海量城市三維模型數據管理研究與系統實現

張偉偉，高峰，祝方雄，樂恒

（寧波市規劃與地理信息中心，浙江寧波 315042）

海量城市三維模型數據管理研究與系統實現

張偉偉*，高峰，祝方雄，樂恒

（寧波市規劃與地理信息中心，浙江寧波 315042）

三維數字城市建設持續推進，城市三維模型數據規模日趨龐大，如何高效管理海量三維模型數據是當前亟須解決的問題。本文闡述了三維模型數據管理的研究現狀，并結合寧波市實際，設計并實現了3ds Max模型數據管理系統。實踐證明，系統能夠大幅提高3ds Max模型數據管理效率。

城市三維模型；3ds Max模型；數據管理系統；數據組織與管理

1　引 言

隨著“智慧城市”建設不斷推進，基于地圖的智慧應用層出不窮，傳統的二維數字地圖已經不能滿足城市三維空間管理的需要，建立三維“數字城市”成為科學界、企業界和城市政府管理部門共同追求的目標［1］。三維地理信息技術已廣泛應用于國土、規劃、應急等領域，各相關部門根據自身應用需求開展了三維地理信息系統建設。三維地理信息模型是三維地理信息系統的核心，三維地理信息系統建設如火如荼，但三維地理信息模型的可持續管理與更新一直被忽略。據筆者了解，當前國內大規模三維地理信息模型生產以3ds Max軟件占據主導地位，隨著信息化建設的不斷擴展與深入，各部門已經積累了海量3ds Max數據，數據規模達到了幾百GB級甚至TB級，如何高效的管理海量3ds Max模型是當前三維數字城市建設亟須解決的問題。

從上個世紀90年代以來，國內眾多學者圍繞著三維地理信息模型數據標準、數據建模方法、數據應用等方面開展了相關研究，研究成果頗為豐富。孫敏等［2］從三維模型理論角度進行較詳細的評述，指出其目前存在的問題。高山等［3］系統總結了三維模型數據的建模方法及現行主要標準。三維模型顯示速度研究主要集中在數據組織及設計優化［4，5］，空間索引優化方法［6］。馮琰等［7］以上海市三維地理信息系統為例，介紹了三維模型數據庫管理方法以及數據庫管理系統的功能模塊。綜上所述，近年來眾多學者在面向特定應用平臺的三維地理信息模型管理與應用方面進行了較為深入的研究，并提供了較為有效的解決方案，但鮮有文獻涉及海量3ds Max模型數據管理。

筆者充分吸收已有研究成果，并借鑒成熟的二維空間數據管理解決方案，結合寧波市三維地理信息共享服務平臺建設實際，探討了寧波市3ds Max模型數據組織與管理方法，并在此基礎上設計研發了3ds Max模型數據管理系統。

2　數據組織與管理

由于三維地理信息模型數據結構較為復雜、數據量較大，而3ds Max建模軟件承載數據量有限，寧波市3ds Max模型按照行政區劃-社區-區塊多級層級方式進行組織，每個行政區劃、社區、區塊都有其唯一對應的空間范圍，如圖1所示。

圖1　空間索引表

3ds Max模型數據管理主要有兩類需求:①數據更新:數據發生變更時以區塊為基本單元進行數據更新，同時保留歷史數據，建立版本管理。②數據導出:能夠按照不同區域導出3ds Max模型數據的現狀與歷史版本。

傳統的3ds Max數據更新與數據導出是通過手動方式實現，先使用系統自帶的檢索功能定位到對應的區塊數據，數據更新時將歷史文件改名保留其版本，現狀區塊移動至區塊所在文件目錄下，數據導出時將區塊對應的現狀與歷史版本一并拷貝至目標文件夾，這種數據更新與管理方法在處理單個區塊的數據更新與導出時效率尚可，但實際更新與管理中是往往是多個區塊（數據范圍大時可達上百個區塊）的更新與導出，采用手動更新方式效率低下。因此，筆者借鑒二維矢量數據管理思路，建立模型索引圖與區塊模型文件的關聯關系，即將模型文件所在的物理位置作為模型索引圖的屬性，建立兩者之間的一一對應關系，以模型索引圖作為數據更新與導出的統一出入口，創建可視化、互操作更新與管理，能夠實現3ds Max模型數據的批量更新與導出。

3　數據管理系統實現

3.1總體框架

系統采用c/s架構，運行在政務內網，邏輯上分為四層:數據層、組件層、功能層、應用層，數據層調用3ds Max文件庫與業務數據庫并實現兩者之間的關聯，組件層使用ArcEngine與3ds Max組件技術，功能層針對數據更新與管理人員的需求提供了質量檢查、數據更新、數據檢索、數據下載、版本管理等功能，使數據更新與管理人員在統一的模型空間索引表上實現數據高效更新與管理，如圖2所示。

圖2　系統總體架構

3.2數據庫設計

數據庫分為兩類:3ds Max文件數據庫和業務數據庫，兩者存儲在同一臺服務器上。

3ds Max文件數據庫:按照行政區劃-社區-區塊四級層次結構進行組織，每個區塊文件夾由max模型及對應的紋理組成。

業務數據庫:模型空間索引表實現了區塊接圖表與文件庫的關聯，格式為通用的shapefile格式，可根據模型空間索引圖可以直接定位區塊物理位置、便于數據檢索，除此之外，根據業務需要創建一系列業務表，包括Catalog_Tree（目錄樹）、Max_Base_Info（max基本信息表）、Max_Version_Info（max版本信息表）等，數據表之間的關系圖3所示。

圖3　E-R模型圖

3.3功能設計

系統主要面向對象是數據更新與管理人員，設計時充分考慮了用戶操作的通用性與便捷性，采用圖形化管理方式，主界面如圖4所示。

圖4　系統主界面

（1）質量檢查模塊

三維模型質量檢查應從模型幾何和屬性精度兩個方面綜合分析［8］。本文按照寧波地方標準從文件組織結構及命名、貼圖尺寸以及空間數據一致性等方面，建立了可配置的質量檢查規則，并能夠將檢測結果按照上述選項導出為excel格式，保障3ds Max模型數據質量，主要包括以下功能模塊:

①文件組織結構及命名檢查:檢查3ds Max模型組織結構是否按照行政區劃-社區-區塊模式進行組織；檢查當前更新區塊名稱與模型空間索引表中區塊名稱是否一致；檢查紋理命名是否符合規范。

②圖片尺寸檢查:檢查模型紋理尺寸是否為2的N次方。

③數據空間一致性檢查:檢查當前更新的區塊模型是否落在對應的模型空間索引表范圍內，如圖5所示。

圖5　質量檢查界面

（2）數據更新模塊

系統建立了可視化、交互性強的更新界面，通過建立模型索引表與區塊模型物理文件的關聯，使3ds Max區塊更新能自動批量完成，具體設計思路是:①系統根據更新的區塊名稱從模型空間索引表中檢索到該區塊對應的物理文件位置。②找到區塊對應的物理位置后，系統自動將歷史區塊文件改名（改名方法是區塊文件夾名稱+當前更新時間），更新文件作為當前文件。③更新后自動觸發sql server業務數據庫的max版本信息表更新，更新對應區塊的版本信息，如圖6所示。

圖6　數據更新界面

（3）數據檢索模塊

系統提供了準確、高效、便捷的數據檢索功能供數據管理人員使用，主要有以下3種方式:①目錄定位:系統提供多級目錄樹功能，可以根據目錄樹按照行政區劃-社區-區塊逐級定位至目標區塊。②按屬性檢索:可以通過sql語句快速查詢選擇模型數據，檢索字段包括社區名稱、區塊名稱、入庫時間等。③按照按空間范圍檢索:用戶可以加載shp、mdb等數據源，或通過系統界面自定義勾繪空間范圍，通過選擇空間范圍與模型空間索引圖的空間關系，選定特定范圍的區塊文件。以上3種方式都提供鼠標右鍵直接打開對應的區塊3ds Max文件功能。

（4）數據下載模塊

數據管理人員檢索到對應數據后需要將數據下載到本地，系統提供了數據下載功能，主要有以下3種方式:①直接從目錄樹點擊鼠標右鍵下載。②通過模型空間索引表右鍵下載一個或多個區塊文件。③通過空間查詢或屬性查詢將檢索結果一鍵式下載，并且可選擇入庫時間、文件格式（max、3ds、osg）、版本進行過濾下載，如圖7所示。

圖7　數據下載功能界面

（5）版本管理模塊

數據管理人員需要對各區塊的更新狀態進行管理，并可以追溯各區塊的歷史數據，系統在后臺業務數據庫中建立了max版本信息表，在區塊版本發生變化時動態更新此表，同時數據檢索及導出等功能根據此表可檢索區塊歷史版本信息。

（6）系統管理模塊

為保障數據的安全性，系統建立了健全的用戶權限管理機制，主要分為用戶管理、模型文件庫權限及安全權限管理，對不同的模型文件庫、不同的用戶設置不同的管理權限（建庫、更新、瀏覽、查詢、導出等），以保障模型文件庫的安全性。

4　系統效率分析

為驗證系統的計算效率，筆者選取3組數據進行分析，主要評估系統的數據更新及下載效率，實驗結果如表1所示:

數據更新下載效率比較　表1

實驗結果表明在區塊數量較少的情況下，系統更新下載效率相對于手動更新下載方式并沒有表現出明顯的提升，當區塊數量較多時，系統更新下載效率明顯優于手動方式。此外，系統提供的圖形化管理功能能夠實現一鍵式數據更新與下載，不需要人工干預。

5　結 語

基于本文思路研發的3ds Max模型數據管理系統替代了原有手動更新與管理模式，保障了數據安全性與準確性，大幅提高了數據更新、查詢、下載效率，同時建立了有效的歷史數據管理模式，整體上提升了3ds Max模型數據管理水平。下一步筆者計劃繼續完善該系統，重點是完善3ds Max數據質量檢查功能，如增加檢測模型冗余貼圖、模型缺少貼圖等功能。

［1］李宗華，黃新，趙中元等.武漢市三維數字地圖系統建設與應用示范［J］.地理空間信息，2010，8（3）：1～4.

［2］孫敏，馬藹乃，陳軍.三維城市模型的研究現狀評述［J］.遙感學報，2002，6（2）：155～160.

［3］高山，陳思.城市三維建模技術與標準研究［J］.測繪通報，2013（3）：95～97.

［4］朱國敏，馬照亭，孫隆祥等.城市三維地理信息系統中海量數據的數據庫組織與管理［J］.測繪科學，2008，33 （1）：238～240.

［5］李道遠，李英成，肖金城.大范圍城市三維模型管理技術研究［J］.測繪科學，2011，36（5）：70～72.

［6］梁建國，李峰.城市三維GIS中的海量數據組織方法［J］.測繪科學，2012，37（6）：91～93.

［7］馮琰，郭容寰，汪旻琦等.三維城市模型數據組織與管理方法研究［J］.測繪科學，2011，36（1）：215～217.

［8］姚蘇芩，盧天舒.三維模型數據的質量分析與控制方法研究［J］.測繪標準化，2011（1）：24～26.

Research and System Implementation on Management of the Massive Urban Three-dimensional Modeling Data

Zhang Weiwei，Gao Feng，Zhu Fangxiong，Le Heng
（Ningbo Planning&Geography Information Center，Ningbo 315042，China）

Three-dimensional digital city construction continues to advance，the scale of the city's three-dimensional modeling data is increasingly large，how to effectively manage the massive three-dimensional modeling data is an urgent problem to be solved.This paper describes the present situation on the three-dimensional modeling data management，combined with the management practice in Ningbo City，designed and implemented 3ds Max modeling data management system.Practice has proved that the system can greatly improve the efficiency of data management on 3ds Max modeling data.

urban three-dimensional modeling data；3ds Max modeling data；data management system；data organization and management

1672-8262（2016）04-61-04

P208.1

B

2016—04—08

張偉偉（1985—），男，工程師，碩士，現主要從事地理空間數據管理、空間數據挖掘與應用研究工作。