CN113111141A - 组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，该方法包括，把三维数据模型分为六个不同的LOD层，每一个LOD层代表一个细节层次，细节层次随着LOD层的提升而提升，每个LOD层对应不同的数据；客户端用户根据需要的细节层次来调用对应的LOD层，请求该LOD层相对应的数据；服务器端根据当前的浏览尺度和视点位置来调用对应的LOD层，返回该对应细节层次和相关位置的数据。所述LOD技术已由客户端转移到了服务器端。本发明克服了现有技术中海量数据管理的困难，解决了数据调用速度太慢、数据难以实时在互联网/移动互联网传输的问题，通过本发明能够有效地管理海量数据，实现大数据量的实时处理和传输。

Description

组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法
技术领域
本发明涉及一种数据管理方法，特别涉及一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法和实现系统。
背景技术
随着外来流动人口的快速增加，一个城市的承载能力正在变得越来越弱，然而，居住在城市中的人们对城市空间环境形象、教育配备、生活起居等方面的要求却正在不断提高。传统的侧重于二维规划，不论是数据还是功能，都已经明显不能满足城市规划和城市设计对多维动态空间分析的需要。传统的侧重于二维规划正在向富于人性化的三维城市空间规划发展，并且，传统的非标准、单机化的地理信息软件无法满足城市规划设计中协同工作的需求。所有这些都需要有一个更加直观方便的信息交流平台。
组件化服务式三维城市地理信息系统在兼具传统空间分析功能的同时，更强调多维空间信息的可视化与三维空间的分析功能，因此在城市规划设计领域具有不可比拟的优势。
组件化服务式三维城市地理信息系统从城市总体规划到详细规划的每一个层次，从城市规划的土地利用、公共设施规划、城市更新与保护到景观风貌规划等每一个专题，都能发挥相当重要的作用，并正日益成为现代城市管理和电子政务不可或缺的关键技术之一。
在城市规划应用中，随着城市美化运动的不断深入，当代城市规划面临日益迫切的城市艺术和景观设计等问题，政府会对街道、城市艺术、公共建筑和开放空间拥有越来越多的控制，同时还需要充分保护个人财产。组件化服务式三维城市地理信息系统对解决这些问题和冲突具有特殊的价值。
在城市建筑设计应用中，由于建筑物处于复杂的城市环境中，受到规划要求、城市设计要求等众多因素的制约，组件化服务式三维城市地理信息系统可为设计者提供更为丰富多彩的环境空间信息，从而在建筑与周围环境协调方面做得更为出色，还可轻松地进行方案调整，加快了方案设计的速度和质量，提高了方案设计与修正的效率。
在城市开发控制应用中，各种规划设计方案(例如新建房屋、农业与商业开发、增加房屋、改变土地与建筑的用途、户外广告等)被提出来之后，需要评估这些方案是否符合整个城市规划和相关法规，以及对当地社区和环境的影响等，需要对其严格筛选并确认是否批准这些方案。组件化服务式三维城市地理信息系统可为城市管理部门提高管理效率、保证方案实施提供有力的工具。
在城市应急反应与危机处理应用中，随着城市规模的不断扩大、人口密集度的逐渐增高，一个有效的突发事件应急管理系统势必成为城市保障体系的重要组成部分。对突发事件的快速反应和正确处理是城市现代化程度的一个重要标志。建立突发事件应急指挥辅助决策系统，采用先进技术针对突发事件应急管理的各类相关信息进行统一管理，并对这些信息进行统计与分析，为决策指挥提供支持，是提高突发事件应急系统的响应速度和决策准确性的重要技术手段。当前许多先进的城市应急决策支持系统都采用了嵌于地理信息系统之中的虚拟现实设备，可提供实时漫游，还可进行救灾演习，对可能发生的灾害和紧急情况进行预测和处理。
在城市环境规划应用中，组件化服务式三维城市地理信息系统可指导人们进行各项环境保护活动，按照既定目标和措施合理分配排污消减量，约束排污者的行为，改善生态环境，以最小的投资获取最佳的环境效益，促进环境和社会的可持续发展。例如，空气污染、噪声污染、视觉污染等的影响、分析与评价是环境规划的重点和难点问题，而组件化服务式三维城市地理信息系统可为此提供相当便利的解决途径。
然而，从城市规划、设计和管理领域当前的应用现状来看，主要还是应用二维地理信息系统的叠加与缓冲区等基本空间分析和统计查询功能。相对于传统的二维单机化系统，组件化服务式三维城市地理信息系统的应用范围势必更加广泛，在规划设计乃至管理的全过程中都能发挥重要作用。例如，利用此平台可集体地或单个地交互式审查方案、规划的符合情况，进行视觉效果评估，考察设计参数改变后的效果等；在各种评估和公众参与的讨论过程之中，所有改进意见都可直接反馈到同一个数据库，有助于进一步对方案进行修改和完善，以及进行新的评估工作；为政府管理者、规划师、建筑师、工程师、开发商和公众提供一个无缝的信息交流平台，有利于开发过程中的不同人员之间的有效沟通和交流。
组件化服务式三维城市地理信息系统能综合体现跨越时间、地点的多人交互与协作，具有真实的交互性和自然的协作性等独特优势。当前，国际上在这方面的研究比较一致，基本上集中在空间数据模型、空间数据结构、空间数据传输协议、分布式策略、复杂网络环境下的空间信息的组织管理等。
在各种数据类型中，数字地形(包括海洋、湖泊)和影像是组件化服务式三维城市地理信息系统的其中一个主要数据类型，其数据量随着分辨率的提高呈现几何级递增，达到几个GB、甚至几十个GB。受限于当前网络的带宽，如此庞大的数据难以在互联网/移动互联网上实时传输。然而，对于用户来说，如果系统的响应时间超过3秒，则会被认为难以接受，所以海量数据的管理与传输已成为组件化服务式三维城市地理信息系统研究中的一个重要难题。此外，如何实现同一空间数据在手机、PDA(掌上电脑)、WAP(无线应用协议)等不同终端的响应式多样化显示，亦是其中一个难点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有技术中海量数据管理困难、数据调用速度太慢、数据难以实时在互联网/移动互联网上传输的问题，提供了一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法和实现系统，从根本上解决了大数据量处理的瓶颈问题。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
本发明提供一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，该组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法包括：
把三维数据模型分为六个不同的LOD层，每一个所述LOD层代表一个细节层次，所述细节层次随着所述LOD层的提升而提升，每个所述LOD层对应不同的数据；
客户端用户根据需要的所述细节层次来调用不同的所述LOD层，请求该所述LOD层相对应的数据；
服务器端根据当前的浏览尺度和视点位置来调用对应的所述LOD层，返回对应的所述细节层次和相关位置的数据。
较佳地，六个不同的所述LOD层分别为：第一LOD、第二LOD、第三LOD、第四LOD、第五LOD和第六LOD；
该第一LOD用于表示2.5维的数字地形模型，该第二LOD用于表示没有屋顶结构的楼块模型，该第三LOD用于表示包含纹理和楼顶结构的粗模，该第四LOD用于表示包含室外建筑模型，该第五LOD用于表示室内建筑模型，该第六LOD表示室内物体模型、用于查看室内环境。
较佳地，包含六个不同LOD层的该三维数据模型存储于实现系统的数据库服务器层中，客户端层通过XML来与该三维数据模型进行数据交换。
较佳地，六个所述LOD层形成一金字塔结构，从该金字塔的塔顶至塔底，所述LOD层对应的细节层次由低至高。
较佳地，所述LOD技术由客户端转移到了服务器端。
本发明还提供一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的实现系统，该海量数据管理方法的实现系统分为客户端层、协议层、Web/应用服务器层和数据库服务器层，属于一种组件化服务式三维城市地理信息系统；
客户端层由用户界面和功能构成，包括多通道人机界面，是用户与该实现系统交互的具体环境；协议层用于处理客户端层与Web/应用服务器层之间的通信；Web/应用服务器层由不同功能的应用服务器及相应的服务构成；数据库服务器层含括数据库管理系统、XML转换器和XML文件系统。
较佳地，该数据库服务器层采用对象-关系数据库管理系统来管理几何数据与专题属性数据，采用XML文件系统来存储相关XML文档，该数据库服务器层还采用XML转换器。
较佳地，该Web/应用服务器层通过驻留和运行在服务器上的组件提供不同功能的应用服务，通过SQL或XQL实现各种数据的存取功能。
较佳地，该Web/应用服务器层用于执行本发明的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的操作步骤。
XML是为了解决一系列网络应用问题而提出的软件技术，其具有开放性、结构化、可扩展性、灵活性、平台独立性、自我描述性等特点，有着广阔的发展前景。XML并不是一个独立的、预定义的标识语言，而是一种元语言，即用来描述其他语言的语言，已经出现了MathXML(一种XML语言)、VoiceXML(一种XML语言)等多个应用。通过XML可对复杂的地理信息加以规范定义和描述，并在互联网/移动互联网上进行数据的传输和有效的访问。XML是一种各类设备皆能理解的通用语言，空间数据以XML的形式传递，得到在不同应用之间的真正共享。
在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。
本发明的积极进步效果在于：克服了现有技术中海量数据管理困难，解决了数据调用速度太慢、数据难以实时在互联网/移动互联网上传输的问题，通过本发明能够有效地管理海量数据，实现大数据量的实时处理和传输。
附图说明
图1为本发明的一较佳实施例的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的三维数据模型LOD层次示意图
图2为本发明的一较佳实施例的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的流程示意图
图3为本发明的一较佳实施例的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的实现系统结构示意图
具体实施方式
下面通过一较佳实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此把本发明限制在所述的实施例范围之中。
本实施例提供一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法。如图2所示，该组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法包括以下步骤：
步骤S201，把三维数据模型分为六个不同的LOD层，每一个所述LOD层代表一个细节层次，所述细节层次随着所述LOD层的提升而提升，所述每个LOD层对应不同的数据。
步骤S202，客户端用户根据需要的所述细节层次来调用对应的所述LOD层，请求该所述LOD层相对应的数据。
步骤S203，服务器端根据当前的浏览尺度和视点位置来调用对应的所述LOD层，返回该对应细节层次和相关位置的数据。
如图1所示，六个不同的所述LOD层分别为：第一LOD 101、第二LOD 102、第三LOD103、第四LOD 104、第五LOD 105和第六LOD 106。其中，第一LOD用于表示2.5维的数字地形模型，第二LOD用于表示没有屋顶结构的楼块模型，第三LOD用于表示包含纹理和楼顶结构的粗模，第四LOD用于表示包含更多细节的室外建筑模型，第五LOD用于表示可步行进入的室内建筑模型，第六LOD表示室内物体模型、用于进一步查看步行进入室内后的室内环境的细节。
六个LOD层形成一金字塔结构，从金字塔的塔顶至塔底，也就是，从第一LOD至第六LOD的细节层次顺序提升，随着细节层次的提升可获得关于其几何及主题的更多细节。因此，不仅可表现城市模型的图形外观，还可照顾到语义的表现，例如主题属性、站点(包括建筑物、桥梁)、植被、水系、运输设施、城市配备等。例如，在第一LOD或者第二LOD中，因视点较高、物体在屏幕上显示的区域较小，因此不需要太高的分辨率，在第一LOD的细节层次中主要表现的是一个2.5维的整体地域模型，而在第二LOD的细节层次中主要表现的是一个没有屋顶结构楼块的城市场地模型。随着LOD层的提升，在第六LOD中得到最高的分辨率，第六LOD的细节层次中主要表现室内物体模型，也就是步行进入室内后的房屋内物体的更多细节都能够表现出来。LOD层的选择是由视点决定的，视点较高时可选择第一或第二LOD，看到的是大范围的图像，图像中汇聚了很多的物体，每个物体在整个图像中占据的范围很小，因此在第一或第二LOD中不需要着重表现图像中每个物体的细节；而在视点较低时可选择第五或第六LOD，因低视点相当于近距离观察物体，所以此时需要表现出物体的更多细节。通过这样的分层LOD算法，根据用户的视点调整，请求相对应的细节层次，避免在高视点时传输大量关于每个物体细节的数据，可有效地提升数据的响应速度。
所述包含六个不同LOD层的三维数据模型存储于该实现系统的数据库服务器层中，客户端层通过XML来与该三维数据模型进行数据交换。也就是，对于客户端的用户来说，能根据当前的浏览尺度和视点位置来调用不同的LOD层，向服务器端请求对应细节层次的和相关位置的数据，避免传输过多的、不必要的浏览细节数据和与当前视点无关的位置数据，因而可有效的提升数据的响应速度。此外，为适应用户的实时漫游，客户端采用了数据缓冲机制来避免已有数据的重复请求和传输，这样进一步加快了现有系统的响应速度。
如图3所示，该海量数据管理方法的实现系统分为客户端层301、协议层302、Web/应用服务器层303和数据库服务器层304，属于一种组件化服务式三维城市地理信息系统。
客户端层301由用户界面和功能构成，包括多通道人机界面，是用户与系统交互的具体环境。二维索引、三维可视化、查询检索、三维空间目标编辑及各种分析功能都位于这一界面内。这一界面的功能可定制以满足不同层次用户的不同需求。对于只要求浏览数据的一般用户，可定制功能简洁的界面，隐藏复杂的系统操作工具。不同层次用户可通过HTML(超文本标记语言)浏览器306或者其他XML浏览器307来与该实现系统进行交互操作，HTML浏览器例如安装3D(三维)插件后的IE8以上浏览器，其他XML浏览器例如VRML或GML浏览器。多通道融合交互设备例如：语音识别设备、用于三维全景图漫游的力/触觉设备、基于手绘草图的交互式图形输入设备等，以提高交互的自然性和高效性。
协议层302用于处理客户端层301与Web/应用服务器层303之间的通信，主要包括HTTP/TCP网络传输协议308、Web服务注册协议UDDI309、Web服务调用协议SOAP310、Web服务描述协议WSDL311和数据管理协议312等。数据管理协议是基于HTTP协议开发的一种高级协议，用于传输地理空间数据和显示参数；SOAP定义了基于XML在系统间交换数据的方法；WSDL描述和记录了Web服务所产生和接收的消息；UDDI用于注册Web服务组件和查找Web服务内容。
Web/应用服务器层303由不同功能的应用服务器及相应的服务构成。不同功能的应用服务由驻留和运行在服务器上的组件提供，例如数据压缩、数据转换、空间分析等。利用Web/应用服务器所具备的大内存、多CPU(中央处理器)并行处理的能力可完成普通PC(个人电脑)难以胜任的繁复任务，甚至实时完成，例如大规模矢量数据空间索引的建立、大数据量数字地形和影像的裁剪和索引的建立等。
数据库服务器层304采用数据库管理系统314和XML文件系统305。其中的对象-关系数据库管理系统例如Oracle Spatial(一种空间数据处理系统)用于管理几何数据与专题属性数据，XML文件系统用于存储相关XML文档。Web/应用服务器通过SQL或XQL实现各种数据的存取功能。为了高效率地完成复杂的三维地理空间建模和含有语义及空间因素的分析工作，数据库管理系统314还采用了XML转换器(引擎)313和某些第三方工具数据库，第三方工具数据库基于Oracle(甲骨文公司)数据库可提供三维城市模型的存储、表现和管理，并包含大量语义丰富的、分层结构的、多尺度的城市对象，可提供多人协同编辑、操作记录管理、模型版本管理以及数字地形模型DTM和带有空间位置参考的航空遥感影像。
所述三维数据模型存储于该实现系统的数据库服务器层中，客户端层通过XML来与该三维数据模型进行数据交换。该实现系统的Web/应用服务器层用于执行上述海量数据管理方法中涉及的操作步骤。所述六个LOD层形成一金字塔结构，从金字塔的塔顶至塔底，LOD层对应的细节层次由低至高。该LOD技术已由客户端转移到了服务器端，从根本上解决了大数据量处理的瓶颈问题。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，其特征在于，该组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法包括：
把三维数据模型分为六个不同的LOD层，每一个所述LOD层代表一个细节层次，所述细节层次随着所述LOD层的提升而提升，每个所述LOD层对应不同的数据；
客户端用户根据需要的所述细节层次来调用不同的所述LOD层，请求该所述LOD层相对应的数据；
服务器端根据当前的浏览尺度和视点位置来调用对应的所述LOD层，返回对应的所述细节层次和相关位置的数据。
2.如权利要求1所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，其特征在于，六个不同的所述LOD层分别为：第一LOD、第二LOD、第三LOD、第四LOD、第五LOD和第六LOD；
该第一LOD用于表示2.5维的数字地形模型，该第二LOD用于表示没有屋顶结构的楼块模型，该第三LOD用于表示包含纹理和楼顶结构的粗模，该第四LOD用于表示包含室外建筑模型，该第五LOD用于表示室内建筑模型，该第六LOD表示室内物体模型、用于查看室内环境。
3.如权利要求1所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，其特征在于，包含六个不同LOD层的该三维数据模型存储于实现系统的数据库服务器层中，客户端层通过XML来与该三维数据模型进行数据交换。
4.如权利要求1所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，其特征在于，六个所述LOD层形成一金字塔结构，从该金字塔的塔顶至塔底，所述LOD层对应的细节层次由低至高。
5.如权利要求1所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法，其特征在于，所述LOD技术由客户端转移到了服务器端。
6.一种组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的实现系统，其特征在于，该海量数据管理方法的实现系统分为客户端层、协议层、Web/应用服务器层和数据库服务器层，属于一种组件化服务式三维城市地理信息系统；
客户端层由用户界面和功能构成，包括多通道人机界面，是用户与该实现系统交互的具体环境；协议层用于处理客户端层与Web/应用服务器层之间的通信；Web/应用服务器层由不同功能的应用服务器及相应的服务构成；数据库服务器层含括数据库管理系统、XML转换器和XML文件系统。
7.如权利要求6所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的实现系统，其特征在于，该数据库服务器层采用对象-关系数据库管理系统来管理几何数据与专题属性数据，采用XML文件系统来存储相关XML文档，该数据库服务器层还采用XML转换器。
8.如权利要求6所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的实现系统，其特征在于，该Web/应用服务器层通过驻留和运行在服务器上的组件提供不同功能的应用服务，通过SQL或XQL实现各种数据的存取功能。
9.如权利要求6所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的实现系统，其特征在于，该Web/应用服务器层用于执行如权利要求1～5中任意一项所述的组件化服务式三维城市地理信息系统的海量数据管理方法的操作步骤。
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