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，重點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)鍵問題的實現(xiàn)方式，初步設(shè)計了一套基于海量數(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)用范圍也逐漸的擴大，由單個住宅小區(qū)的三維演示發(fā)展到整個城市的大范圍演示，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，高效快捷的海量數(shù)據(jù)管理方法已成為數(shù)碼城市GIS實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)難題。國內(nèi)外的科研工作者們在這方面進行了許多探索和實踐，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)計了一套完整的基于對象關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的城市GIS數(shù)據(jù)管理引擎。
2 城市GIS數(shù)據(jù)內(nèi)容與特點
相對于傳統(tǒng)的二維GIS而言，三維數(shù)碼城市GIS具有更強的表現(xiàn)力與實用性，而這是以增加管理大量的數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量為實現(xiàn)代價的，主要包含了以下幾大類：1)空間數(shù)據(jù)(Spatial Data)。空間數(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)實內(nèi)容方面對三維矢量模型數(shù)據(jù)的補充，相對于各個特定地物類的“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)用需求的進一步拓展以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日新月異，如語音、圖象等多媒體信息也開始用于數(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。與傳統(tǒng)的二維GIS相比較，數(shù)碼城市GIS對數(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)的三庫一體化管理;2)多尺度模型的集成應(yīng)用;3)從數(shù)據(jù)庫到三維虛擬顯示的快速轉(zhuǎn)換，如：必須只在當前的視線范圍內(nèi)選擇物體(金字塔或是圓錐內(nèi))和動態(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)
3.1三維空間實體的描述模型介紹
模型是人們對現(xiàn)實世界的一種抽象，數(shù)據(jù)模型是現(xiàn)實世界向數(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)實世界中三維空間實體及實體間的相互聯(lián)系，對三維空間數(shù)據(jù)模型的認識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題，目前，用來描述三維空間實體的模型主要有以下四種(李青元等，2000)：1)結(jié)構(gòu)實體幾何模型(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，要應(yīng)用到城市GIS的海量數(shù)據(jù)管理，還需要根據(jù)實際情況做結(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。通過比較分析，并結(jié)合城市GIS軟件設(shè)計的可復(fù)用性、可擴展性，本文將采用面向?qū)ο蟮目梢暬瘮?shù)據(jù)模型進行三維模型數(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)計是關(guān)系到整個城市GIS存儲數(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)計思想將盡可能完整的數(shù)據(jù)信息包括進來，同時考慮到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的精簡性和易操作性。
1)三維模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
a)超組對象。對應(yīng)面向?qū)ο罂梢暬瘮?shù)據(jù)模型中的組對象。超組對象用于組合各種簡單對象以表達復(fù)雜地物，并描述該復(fù)雜物體的整體特征，從嚴格意義上講，它并不是實體的地物存儲單元，因為它本身并不存儲地物的矢量數(shù)據(jù)，因而不作為主要的數(shù)據(jù)存儲實體。
b)體對象。在數(shù)碼城市GIS中，體對象主要用來描述建筑物，針對建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通常包含多個單獨實體的特點(例如一個大廈有主樓、副樓、底座等單獨實體)，同時為了獲取最大的靈活性，本文在組織建筑物數(shù)據(jù)時采用體元對象描述每個單獨實體，同時引入一個體組對象，用它來將其所有體元對象組合成一個具有整體特征和屬性的體對象。體組對象和體元對象之間是一對多的關(guān)系。
c)面對象。它統(tǒng)一了二維面對象和三維面對象的數(shù)據(jù)描述，將其矢量數(shù)據(jù)部分集中到一個面片單元中。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)線對象。它統(tǒng)一了二維線對象和三維線對象的數(shù)據(jù)描述，特別將三維管線也引入到線對象模型中，并加入了材質(zhì)、顏色和管線半徑等可視化信息，管線半徑為零時則表示該線對象描述的是二維或三維的簡單線對象。
e)點對象。它主要描述獨立的點狀地物，并在描述樹、街燈等紋理點狀地物的同時引進了CAD或3DS模型，將這些模型也作為點對象，并用一個定位點和方向來放置它，以增強點對象的可視化效果。因此，點對象既可用來描述簡單的點對象也可通過CAD或3DS模型來描述復(fù)雜的對象
上述各個對象均有各自的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，下面以點對象為例簡要說明其特征。點對象的數(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，缺少屬性說明的三維模型有“形”而無“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。地物類編碼是用來標識和區(qū)分一類地物的最直接的說明，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識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的用戶來設(shè)計的。同時，基于系統(tǒng)實用性的考慮，對地物類編碼的定義又作了適當?shù)臄U展，因為有時用戶覺得嚴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。
3.3數(shù)據(jù)庫空間索引方法
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。
對于空間索引，各國學(xué)者進行了較多的研究，最主要的成果如BSP樹、K-D-B樹、R樹、R+樹、CELL樹、四叉樹等。本文采用的第一種空間索引方法是類似R+樹的索引，但針對城市GIS海量數(shù)據(jù)管理的特點對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地物，提高了三維空間漫游時的系統(tǒng)效率。但是使用這種索引方式會導(dǎo)致在進行空間分析時需要設(shè)計復(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)雜的索引功能和簡單的編程接口，不需要復(fù)雜的算法就可以實現(xiàn)分析功能，克服了前者的缺點，但Oracle空間索引的執(zhí)行效率比較低，無法滿足實時漫游的效率要求。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，既滿足了實時查詢時的速度要求也滿足了復(fù)雜查詢的效率要求。
4 關(guān)鍵問題的實現(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)勢必會降低系統(tǒng)效率，為此，為了提高客戶機從遠程數(shù)據(jù)庫中提取數(shù)據(jù)時的網(wǎng)絡(luò)傳輸速度，一方面，必須建立高效的空間索引機制;另一方面，出于減少從數(shù)據(jù)庫中讀取和網(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)來實現(xiàn)用更少量的數(shù)據(jù)來表達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，分別采用了兩種壓縮方法：一種是針對矢量數(shù)據(jù)的無損壓縮算法-LZ77，另外一種是針對紋理數(shù)據(jù)的有損壓縮算法-JPEG。
4.2 多用戶并發(fā)控制機制
多用戶數(shù)據(jù)庫中，由于多個并發(fā)的事務(wù)操作中可能會同時更新相同的數(shù)據(jù)，所以必須保證這些同時執(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)庫中對數(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)庫的目的就是為了實現(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)鍵性問題。
通常，多用戶數(shù)據(jù)庫中是利用鎖機制來解決數(shù)據(jù)并發(fā)、數(shù)據(jù)一致性以及數(shù)據(jù)完整性問題的。鎖機制是一種防止多個事務(wù)在訪問相同資源時導(dǎo)致的破壞性交互操作的機制，加鎖控制的用戶對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)計一個合理利用鎖機制的策略來保證多個用戶并發(fā)訪問時數(shù)據(jù)庫的吞吐量，但由于事務(wù)隔離模型與數(shù)據(jù)庫的吞吐量是兩個互相矛盾的制約因素，因此必須在二者之間尋求相對平衡以使得在不影響數(shù)據(jù)一致性的前提下達到系統(tǒng)的最大吞吐量，本文即利用鎖機制實現(xiàn)了多用戶的并發(fā)控制。
同時本文并沒有采用對表加鎖的方法，而是采用了對記錄加鎖的方法來設(shè)計并發(fā)控制機制。對表加鎖的缺點是當某個用戶訪問表中的一條記錄時會鎖定整個表，導(dǎo)致其它用戶無法訪問該表，這在很大程度上降低了系統(tǒng)的吞吐量，因為大多數(shù)情況下并發(fā)用戶訪問的記錄一般是不同的，這樣的并發(fā)操作并不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)的不一致性。相對而言，對記錄加鎖的方法將具有更大的控制靈活性，但同時也增加了設(shè)計的復(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事務(wù)采用該類型鎖鎖定某表中記錄的同時還允許其它事務(wù)在該表中進行查詢、插入或者對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)對該表進行排它型(Exclusive)的寫操作，即不允許對上了鎖的記錄進行寫操作，但允許對該表中的其它記錄進行任何其它操作。共享記錄鎖是靈活性最大的一種鎖模式，靈活運用共享記錄鎖可以達到更大的數(shù)據(jù)庫吞吐量以及更小的并發(fā)操作等待時間的效果。
上述這些控制機制保證了多用戶并發(fā)環(huán)境下城市GIS數(shù)據(jù)庫能夠維持其底層空間數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)一致性和完整性。
4.3整體系統(tǒng)的簡要數(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)操作功能實現(xiàn)層(空間數(shù)據(jù)引擎)，底層是ORACLE數(shù)據(jù)庫。這三者之間的數(shù)據(jù)流從數(shù)據(jù)庫的角度出發(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)時向底層數(shù)據(jù)庫輸入的數(shù)據(jù)，出數(shù)據(jù)流主要是指由上層發(fā)出查詢請求時由底層數(shù)據(jù)庫向上層提供的數(shù)據(jù)，三者間的簡要數(shù)據(jù)流程如圖2所示。
5 結(jié)語
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)壓縮方法等等問題都是城市GIS海量數(shù)據(jù)管理的難點。這些內(nèi)容不僅依賴三維GIS本身的發(fā)展，而且也需要計算機領(lǐng)域技術(shù)進步的支持，雖然本文提出城市GIS海量數(shù)據(jù)管理方法初步實現(xiàn)框架和方式，但仍存在一些問題有待進一步探討和改進。
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