CN105956165A - 一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法 - Google Patents

一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法，包括以下步骤：把三维模型数据按照全球格网剖分方法瓦片化；把原本离散的瓦片数据按照计算规则进行紧缩重组，形成数据块大文件；将划分好的数据块大文件按分辨率由低到高组成瓦片金字塔；定义数据块大文件的磁盘组织结构和内存组织结构；减少瓦片金字塔的层级划分，将瓦片金字塔相邻两层数据块大文件按1:4的比例合并为一层；对合并后的数据块大文件进行重组；重新映射瓦片金字塔层级的视域范围，保存为新数据层文件；每划分一层都利用内存映射技术动态写入文件，将瓦片金字塔逐层写入到磁盘，形成内部以瓦片方式有效存储组织的三维模型数据的大文件。

Description

一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法
技术领域
本发明属于地理空间信息系统技术领域，特别是涉及一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法。
背景技术
三维GIS是目前GIS的一个重要发展方向，它在日益增长的三维空间信息需求的牵引和蓬勃发展的现代新兴技术的驱动下得到了稳步的发展。城市三维的建设与应用，已成为地理信息技术发展的必然趋势，也是“数字城市”建设的重要组成部分。三维模型数据的存储组织是最为基础和关键的技术之一，它的优劣直接影响着三维技术应用的发展前景。
随着计算机性能和应用需求的不断提高，传统的二维 GIS 已经不能满足多分辨率、多尺度和多时空的直观三维表达的需求，迫切需要寻求精确建模和虚拟现实等技术实现现实世界的三维可视化表达，使得高精度、多分辨率、多时空、多细节层次模型的三维场景建立产生了海量、结构复杂和多尺度的三维模型数据。将三维模型数据按照一定的规则进行必要的格网分割处理，处理后的数据称为瓦片（Tile），其瓦片数量级十分庞大，通常可达到T甚至P数量级。在分辨率不断提高的前提下，三维模型数据量的增长速度远远大于计算机内存的增长速度，面对如此大庞大的数据，要进行快速查询调用数据将是非常困难的，这对计算机硬件和应用软件都提出了非常高的要求，三维GIS技术的瓶颈之一也就是如何解决海量三维模型数据组织问题，因此对三维模型进行瓦片分割及其高效存储组织也是目前三维研究的一个重要内容。
解决三维模型数据的组织存储难题，对于实现三维模型的快速建立，提升大范围三维场景的漫游速度、查询相应时间及多用户并发请求，提高三维场景的流畅、逼真显示和人机交互体验有着重要意义，它决定着三维 GIS 系统的发展方向。基于现有的三维模型组织存储方法，考虑到不同应用环境、不同组织方法、不同算法对三维模型数据的组织存储影响效率不同，以及磁盘和内存中定义的结构不一样，具体实现细节也会不一样，本文从尽可能的减少调度次数和内存资源占用角度出发，提出了一种三维模型的瓦片式大文件存储组织方法，对于解决三维模型数据的存储组织难题具有现实意义。
目前，三维模型数据的组织和存储方法有以下两种：
（1）分散的小文件组织方法
该方法是指把单个三维模型或某一区域中的多个三维模型存储在一个文件中。其主要代表为美国Skyline公司的TerrainSuit系列软件，通过对模型制作模型点shp文件，在TEPro中根据导入.x模型并对其进行打包，最后将打包的fly文件整合后形成场景文件，这种方法一定程度上可以实现对三维模型数据的组织，但由于大量的空间、字段存储关系信息和索引信息分开存储、散乱管理，使得空间查询效率低下，且大大增加了数据误删除率，降低了数据组织管理的安全性。该类方法在下列文献中均有论述：刘洁，裴继红，牛俊英.基于标准模型文件的建筑物三维数据模型. 现代电子技术, 2004. 冯琰，郭容寰等. 三维城市模型数据组织与管理方法研究. 测绘科学, 2011.
（2）基于关系型空间数据库的组织存储
该方式是指把一个三维模型作为一个空间实体存储在数据库中，它不仅具有空间信息，还具有与地物相匹配的属性信息。虽然这种存储组织方式有利于三维可视化与三维空间对象的组织存储结合，但由于空间数据模型的复杂性以及数据形式的庞杂性，现有关于面向对象的关系型空间数据库方式的组织存储的探索主要集中在地形、遥感影像和少量三维实体的数据库管理上，如SKyLine、GoogleEarth服务器端的数据存储和组织方式，较全面的三维模型数据库组织管理难以实现；此外，关系型数据库本身的限制使得组织海量三维模型数据变得越来越力不从心，比如数据类型表达能力差，复杂查询功能差，在数据的写入方面却完全没有简单的方法来解决规模化问题，大部分读写集中在一个数据库上让数据库不堪重负。该类方法在下列文献中均有论述：谷胜涛，李景文等. 面向实体的三维空间数据模型组织方法及应用. 城市勘测, 2011. 胡忠宇. 面向对象的全关系型空间数据库的研究. 测绘科学, 2009. 邢小平，张玉兰等. 三维模型数据库管理系统的设计与实现. 第13届中国系统仿真技术及其应用学术年会论文集, 2011。
发明内容
本发明目的在于针对目前三维模型数据难以实现高效存储组织的难题，提出一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法，综合考虑到不同文件定义结构以及不同算法对计算机处理影响不同，把瓦片化后的三维模型数据进行紧缩处理成数据块大文件，并以数据块大文件的形式组成瓦片金字塔。定义了数据块大文件的磁盘组织结构和内存组织结构；提出了一种新的瓦片金字塔的层级合并和重组的方法，通过快速读取文件头、快速绘制低精度数据，使得每次读入内存的数据为最少，尽可能减少数据块大文件的调用次数和内存驻留，优化了瓦片金字塔的层级划分，从而寻求一种较高效的三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法,包括以下步骤：
步骤1，把三维模型数据按照全球格网剖分方法瓦片化；
步骤2，把原本离散的瓦片数据按照计算规则进行紧缩重组，使其形成结构相对规整的数据块大文件；
步骤3，将划分好的数据块大文件按分辨率由低到高组成瓦片金字塔；
步骤4，定义数据块大文件的磁盘组织结构和内存组织结构，磁盘组织结构分为数据文件和数据索引文件，其存储结构均分为文件头部分和数据部分；
步骤5，减少瓦片金字塔的层级划分。按分辨率由低到高可将瓦片金字塔分为n层，以1:4的比例依次将相邻两层数据块大文件合并为一层数据块大文件；
步骤6，对合并后的数据块大文件进行重组，即将上一层数据块大文件组织为文件头，将下一层数据块大文件组织为文件体；依次往下合并重组；
步骤7，对相邻两层数据块大文件合并重组后，重新映射瓦片金字塔层级的视域范围，并将其保存为新数据层文件；
步骤8，每划分一层都利用内存映射技术动态写入文件，将瓦片金字塔逐层写入到磁盘，形成内部以瓦片方式有效组织的三维模型数据的大文件。
优选的，步骤2中包含以下子步骤：
步骤2.1，设海量瓦片数据在X，Y，Z轴的空间范围为X1，X2，Y1，Y2，Z1,Z2,给定一个容差ε，则沿坐标轴可按实际需要划分为等间隔λ的数据块大文件；
步骤2.2，沿着X，Y，Z的数据块大文件数目分别为：X1，Y1，Z1，向前取整，划分得到空间中总的数据块大文件数目；
步骤2.3，再计算数据块大文件的单元坐标，设数据块大文件的中心点坐标为(X，Y，Z)，以(X1，Y1，Z1)为坐标原点，则其空间单元坐标：Xpt，Ypt，Zpt，向前取整；
步骤2.4，计算数据块大文件的索引号，最终先沿Z轴索引再沿Y轴索引最后是X轴索引，得到数据块大文件的索引号为BID＝Xpt×λ2+Ypt×λ+Zpt。
优选的，步骤4中磁盘组织结构分为数据文件和数据索引文件，其存储结构均分为文件头部分和数据部分，所述文件头部分包含数据的属性信息和所有层的层头信息，其中层头信息记录了当前层的数据块大文件数量、 索引号BID、以及相对于文件头的偏移量；所述数据部分存储了块头信息和瓦片数据，其中块头信息包含了数据块大文件的地理范围、数据块在整个文件中的偏移量。
优选的，步骤4中内存组织结构以数据块大文件为单位，数据块大文件是在内存中为瓦片数据紧缩开辟的一个连续区域，由瓦片数据紧密填充，避免储存空间的浪费。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明为了寻求一种高效的三维模型数据存储组织方法，从减少读取数据时指针移动次数和数据在内存中调度速度的角度出发，提出了一种瓦片式大文件存储组织方法。将海量瓦片数据紧缩重组成结构相对整齐的数据块大文件，再基于数据块大文件组成瓦片金字塔模型。通过定义数据块大文件在磁盘和内存中的组织结构，为实现三维模型数据的快速组织和调度奠定了基础，并与内存映射文件技术相结合，提出了一种新的层级合并重组方法，优化了瓦片金字塔层级划分，使得每次读入内存的数据为最少，且尽可能减少数据的调度次数和内存中的驻留，方便数据块大文件的查找，对三维模型数据的存储组织具有实际意义。
附图说明
图1本发明的总体流程图；
图2本发明的瓦片金字塔数据块大文件在磁盘中的组织形式；
图3本发明的瓦片金字塔数据块大文件在内存的组织形式；
图4本发明的瓦片金字塔层级合并示意图；
图5本发明基于内存映射文件技术的瓦片金字塔层级序列形成流程图；
图6本发明的总体算法实现流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图6，本发明提供一种技术方案：首先将三维模型瓦片化，将海量瓦片数据按照计算方法进行紧缩重组，使其形成结构相对整齐紧密排列的大数据文件，再按分辨率由低到高组成瓦片金字塔模型，定义数据块大文件的磁盘组织结构和内存组织结构，本发明的重点是优化金字塔的层级划分，探讨了一种新的合并重组的方法，并重新映射瓦片金字塔层级的视域范围，将划分好的每一层基于内存映射文件技术动态写入文件，寻求一种减少调度次数、内存占用和指针寻址次数、快速查找数据的高效瓦片数据存储组织方式。
本发明实施的实现过程采用计算机实现自动化处理，包括以下详细步骤，
步骤1，把三维模型数据按照全球格网剖分方法瓦片化，即按每个网格宽、高打上均匀的格网，计算出每个三维模型数据包围盒所占据的网格或者所经过的网格单元集合；
步骤2，把原本离散的瓦片数据进行紧缩重组，使其形成结构相对规整的数据块大文件。数据块大文件紧缩重组基本思路是：将瓦片数据按照一定规则划分成数据块大文件，数据块大文件由瓦片数据紧密填充，在磁盘上顺序存储，对每个数据块大文件分别建立索引信息，通过索引确定数据块大文件的空间位置后，再可对指定的数据块大文件实现块内检索。具体步骤如下：
步骤2.1，设海量瓦片数据在X，Y，Z轴的空间范围为X 1 ，X 2 ，Y 1 ，Y 2 ，Z 1 , Z 2 , 给定一个容差ε，则沿坐标轴可按实际需要划分为等间隔λ的数据块大文件；
步骤2.2，沿着X，Y，Z的数据块大文件数目分别为：X 1 ，Y 1 ，Z 1 ，向前取整；
步骤2.3，再计算数据块大文件的单元坐标，设数据块大文件的中心点坐标为（X，Y，Z），以（X 1 ，Y 1 ，Z 1 ）为坐标原点，则其空间单元坐标：X pt ，Y pt ，Z pt ，向前取整；
步骤2.4，计算数据块大文件的索引号，最终先沿Z轴索引再沿Y轴索引最后是X轴索引，得到数据块大文件的索引号为BID=X pt ×λ 2 +Y pt ×λ+ Z pt 。
步骤3，将划分好的数据块大文件按分辨率由低到高组成瓦片金字塔；
步骤4，定义数据块大文件的磁盘组织结构和内存组织结构；
其中的磁盘组织结构分为数据文件和数据索引文件，其存储结构均分为文件头部分和数据部分，所述文件头部分包含数据的属性信息和所有层的层头信息，其中层头信息记录了当前层的数据块大文件数量、 索引号BID、以及相对于文件头的偏移量；数据部分存储了块头信息和瓦片数据，其中块头信息包含了数据块大文件的地理范围、数据块在整个文件中的偏移量；数据块大文件在层间按层排列，层内按行排列。磁盘组织形式如图2所示。
数据部分存储了块头信息和瓦片数据，其中块头信息包含了数据块大文件的地理范围、数据块在整个文件中的偏移。内存组织结构以数据块大文件为单位，数据块大文件是在内存中为瓦片数据紧缩开辟的一个连续区域，由瓦片数据紧密填充，避免储存空间的浪费。文件头常驻内存中，在文件头中记录每个数据块大文件在瓦片金字塔文件中的偏移量，在查找瓦片数据时，先对建立内存映射对象，先定位到层，然后在层头信息中查找数据块大文件的偏移量和数据块大文件的索引号BID，再映射到内存中来；内存组织结构如图3所示。
步骤5，减少瓦片金字塔的层级划分。根据分辨率由低到高可将瓦片金字塔模型分为n层（级），将第0层的一个数据块大文件与第1层对应的四个数据块大文件合并为一层，将第2层的每一个数据块大文件与第3层依次对应的四个数据块大文件合并为一层···即按1:4的比例依次将相邻两层数据块大文件合并为一层数据块大文件，如图4所示；
步骤6，对合并后的数据块大文件进行重组，即将上一层数据块大文件组织为文件头，将下一层数据块大文件组织为文件体，以减少数据调度次数；依次往下合并重组；
步骤7，对相邻两层数据块大文件合并重组后，重新映射瓦片金字塔层级的视域范围，并将其保存为新数据层文件；
步骤8，每划分一层都利用内存映射技术动态写入文件。将该层级数据映射为内存映射对象File1，在磁盘上创建一个文件映射为内存映射对象File2，在堆里分配一层缓存空间，从File1中映射该层的数据到内存，并将该层数据保存到缓存堆里，从File2中映射该层数据到内存，把缓存堆里的数据保存到File2里，指针移动依次读取每层数据块大文件，递归形成瓦片金字塔序列，如图5所示，最后将瓦片金字塔逐层写入磁盘，形成内部以瓦片方式有效存储组织的三维模型数据的大文件。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (4)

1.一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法,其特征在于：包括以下步骤：
步骤1，把三维模型数据按照全球格网剖分方法瓦片化；
步骤2，把原本离散的瓦片数据按照计算规则进行紧缩重组，使其形成结构相对规整的数据块大文件；
步骤3，将划分好的数据块大文件按分辨率由低到高组成瓦片金字塔；
步骤4，定义数据块大文件的磁盘组织结构和内存组织结构，磁盘组织结构分为数据文件和数据索引文件，其存储结构均分为文件头部分和数据部分；
步骤5，减少瓦片金字塔的层级划分；
按分辨率由低到高可将瓦片金字塔分为n层，以1:4的比例依次将相邻两层数据块大文件合并为一层数据块大文件；
步骤6，对合并后的数据块大文件进行重组，即将上一层数据块大文件组织为文件头，将下一层数据块大文件组织为文件体；依次往下合并重组；
步骤7，对相邻两层数据块大文件合并重组后，重新映射瓦片金字塔层级的视域范围，并将其保存为新数据层文件；
步骤8，每划分一层都利用内存映射技术动态写入文件，将瓦片金字塔逐层写入到磁盘，形成内部以瓦片方式有效组织的三维模型数据的大文件。
2.根据权利要求1所述的一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法，其特征在于：所述步骤2中包含以下子步骤：
步骤2.1，设海量瓦片数据在X，Y，Z轴的空间范围为X1，X2，Y1，Y2，Z1,Z2,给定一个容差ε，则沿坐标轴可按实际需要划分为等间隔λ的数据块大文件；
步骤2.2，沿着X，Y，Z的数据块大文件数目分别为：X1，Y1，Z1，向前取整，划分得到空间中总的数据块大文件数目；
步骤2.3，再计算数据块大文件的单元坐标，设数据块大文件的中心点坐标 为(X，Y，Z)，以(X1，Y1，Z1)为坐标原点，则其空间单元坐标：Xpt，Ypt，Zpt，向前取整；
步骤2.4，计算数据块大文件的索引号，最终先沿Z轴索引再沿Y轴索引最后是X轴索引，得到数据块大文件的索引号为BID＝Xpt×λ2+Ypt×λ+Zpt。
3. 根据权利要求1所述的一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法，其特征在于：所述步骤4中磁盘组织结构分为数据文件和数据索引文件，其存储结构均分为文件头部分和数据部分，所述文件头部分包含数据的属性信息和所有层的层头信息，其中层头信息记录了当前层的数据块大文件数量、 索引号BID、以及相对于文件头的偏移量；所述数据部分存储了块头信息和瓦片数据，其中块头信息包含了数据块大文件的地理范围、数据块在整个文件中的偏移量。
4.根据权利要求1所述的一种三维模型数据的瓦片式大文件存储组织方法，其特征在于：所述步骤4中内存组织结构以数据块大文件为单位，数据块大文件是在内存中为瓦片数据紧缩开辟的一个连续区域，由瓦片数据紧密填充，避免储存空间的浪费。
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