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1 顾及语义的三维空间数据库模型1.1 概念模型针对地上、地下和室内外三维空间实体的基本特点,首先从概念上建立其统一表达的通用三维空间数据模型。如图1所示,地上下三维空间武汉大学学报·信息科学版2011年2月实体集成表示的统一数据模型通过几何层、多尺度表达层和专题语义层三个层次进行完整的表达。在几何层,通过点、线、面、体等基本元素实现地上下三维空间实体几何表达的统一;在多尺度表达层,通过LOD对象实现地上下三维空间对象的多尺度表达;在专题语义层,对建筑物模型、道路网络模型、地质体模型等专题进行面向专题语义的扩展。其中,在DEM表面层次上确保合理的空间划分与区域识别;在地上下立体层次,解决地理实体在二维抽象表示中产生的地上下交叠问题,满足三维立体空间层面的实体精确表达与分析需求;基于语义层次关系进一步详细描述相关实体的三维内部结构或组成关系。
为了实现地上下三维空间实体几何表达的统一,提出了三维空间实体统一表达的几何对象模型,如图2所示。该模型首先定义了三维几何统一表达的基类CGeometry,并直接派生三维几何基类C3DGeometry,派生了点(C3DPoint)、线(C3DCurve)、面(C3DSurface)、体(C3DVolume)4种基本空间元素,实现了整个三维空间的抽象表达,每个基本几何元素都可以泛化为具体的几何类型表达,各类几何元素又可以组合成复杂对象,并引入组对象(C3DGroup)来表达混合类型的复杂几何对象。通过几何基类CGeometry与图1 一体化的三维空间数据模型Fig.1 An Integrative 3D Spatial Data Model图2 统一表示的三维几何模型Fig.等:一种高效的三维GIS数据库引擎设计与实现语义类(Semantic)和拓扑类(Topology)之间建立的映射关系,实现了三维空间实体语义拓扑关系的统一表达。
1.2 数据库模型基于上述概念模型,建立了地上下三维空间数据一体化管理的数据库模型,如图3所示,三维GIS数据库由一个或多个工程组成,每个工程由多个数据集组成,包括地形数据集、三维模型数据集、三维语义拓扑数据集等,每个三维模型数据集和地形数据集的数据都必须具有相同的空间参考。地形数据集由DEM数据集和DOM数据集组合而成,DEM数据集和DOM数据集采用金字塔分层+均匀分块的技术管理多分辨的数字高程模型数据和数字正射影像数据,分别由多个DEM金字塔层数据集和多个DOM金字塔层数据集组成,并建立了明确的对应关系。三维模型数据集管理地上下室内外的三维空间实体数据,由具有相同空间参考的三维要素类以及对象类和关联类组成;三维要素类是具有相同属性结构的同类三维空间实体的集合;而对象类是没有空间特征、具有相同行为和属性的对象集合,三维要素类与对象类通过关联类建立关系。三维空间实体由具有多细节层次(LOD)的三维几何模型及其属性数据组成,并通过LOD描述结构统一管理每个细节层次几何模型的包围盒、重要性因子、可见范围等信息。三维几何模型与共享模型数据、材质数据以及纹理数据之间通过ID号建立关联关系。
三维语义拓扑集管理三维要素类之间以及三维空间实体之间的语义拓扑关系,包括位于、部分-组成、连通等,如通过“位于”和“部分-组成”语义关系表达建筑的内部逻辑构成以及建筑内外空间和实体的“所属关系”,通过建筑内部空间之间明确的连通关系建立建筑内部的三维网络,能够支持室内外一体化寻径等复杂空间决策应用。
地上下三维空间数据的一体化数据库模型具有如下特点:支持大规模的地上下室内外各种类型三维空间数据在关系数据库中的一体化管理;采用面向对象技术,通过具有行为和特征的三维要素类,使三维空间实体的表达更面向实际的应用;支持复杂的语义关系管理,可以完整地表达三维要素类之间以及三维空间实体之间的语义拓扑关系;基于关系数据库的优势,采用工作流机制和长事务机制支持多用户并发处理。
