翟林，楊輝

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

基于時(shí)間序列的三維模型管理方法研究與實(shí)現(xiàn)

翟林1*，楊輝2

(1.天津市測繪院，天津 300381； 2.武漢大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079)

城市的三維可視化數(shù)據(jù)作為信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠直觀地展示城市的原貌，不同時(shí)期的三維模型記錄了城市的歷史變遷。本文針對(duì)目前三維歷史數(shù)據(jù)管理較弱的現(xiàn)狀，闡述了基于三維模型分層、分區(qū)和分級(jí)組織方式，設(shè)計(jì)了“二級(jí)更新”和分層、分區(qū)更新機(jī)制，建立了索引機(jī)制，采用了基于時(shí)間序列的三維模型管理方法，并基于OSG進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)，很好地解決了瀏覽歷史三維場景的難題。

三維可視化；歷史數(shù)據(jù)；二級(jí)更新；索引機(jī)制；時(shí)間序列

1 引 言

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，三維虛擬仿真技術(shù)在城市管理和人民生活中得到廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)代城市已經(jīng)進(jìn)入數(shù)字化、信息化時(shí)代，城市的三維可視化數(shù)據(jù)作為信息化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，能夠直觀地展示城市的原貌。不同時(shí)期的三維模型記錄了城市的歷史變遷，為城市規(guī)劃管理提供生動(dòng)、直觀、全面的輔助決策支持，因此有效的管理和展示歷史三維模型數(shù)據(jù)具有重要意義。

2 三維模型數(shù)據(jù)組織方式

目前，比較主流的三維軟件SkyLine、OpenSceneGraph、ArcGIS等都支持以文件方式存儲(chǔ)和管理三維數(shù)據(jù)，因此本文主要討論基于文件存儲(chǔ)方式的三維數(shù)據(jù)管理。采用文件方式進(jìn)行管理[3]，是指把單個(gè)三維模型或者某一區(qū)域中的多個(gè)三維模型存儲(chǔ)在一個(gè)模型文件中，模型文件不借助其他數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)直接在物理存儲(chǔ)器上儲(chǔ)存。例如OpenSceneGraph平臺(tái)，三維模型的幾何數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在*．ive文件中，紋理作為獨(dú)立的圖片文件進(jìn)行存儲(chǔ)，幾何數(shù)據(jù)和紋理分開存儲(chǔ)。

數(shù)據(jù)組織方式直接影響三維場景的加載速度與渲染效果，高效合理的場景組織方式可以大大提高場景的渲染效率，提高渲染幀率[1]。三維模型數(shù)據(jù)組織方式從以下3個(gè)方面進(jìn)行組織：模型分層組織、模型分區(qū)組織與模型分級(jí)組織。

2.1 三維模型分層組織

由于城市三維模型涉及的三維場景非常復(fù)雜，因此必須對(duì)其進(jìn)行合理分層。根據(jù)數(shù)字城市三維模型的形態(tài)、分布、數(shù)據(jù)特征，可將其劃分為三維建筑模型、三維地形模型(主要包括景觀模型、橋梁模型、樹木模型、小品模型及水系模型等場景)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)模型、地下管線模型等，它們包含的城市實(shí)體分別如下：

(1)三維建筑模型：反映了建筑物外形詳細(xì)特征，主要包括建(構(gòu))筑物主體及其附屬物，描述了街區(qū)建筑物的空間位置、高度、外觀結(jié)構(gòu)、空間形態(tài)、立面色彩。

(2)三維地形模型：反映了建模區(qū)域地形地貌特征，主要包括：①地形：地塊、道路、堤岸、綠地、綠化帶等；橋梁：②跨河域橋梁、城市立交橋、人行天橋等；③樹木：獨(dú)立樹、保護(hù)樹、行道樹等各類樹木；④水系：河流、湖泊、水塘、溝渠、水庫、噴泉等。

(3)城市設(shè)計(jì)模型：反映了城市規(guī)劃的體塊模型，主要包括體塊的位置、高度、外形等特征。

(4)地下管線模型：主要包括給水、熱力、電力、燃?xì)?、排水等管線和管井模型。

依據(jù)以上模型分層標(biāo)準(zhǔn)，首先可實(shí)現(xiàn)三維場景的分層管理與控制；其次可以實(shí)現(xiàn)各層在三維場景中的調(diào)度范圍控制，達(dá)到較為合理的調(diào)度效果；最后可方便實(shí)現(xiàn)三維特效，如風(fēng)效的實(shí)現(xiàn)。

2.2 三維模型分區(qū)組織

對(duì)于大范圍的數(shù)字城市三維模型的制作，必須確定合理的模型制作粒度，傳統(tǒng)有兩種劃分方法：單體對(duì)象模型劃分制作與區(qū)域劃分制作。

區(qū)域劃分制作可以彌補(bǔ)單體劃分制作在大范圍調(diào)度時(shí)，磁盤I/O操作頻率劇增，場景遍歷更新、裁剪、繪制的周期成倍增加，調(diào)度加載速度減慢，繪制幀頻迅速下降的不足，同時(shí)可以方便實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍三維模型數(shù)據(jù)的管理。但相對(duì)于單體模型劃分制作，其單個(gè)文件的數(shù)據(jù)量是較大，因此必須同時(shí)考慮對(duì)模型實(shí)行分級(jí)制作與分級(jí)調(diào)度加載。

(1)建筑模型分區(qū)原則

為了避免單個(gè)文件數(shù)據(jù)量過大，對(duì)建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)分，分區(qū)原則：建筑體框、建筑物精細(xì)模型兩層數(shù)據(jù)按照 1∶2 000圖幅分成16等分，每一塊對(duì)應(yīng)一個(gè)模型文件。分區(qū)時(shí)保持單體建筑的獨(dú)立性與唯一性。建筑的十六區(qū)排列順序如圖1所示：

12345678910111213141516

圖1 建筑的十六區(qū)排列順序

(2)其他數(shù)據(jù)分區(qū)原則

正射影像、規(guī)劃數(shù)據(jù)、地形面、樹木、獨(dú)立樹木、橋、燈、牌、小品、水面等數(shù)據(jù)按照 1∶2 000圖幅分成4等分，每一區(qū)對(duì)應(yīng)一個(gè)模型文件。地形的四區(qū)排列順序如圖2所示：

1234

圖2 地形的四區(qū)排列順序

2.3 三維模型分級(jí)組織

對(duì)于大場景三維模型的繪制，必須權(quán)衡其視覺效果與模型數(shù)據(jù)量的關(guān)系。如果將大范圍精細(xì)的三維模型進(jìn)行調(diào)度，由于內(nèi)存大小及應(yīng)用程序內(nèi)存尋址空間的限制會(huì)導(dǎo)致調(diào)度的范圍較小。要突破內(nèi)存對(duì)大場景調(diào)度的限制必須應(yīng)用分頁細(xì)節(jié)層次模型技術(shù)(PagedLOD)，將最精細(xì)的三維模型通過紋理壓縮與簡化減面的方法[4]，制作多級(jí)別的LOD(level of detail，細(xì)節(jié)層次)模型。傳統(tǒng)的LOD模型制作有兩種方式，分述如下。

(1)模型自身含有多個(gè)細(xì)節(jié)層次，各層次隨著視點(diǎn)的改變切換顯示。該方式可以實(shí)現(xiàn)LOD效果，降低顯卡的負(fù)荷，但由于此方式是將多個(gè)細(xì)節(jié)層次模型集成在一個(gè)模型內(nèi)，因此無法降低內(nèi)存的消耗。

(2)將模型制作成多個(gè)不同細(xì)節(jié)的文件，通過程序來實(shí)現(xiàn)LOD效果。該方式是將不同的細(xì)節(jié)層次模型單獨(dú)制作成模型文件，例如把一些不重要的圖元(頂點(diǎn)、邊、三角形)從模型中移去，在不嚴(yán)重?fù)p失物體視覺特征的前提下對(duì)物體的網(wǎng)格模型進(jìn)行簡化，通過程序?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)LOD即分頁細(xì)節(jié)層次模型，不但可實(shí)現(xiàn)模型隨視點(diǎn)的變化進(jìn)行細(xì)節(jié)層次的切換，更能實(shí)現(xiàn)模型隨視點(diǎn)的改變而動(dòng)態(tài)加載和卸載，從而降低內(nèi)存的消耗，提高場景的調(diào)度范圍。

一般情況下三維模型需分為三級(jí)LOD：第三級(jí)(LOD3)為精細(xì)模型，即只對(duì)文件內(nèi)的單個(gè)物體進(jìn)行拆分，不進(jìn)行紋理壓縮，其可視距離不宜大于 800 m；第二級(jí)(LOD2)為中等模型，即在第三級(jí)的基礎(chǔ)上將紋理進(jìn)行壓縮，一般為原始尺寸的1/2或1/4，可視距離根據(jù)模型種類的不同視情況設(shè)置，建筑一般不大于 2 000 m，地面和道路可適當(dāng)增加；第一級(jí)(LOD1)為一般模型，即在第三級(jí)的基礎(chǔ)上將紋理壓縮為原始尺寸的1/8或1/16，建筑的可視距離一般不大于 3 500 m，地面和道路的可視距離宜根據(jù)整個(gè)區(qū)域的大小決定。

3 基于時(shí)間序列的三維模型更新

3.1 模型更新機(jī)制

三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性是衡量其使用價(jià)值的重要標(biāo)準(zhǔn)，因此要求三維數(shù)據(jù)及時(shí)更新。本文提出“進(jìn)度式”數(shù)據(jù)更新方式，數(shù)據(jù)更新依據(jù)項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展時(shí)間序列進(jìn)行更新，如圖3所示。

三維模型實(shí)行“二級(jí)更新”機(jī)制，即“設(shè)計(jì)方案—建模；項(xiàng)目竣工—更新”。在項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案階段，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)圖進(jìn)行三維建模，錄入到數(shù)據(jù)庫中；項(xiàng)目建設(shè)完成后，根據(jù)實(shí)測情況進(jìn)行三維模型的更新，然后錄入到數(shù)據(jù)庫中，更新流程為：①首先利用實(shí)測地形圖數(shù)據(jù)、通過外業(yè)采集建筑物的平面位置坐標(biāo)及建筑高程數(shù)據(jù)，確定建筑物的平面位置及高度信息；②對(duì)二維數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在3ds Max中建立城市三維模型數(shù)據(jù)的體塊模型數(shù)據(jù)；③利用外業(yè)采集建筑物的側(cè)面紋理，進(jìn)行城市三維模型數(shù)據(jù)的紋理貼圖，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的更新。

圖3 “二級(jí)更新”機(jī)制示意圖

3.2 增量模型更新組織方式

由于區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目不斷增加、基礎(chǔ)設(shè)施如道路、綠化等不斷建設(shè)，因此場景變化較快，想要保持三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，需要提高三維數(shù)據(jù)更新頻率。傳統(tǒng)的三維模型更新方式采用全區(qū)域更新方式，其缺點(diǎn)為：①更新周期較長，導(dǎo)致三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性較弱；②數(shù)據(jù)量較大，占用存儲(chǔ)空間。

本文提出根據(jù)區(qū)域內(nèi)項(xiàng)目的建設(shè)進(jìn)展情況進(jìn)行三維數(shù)據(jù)增量更新，更新方式采用分層、分區(qū)更新，增量更新的數(shù)據(jù)組織以時(shí)間序列進(jìn)行存儲(chǔ)。

(1)分層更新

增量模型的分層方式與原始三維數(shù)據(jù)組織方式保持一致，即按照地形、建筑、道路等進(jìn)行增量模型的組織。

(2)分區(qū)更新

按照本文2.2節(jié)中所劃分的區(qū)域，進(jìn)行增量模型的組織，對(duì)于該區(qū)域內(nèi)有項(xiàng)目新增或建成，則更新整個(gè)區(qū)域。

采取三維數(shù)據(jù)增量更新，分層、分區(qū)的增量組織方式的優(yōu)點(diǎn)：

①更新模型數(shù)量較少，不需要全區(qū)更新，更新周期快。

②后期只存儲(chǔ)模型增量，數(shù)據(jù)量小，節(jié)省存儲(chǔ)空間。

③以時(shí)間序列存儲(chǔ)，可直觀地查看數(shù)據(jù)更新記錄，便于展示區(qū)域歷史變遷。

3.3 三維模型文件索引

三維模型以文件的形式存儲(chǔ)，因此需要建立文件索引，便于數(shù)據(jù)的管理和加載。模型數(shù)據(jù)文件存放在若干不同的邏輯物理位置中，通過建文件索記錄文件信息所在的邏輯存儲(chǔ)位置，在系統(tǒng)加載模型時(shí)通過文件索引獲取三維模式的存儲(chǔ)位置，讀取模型文件進(jìn)而在系統(tǒng)中顯示[5]。

增量模型按照更新時(shí)間序列進(jìn)行存儲(chǔ)，例如2016年1月10日更新的模型，文件組織方式如圖4所示：

圖4 增量模型文件組織方式

建立文件索引需要構(gòu)建現(xiàn)狀信息表和歷史信息表，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1、表2所示：

現(xiàn)狀信息表 表1

歷史信息表 表2

4 基于時(shí)間序列的三維模型管理實(shí)現(xiàn)

4.1 OpenSceneGraph(OSG)

OSG是一個(gè)開源的三維引擎，被廣泛應(yīng)用于可視化仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、科學(xué)計(jì)算、三維重建、地理信息等領(lǐng)域。OSG采用標(biāo)準(zhǔn)C++和OpenGL編寫而成，可運(yùn)行在所有的Windows平臺(tái)、OSX、GNU/Linux、IRIX、Solaris、HP-Ux、AIX、Android和FreeBSD操作系統(tǒng)。OSG在各個(gè)行業(yè)均有著豐富的擴(kuò)展，能夠與使用OpenGL書寫的引擎無縫結(jié)合，使用國際上最先進(jìn)的圖形渲染技術(shù)，讓每個(gè)用戶都能站在巨人的肩上[7]。

本文在基于OSG平臺(tái)研發(fā)的三維數(shù)字城市信息管理平臺(tái)基礎(chǔ)之上，加入三維模型管理模塊，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的管理和歷史展示及對(duì)比等功能，如圖5所示。

圖5 三維數(shù)字城市信息管理平臺(tái)

4.2 模型更新流程

三維模型的更新流程如圖6所示，首先構(gòu)建初始三維模型庫，根據(jù)初始模型的圖層分類、區(qū)域劃分和物理存儲(chǔ)位置生產(chǎn)初始現(xiàn)狀信息表；其次，制作增量模型，根據(jù)增量模型更新現(xiàn)狀信息表和歷史庫信息表；最后，讀取現(xiàn)狀信息表，加載三維模型。

圖6 模型更新流程

4.3 獲取指定時(shí)間的三維場景

通過建立三維數(shù)據(jù)索引便可進(jìn)行查看指定時(shí)間的三維場景，對(duì)于任意指定的歷史時(shí)間T，需要分別在現(xiàn)狀和歷史空間信息庫中檢索出符合時(shí)間邏輯關(guān)系的對(duì)象數(shù)據(jù)。在現(xiàn)狀信息表中，按式(1)進(jìn)行檢索：

Tt

(1)

其中Tt為現(xiàn)狀空間信息表中的日期數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)，而在歷史信息表中，按式(2)進(jìn)行檢索：

Tq

(2)

其中Tq、Th分別為歷史表中變化前日期和變化后日期數(shù)據(jù)項(xiàng)的數(shù)據(jù)。經(jīng)過上述的檢索操作，便可查找出在指定時(shí)間T有效的全部三維模型，然后根據(jù)圖層劃分加載到指定的圖層下獲取指定時(shí)間的三維場景。

5 總 結(jié)

隨著城市的不斷發(fā)展，城市的面貌日新月異，因此需要引入一種有效的三維場景更新機(jī)制，既能保證三維場景的現(xiàn)勢(shì)性，又能有效存儲(chǔ)和回溯歷史場景。本文闡述了三維數(shù)據(jù)分層、分區(qū)和分級(jí)的數(shù)據(jù)組織方式，設(shè)計(jì)了“二級(jí)更新”和分層、分區(qū)更新機(jī)制，有效保證了三維場景的現(xiàn)實(shí)性，建立了三維數(shù)據(jù)索引，便于利用三維場景查看城市的歷史變遷，基于OSG進(jìn)行了功能實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用。

本文提出的三維模型管理方法是基于文件存儲(chǔ)方式基礎(chǔ)之上的，存在一定的局限性，因此下一步研究實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫管理方式的三維數(shù)據(jù)管理。

[1] 鄧世軍，王永杰，竇華成等. 數(shù)據(jù)分頁技術(shù)的海量三維數(shù)據(jù)模型動(dòng)態(tài)調(diào)度[J]. 測繪科學(xué)，2013，38(4).

[2] 朱國敏，馬照亭，孫隆祥等. 城市三維地理信息系統(tǒng)中海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫組織與管理[J]. 測繪科學(xué)，2008，33(1)：238～240.

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[5] 梁建國，李峰. 城市三維GIS中的海量數(shù)據(jù)組織方法[J]. 測繪科學(xué)，2012，37(6).

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Research and Implementation of Three-dimensional Model Management Method Based on Time Series

Zhai Lin1，Yang Hui2

(1.Tianjin Institute of Surveying and Mapping，Tianjin 300381，China； 2.School of Resource and Environment SciencesWuhan Univercity，Wuhan 430079，China)

The three-dimensional visualization data of city as the basic data of information，can display the original appearance of the city intuitively． The three-dimensional model of different period records the historical vicissitude of the city. Based on the current situation of the weak management of three-dimensional historical data，this paper expounds organization of three-dimensional model by layer region and classification，designs two-level updating and hierarchical and zoning update mechanism，and builds an indexing mechanism based on time series. Use the method of three-dimensional model management based on time Series. Implement this method based on the OSG. This method solves the problem of browsing the history of three-dimensional scene，and has certain research significance.

three-dimensional visualization；historical data；two-level updating；index mechanism；time series

1672-8262(2017)03-27-04

P208.1

A

2016—11—10

翟林(1986—)，男，工程師，碩士，主要從事地理信息系統(tǒng)開發(fā)及工程應(yīng)用工作。

國家自然科技基金項(xiàng)目(41571395)