城市三維建模數據庫設計與實現研究

馮文雯 仇棟才 于波

【摘? 要】 三維逼真城市形象模型（3dcitymodels，3dcm）城市作為一個城市的三維逼真形象描述，為我國城市基礎建設和環境規劃等城市相關技術領域研究提供了一種具有真實性和表現力的實際應用三維模型。本文主要針對關系數據庫系統管理三維圖形建模模型數據的一些常見問題，通過分析設計非三維關系型的mongodb關系數據庫管理系統，實現對圖形紋理、模型圖等數據的快速處理更新，并同時支持各類三維建模模型數據的快速更新出入庫、快速數據更新、快速數據檢索，并通過多種實驗措施支持本文建模數據庫系統的提高可用性。

【關鍵詞】城市;三維建模;數據庫;檢索

引言

城市三維立體建模技術是當前我國推進數字時代城市基礎建設的重要組成內容。城市內部建筑物繁多、地形復雜，現有企業數據采集管理工作方式普遍存在著對外業務的數據采集管理工作難度大，數據冗余等復雜問題。同時因建模數據存儲格式各異，難以完全采用統一數據管理存儲方式，大量三維建模后的數據一般以多個文件夾的形式獨立進行保存或簡單直接利用關系數據庫進行保存，缺乏針對海量三維建模數據存儲管理的技術支持，數據的采集整理、查詢等都會占用大量存儲時間。

1.三維建模數據庫現狀

關系型海量數據庫建模采用關系表格型結構方式組織海量數據，對用于海量和大數據資源管理的要求數據庫結構復雜，應用實現效率低，為有效簡化海量數據庫的讀取處理流程，提供統一便捷的海量數據源，有必要考慮采用合適的大數據資源管理系統方式對海量數據進行集成，以便專業建模工作人員進行建模。非關系系統數據庫格式mongodb和關系型系統數據庫之間有很多本質區別，mongodb以BSON格式組織數據，bson關系格式結構類似于oracle的json關系格式，不過也存在關系數據庫對于表格和結構的參數限制，可方便捷地存儲關系數據本身，且存儲效率很高。

2. 三維建模建庫方案設計

2.1數據庫總體設計

三維數據建模系統數據庫管理系統主要包括源代碼數據庫、紋理數據庫、模型庫以及操作系統軟硬件整合支撐四大環境部分組成。

源紋理數據庫主要是系統的兩個主要源數據庫，紋理數據庫和模型庫主要是相對固定的數據庫，紋理庫和數據庫主要是對系統紋理模型數據分門別類的紋理保存，模型庫和數據庫主要存放常見紋理模型，當源紋理數據庫的用戶遇到沒有相關的系統紋理、模型時，可從舊的紋理數據庫、模型庫直接導入獲取，反之假如當系統有新增的紋理、模型時則則可直接導入新的紋理數據庫、模型庫。

2.2數據存儲方式及格式設計

（1）紋理數據編碼格式。三維紋理建模中的紋理模型數據通常以文件類別方式存放，是三維紋理建模數據的資料庫外部文件存放一種方式。紋理表列數據庫主要由所有紋理表列數據庫名、紋理表列類型、紋理表列順序號等紋理表列信息組成。紋理存放庫按照所有紋理庫的編碼文件結構自動存放所有紋理，且同時支持所有紋理庫的更新、調用。更新時根據添加紋理的文件類型，結合已有的紋理順序號順次自動分別賦予新增的順序號，順序號順次作為文件紋理在一個紋理文件庫的唯一應用標識，支持通過根據順序號順次找到該庫的文件紋理來進行應用。

（2）模型數據編碼格式。模型與三維紋理映射是相互匹配的，三維紋理建模庫在實質性上也是三維紋理模型映射轉換到二維模型的一個過程，因此模型庫的結構設計基本原理與三維紋理映射庫一致。模型表列數據庫由模型數據庫名、類型、順序號等多種表列形式組成。模型的數據組織處理方式與模型紋理類似，通過根據類型分析判定每個模型的數據歸屬，模型庫為每個模型數據分配唯一的一個模型數據順序號，支持通過根據順序號方式檢索分析出來的模型數據來進行應用。

（3）源數據庫數據編碼格式。根據不同紋理信息庫與模型庫的不同特點，源紋理數據庫中調用文件管理是以不同工程要求來進行組織的，之所以我們選擇按不同工程要求管理調用數據，是為了保證屬于同一一個工程的紋理模型與不同紋理的準確性相匹配，源紋理數據庫文件可以從舊的紋理數據庫、模型庫直接導入調用紋理數據，源紋理數據庫文件中的紋理數據也同樣可以直接導入到新的紋理數據庫、模型庫中。

2.3數據字典設計

紋理在整個紋理數據庫中可以按類型分門別類進行存放，紋理數據庫為每個不同類型紋理分配唯一的紋理編號，當用戶需要手動使用某個類型紋理時，可按照這一編號從整個紋理數據庫中自動檢索紋理出來。模型數據結構與圖形紋理數據結構設計中的原理非常類似。

2.4數據集合與接口設計

數據集的結構設計主要考慮三維物體建模空間高度參考、平均空間大小及物體數量，此外還要充分結合當前三維物體建模的實際操作管理流程及使用習慣，建立在一起對三維建模中的數據，例如物體模型、紋理、dlg值等數據、dem值等數據的三維工程化采集管理。每個三維影像建模應用場景必須作為一個建模工程進行管理，每個建模工程都必須包含3類基本影像數據庫的集合，即三維影像處理數據集、lidar點以及云影像數據集、矢量影像數據集。通過系統可視化的對數據庫進行系統管理查看數據，并同時支持按縱向列表圖形視圖、樹狀圖形視圖等多種顯示方式進行查看，查看數據信息主要包括下載文件名，文件類型，文件位置坐標，上傳文件時間等。建模各種數據的實時存儲、更新及各類數據檢索處理方式，以通用接口數據提供方式給外部處理系統進行調用。

3.三維建模數據庫實現

3.1建模數據庫框架

數據庫管理系統軟件總體設計中，建模管理數據庫系統分為建模數據系統管理層、數據庫建模層、數據層和應用管理層。數據處理入庫器的實現是將模型、紋理以圖片封裝放在文件夾中的形式進行整體數據導入，模型紋理包含若干個整體模型立面，紋理片則包含若干模型紋理和立面片。數據檢索查詢方式實現文件屬性信息檢索與文件地理信據空間信息檢索查找兩種查詢方式，屬性檢索查詢方式允許文件用戶按多個屬性檢索信息查找文件，地理信息空間檢索查找方式允許文件用戶按三個地理坐標（x，y三個坐標）和數據查詢時間半徑分別建立一個緩沖的方圓查找文件。

3.2檢索數據與模型關聯

建模影像數據庫系統自動支持已經查詢檢索到的建模影像自動添加數據到系統指定的數據模型，實現已經檢索到的數據與指定模型的快速相互關聯，對已經擁有的新模型或者重新建立的模型快速進行更新。支持自動設定實時查詢影像距離和實時檢索到的影像數據個數，對已經所有新建模型或外業新建好的模型實時自動更新，方便所有外業數據采集者將數據及時更新導入到外業相應新建模型中，實現采集數據與已有模型無縫關聯。

4.結語

本文主要針對關系數據庫系統管理三維圖形建模模型數據的一些常見問題，通過分析設計非三維關系型的mongodb關系數據庫管理系統，實現對圖形紋理、模型圖等數據的快速處理更新，并同時支持各類三維建模模型數據的快速更新出入庫、快速數據更新、快速數據檢索，并通過多種實驗措施支持本文建模數據庫系統的提高可用性。

參考文獻

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本文根據課題： 基于模式識別的建筑語義化三維重建方法研究。課題項目編號2019A007。