基于GIS的三維建筑物數(shù)據(jù)庫設計

基于GIS的三維建筑物數(shù)據(jù)庫設計摘要：城市建筑物三維建模是虛擬城市建設的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前廣泛采用的建筑物建模是表面模型，不能滿足相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)承載和空間查詢分析功能需求。從真三維GIS相關(guān)概念出發(fā)，采用語義-幾何-拓撲相結(jié)合方式定義建筑物模型，并根據(jù)三維建筑物數(shù)據(jù)庫的特征，對建筑物數(shù)據(jù)庫的建設原則、建設方案等問題進行了討論。關(guān)鍵詞：三維GIS;建筑物數(shù)據(jù)庫；建筑物模型；語義-幾何-拓撲0引言建筑物作為城市空間基本構(gòu)件，是城市空間信息基本組成部分。城市地下空間管線與城市地上空間建筑物作為城市建設與管理的兩個基本對象，其上承載了各種人類活動相關(guān)的社會、經(jīng)濟數(shù)據(jù)。對于地下管線數(shù)據(jù)模型研究以及其數(shù)據(jù)庫建設已經(jīng)開展了大量的研究與實際工程的建設。而對于城市建筑物建模和庫方面的相關(guān)研究還停留在二維建筑物輪廓管理和三維外觀上，缺少對于建筑物整體三維GIS建模以及以建筑物為單位管理各類承載在建筑物上的各類社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)的方式方法研究。1城市建筑物建模研究現(xiàn)狀目前，大部分的建筑物3D模型都是以純圖形或幾何的形式被制作出來，卻忽略了語義和拓撲方面的表現(xiàn)，如表 1。在這個表格中，X3D是BS使用的格式，KML是GoogleEarth使用的格式，U3D是英特爾、波音、Adobe、微軟以及30余家公司共同合作開發(fā)一個通用3D圖形格式標準，COLLADA是非贏利組織Khronos開發(fā)的一個3D圖形交換格式，IFC是建筑行業(yè)相互之間交流的一種常用的建筑物全生命周期模型。這些模型基本上只能用于純視覺方面的用途， 并非真正意義上的GIS模型。不能滿足主題查詢、分析和空間數(shù)據(jù)挖掘等方面深層次的需求。另外也不能作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，承載與建筑物相關(guān)聯(lián)的社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，缺乏可重用性，導致了模型應用的范圍受到了很大的限制。2建筑物數(shù)據(jù)GIS建?；緶蕜t建筑物數(shù)據(jù)庫的建設作為城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫，其建設及維護可以為各種行業(yè)應用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為了最大化實現(xiàn)建筑物數(shù)據(jù)的應用價值，其設計應該滿足以下原則：（1） 可承載性原則。建筑物數(shù)據(jù)庫的建設要便于承載各種行業(yè)應用數(shù)據(jù)，如消防、房產(chǎn)、戶籍人口、管線等數(shù)據(jù)。（2） 可組織性原則。建筑物數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)的建立必須便于空間數(shù)據(jù)的組織，便于各類空間數(shù)據(jù)所表達實體意義的拆分和組合。（3） 開放性原則。建筑物數(shù)據(jù)庫的建設必須具有開放性，建筑物數(shù)據(jù)庫作為城市系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，要便于其數(shù)據(jù)共享與交換，并以此為基礎(chǔ)搭載各種行業(yè)應用系統(tǒng)。（4） 可分析性原則?？臻g分析功能，是GIS區(qū)別于CAD與科學計算可視化的特有功能。以往三維數(shù)字城市、三維房產(chǎn)系統(tǒng)的建設，主要以圖形展示為主要特點，缺少必要的空間分析功能，比如消防里面逃生路線分析。（5）可維護性原則。目前對于三維數(shù)字城市的維護過于繁瑣，只能通過專業(yè)人士用專業(yè)建模軟件將建好的模型以二進制文件的形式存儲在數(shù)據(jù)庫當中，不便于維護，必須采用新的模型管理和維護手段。3建筑物數(shù)據(jù)庫的設計3.1建筑物3DGIS模型為滿足建筑物數(shù)據(jù)庫建設要求，建筑物信息采用語義-幾何-拓撲統(tǒng)一建模方式。語義層次指真實建筑物實體對象，對實體描述內(nèi)容包括各種實體屬性、實體關(guān)系、實體層次結(jié)構(gòu)等（比如整體-局部關(guān)系）。在空間層次，幾何對象被賦予給每個實體對象來表達其空間位置和范圍。幾何對象層次結(jié)構(gòu)必須與實體對象的層次結(jié)構(gòu)保持一致， 比如一堵墻在語義層次包含一扇門和兩扇窗，那么相應的墻的幾何對象也應該包含門的幾何對象和窗的幾何對象。這種建模方式的好處在于：①在語義層次之上維護建筑物層次結(jié)構(gòu)關(guān)系，實現(xiàn)建筑實體對象的自由組合，而不需要考慮其空間幾何對象；②幾何對象上不具備任何實體屬性，其必須經(jīng)過組合才能形成建筑物實體對象的空間表達， 這樣能保證空間關(guān)系與空間拓撲表達的完整性，減少數(shù)據(jù)冗余以及建筑物數(shù)據(jù)庫維護的復雜度。圖1建筑物語義-幾何-拓撲模型框架3.2建筑物數(shù)據(jù)庫設計實現(xiàn)完整的建筑物數(shù)據(jù)庫的設計需要綜合考慮建筑物數(shù)據(jù)存儲與訪問，為了實現(xiàn)對建筑模型的支持以及各項建筑物應用需求的滿足， 主要從以下幾個方面對建筑物數(shù)據(jù)庫進行設計。建筑物數(shù)據(jù)的無縫層次化管理。完整、清晰、精煉地表達建筑物層次結(jié)構(gòu)，并定義各層次的對象模型，是建筑物數(shù)據(jù)庫建設的基礎(chǔ)。充分調(diào)研理解建筑物基本實體，以基本實體集合為基礎(chǔ)構(gòu)成建筑物的各個組成層次實體，包括分層、分戶分室等，并且在更大范圍內(nèi)構(gòu)成建筑物部分、建筑物和建筑物群等實體對象，從而整體上形成一個城市建筑物模型。整個模型是層層嵌套的，這樣可以很好地符合面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組織方式。建筑物數(shù)據(jù)的空間拓撲關(guān)系管理?；贕IS的建筑物數(shù)據(jù)庫的建設必須考慮到空間對象的拓撲關(guān)系，這是GIS區(qū)別于CAD主要特征。只有能夠維護與處理空間拓撲關(guān)系，才能滿足各種基于建筑物數(shù)據(jù)庫應用對于數(shù)據(jù)承載和空間分析的需要。在空間幾何 -拓撲的存儲上按體由面圍合而成，面有線圍合而成，線由點組合而成的空間數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。這種方式減少數(shù)據(jù)冗余，便于維護更新，最為主要的是實現(xiàn)了空間拓撲關(guān)系的存儲，比如兩間房的鄰接關(guān)系、連通關(guān)系可以通過兩間房之間共有的墻和門的關(guān)系來獲取。建筑物數(shù)據(jù)與其符號數(shù)據(jù)的無縫連接。充分調(diào)研建筑物中可能存在的符號，設計合理的建筑物構(gòu)件符號，并將各種行業(yè)應用中不確定的符號靈活集成到建筑物數(shù)據(jù)庫當中，實現(xiàn)建筑物空間構(gòu)件與符號的無縫連接。建筑物符號存儲的方法為在建筑物實體對象中定義一個新的建筑物專題展示對象，用建筑物專題展示對象來對不同建筑物專題應用展示進行規(guī)定。建筑物與城市中非建筑數(shù)據(jù)的一體化管理。建筑物的管理與分析應用離不開道路、水體、地形、植被等構(gòu)件，研究如何表達這些構(gòu)件，以及如何在建筑物管理中使用這些構(gòu)件也是建筑物數(shù)據(jù)庫建設內(nèi)容。非建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)按照按建筑物方式定義，將非建筑物與建筑物從同一個虛擬結(jié)構(gòu)城市構(gòu)件實體繼承，這樣既能保持二者聯(lián)系，有能將二者區(qū)分開來。建筑物承載行業(yè)應用數(shù)據(jù)管理。建設建筑物數(shù)據(jù)庫的根本目的是將建筑物數(shù)據(jù)作為像基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)一樣的城市基礎(chǔ)地理信息， 用于各種行業(yè)應用。建筑物數(shù)據(jù)庫設計既要實現(xiàn)建筑物數(shù)據(jù)與行業(yè)應用數(shù)據(jù)的相對獨立，又要能夠?qū)崿F(xiàn)兩者的無縫集成。行業(yè)應用數(shù)據(jù)管理應由其數(shù)據(jù)提供部門獨立管理，獨立維護。建筑物數(shù)據(jù)庫應該提供相應行業(yè)數(shù)據(jù)的注冊、基于建筑物結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)維護、共享方式等功能。為了保證行業(yè)數(shù)據(jù)與建筑物數(shù)據(jù)的無縫集成，必須實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)與建筑物數(shù)據(jù)在不同層次靈活關(guān)聯(lián)。在建筑物數(shù)據(jù)庫當中，其關(guān)聯(lián)通過兩種方式實現(xiàn)：一種是定義一個一般城市實體對象用來表達建筑所承載的行業(yè)實體對象，如圖2中的房屋設施數(shù)據(jù)庫，或者沒有實體對象的屬性信息，如圖2中的房產(chǎn)數(shù)據(jù)庫；另外一種方式是對每個建筑物實體設置一個外部參考表，可以自動連接建筑物數(shù)據(jù)庫以外任何聯(lián)網(wǎng)資源，如圖2中的通訊設施數(shù)據(jù)庫。4結(jié)束語采用語義-幾何-拓撲統(tǒng)一的建筑物建模方式，以及其對應的建筑物數(shù)據(jù)庫的設計，能夠充分發(fā)揮GIS功能在建筑物數(shù)據(jù)庫建設中的作用；能將城市建筑物真正承載各種與三維空間位置相關(guān)的行業(yè)應用數(shù)據(jù)，并進行各種應用相關(guān)的空間分析；同時探索開發(fā)建筑物信息相關(guān)的行業(yè)應用，包括