基于CityGML的城市三維空間數據庫設計研究

張純剛

[摘要]目前，全國正積極開展智慧化和數字化城市建設，若想構建智慧化、數字化的城市就必須建立三維信息化管理數據庫，但是三維模型數據通常較難共享，所以必須建立CityGML模型共享標準。為了進一步明確在CityGML基礎之上的城市三維空間數據庫的應用價值，本文對其設計進行了相關研究，望對該模型和數據庫的建立提供新思路，并為日后應用提供幫助。

[關鍵詞]CityGML城市三維空間數據庫；設計研究

國家自從提出測繪地理信息“十二五”發展規劃之后，全國各地均積極開始構建完善的數字城市建設，傳統的數字城市三維景觀模型具有一定的缺陷，很多大數據格式難以兼容和共享，為了有效的完善該模型建設，為此，本文深入分析了CityGML技術的標準，并為空間數據存儲建立了相關解決方案，最終實現了CityGML技術在模型中的應用價值。現將研究內容論述如下。

一、CityGML技術和模型概述

1.概念概述

CityGML技術和模型也就是通常所說的城市地理標記語言技術和模型，該模型下的數據較為開放，屬于GML3的一種應用模式，其交換格式是在虛擬3D城市模型和XML的存儲基礎上得以實現的，可以對城市中的三維對象建立相關的信息模型，可以顯示多種地理對象之間的空間和數據關系，經由該模型建立的區域模型的語義、拓撲、幾何關系明顯。使用這種技術和模型不僅可以有效的顯示城市模型的外觀，還可以建立其系統的語義屬性，可以更加直觀的表現城市植被、交通設施以及地面情況等。目前，較為先進的版本為CityGML2.0版本。該版本中內含11個擴展模式和1個核心模式。

2.關鍵技術說明

為了深入應用該模型，必須對其關鍵技術進行認知和理解，其模型中主要的模型和技術包含兩點，一是LOD細節層次模型，二是語義/幾何一體化表達模型。在該模型中一共有五個連貫細節層次，只有提高這些細節層次才可以更加高效的收集各種細節。而細節層次聯合地域建立的LOD0-地域模型多指2.5維度的數字地形模型，屬于一種較為粗糙的層次模型。其中，該模型中的LODl模型缺少屋頂的模型結構；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則是在此基礎上建立的建筑物模型，該模型的分辨率更高，細節層次呈現也較多，其中的交通設施和植被模型顯示更為精細；而LOD4模型則是在所有模型基礎上增設了細致的3D物體結構，其層次也更加詳細。

在CityGML中，語義，幾何一體化表達模型是其主要的設計內容。在該模型中可以建立語義機制，語義內容中將窗戶、墻壁和建筑物等真實物體采用一定的特征表現手段進行表示，內含多種物體要素和屬性之間關系，而這些表達不涉及幾何內容，由語義層面獲得。在空間層次上，則包含了語義信息和實體的空間位置。可以說該模型由幾何和語義兩個層次構成，具有一定的表達機制。究其實現形式，幾何模型的表示是通過GML3來實現的，其三維模型涵蓋了點、線、面三種形式，由線構成面，再由面構成體。所有要素均具有自身的坐標系統。而CityGML就算幾何模型的集成表達形式，具有多線、多點、多體等更加復雜的幾何實體。

二、在CilyGML基礎之上的對象關系的存儲

1.基于CityGML的存儲粒度劃分策略

由上文所述可知，CityGML模型的數據是在GML3規范基礎上組織而生的，所以若想構建CityGML數據庫就必須保證存儲的數據要為數據文件或者模式文件。其中，前者屬于空間實體真正存儲內容，而后者則對數據的存儲結構起到一定的決定和影響作用。

在CityGML引入模式文件時，需要嚴格依照該模式確立數據文件的劃分粒度。所謂粒度，就是指聚合和歸納數據的程度，可以影響甚至是決定多個數據文件在分解后所能形成的片段大小。茌CityGML模型中的數據文件中，區域范圍內的要素經由CityObjectMember標簽通過單實體進行劃分，所以，該標簽實可作為數據文件的劃分粒度，不僅可以節省調用時間，還可以保證數據的完整性。通過這種方式能夠解析數據文件，還可以存儲和檢索相關數據。

2.基于OracleXMLDB的數據存儲

OracleXMLDB是一種新增的功能模塊，目的是為了存儲XML數據，便于將原生服務器數據類型，也就是XMLType對象類型進行引入。而GML數據則為格式良好的XML數據。因為CityGML是GML的應用擴展，所以對OracleXMLDB功能模塊可以建立三維擴展方式。而由于CityGML模式文件對數據文件進行了預定義，所以具體的GML的存儲管理內容則可以細分為對CityGML模式文件的管理和對CityGML數據文件的管理。

三、構建城市三維空間數據庫

研究上述一系列內容主要的目的就是使其幫助構建城市三維空間數據庫模型。該模型的構建目的是為了存儲和管理CityGML上的相關數據。其操作對象則為數據文件和模式文件兩種。因為CityGML數據可以面向對象，所以解析過程必須采用面向對象技術來進行，之后進行存儲，存儲位置為Oracle XML DB中，這是構建城市三維空間數據庫中較為重要的環節之一。而具體的數據庫結構包括以下幾部分，分別為CityGML模式、通用CityGML解析、CityGML查詢、CityGML數據管理以及CityGML索引等。不同的結構發揮不同的作用，最終實現數據共享等操作。

總結：

目前，城市三維空間數據信息管理存在一定的困難和挑戰。亟待構建統一的城市三維模型編碼規范，由此產生了CityGML技術。經本文論證分析得出，在原有模型優勢的基礎上應用該技術可以真正實現城市三維數據模型的互操作和信息共享，具有一定的應用價值。但是本次研究仍然不夠全面，今后筆者將進一步進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。