CN112132954B - 一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法及系统，属于移动测量大数据信息化管理技术领域。本发明实现了对点云对象的上传、下载、存储、搜索、查询、修改等功能，上传时将单个点云对象进行了空间八叉树索引建模，对建模前的原始数据、建模后的八叉树索引以及八叉树的节点数据全部基于分布式技术进行存储和检索，提高了数据存储的鲁棒性、扩展性和存取效率；系统实现了基于对象特征的搜索和查询功能，可以分层分区展示；已经存储在系统中的数据使用基于B‑S架构的网络服务进行相关操作，使用图形化界面进行交互和展示，降低了系统使用者的技术门槛。
Description
技术领域
本发明公开了一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法及系统，属于移动测量大数据信息化管理技术领域。
背景技术
三维点云模型可以对现实世界中的物体进行离散采样，具有数据结构简单、能够表达任意复杂细节等特点，在逆向工程、虚拟现实、空间测量、文物保护等领域得到广泛应用。面向移动测量的激光点云数据具有数据体积大的特点，传统方式管理这些数据效率低成本高，对管理人员的技术能力有一定要求，已经无法满足当前移动测量激光点云技术和应用的发展要求。随着大数据技术的发展，以分布式技术为核心的大数据管理技术从互联网行业开始逐渐推广至其它行业。移动测量行业是典型的数据密集型领域，大数据技术在该领域有广阔的应用空间。现有技术存在如下不足：激光点云数据量大，难以进行统一管理和线上宏观展示。
发明内容
本发明公开了一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法及系统，以解决现有技术中激光点云数据量大，难以进行统一管理和线上宏观展示的问题。
一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法，包括以下步骤：
S1.构建基于单个点云文件数据的空间八叉树索引，生成三维瓦片文件；
S2.基于点云三维实体编码规则，对单体点云空间属性、特征属性和时间属性进行管理；
S3.实现面向点云对象管理的图形化交互操作；
S4.向图形化交互操作发出管理操作响应请求，实现操作客户端与数据服务端的分离；
S5.以文件为单位储存底层数据，进行冗余备份、负载均衡和横向扩展，对外提供基于URL的数据文件访问服务；
S6.存储JSON形式的索引数据，索引中包含点云对象的编码特征和与其对应的底层数据URL，基于索引数据的“倒排索引”对外提供点云对象的搜索服务。
步骤S1包括以下子步骤：
S1.1.根据Las文件协议对上传文件的字节数组进行解析，获取所有属性字段对应的字节码；
S1.2.将字段的字节码转换为其对应数据类型的可读数据，将其中所有的点迭代取出，保存在一个集合对象中；
S1.3.对该组点集合按照三维空间坐标进行递归切分，每个立方体被切分为8个子立方体，直到子立方体的点数小于预先设定的阈值时，该立方体不会被继续切分；
S1.4.每个文件构建一个哈希映射表以表示八叉树结构，对同一个对象的不同文件的八叉树进行拼接，拼接规则为：以抽希程度最高的点云数据八叉树作为基础，将剩下的八叉树按照抽希程度由高到低依次拼接；
S1.5.拼接点的匹配依据为：
j.后接入八叉树中与已接入八叉树叶子结点同层的节点；
k.符合j条件的节点中有子节点的节点；
l.符合k条件的节点中，包围盒中心坐标落在已接入八叉树叶子节点范围内，则这一对节点为一组匹配的拼接节点；
S1.6.基于拼接完整的八叉树哈希映射，将S2.2中的点数据以节点为单位转化为3DTiles数据文件，构建3DTiles文件的json索引字符串。
步骤S2包括以下子步骤：
S2.1.点云空间属性管理，用1位实体等级编码确定实体的实体等级，利用点云实体的17位中心经纬度确定点云实体的位置编码；
S2.2.点云特征属性管理，利用6位地物分类码管理点云实体的类别，利用5位标识码管理点云实体细节特征；
S2.3.点云时间属性管理，利用编码规则中的时间更新码标记点云实体的采集时间。
步骤S3包括以下子步骤：
S3.1.基于空间三维引擎的点云对象加载显示；
S3.2.基于编码规则，检索点云数据并加载；
S3.3.基于空间范围，检索点云数据并加载；
S3.4.基于点云ID实现对单体点云对象的更新、删除、下载点云、信息查看。
步骤S4包括以下子步骤：
S4.1.上传一个新的点云对象，同时生成对象的索引数据；上传一个已经存在的点云对象，等同于向已经存在的对象中添加一个新版本，同时更新该对象的索引数据；
S4.2.删除点云对象，基于完整IC的单个点云对象删除，包括删除索引数据和底层数据；基于一组IC的批量点云对象删除，包括删除这一批对象的索引数据和底层数据；
S4.3.获取服务地址，获取分布式文件系统服务地址和分布式搜索引擎服务地址；
S4.4.地理实体编码管理，将地理实体编码-名称对应关系数据结构，基于关系型数据库的编码-名称对应关系存储和管理。
步骤S5包括以下子步骤：
S5.1.分布式调度，进行分布式存储节点的状态跟踪和消息转发；提供对于访问请求的反向代理和负载均衡能力；
S5.2.分布式存储，实现对于底层数据文件存储的冗余备份、负载均衡和弹性扩展；
S5.3数据文件的分卷管理；
S5.4.基于URL进行数据文件访问。
步骤S6包括以下子步骤：
S6.1.储存基于点云对象数据文件URL、对象编码、对象特征、对象点云的八叉树索引的JSON格式的索引数据；
S6.2.对索引数据构建倒排索引；
S6.3.支持冗余备份、弹性扩展、负载均衡。
一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理系统，包括以下模块：
八叉树索引模块，构建基于单个点云文件数据的空间八叉树索引，生成三维瓦片文件；基于点云三维实体编码规则，对单体点云空间属性、特征属性和时间属性进行管理；
用户交互模块，实现面向点云对象管理的图形化交互操作；
WEB服务模块，向用户交互模块提供管理操作请求响应服务，实现操作客户端与数据服务端的分离；
分布式文件系统模块，以文件为单位储存底层数据，进行冗余备份、负载均衡和横向扩展，对外提供基于URL的数据文件访问服务；
分布式搜索引擎模块，存储JSON形式的索引数据，索引中包含点云对象的编码特征和与其对应的底层数据URL，基于索引数据的“倒排索引”对外提供点云对象的搜索服务。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)实现了前后端分离的B-S架构，用户通过浏览器进行图形化数据管理相关操作，数据集中储存在服务端(云端)，客户端通过浏览器访问，避免了用户在本机安装客户端软件的麻烦，提高了客户端的跨平台能力，降低了用户的使用门槛；数据集中管理在统一的服务器集群中(或云服务器中)，提高了数据管理的统一性、完整性、安全性和可控性，消除了用户在操作数据时需要在不同机器中传输拷贝的成本；
(2)使用基于分布式的文件存储技术，数据文件上传后会自动在多台服务器节点中进行冗余备份，即便部分机器出现故障，系统仍然能够对外提供服务，即便部分机器数据丢失，仍然能保证整体数据的完整性；数据增长到一定阶段超过当前集群容量时，可以通过添加集群节点的方式进行存储空间的横向热扩展，不必暂停服务或拆卸机器，也不会破坏原有数据存储的完整性；该技术通过提供基于URL的数据访问服务向浏览器端发送数据，为实现前后端分离架构提供支持；
(3)基于分布式的搜索引擎技术可以对外提供高速稳定的搜索服务，一方面实现了基于对象属性搜索对象数据的功能，同时具备了对于索引数据的冗余备份、横向扩展和负载均衡能力，通过倒排索引大大提高了数据的搜索速度；
(4)将点云对象原始数据基于空间八叉树索引进行了划分，并将原始数据和划分后的数据全部保存，既完整保留了原始数据，又保证了空间八叉树索引数据在展示时的性能。
附图说明
图1为面向三维激光点云实体对象的分布式管理系统的流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法，包括以下步骤：
S1.构建基于单个点云文件数据的空间八叉树索引，生成三维瓦片文件；
S2.基于点云三维实体编码规则，对单体点云空间属性、特征属性和时间属性进行管理；
S3.实现面向点云对象管理的图形化交互操作；
S4.向图形化交互操作发出管理操作响应请求，实现操作客户端与数据服务端的分离；
S5.以文件为单位储存底层数据，进行冗余备份、负载均衡和横向扩展，对外提供基于URL的数据文件访问服务；
S6.存储JSON形式的索引数据，索引中包含点云对象的编码特征和与其对应的底层数据URL，基于索引数据的“倒排索引”对外提供点云对象的搜索服务。
步骤S1包括以下子步骤：
S1.1.根据Las文件协议对上传文件的字节数组进行解析，获取所有属性字段对应的字节码；
S1.2.将字段的字节码转换为其对应数据类型的可读数据，将其中所有的点迭代取出，保存在一个集合对象中；
S1.3.对该组点集合按照三维空间坐标进行递归切分，每个立方体被切分为8个子立方体，直到子立方体的点数小于预先设定的阈值时，该立方体不会被继续切分；
S1.4.每个文件构建一个哈希映射表以表示八叉树结构，对同一个对象的不同文件的八叉树进行拼接，拼接规则为：以抽希程度最高的点云数据八叉树作为基础，将剩下的八叉树按照抽希程度由高到低依次拼接；
S1.5.拼接点的匹配依据为：
j.后接入八叉树中与已接入八叉树叶子结点同层的节点；
k.符合j条件的节点中有子节点的节点；
l.符合k条件的节点中，包围盒中心坐标落在已接入八叉树叶子节点范围内，则这一对节点为一组匹配的拼接节点；
S1.6.基于拼接完整的八叉树哈希映射，将S2.2中的点数据以节点为单位转化为3DTiles数据文件，构建3DTiles文件的json索引字符串。
步骤S2包括以下子步骤：
S2.1.点云空间属性管理，用1位实体等级编码确定实体的实体等级，利用点云实体的17位中心经纬度确定点云实体的位置编码；
S2.2.点云特征属性管理，利用6位地物分类码管理点云实体的类别，利用5位标识码管理点云实体细节特征；
S2.3.点云时间属性管理，利用编码规则中的时间更新码标记点云实体的采集时间。
步骤S3包括以下子步骤：
S3.1.基于空间三维引擎的点云对象加载显示；
S3.2.基于编码规则，检索点云数据并加载；
S3.3.基于空间范围，检索点云数据并加载；
S3.4.基于点云ID实现对单体点云对象的更新、删除、下载点云、信息查看。
步骤S4包括以下子步骤：
S4.1.上传一个新的点云对象，同时生成对象的索引数据；上传一个已经存在的点云对象，等同于向已经存在的对象中添加一个新版本，同时更新该对象的索引数据；
S4.2.删除点云对象，基于完整IC的单个点云对象删除，包括删除索引数据和底层数据；基于一组IC的批量点云对象删除，包括删除这一批对象的索引数据和底层数据；
S4.3.获取服务地址，获取分布式文件系统服务地址和分布式搜索引擎服务地址；
S4.4.地理实体编码管理，将地理实体编码-名称对应关系数据结构，基于关系型数据库的编码-名称对应关系存储和管理。
步骤S5包括以下子步骤：
S5.1.分布式调度，进行分布式存储节点的状态跟踪和消息转发；提供对于访问请求的反向代理和负载均衡能力；
S5.2.分布式存储，实现对于底层数据文件存储的冗余备份、负载均衡和弹性扩展；
S5.3数据文件的分卷管理；
S5.4.基于URL进行数据文件访问。
步骤S6包括以下子步骤：
S6.1.储存基于点云对象数据文件URL、对象编码、对象特征、对象点云的八叉树索引的JSON格式的索引数据；
S6.2.对索引数据构建倒排索引；
S6.3.支持冗余备份、弹性扩展、负载均衡。
一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理系统，其系统流程图如图1所示，包括以下模块：
八叉树索引模块，构建基于单个点云文件数据的空间八叉树索引，生成三维瓦片文件；基于点云三维实体编码规则，对单体点云空间属性、特征属性和时间属性进行管理；
用户交互模块，实现面向点云对象管理的图形化交互操作；
WEB服务模块，向用户交互模块提供管理操作请求响应服务，实现操作客户端与数据服务端的分离；
分布式文件系统模块，以文件为单位储存底层数据，进行冗余备份、负载均衡和横向扩展，对外提供基于URL的数据文件访问服务；
分布式搜索引擎模块，存储JSON形式的索引数据，索引中包含点云对象的编码特征和与其对应的底层数据URL，基于索引数据的“倒排索引”对外提供点云对象的搜索服务。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.构建基于单个点云文件数据的空间八叉树索引，生成三维瓦片文件；
S2.基于点云三维实体编码规则，对单体点云空间属性、特征属性和时间属性进行管理；
S3.实现面向点云对象管理的图形化交互操作；
S4.向图形化交互操作发出管理操作响应请求，实现操作客户端与数据服务端的分离；
S5.以文件为单位储存底层数据，进行冗余备份、负载均衡和横向扩展，对外提供基于URL的数据文件访问服务；
S6.存储JSON形式的索引数据，索引中包含点云对象的编码特征和与其对应的底层数据URL，基于索引数据的“倒排索引”对外提供点云对象的搜索服务；
步骤S1包括以下子步骤：
S1.1.根据Las文件协议对上传文件的字节数组进行解析，获取所有属性字段对应的字节码；
S1.2.将字段的字节码转换为其对应数据类型的可读数据，将其中所有的点迭代取出，保存在一个集合对象中；
S1.3.对集合对象按照三维空间坐标进行递归切分，每个立方体被切分为8个子立方体，直到子立方体的点数小于预先设定的阈值时，该立方体不会被继续切分；
S1.4.每个文件构建一个哈希映射表以表示八叉树结构，对同一个对象的不同文件的八叉树进行拼接，拼接规则为：以抽希程度最高的点云数据八叉树作为基础，将剩下的八叉树按照抽希程度由高到低依次拼接；
S1.5.拼接点的匹配依据为：
j.后接入八叉树中与已接入八叉树叶子结点同层的节点；
k.符合j条件的节点中有子节点的节点；
l.符合k条件的节点中，包围盒中心坐标落在已接入八叉树叶子节点范围内，则这一对节点为一组匹配的拼接节点；
S1.6.基于拼接完整的八叉树哈希映射，将S2.2中的点数据以节点为单位转化为3DTiles数据文件，构建3DTiles文件的json索引字符串；
步骤S2包括以下子步骤：
S2.1.点云空间属性管理，用1位实体等级编码确定实体的实体等级，利用点云实体的17位中心经纬度确定点云实体的位置编码；
S2.2.点云特征属性管理，利用6位地物分类码管理点云实体的类别，利用5位标识码管理点云实体细节特征；
S2.3.点云时间属性管理，利用编码规则中的时间更新码标记点云实体的采集时间；
步骤S3包括以下子步骤：
S3.1.基于空间三维引擎的点云对象加载显示；
S3.2.基于编码规则，检索点云数据并加载；
S3.3.基于空间范围，检索点云数据并加载；
S3.4.基于点云ID实现对单体点云对象的更新、删除、下载点云、信息查看；
步骤S4包括以下子步骤：
S4.1.上传一个新的点云对象，同时生成对象的索引数据；上传一个已经存在的点云对象，等同于向已经存在的对象中添加一个新版本，同时更新该对象的索引数据；
S4.2.删除点云对象，基于完整IC的单个点云对象删除，包括删除索引数据和底层数据；基于一组IC的批量点云对象删除，包括删除这一批对象的索引数据和底层数据；
S4.3.获取服务地址，获取分布式文件系统服务地址和分布式搜索引擎服务地址；
S4.4.地理实体编码管理，将地理实体编码-名称对应关系数据结构，基于关系型数据库的编码-名称对应关系存储和管理；
步骤S5包括以下子步骤：
S5.1.分布式调度，进行分布式存储节点的状态跟踪和消息转发；提供对于访问请求的反向代理和负载均衡能力；
S5.2.分布式存储，实现对于底层数据文件存储的冗余备份、负载均衡和弹性扩展；
S5.3数据文件的分卷管理；
S5.4.基于URL进行数据文件访问；
步骤S6包括以下子步骤：
S6.1.储存基于点云对象数据文件URL、对象编码、对象特征、对象点云的八叉树索引的JSON格式的索引数据；
S6.2.对索引数据构建倒排索引；
S6.3.支持冗余备份、弹性扩展、负载均衡。
2.一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理系统，其特征在于，执行权利要求1所述的一种面向三维激光点云实体对象的分布式管理方法的步骤，包括以下模块：
八叉树索引模块，构建基于单个点云文件数据的空间八叉树索引，生成三维瓦片文件；基于点云三维实体编码规则，对单体点云空间属性、特征属性和时间属性进行管理；
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Non-Patent Citations (1)
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