城市GIS三維數(shù)據(jù)管理方法淺析論文
本文首先介紹了城市GIS數(shù)據(jù)的內(nèi)容和特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了海量三維模型及屬性數(shù)據(jù)的組織體系結(jié)構(gòu)，闡述關(guān)鍵問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)方式，初步設(shè)計(jì)了一套基于海量數(shù)據(jù)管理方法的數(shù)據(jù)流程。
1 引言
隨著“智慧城市”等概念的提出，基于三維的數(shù)碼城市地理信息系統(tǒng)(GIS)在城市信息管理中的應(yīng)用日益廣泛，而且它的應(yīng)用范圍也逐漸的擴(kuò)大，由單個(gè)住宅小區(qū)的三維演示發(fā)展到整個(gè)城市的大范圍演示，三維數(shù)碼城市GIS所管理的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)出陡增的趨勢(shì)，高效快捷的海量數(shù)據(jù)管理方法已成為數(shù)碼城市GIS實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)難題。國(guó)內(nèi)外的科研工作者們?cè)谶@方面進(jìn)行了許多探索和實(shí)踐，并產(chǎn)生了一些有益的研究成果。本文借鑒了GIS中傳統(tǒng)的二維信息管理技術(shù)，并在此基礎(chǔ)之上提出了一種管理海量三維數(shù)據(jù)的模式，初步設(shè)計(jì)了一套完整的基于對(duì)象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的城市GIS數(shù)據(jù)管理引擎。
2 城市GIS數(shù)據(jù)內(nèi)容與特點(diǎn)
相對(duì)于傳統(tǒng)的二維GIS而言，三維數(shù)碼城市GIS具有更強(qiáng)的表現(xiàn)力與實(shí)用性，而這是以增加管理大量的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量為實(shí)現(xiàn)代價(jià)的，主要包含了以下幾大類：1)空間數(shù)據(jù)(Spatial Data)�？臻g數(shù)據(jù)是城市GIS的基礎(chǔ)信息， 城市GIS功能的絕大部分將以空間數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。城市GIS管理的空間數(shù)據(jù)經(jīng)抽象后可以分為描述地物和描述地形的兩大類，即描述地物類的二維矢量空間數(shù)據(jù)(Digital Line Graphic，DLG)、三維矢量模型數(shù)據(jù)，描述地形的數(shù)字高程模型(Digital Elevation Model，DEM)數(shù)據(jù)和數(shù)字正射影像圖(Digital Orthophoto Map，DOM)數(shù)據(jù);2)屬性數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)是從現(xiàn)實(shí)內(nèi)容方面對(duì)三維矢量模型數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，相對(duì)于各個(gè)特定地物類的“形”而言，屬性數(shù)據(jù)賦予了它們“意”的內(nèi)容，描述了它們自身的特有性質(zhì)，如建筑物可以擁有名稱、高度、用途等屬性信息;3)多媒體數(shù)據(jù)。城市GIS廣泛應(yīng)用于社會(huì)各行業(yè)、各部門，如城市規(guī)劃、交通等，隨著應(yīng)用需求的進(jìn)一步拓展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異，如語(yǔ)音、圖象等多媒體信息也開(kāi)始用于數(shù)碼城市GIS中，豐富了系統(tǒng)的表現(xiàn)形式，賦予了系統(tǒng)更加強(qiáng)大的表現(xiàn)能力。
城市GIS的數(shù)據(jù)內(nèi)容及其數(shù)據(jù)量決定了它的應(yīng)用特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的二維GIS相比較，數(shù)碼城市GIS對(duì)數(shù)據(jù)組織與管理又提出了許多更高的要求，比如：1)矢量模型數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)的三庫(kù)一體化管理;2)多尺度模型的集成應(yīng)用;3)從數(shù)據(jù)庫(kù)到三維虛擬顯示的快速轉(zhuǎn)換，如：必須只在當(dāng)前的視線范圍內(nèi)選擇物體(金字塔或是圓錐內(nèi))和動(dòng)態(tài)裝載等都要求新的數(shù)據(jù)模型和有效的空間索引機(jī)制。
3 海量三維模型及屬性數(shù)據(jù)的組織體系結(jié)構(gòu)
3.1三維空間實(shí)體的描述模型介紹
模型是人們對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的一種抽象，數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實(shí)世界向數(shù)字世界轉(zhuǎn)換的橋梁。信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型決定了信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和對(duì)數(shù)據(jù)可施行的操作，因此數(shù)據(jù)模型是GIS的靈魂和關(guān)鍵。三維空間數(shù)據(jù)模型是關(guān)于三維空間數(shù)據(jù)組織的概念和方法，它反映了現(xiàn)實(shí)世界中三維空間實(shí)體及實(shí)體間的相互聯(lián)系，對(duì)三維空間數(shù)據(jù)模型的認(rèn)識(shí)和研究在很大程度上決定著3D GIS系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用的成敗。其中，三維幾何數(shù)據(jù)模型是三維CAD、三維GIS都需要首先解決的問(wèn)題，目前，用來(lái)描述三維空間實(shí)體的模型主要有以下四種(李青元等，2000)：1)結(jié)構(gòu)實(shí)體幾何模型(Construction Solid Geometry，CSG);2)邊界表示模型(B-reps);3)面向?qū)ο竽Ｐ?3)面向?qū)ο蟮目梢暬瘮?shù)據(jù)模型。這些模型各有優(yōu)缺點(diǎn)，要應(yīng)用到城市GIS的海量數(shù)據(jù)管理，還需要根據(jù)實(shí)際情況做結(jié)構(gòu)上的.調(diào)整和優(yōu)化，以適應(yīng)海量數(shù)據(jù)管理的應(yīng)用特點(diǎn)。通過(guò)比較分析，并結(jié)合城市GIS軟件設(shè)計(jì)的可復(fù)用性、可擴(kuò)展性，本文將采用面向?qū)ο蟮目梢暬瘮?shù)據(jù)模型進(jìn)行三維模型數(shù)據(jù)的組織。
3.2 三維模型及屬性數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)
城市GIS的數(shù)據(jù)內(nèi)容包括DLG、DEM、DOM、三維模型及其屬性數(shù)據(jù)，其中最主要的是三維模型及其屬性數(shù)據(jù)，它們同時(shí)也是結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的數(shù)據(jù)部分，涉及的數(shù)據(jù)量也非常巨大。三維模型及其屬性數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)系到整個(gè)城市GIS存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量大小、漫游速度快慢以及表現(xiàn)逼真程度高低等的重要因素，本文利用了面向?qū)ο蟮目梢暬瘮?shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)思想將盡可能完整的數(shù)據(jù)信息包括進(jìn)來(lái)，同時(shí)考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的精簡(jiǎn)性和易操作性。
1)三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
a)超組對(duì)象。對(duì)應(yīng)面向?qū)ο罂梢暬瘮?shù)據(jù)模型中的組對(duì)象。超組對(duì)象用于組合各種簡(jiǎn)單對(duì)象以表達(dá)復(fù)雜地物，并描述該復(fù)雜物體的整體特征，從嚴(yán)格意義上講，它并不是實(shí)體的地物存儲(chǔ)單元，因?yàn)樗旧聿⒉淮鎯?chǔ)地物的矢量數(shù)據(jù)，因而不作為主要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)體。
b)體對(duì)象。在數(shù)碼城市GIS中，體對(duì)象主要用來(lái)描述建筑物，針對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通常包含多個(gè)單獨(dú)實(shí)體的特點(diǎn)(例如一個(gè)大廈有主樓、副樓、底座等單獨(dú)實(shí)體)，同時(shí)為了獲取最大的靈活性，本文在組織建筑物數(shù)據(jù)時(shí)采用體元對(duì)象描述每個(gè)單獨(dú)實(shí)體，同時(shí)引入一個(gè)體組對(duì)象，用它來(lái)將其所有體元對(duì)象組合成一個(gè)具有整體特征和屬性的體對(duì)象。體組對(duì)象和體元對(duì)象之間是一對(duì)多的關(guān)系。
c)面對(duì)象。它統(tǒng)一了二維面對(duì)象和三維面對(duì)象的數(shù)據(jù)描述，將其矢量數(shù)據(jù)部分集中到一個(gè)面片單元中。面片單元可以描述二維面數(shù)據(jù)也可以描述三維面數(shù)據(jù)。
d)線對(duì)象。它統(tǒng)一了二維線對(duì)象和三維線對(duì)象的數(shù)據(jù)描述，特別將三維管線也引入到線對(duì)象模型中，并加入了材質(zhì)、顏色和管線半徑等可視化信息，管線半徑為零時(shí)則表示該線對(duì)象描述的是二維或三維的簡(jiǎn)單線對(duì)象。
e)點(diǎn)對(duì)象。它主要描述獨(dú)立的點(diǎn)狀地物，并在描述樹(shù)、街燈等紋理點(diǎn)狀地物的同時(shí)引進(jìn)了CAD或3DS模型，將這些模型也作為點(diǎn)對(duì)象，并用一個(gè)定位點(diǎn)和方向來(lái)放置它，以增強(qiáng)點(diǎn)對(duì)象的可視化效果。因此，點(diǎn)對(duì)象既可用來(lái)描述簡(jiǎn)單的點(diǎn)對(duì)象也可通過(guò)CAD或3DS模型來(lái)描述復(fù)雜的對(duì)象
上述各個(gè)對(duì)象均有各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下面以點(diǎn)對(duì)象為例簡(jiǎn)要說(shuō)明其特征。點(diǎn)對(duì)象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
2)屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
屬性數(shù)據(jù)是三維模型數(shù)據(jù)的解釋和語(yǔ)義描述，它是城市GIS必需的表現(xiàn)數(shù)據(jù)之一，缺少屬性說(shuō)明的三維模型有“形”而無(wú)“意”，從“形”的意義出發(fā)，可將三維模型數(shù)據(jù)分為五大類地物;但從“意”的角度講，對(duì)其分類是以地物的地物類編碼為依據(jù)的。地物類編碼是用來(lái)標(biāo)識(shí)和區(qū)分一類地物的最直接的說(shuō)明，尤其在區(qū)分屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面更是如此，相同地物類編碼所標(biāo)識(shí)的同一類地物將具有相同描述結(jié)構(gòu)的屬性數(shù)據(jù)。因此，一個(gè)城市所有模型數(shù)據(jù)中地物類編碼的多少就決定了屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的多少，這些不同的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要是由城市GIS的用戶來(lái)設(shè)計(jì)的。同時(shí)，基于系統(tǒng)實(shí)用性的考慮，對(duì)地物類編碼的定義又作了適當(dāng)?shù)臄U(kuò)展，因?yàn)橛袝r(shí)用戶覺(jué)得嚴(yán)格意義上不同地物類編碼的屬性結(jié)構(gòu)有相似性，例如都包含：名稱，面積，備注等信息，用戶可以將這幾類不同地物類編碼的地物歸入同一個(gè)新的地物類編碼，從而將它們的屬性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一起來(lái)。
3.3數(shù)據(jù)庫(kù)空間索引方法
在城市GIS中，空間索引一直是空間數(shù)據(jù)組織的重要內(nèi)容之一，它是組織空間數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并為快速的空間數(shù)據(jù)查詢提供了一個(gè)高效的途徑。空間索引的性能優(yōu)劣將直接影響到城市GIS的整體性能優(yōu)劣。
對(duì)于空間索引，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了較多的研究，最主要的成果如BSP樹(shù)、K-D-B樹(shù)、R樹(shù)、R+樹(shù)、CELL樹(shù)、四叉樹(shù)等。本文采用的第一種空間索引方法是類似R+樹(shù)的索引，但針對(duì)城市GIS海量數(shù)據(jù)管理的特點(diǎn)對(duì)其組織作了一定的調(diào)整，利用它可以在空間快速的定位一個(gè)地物，提高了三維空間漫游時(shí)的系統(tǒng)效率。但是使用這種索引方式會(huì)導(dǎo)致在進(jìn)行空間分析時(shí)需要設(shè)計(jì)復(fù)雜的算法才能執(zhí)行較為復(fù)雜的查詢操作，而這類算法通常由于復(fù)雜度較高且涉及大量數(shù)據(jù)，所以執(zhí)行效率比較低;另外一方面，基于Oracle空間插件(Spatial Catridge)的空間索引提供了復(fù)雜的索引功能和簡(jiǎn)單的編程接口，不需要復(fù)雜的算法就可以實(shí)現(xiàn)分析功能，克服了前者的缺點(diǎn)，但Oracle空間索引的執(zhí)行效率比較低，無(wú)法滿足實(shí)時(shí)漫游的效率要求。為此，本文提出的數(shù)據(jù)組織方法中將采用這兩種索引方法，二者相輔相成，既滿足了實(shí)時(shí)查詢時(shí)的速度要求也滿足了復(fù)雜查詢的效率要求。
4 關(guān)鍵問(wèn)題的實(shí)現(xiàn)
4.1空間數(shù)據(jù)的快速壓縮和解壓
在城市GIS管理的海量數(shù)據(jù)中，三維模型數(shù)據(jù)是其主要部分，而在三維模型數(shù)據(jù)中矢量數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)占有較大比重。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下直接傳輸如此大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)勢(shì)必會(huì)降低系統(tǒng)效率，為此，為了提高客戶機(jī)從遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)時(shí)的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，一方面，必須建立高效的空間索引機(jī)制;另一方面，出于減少?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)中讀取和網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量的考慮，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)用更少量的數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)更多信息的目的成為必然的選擇。本文根據(jù)三維模型中矢量數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)各自的特點(diǎn)，分別采用了兩種壓縮方法：一種是針對(duì)矢量數(shù)據(jù)的無(wú)損壓縮算法-LZ77，另外一種是針對(duì)紋理數(shù)據(jù)的有損壓縮算法-JPEG。
4.2 多用戶并發(fā)控制機(jī)制
多用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中，由于多個(gè)并發(fā)的事務(wù)操作中可能會(huì)同時(shí)更新相同的數(shù)據(jù)，所以必須保證這些同時(shí)執(zhí)行的事務(wù)操作能夠產(chǎn)生有意義、一致性的結(jié)果。為此，多用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)數(shù)據(jù)并發(fā)和數(shù)據(jù)一致性的控制是至關(guān)重要的。管理數(shù)據(jù)庫(kù)的目的就是為了實(shí)現(xiàn)多用戶環(huán)境下的數(shù)據(jù)共享協(xié)作，因此并發(fā)控制是城市GIS數(shù)據(jù)管理面臨的關(guān)鍵性問(wèn)題。
通常，多用戶數(shù)據(jù)庫(kù)中是利用鎖機(jī)制來(lái)解決數(shù)據(jù)并發(fā)、數(shù)據(jù)一致性以及數(shù)據(jù)完整性問(wèn)題的。鎖機(jī)制是一種防止多個(gè)事務(wù)在訪問(wèn)相同資源時(shí)導(dǎo)致的破壞性交互操作的機(jī)制，加鎖控制的用戶對(duì)象包括用戶的表和表中記錄。然而在此基礎(chǔ)之上，還必須設(shè)計(jì)一個(gè)合理利用鎖機(jī)制的策略來(lái)保證多個(gè)用戶并發(fā)訪問(wèn)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的吞吐量，但由于事務(wù)隔離模型與數(shù)據(jù)庫(kù)的吞吐量是兩個(gè)互相矛盾的制約因素，因此必須在二者之間尋求相對(duì)平衡以使得在不影響數(shù)據(jù)一致性的前提下達(dá)到系統(tǒng)的最大吞吐量，本文即利用鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)了多用戶的并發(fā)控制。
同時(shí)本文并沒(méi)有采用對(duì)表加鎖的方法，而是采用了對(duì)記錄加鎖的方法來(lái)設(shè)計(jì)并發(fā)控制機(jī)制。對(duì)表加鎖的缺點(diǎn)是當(dāng)某個(gè)用戶訪問(wèn)表中的一條記錄時(shí)會(huì)鎖定整個(gè)表，導(dǎo)致其它用戶無(wú)法訪問(wèn)該表，這在很大程度上降低了系統(tǒng)的吞吐量，因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下并發(fā)用戶訪問(wèn)的記錄一般是不同的，這樣的并發(fā)操作并不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不一致性。相對(duì)而言，對(duì)記錄加鎖的方法將具有更大的控制靈活性，但同時(shí)也增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。采用的鎖類型主要是ORACLE中的共享記錄鎖(Row Share Table Locks ，RS)，它是所有鎖類型中限制最小的鎖模式，共享記錄鎖允許在一個(gè)事務(wù)采用該類型鎖鎖定某表中記錄的同時(shí)還允許其它事務(wù)在該表中進(jìn)行查詢、插入或者對(duì)該表中其它記錄的更新、刪除以及上鎖操作;共享記錄鎖限制其它事務(wù)對(duì)該表進(jìn)行排它型(Exclusive)的寫(xiě)操作，即不允許對(duì)上了鎖的記錄進(jìn)行寫(xiě)操作，但允許對(duì)該表中的其它記錄進(jìn)行任何其它操作。共享記錄鎖是靈活性最大的一種鎖模式，靈活運(yùn)用共享記錄鎖可以達(dá)到更大的數(shù)據(jù)庫(kù)吞吐量以及更小的并發(fā)操作等待時(shí)間的效果。
上述這些控制機(jī)制保證了多用戶并發(fā)環(huán)境下城市GIS數(shù)據(jù)庫(kù)能夠維持其底層空間數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)一致性和完整性。
4.3整體系統(tǒng)的簡(jiǎn)要數(shù)據(jù)流程
從邏輯上講，本文所述城市GIS數(shù)據(jù)管理體系結(jié)構(gòu)是一個(gè)三層結(jié)構(gòu)：上層是數(shù)據(jù)管理操作層(用戶界面)、中間是數(shù)據(jù)操作功能實(shí)現(xiàn)層(空間數(shù)據(jù)引擎)，底層是ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)。這三者之間的數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)庫(kù)的角度出發(fā)可分為兩種：入數(shù)據(jù)流(In Flow)和出數(shù)據(jù)流(Out Flow)，入數(shù)據(jù)流主要是指由上層插入或更新數(shù)據(jù)時(shí)向底層數(shù)據(jù)庫(kù)輸入的數(shù)據(jù)，出數(shù)據(jù)流主要是指由上層發(fā)出查詢請(qǐng)求時(shí)由底層數(shù)據(jù)庫(kù)向上層提供的數(shù)據(jù)，三者間的簡(jiǎn)要數(shù)據(jù)流程如圖2所示。
5 結(jié)語(yǔ)
完備的三維數(shù)據(jù)模型定義、高效空間索引、快速數(shù)據(jù)壓縮方法等等問(wèn)題都是城市GIS海量數(shù)據(jù)管理的難點(diǎn)。這些內(nèi)容不僅依賴三維GIS本身的發(fā)展，而且也需要計(jì)算機(jī)領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步的支持，雖然本文提出城市GIS海量數(shù)據(jù)管理方法初步實(shí)現(xiàn)框架和方式，但仍存在一些問(wèn)題有待進(jìn)一步探討和改進(jìn)。
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