CN113112598A - 城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统及方法，该系统包括客户端层、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。该方法包括一三维数据模型；该三维数据模型把空间物体分为点对象、线对象、面对象、体对象、DEM对象、DOM对象、纹理对象、CAD对象、组对象以及主题模型对象。本发明克服了传统数据模型不能准确地描述数据的内部结构而难以表示多源、多尺度、多语义及结构复杂的空间数据的缺陷，使三维数据模型得以实现了在互联网/移动互联网上的空间信息的查询、整合以及定位。

Description

城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统及方法

技术领域

本发明涉及一种数据模型的实现系统及方法，特别涉及一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统及方法。

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。

在大城市和古镇的更新和保护阶段，城市规划和设计注重对现有或已有城市基础设施、空间环境的规划设计。组件化服务式三维城市地理信息系统的虚拟环境和仿真技术可模拟不同历史时期、不同场景下的城市境况，对不同方案进行比较，便于规划设计师做出科学合理的选择。同时，通过对城市交通、人口、法人、建筑等三维角度的分析，更加直观地发现城市现存的问题，为城市更新和发展提供决策支持。

古镇保护是城市问题研究的一个重要部分。历史街区的建筑保护和更新措施本着保护传统空间格局，在充分的现状调查和对建筑年代、建筑风貌、建筑质量等因素综合判定的基础上，对历史街区的每一幢建筑进行定性和定位，提出保护与更新措施。因此，历史街区保护规划在很大程度上是立足于客观存在的现状情况的。组件化服务式三维城市地理信息系统可根据现状资料生成古镇三维模型，分析古镇空间形态机理，有利于规划中传统文脉的延续与把握；能够分析其改建拆建区域及面积包括地块面积统计及其人口、法人统计等，并能进行房屋拆迁统计与补偿评估等。

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。

在城市设计应用中，包括了分析(例如土地利用和人口、法人分布等基本信息收集、视觉分析、功能分析等)、综合、评估和执行，不仅要考虑眼前的情况、更要关注未来20年甚至更长期的发展，不仅要美观、而且还要有好的功能，因此必须充分考虑物理因素以外的心理和社会等许多因素，组件化服务式三维城市地理信息系统为此可提供丰富的信息支撑平台。城市是空间信息量最为密集的人类聚居区，城市空间的质量直接关系到城市居民的生存与发展，城市空间的声光热等物理质量关系到居民的生存环境，城市空间的视觉质量关系到视觉景观的愉悦程度。建立在三维可视化数据模型基础之上的组件化服务式三维城市地理信息系统，能够为城市空间的物理环境、视觉环境及空间结构等进行分析和决策，为城市的建设与管理者提供决策支持。

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，可进行视觉效果评估，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、开发商和公众等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。

在全球范围内大力推动地理空间数据被广泛应用的同时，也遇到了不少问题。组件化服务式三维城市地理信息系统的研发所面临的挑战，既有来自空间数据本身的互操作问题，也有软件系统本身的问题。如何解决复杂网络环境下多源、多尺度、多语义及结构复杂的空间数据的三维建模及可视化问题已成为主要的研究热点之一。三维可视化作为一项重要功能，在建立、维护和使用组件化服务式三维城市地理信息系统的各个阶段，不论是三维对象的输入、编辑、存储、管理，还是操作分析，都存在着三维数据建模及三维可视化表达的问题。此外，如何实现同一空间数据在手机、PDA、WAP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克服传统数据模型不能准确地描述数据的内部结构而难以表示多源、多尺度、多语义以及结构复杂的空间数据的缺陷，提供了一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统及方法。

本发明是通过下述技术方案解决上述技术问题的：

本发明提供一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，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/应用服务器端层之间的通信；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，客户端层的用户界面的功能可定制以满足不同层次用户的不同需求，不同层次用户可通过安装3D插件后的HTML浏览器或者XML浏览器与实现系统进行交互操作。

较佳地，协议层含括HTTP/TCP网络传输协议、Web服务注册协议UDDI、Web服务调用协议SOAP、Web服务描述协议WSDL和数据管理协议。

较佳地，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，可胜任繁复的数据压缩、转换和空间分析等任务，甚至实时完成此些任务。

较佳地，数据库服务器层采用对象-关系数据库管理系统(ORDBMS)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，数据库服务器层还采用XML转换器和某些第三方工具数据库。

较佳地，三维数据模型存储于数据库服务器层中，客户端层通过XML来与三维数据模型进行数据交换。

本发明还提供一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法包括：

三维数据模型把空间物体抽象分为点对象、线对象、面对象、体对象、DEM对象、DOM对象、纹理对象、CAD对象、组对象以及主题模型对象；

点对象用于描述二维与三维空间的独立的点状地物，线对象用于描述二维与三维空间的线状地物，面对象用于描述位于地面的地物或者三维空间中的实体表面，体对象用于描述三维有形状的实体，其中，面对象由三角形面片(TIN)构成、体对象由实体体元(LOD)构成。

较佳地，三维数据模型还含括DEM对象和DOM对象栅格数据，通过栅格数据来表达多尺度的三维真实地形景观与地下多层结构，以获得高效逼真的可视化效果。

较佳地，三维数据模型还含括纹理对象，通过纹理对象来描述各种地物的实际表象。

较佳地，三维数据模型还含括计算机辅助设计对象，通过广泛可得的CAD数据用于表现精细模型，使得三维城市模型的表达更加完美和细腻。

较佳地，三维数据模型还含括组对象，通过组对象以组合各种简单对象来表达复杂物体。

较佳地，三维数据模型还含括若干主题模型对象，主题模型对象包括建筑对象、植被对象、水系对象、运输设施对象、城市配备对象。

较佳地，点对象分为二维点对象与三维点对象，分别用于描述二维与三维空间的独立的点状地物。

较佳地，线对象分为二维线对象与三维线对象，分别用于描述二维及三维空间的线状地物，三维线对象在二维空间中转化为二维线对象进行拓扑分析。

较佳地，面对象分为二维面对象与三维面对象，二维面对象用于描述位于地面的地物，三维面对象用于描述三维空间中的实体表象。

较佳地，数据模型通过XML来存储、管理以及交换三维数据模型中的数据。

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。本发明为多源、多尺度、多语义及结构复杂的三维空间实体信息建立了统一的数据模型和数据结构，便于实现同一数据在手机、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。这是本发明的特色优势所在，也是当前大多数基于JAVA(一种编程语言)、基于ASP(一种编程语言)或基于插件表示数据的网络地理信息系统所不能做到的。

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：克服了传统数据模型不能准确地描述数据的内部结构而难以表示多源、多尺度、多语义及结构复杂的空间数据的缺陷，使三维数据模型得以实现在互联网/移动互联网上的空间信息的查询、整合及定位。

附图说明

图1为本发明的一较佳实施例中的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法的数据模型示意图。

图2为本发明的一较佳实施例中的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统的结构示意图。

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。

如图2所示，本实施例中的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，分为客户端层201、协议层202、Web/应用服务器层203和数据库服务器层204，属于一种组件化服务式三维城市地理信息系统。

客户端层201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、三维空间目标编辑以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浏览器206或者其他XML浏览器207来与该实现系统进行交互操作，HTML浏览器例如安装3D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202用于处理客户端层201与Web/应用服务器层203之间的通信，主要包括HTTP/TCP网络传输协议208、Web服务注册协议UDDI 209、Web服务调用协议SOAP 210、Web服务描述协议WSDL 211和数据管理协议212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203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204采用数据库管理系统214和XML文件系统205。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。三维数据模型则存储于该数据库服务器层中，客户端层通过XML来与该三维数据模型进行数据交换。

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214还采用了XML转换器(引擎)213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。

如图1所示，本实施例中的城市地理信息的三维可视化数据模型，把空间物体抽象分为点对象101、线对象102、面对象103、体对象104、DEM对象105、DOM对象106、纹理对象107、CAD对象108、组对象109和主题模型对象110十个大类。

点对象101分为二维点对象101A和三维点对象101B，分别用于描述二维与三维空间的独立的点状地物(包括2D点簇和3D点簇)，二维点对象例如树、公路界碑等，三维点对象例如漂浮在空中的气球等。

线对象102分为二维线对象102A和三维线对象102B，分别用于描述二维与三维空间的线状地物(包括2D线段和3D线段)，例如电力线、通信线等简单设施可作为三维线对象描述，在二维空间中又可转化为二维线对象进行拓扑分析。

面对象103分为二维面对象103A和三维面对象103B，二维面对象主要用于描述位于地面的地物，例如建筑物的底面、湖泊、海洋等要素，三维面对象主要用于描述三维空间中的实体表面，例如广告牌、建筑物的墙面等。

体对象104则用于描述三维形状实体104A，例如建筑物、复杂地下管网等。其中，面对象由三角形面片(TIN)构成、体对象由实体体元(LOD)构成。

DEM对象105和DOM对象106等栅格数据用于表达多尺度的三维真实地形景观与地下多层结构，以获得高效逼真的可视化效果。

纹理对象107用于逼真描述各种地物的实际表象。

广泛可得的CAD对象108数据用以表现精细模型，对成熟CAD技术的集成应用使得三维城市模型的表达更加完美和细腻。

组对象109用于组合各种简单对象来表达复杂物体，若干个不同对象可组合成实体对象，例如一个学校可包括多个点对象(树)、面对象(湖泊)、线对象(道路)和体对象(建筑物)等。这些对象可用于表达静态目标，也可用于表达动态目标，例如移动的汽车。对于动态目标实体，可分别对其提供行为模型，例如运动轨迹、速度、姿态等。

此外，三维可视化数据模型还含括一系列主题模型对象110诸如建筑对象110A、植被对象110B、水系对象110C、运输设备对象110D、城市配备对象110E和其他一般对象110F。三维可视化数据模型支持基于卫星与航空遥感影像、巷道测量、地质勘探、断层和地下工程等数据。

本实施例还提供一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，包括：

三维数据模型把空间物体抽象分为点对象、线对象、面对象、体对象、DEM对象、DOM对象、纹理对象、CAD对象、组对象以及主题模型对象；

点对象用于描述二维与三维空间的独立的点状地物，线对象用于描述二维与三维空间的线状地物，面对象用于描述位于地面的地物或者三维空间中的实体表面，体对象用于描述三维有形状的实体，其中，面对象由三角形面片(TIN)构成、体对象由实体体元(LOD)构成。

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 (16)

1.一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，其特征在于，该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/应用服务器端层之间的通信；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。

2.如权利要求1所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，其特征在于，该客户端层的用户界面的功能可定制以满足不同层次用户的不同需求，不同层次用户可通过安装3D插件后的HTML浏览器或者XML浏览器与该实现系统进行交互操作。

3.如权利要求1所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，其特征在于，该协议层含括HTTP/TCP网络传输协议、Web服务注册协议UDDI、Web服务调用协议SOAP、Web服务描述协议WSDL和数据管理协议。

4.如权利要求1所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，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。

5.如权利要求1所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，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。

6.如权利要求1所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现系统，其特征在于，三维数据模型存储于该数据库服务器层中，该客户端层通过XML来与该三维数据模型进行数据交换。

7.一种城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，所述城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法包括：

三维数据模型把空间物体抽象分为点对象、线对象、面对象、体对象、DEM对象、DOM对象、纹理对象、CAD对象、组对象以及主题模型对象；

点对象用于描述二维与三维空间的独立的点状地物，线对象用于描述二维与三维空间的线状地物，面对象用于描述位于地面的地物或者三维空间中的实体表面，体对象用于描述三维有形状的实体，其中，面对象由三角形面片构成、体对象由实体体元构成。

8.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该三维数据模型还含括DEM对象和DOM对象栅格数据，通过栅格数据来表达多尺度的三维真实地形景观与地下多层结构，以获得可视化效果。

9.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该三维数据模型还含括纹理对象，通过纹理对象来描述各种地物的实际表象。

10.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该三维数据模型还含括计算机辅助设计对象，通过广泛可得的CAD数据用于表现精细模型。

11.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该三维数据模型还含括组对象，通过组对象以组合各种简单对象来表达复杂物体。

12.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该三维数据模型还含括若干主题模型对象，所述主题模型对象包括建筑对象、植被对象、水系对象、运输设施对象、城市配备对象。

13.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该点对象分为二维点对象与三维点对象，分别用于描述二维与三维空间的独立的点状地物。

14.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该线对象分为二维线对象与三维线对象，分别用于描述二维及三维空间的线状地物，所述三维线对象在二维空间中转化为二维线对象进行拓扑分析。

15.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该面对象分为二维面对象与三维面对象，该二维面对象用于描述位于地面的地物，该三维面对象用于描述三维空间中的实体表象。

16.如权利要求7所述的城市地理信息的三维可视化数据模型的实现方法，其特征在于，该数据模型通过XML来存储、管理以及交换该三维数据模型中的数据。

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