面向实体的三维空间数据模型组织方法及应用

谷胜涛,李景文,刘源璋,李春龙

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林 541004; 2.桂林理工大学GIS研究中心,广西桂林 541004)

面向实体的三维空间数据模型组织方法及应用

谷胜涛1*,李景文1,2,刘源璋1,李春龙1

(1.桂林理工大学土木与建筑工程学院,广西桂林 541004; 2.桂林理工大学GIS研究中心,广西桂林 541004)

三维空间数据模型是对现实世界模型化的基础,是空间数据组织的概念和方法,反映了现实世界空间实体及实体间的关系。传统的三维数据模型大多从几何特征表达的角度出发,割裂了空间对象个体之间的逻辑联系,不能完整表达地理实体。本文将地理实体抽象为能独立反映完整空间和逻辑关系的空间对象,提出了面向实体的三维空间数据模型的组织方法。重点探讨了面向对象的三维空间数据模型的描述方法、组织体系、存储方法及其模型库、纹理库的构建方法,并在三维城市供水管网模型建模中进行了应用。

地理实体;逻辑语义;三维城市供水管网

1 引 言

当今地理空间信息表达已经步入三维时代,相关的三维空间数据模型的研究与应用不断深入。然而,现有的三维空间数据模型主要侧重于表达地理现实的几何特征,将地理事物以空间上的个体或者局部为基本模型单元加以描述和表达,这在一定程度上简化了数据存储和组织的复杂程度,却人为地割断了这些个体之间的逻辑联系。造成数据模型与客观世界认知不能形成良好的逻辑映射,难以表达复杂的地理对象整体特征,更难以实现较深层次的查询和空间决策分析。本文从面向对象的角度,将地理实体抽象为能独立反映完整空间和逻辑关系的空间对象,提出了面向实体的三维空间数据模型(Entity-Oriented 3D Model,EO3DM),为三维空间信息的查询管理、空间分析、决策分析与应用提供了有效的数据组织管理方法。

2 面向实体的三维空间数据模型的描述

在现实世界中,三维地理空间信息是对地理空间上连续分布,语义上相互关联的地理实体的具体描述和表达。面向实体的三维数据模型则是运用面向对象的方法,将地理实体抽象为能独立反映完整逻辑关系的空间对象,从而将其空间、属性特性与对象间的逻辑语义有机结合起来,使数据能更好地模拟现实世界及其联系,进而为提供三维空间信息决策分析服务。

定义1:直接或间接与地理空间分布有关的事物、现象、特征等的总和,连同对它们的描述称为地理现实[1,7],若用点的集合(点集)表示空间,则地理现实表现为二元组。

Pi={[(xi,yi,zi),(a1,a2,…,an)]｜i∈R,R为实数集,i=1,2,…,i}

其中(x,y,z)表示空间上的任意点,(a1,a2,…, an)表示在该点上的地理事物、特征、现象的集合,Pi为空间上的任意点,S={P1,…,Pi,…,Pn}作为研究对象的三维地理空间。

定义2:地理实体是指为方便真实表达地理空间客体及其组织关系而进行抽象的实体,是现实三维世界中具有完整空间属性特征和逻辑语义的空间对象。其逻辑语义与人的认知观念及社会属性相匹配,空间特征由自身空间位置描述。实体因模型的复杂程度及范围,可以由其他的实体组合而成,即:

3DE(Three Dimensional Entity)={(3de1,3de2, 3de3,…,3dei)｜i∈R,R为实数集,i=1,2,3,…i}, 3dei是具有完整空间特征和逻辑语义的地理实体,Λ为地理实体的类型,X是空间操作集合,A是属性集合,α是逻辑语义约束集合。

定义3:单元实体(Unit Entity,UE)为具有完整空间特征的物体,但不具备完整逻辑语义。对于建筑物体,单元实体分为三类:主体、特征及附属物。单元实体由一个或多个元对象组成[4]。

定义4:元对象[3](Meta Object,MO)是为单元实体进一步细分,包含点、线、面和体等元对象。点对象只有空间位置而没有空间形状,线对象具有位置和长度特征,面对象具有位置和面积特征,体对象具有位置和体积特征。组合对象为按对象属性相近的归类组合。

定义5:把构成元对象的节点、边、平面称为元素(Element)。节点元素P={Pid,X,Y,Z},边元素L= {Lid,Pid1,Pid2,Pid3,…,Pidn,…},平面元素A={Aid, Lid1,Lid2,Lid3,…,Lidn,…},元对象的空间构成是节点、边、平面等元素或它们的组合,即MO.G={{P},{L}, {A}}。

图1 面向实体的三维数据模型的元对象

3 面向实体三维空间数据模型的组织

3.1 数据模型组织体系

面向实体的三维空间数据模型采用了层次模型[4]组合的表达方式,每个三维实体都可细分为单元实体,元对象和几何元素,每一元对象都连接有属性信息,面对象和体对象的平面元素附加栅格影像纹理;组合对象是由多个元对象构成,多个组合对象又可以构成新的组合对象。单元实体可由单一的元对象描述,还可由多个元对象的组合成组合对象来表达,单元对象根据社会逻辑语义属性合并为地理实体,一个地理实体有多个单元实体组成。

3.2 存储管理

三维空间数据类型繁多、多层嵌套、海量,数据存储自然成为三维空间数据管理的关键。三维数据存储管理方式大体可分为两种:集成存储方式和完全的数据库管理方式。其中主要运用的完全数据库管理方式有两种方法:一种是使用数据库提供的空间数据管理的选件(如Oracle Spatial),另一种是依靠用户定义的空间数据结构,利用二进制字段保存大的数据块(如 Oracle的BLOB字段),面向实体的三维空间数据管理主要采用后面一种方式[5]。它采用用户定义数据类型及其关系、并作为基本或本地类型存储在Oracle数据库的GEOLOC类型的SDO-GEOMETRY字段中;三维模型及纹理图像利用Oracle的二进制BLOB字段保存大的数据块。

4 三维实体模型库和纹理库组织管理

随着经济社会的发展,地理事物呈现出形式多样,结构复杂、造型各异的特点,增加了三维模型构建的难度。通过与Oracle数据库技术相结合,构建完善的三维模型库和纹理库,简化相同或相似地物的建模,对于地理空间中所涉及的大量相同地物和纹理特征,可以直接调用数据库中的模型和纹理,避免了模型重复建模,提高了模型构建的工作效率。

图2 地理实体模型组织体系

4.1 模型库

模型库[6]是按照地物几何特征剖分为具有相同或类似的特征模型作为公共模型即单元实体,复杂模型由公共模型构成,并根据实际特征进行调整。大范围地理空间三维数据模型构建时,调用公共模型进行简单的缩放或移动建模,从而减少重复工作,提高几何特征建模的效率。

4.2 纹理库

面向实体的三维数据模型不仅包含几何特征模型,还具有体、面对象所包含相片质感的表面描述如逼真的材质、纹理特征及其他相关的纹理信息。精确、海量、高分辨率影像纹理库的构建是建立真实感三维景观模型的关键问题,采用模型库加纹理库的技术,将大大简化复杂模型的建模工作。将采集获得的不同来源和不同类型的影像实体纹理,根据纹理情况的不同进行正射纠正,编辑、剪裁后,添加属性信息,分类归入数据库中,从而构建纹理库,以便于三维数字模型构建,如图3所示。

图3 纹理库构建流程

5 面向实体的城市地下管网数据组织模式

城市地下管网作为城市重要的基础设施,主要包括电力管线、给排水管线、煤气管线、电信管线等,具有种类繁多,结构复杂,纵横交错,地下埋深的特点,很长一段时期,大多采用二维平面管理模式,然而随着地下管网信息利用化程度的不断提高,二维信息化管理已经不再适合城市地下管网多维立体化的信息管理的需求,面向实体的三维城市地下管网从逻辑管理的角度出发,将地下管网抽象细化为各种三维对象,便于管线的多维查询维护管理,为错综复杂多维的管网信息的存储、管理及应用提供了有效的组织管理方法。本文以城市供水管网逻辑实体为例,探讨了面向实体的城市地下管网模型的数据组织模式,如图4所示。

面向实体的城市供水管网数据组织模型主要包含主管网[6]、支管网等单元实体和各类管节点、供水管线等组合对象,其中,主管网和支管网是由各类管节点和供水管线组合而成,管节点具体包括水厂、阀门、泵站和用户水表等简单对象,并且可以抽象为一定粒度的点、线、体对象,通过Oracle数据库调用其模型和纹理库。

图4 三维城市供水管网组织模式

6 结 论

面向实体的三维数据模型采用面向对象的思想,将人们认知的逻辑性引入到地理实体中,通过地理实体个体之间及其内部的联系,表达复杂的地理实体整体特征,进而实现较深层次的查询和空间决策分析。该模型将地理实体定义为具有完整空间特征和逻辑意义的空间对象,把空间对象的空间和属性特征与人类认知的逻辑特征有机地结合起来,实现三维数据模型从几何特征表达向面向实体的三维数据模型逻辑表达转化,并在三维城市供水管网建模过程中进行了运用,为三维空间数据的数据查询管理、空间分析、决策分析与广泛应用提供了有效的数据组织管理方法。

[1] 李景文.面向对象矢量模型及其应用研究[D].中国地质大学,2007

[2] 李清泉,杨必胜,史文中.三维空间数据的实时获取、建模与可视化[M].武汉:武汉大学出版社,2003

[3] 李成名,王继周,马照亭.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].北京:科技出版社,2008

[4] 万剑华,盛辉,郑红霞.基于几何元素的具有影像纹理的三维空间数据模型[J].石油大学学报(自然科学版), 2003,27(6):116～130[5] 乔淑娟,王华.基于GIS的城市地下管网空间-数据模型及其可视化研究[J].首都师范大学硕士研究生论文, 2006

[6] 程小凯,李景文,陈大克.面向对象的城市管网数据组织模型设计[J].地理空间信息,2010(2):127～133

Entity-oriented Method of Three-dimensional Data Model Organization

Gu ShengTao1,Li JingWen1,2,Liu YuanZhang1,Li ChunLong1
(1.College of Civil Engineering and Construction,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China; 2.GIS Research Center,Guilin University of Technology,Guilin 541004,China)

Three-dimensional data model is the basis for the real world modeling.It is also the concept of spatial data organization and methods.It reflect relationships between the real-world spatial entities and entities.Most of the traditional three-dimensional data model express geometric features from the perspective of the space separating the logical connection between the individual objects,which is not the full expression of the geographical entity.In this paper,object -oriented thinking can be abstracted as separate geographical entities which reflects the integrity of the relationship between space and the logical space objects,It is also propose for three-dimensional data model entities,the organizational methods.Focusing on the entity-oriented data model describes the three-dimensional methods,data structures,Organization System and the corresponding three-dimensional model of organization between management of library and texture database,and practicing the application for three-dimensional model of urban water supply networks.

Geographic entity;Logical semantics;Three-dimensional urban water supply networks

1672-8262(2011)04-29-03

P208

B

2011—02—23

谷胜涛(1982—),男,硕士研究生,从事GIS理论和应用方面的研究。

广西科学研究与技术开发计划项目(桂科能0992030-1、10100018-2);广西高校优秀人才资助计划(桂教人[2009]62号);广西区2010年研究生科研创新项目(2010105960818M07)