實景三維數據庫管理系統的建設難點分析

劉沐洋 譚金石 祖為國

（廣東工貿職業技術學校，廣東 廣州 510510）

實景三維是能夠真實、立體、時序化地反映人類生產、生活和生態空間的時空基底，是面向元宇宙、數字孿生城市建設的基本要求[1]，對于智慧城市建設[2]、自然資源科學管理[3]均具有重要價值。根據相關的實景三維中國建設技術指導文件，實景三維中國的建設任務十分艱巨，要求實現基礎測繪產品體系、技術體系、生產組織體系、管理體系的全面轉型升級，技術難點突破涉及范圍廣，主要包括實景三維數據高效智能采集與生產、海量實景三維數據存儲與更新、實景三維數據與物聯感知數據的融合語義化等，目前實景三維中國建設仍在探索中。2019年至今，武漢試點已經成功構建了以地理實體為核心的新型基礎測繪產品體系[4]，有關高效率的自動單體化實景三維模型構建技術的研究也取得了一些突破[5-6]，但實景三維數據庫管理系統建設的瓶頸仍待突破。

1 實景三維數據庫管理系統建設需求

關于全面實景三維中國建設的通知明確要求，2025年初步建成國家—省—市（縣）多級關聯互通的實景三維在線與離線相結合的服務系統，2035年實現國家—省—市（縣）多級實景三維在線系統的泛在服務。與傳統的基礎測繪數據庫管理系統相比較，實景三維數據庫管理系統有兩點重要轉變：一是數據庫的包含內容隨著基礎測繪產品的轉型，逐漸從以二維數據為主走向以三維數據為主，數據量的急劇增加對系統的存儲與運行能力提出了更高的要求；二是實景三維數據庫管理系統縱向上強調國家—省—市（縣）多級互聯互通、橫向上要求為其他業務提供同步數據共享應用服務，對比傳統的基礎測繪數據庫管理系統，要求實景三維數據庫管理系統具備更強的協同作業能力。

2 實景三維數據庫管理系統建設難點分析

2.1 沖突檢測

為了保證數據的完整性、連通性，沖突檢測是把關數據質量的關鍵技術。傳統的基礎測繪產品以數字線劃地圖（DLG）為核心，有關數字線劃地圖的沖突檢測技術已經非常成熟[7]。而實景三維產品以基礎地理實體數據為核心，地理實體在分類體系、編碼設計、數據表達與組織上的邏輯都與數字線劃地圖完全不同。

在分類體系上，傳統的數字線劃圖基于要素單位進行數據分類，而基礎地理實體基于實體單位進行數據分類，并對其分類體系進行了明顯調整，基礎地理實體包含自然地理實體、人工地理實體、管理地理實體三大類，每一大類還包含有許多不同的二級分類、三級分類。在編碼設計上，為實現對地理實體的自動化智慧管理，參照利用身份證號碼記錄管理居民相關活動的方法，每一個基礎地理實體對應一個全球唯一地理標識碼，標識碼由專有標識域、位置碼、時間碼、分類碼、順序碼、擴展域構成，與每一個地理實體有關聯的任意格式的二維數據、三維數據、專題文本數據、多媒體數據等，都能夠通過全球唯一地理實體標識碼這一橋梁建立關聯關系，從而實現自動關聯管理。在數據表達與組織上，基礎地理實體遵循“一碼多態”原則，每一個地理實體都能夠以二維、三維、專題應用等多種形式進行表達。與傳統的基礎測繪成果相比，面向實景三維的以地理實體為核心的數據結構更加復雜，存在更多的關聯關系，意味著在相關數據入庫實景三維數據庫管理系統時，沖突檢測環節需要增加更多的關聯關系檢查功能。基礎地理實體的數據組成結構如圖1所示。

圖1 基礎地理實體數據的組成結構

面向數字線劃地圖的傳統沖突檢測技術，在幾何邏輯層次仍可以適用基礎地理實體，但不能適用地理實體的數據組織邏輯。目前，有關基礎地理實體的數據組織標準已經比較成熟，因此，如何針對基礎地理實體的數據組織邏輯研發相匹配的沖突檢測算法是實景三維數據庫管理系統的難點之一。

2.2 數據更新

基礎測繪產品的現勢性直接關系著系統的服務能力，如何提高數據的現勢性、實現基礎測繪數據的動態更新，一直以來都是傳統測繪行業致力突破的難點，從全面更新發展到增量更新，針對數字線劃地圖的動態更新技術已經比較成熟[7]，該流程基本可以直接適用基礎地理實體數據的更新。

隨著實景三維中國建設對于系統的聯動協同作業要求的提升，數據更新除了需要滿足現勢性的需求，二三維數據一體化更新、國家—省—市（縣）多級聯動更新、不同業務部門之間的協同更新都成為實景三維數據庫管理系統研發的重難點。實景三維數據庫包含二維的基礎地理實體數據與三維的單體化模型數據，而傳統基礎測繪數據庫以二維的基礎地形圖數據為主，實景三維的二維基礎地理實體數據在組織結構上比基礎地形圖更復雜，還增加了三維的單體化模型數據，實景三維多樣化的數據表達使數據庫動態更新的難度增大。

在縱向上，傳統基礎測繪時代的基礎地形圖數據在國家、省、市（縣）之間采用物理傳輸的手段進行傳遞，各級地區的數據庫管理系統互相獨立，但實景三維數據庫管理系統要求建立多級地區數據庫管理系統的聯動關系，旨在通過實景三維數據庫管理系統的技術創新來實現縱向上國家—省—市（縣）的數據聯動更新。在橫向上，傳統的基礎測繪成果在各業務單位間主要以物理傳輸的方式進行傳遞，而實景三維數據庫管理系統則要求與其他業務的相關系統建立直接連通的關系，使實景三維數據成果能夠在多業務部門之間的同步共享與協同作業，實現廣泛的實景三維數據成果應用。實景三維數據庫管理系統的數據更新要求如圖2所示。

圖2 實景三維數據庫管理系統的數據更新要求

2.3 海量數據的存儲與管理

基礎測繪產品從二維走向三維的轉型，必然導致計算機所需存儲的數據量急劇增大，并伴隨一些數據多源存儲的問題。傳統的基礎測繪數據庫管理系統以4D產品（包括數字正射影像圖、數字高程模型、數字柵格地圖、數字線劃地圖）的存儲與管理為主，各類數據之間沒有關聯，使用數據庫分別進行存儲，數據存儲管理面向的數據量比較小，適配的數據格式單一。

對比傳統基礎測繪數據庫，實景三維數據庫所需的數據存儲類型有明顯的改變。實景三維數據庫由地理場景子庫、基礎地理實體子庫與元數據庫構成。地理場景包含多種分辨率的數字高程模型數據、數字表面模型與數字正射影像，基礎地理實體包含地形級基礎地理實體、城市級基礎地理實體與部件級地理實體，元數據則包括關于地理場景與基礎地理實體數據的元數據。與傳統基礎測繪成果相比，實景三維數據庫增加了大量以基礎地理實體為單位的單體化三維模型數據，單體化三維模型一般是所需內存較大的精模數據，而地理實體的表達單位從地形級到部件級要求對多級多尺度地理實體進行單體化建模表達，使所需三維單體模型的數量要求明顯增加，因此對實景三維數據庫管理系統提出了更高數據存儲需求。此外，實景三維各數據之間具備關聯關系，龐大的數據量之間的關聯關系錯綜復雜，也需要一定的存儲空間進行記錄，因此如何有效且較少占據存儲空間的數據關聯關系記錄存儲方式，也是實景三維數據庫管理系統建設需要重點突破的一個難點。

實景三維數據庫包括數據類型說明如表1所示。

表1 實景三維數據庫包含數據類型說明

3 實景三維數據庫管理系統建設難點應對措施

3.1 基于基礎地理實體的沖突檢測技術研究

基礎地理實體在幾何形式上與對象化的數字線劃地圖十分接近，因此，針對基礎地理實體的幾何特征，可以直接延續對象化地形圖的沖突檢測[7]方式。針對基礎地理實體的組織表達邏輯，需要仔細研究國家關于基礎地理實體的標準與各地所落實的基礎地理實體標準，研發能夠兼容多地數據標準的沖突檢測算法。

3.2 探索二三維一體化動態聯動協同更新方式

二三維一體化動態更新可以延續傳統的二三維數據更新方式，以地理實體為單位，利用同一地理實體具有同一標識碼的特征，同步更新多源多態的二三維數據。在產品體系轉變的基礎上，探索縱橫向上的生產組織管理體系的發展方向，結合現有的協同更新技術[8]實現縱橫快速協同數據共享。

3.3 海量數據的存儲與管理技術突破

實景三維中國建設強調突出數據要以地理實體為單位，海量的實景三維數據以傾斜攝影測量數據、激光雷達點云數據為主。因此可以有效利用基礎地理實體數據，以地理實體為單位，對象存儲海量的單體化實景三維模型。同時可以結合云計算技術，采用分布式服務框架，提高海量數據在系統的操作運行速度。針對數據間關聯關系的記錄存儲，可以充分利用全球唯一地理實體標識碼來建立索引，使用基于二維表或圖譜的方式進行存儲，實現數據間關聯關系的快速索引連接。

4 結語

我國基礎測繪產品體系從4D產品到實景三維的轉型，驅動著面向基礎測繪數據產品的數據庫管理系統必須作出相應的升級，突破面向基礎地理實體的沖突檢測技術、二三維一體化動態聯動協同更新技術、海量數據存儲管理技術等難點，助力提升測繪地理信息數據的服務能力，推動智慧城市建設。