有相同或類似的特征模型作為公共模型即單元實體,復雜模型由公共模型構成,并根據實際特征進行調整。大范圍地理空間三維數據模型構建時,調用公共模型進行簡單的縮放或移動建模,從而減少重復工作,提高幾何特征建模的效率。

4.2 紋理庫

面向實體的三維數據模型不僅包含幾何特征模型,還具有體、面對象所包含相片質感的表面描述如逼真的材質、紋理特征及其他相關的紋理信息。精確、海量、高分辨率影像紋理庫的構建是建立真實感三維景觀模型的關鍵問題,采用模型庫加紋理庫的技術,將大大簡化復雜模型的建模工作。將采集獲得的不同來源和不同類型的影像實體紋理,根據紋理情況的不同進行正射糾正,編輯、剪裁后,添加屬性信息,分類歸入數據庫中,從而構建紋理庫,以便于三維數字模型構建,如圖3所示。

圖3 紋理庫構建流程

5 面向實體的城市地下管網數據組織模式

城市地下管網作為城市重要的基礎設施,主要包括電力管線、給排水管線、煤氣管線、電信管線等,具有種類繁多,結構復雜,縱橫交錯,地下埋深的特點,很長一段時期,大多采用二維平面管理模式,然而隨著地下管網信息利用化程度的不斷提高,二維信息化管理已經不再適合城市地下管網多維立體化的信息管理的需求,面向實體的三維城市地下管網從邏輯管理的角度出發,將地下管網抽象細化為各種三維對象,便于管線的多維查詢維護管理,為錯綜復雜多維的管網信息的存儲、管理及應用提供了有效的組織管理方法。本文以城市供水管網邏輯實體為例,探討了面向實體的城市地下管網模型的數據組織模式,如圖4所示。

面向實體的城市供水管網數據組織模型主要包含主管網[6]、支管網等單元實體和各類管節點、供水管線等組合對象,其中,主管網和支管網是由各類管節點和供水管線組合而成,管節點具體包括水廠、閥門、泵站和用戶水表等簡單對象,并且可以抽象為一定粒度的點、線、體對象,通過Oracle數據庫調用其模型和紋理庫。

圖4 三維城市供水管網組織模式

6 結 論

面向實體的三維數據模型采用面向對象的思想,將人們認知的邏輯性引入到地理實體中,通過地理實體個體之間及其內部的聯系,表達復雜的地理實體整體特征,進而實現較深層次的查詢和空間決策分析。該模型將地理實體定義為具有完整空間特征和邏輯意義的空間對象,把空間對象的空間和屬性特征與人類認知的邏輯特征有機地結合起來,實現三維數據模型從幾何特征表達向面向實體的三維數據模型邏輯表達轉化,并在三維城市供水管網建模過程中進行了運用,為三維空間數據的數據查詢管理、空間分析、決策分析與廣泛應用提供了有效的數據組織管理方法。

[1] 李景文.面向對象矢量模型及其應用研究[D].中國地質大學,2007

[2] 李清泉,楊必勝,史文中.三維空間數據的實時獲取、建模與可視化[M].武漢:武漢大學出版社,2003

[3] 李成名,王繼周,馬照亭.數字城市三維地理空間框架原理與方法[M].北京:科技出版社,2008

[4] 萬劍華,盛輝,鄭紅霞.基于幾何元素的具有影像紋理的三維空間數據模型[J].石油大學學報(自然科學版), 2003,27(6):116～130[5] 喬淑娟,王華.基于GIS的城市地下管網空間-數據模型及其可視化研究[J].首都師范大學碩士研究生論文, 2006

[6] 程小凱,李景文,陳大克.面向對象的城市管網數據組織模型設計[J].地理空間信息,2010(2):127～133

Entity-oriented Method of Three-dimensional Data Model Organization

Gu ShengTao1,Li JingWen1,2,Liu YuanZhang1,Li ChunLong1
(1.College of Civil Engineering and Construction,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China; 2.GIS Research Center,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

Three-dimensional data model is the basis for the real world modeling.It is also the concept of spatial data organization and methods.It reflect relationships between the real-world spatial entities and entities.Most of the traditional three-dimensional data model express geometric features from the perspective of the space separating the logical connection between the individual objects,which is not the full expression of the geographical entity.In this paper,object -oriented thinking can be abstracted as separate geographical entities which reflects the integrity of the relationship between space and the logical space objects,It is also propose for three-dimensional data model entities,the organizational methods.Focusing on the entity-oriented data model describes the three-dimensional methods,data structures,Organization System and the corresponding three-dimensional model of organization between management of library and texture database,and practicing the application for three-dimensional model of urban water supply networks.

Geographic entity;Logical semantics;Three-dimensional urban water supply networks

1672-8262(2011)04-29-03

P208

B

2011—02—23

谷勝濤(1982—),男,碩士研究生,從事GIS理論和應用方面的研究。

廣西科學研究與技術開發計劃項目(桂科能0992030-1、10100018-2);廣西高校優秀人才資助計劃(桂教人[2009]62號);廣西區2010年研究生科研創新項目(2010105960818M07)