海量城市三维模型数据管理研究与系统实现

张伟伟，高峰，祝方雄，乐恒

（宁波市规划与地理信息中心，浙江宁波 315042）

海量城市三维模型数据管理研究与系统实现

张伟伟*，高峰，祝方雄，乐恒

（宁波市规划与地理信息中心，浙江宁波 315042）

三维数字城市建设持续推进，城市三维模型数据规模日趋庞大，如何高效管理海量三维模型数据是当前亟须解决的问题。本文阐述了三维模型数据管理的研究现状，并结合宁波市实际，设计并实现了3ds Max模型数据管理系统。实践证明，系统能够大幅提高3ds Max模型数据管理效率。

城市三维模型；3ds Max模型；数据管理系统；数据组织与管理

1　引 言

随着“智慧城市”建设不断推进，基于地图的智慧应用层出不穷，传统的二维数字地图已经不能满足城市三维空间管理的需要，建立三维“数字城市”成为科学界、企业界和城市政府管理部门共同追求的目标［1］。三维地理信息技术已广泛应用于国土、规划、应急等领域，各相关部门根据自身应用需求开展了三维地理信息系统建设。三维地理信息模型是三维地理信息系统的核心，三维地理信息系统建设如火如荼，但三维地理信息模型的可持续管理与更新一直被忽略。据笔者了解，当前国内大规模三维地理信息模型生产以3ds Max软件占据主导地位，随着信息化建设的不断扩展与深入，各部门已经积累了海量3ds Max数据，数据规模达到了几百GB级甚至TB级，如何高效的管理海量3ds Max模型是当前三维数字城市建设亟须解决的问题。

从上个世纪90年代以来，国内众多学者围绕着三维地理信息模型数据标准、数据建模方法、数据应用等方面开展了相关研究，研究成果颇为丰富。孙敏等［2］从三维模型理论角度进行较详细的评述，指出其目前存在的问题。高山等［3］系统总结了三维模型数据的建模方法及现行主要标准。三维模型显示速度研究主要集中在数据组织及设计优化［4，5］，空间索引优化方法［6］。冯琰等［7］以上海市三维地理信息系统为例，介绍了三维模型数据库管理方法以及数据库管理系统的功能模块。综上所述，近年来众多学者在面向特定应用平台的三维地理信息模型管理与应用方面进行了较为深入的研究，并提供了较为有效的解决方案，但鲜有文献涉及海量3ds Max模型数据管理。

笔者充分吸收已有研究成果，并借鉴成熟的二维空间数据管理解决方案，结合宁波市三维地理信息共享服务平台建设实际，探讨了宁波市3ds Max模型数据组织与管理方法，并在此基础上设计研发了3ds Max模型数据管理系统。

2　数据组织与管理

由于三维地理信息模型数据结构较为复杂、数据量较大，而3ds Max建模软件承载数据量有限，宁波市3ds Max模型按照行政区划-社区-区块多级层级方式进行组织，每个行政区划、社区、区块都有其唯一对应的空间范围，如图1所示。

图1　空间索引表

3ds Max模型数据管理主要有两类需求:①数据更新:数据发生变更时以区块为基本单元进行数据更新，同时保留历史数据，建立版本管理。②数据导出:能够按照不同区域导出3ds Max模型数据的现状与历史版本。

传统的3ds Max数据更新与数据导出是通过手动方式实现，先使用系统自带的检索功能定位到对应的区块数据，数据更新时将历史文件改名保留其版本，现状区块移动至区块所在文件目录下，数据导出时将区块对应的现状与历史版本一并拷贝至目标文件夹，这种数据更新与管理方法在处理单个区块的数据更新与导出时效率尚可，但实际更新与管理中是往往是多个区块（数据范围大时可达上百个区块）的更新与导出，采用手动更新方式效率低下。因此，笔者借鉴二维矢量数据管理思路，建立模型索引图与区块模型文件的关联关系，即将模型文件所在的物理位置作为模型索引图的属性，建立两者之间的一一对应关系，以模型索引图作为数据更新与导出的统一出入口，创建可视化、互操作更新与管理，能够实现3ds Max模型数据的批量更新与导出。

3　数据管理系统实现

3.1总体框架

系统采用c/s架构，运行在政务内网，逻辑上分为四层:数据层、组件层、功能层、应用层，数据层调用3ds Max文件库与业务数据库并实现两者之间的关联，组件层使用ArcEngine与3ds Max组件技术，功能层针对数据更新与管理人员的需求提供了质量检查、数据更新、数据检索、数据下载、版本管理等功能，使数据更新与管理人员在统一的模型空间索引表上实现数据高效更新与管理，如图2所示。

图2　系统总体架构

3.2数据库设计

数据库分为两类:3ds Max文件数据库和业务数据库，两者存储在同一台服务器上。

3ds Max文件数据库:按照行政区划-社区-区块四级层次结构进行组织，每个区块文件夹由max模型及对应的纹理组成。

业务数据库:模型空间索引表实现了区块接图表与文件库的关联，格式为通用的shapefile格式，可根据模型空间索引图可以直接定位区块物理位置、便于数据检索，除此之外，根据业务需要创建一系列业务表，包括Catalog_Tree（目录树）、Max_Base_Info（max基本信息表）、Max_Version_Info（max版本信息表）等，数据表之间的关系图3所示。

图3　E-R模型图

3.3功能设计

系统主要面向对象是数据更新与管理人员，设计时充分考虑了用户操作的通用性与便捷性，采用图形化管理方式，主界面如图4所示。

图4　系统主界面

（1）质量检查模块

三维模型质量检查应从模型几何和属性精度两个方面综合分析［8］。本文按照宁波地方标准从文件组织结构及命名、贴图尺寸以及空间数据一致性等方面，建立了可配置的质量检查规则，并能够将检测结果按照上述选项导出为excel格式，保障3ds Max模型数据质量，主要包括以下功能模块:

①文件组织结构及命名检查:检查3ds Max模型组织结构是否按照行政区划-社区-区块模式进行组织；检查当前更新区块名称与模型空间索引表中区块名称是否一致；检查纹理命名是否符合规范。

②图片尺寸检查:检查模型纹理尺寸是否为2的N次方。

③数据空间一致性检查:检查当前更新的区块模型是否落在对应的模型空间索引表范围内，如图5所示。

图5　质量检查界面

（2）数据更新模块

系统建立了可视化、交互性强的更新界面，通过建立模型索引表与区块模型物理文件的关联，使3ds Max区块更新能自动批量完成，具体设计思路是:①系统根据更新的区块名称从模型空间索引表中检索到该区块对应的物理文件位置。②找到区块对应的物理位置后，系统自动将历史区块文件改名（改名方法是区块文件夹名称+当前更新时间），更新文件作为当前文件。③更新后自动触发sql server业务数据库的max版本信息表更新，更新对应区块的版本信息，如图6所示。

图6　数据更新界面

（3）数据检索模块

系统提供了准确、高效、便捷的数据检索功能供数据管理人员使用，主要有以下3种方式:①目录定位:系统提供多级目录树功能，可以根据目录树按照行政区划-社区-区块逐级定位至目标区块。②按属性检索:可以通过sql语句快速查询选择模型数据，检索字段包括社区名称、区块名称、入库时间等。③按照按空间范围检索:用户可以加载shp、mdb等数据源，或通过系统界面自定义勾绘空间范围，通过选择空间范围与模型空间索引图的空间关系，选定特定范围的区块文件。以上3种方式都提供鼠标右键直接打开对应的区块3ds Max文件功能。

（4）数据下载模块

数据管理人员检索到对应数据后需要将数据下载到本地，系统提供了数据下载功能，主要有以下3种方式:①直接从目录树点击鼠标右键下载。②通过模型空间索引表右键下载一个或多个区块文件。③通过空间查询或属性查询将检索结果一键式下载，并且可选择入库时间、文件格式（max、3ds、osg）、版本进行过滤下载，如图7所示。

图7　数据下载功能界面

（5）版本管理模块

数据管理人员需要对各区块的更新状态进行管理，并可以追溯各区块的历史数据，系统在后台业务数据库中建立了max版本信息表，在区块版本发生变化时动态更新此表，同时数据检索及导出等功能根据此表可检索区块历史版本信息。

（6）系统管理模块

为保障数据的安全性，系统建立了健全的用户权限管理机制，主要分为用户管理、模型文件库权限及安全权限管理，对不同的模型文件库、不同的用户设置不同的管理权限（建库、更新、浏览、查询、导出等），以保障模型文件库的安全性。

4　系统效率分析

为验证系统的计算效率，笔者选取3组数据进行分析，主要评估系统的数据更新及下载效率，实验结果如表1所示:

数据更新下载效率比较　表1

实验结果表明在区块数量较少的情况下，系统更新下载效率相对于手动更新下载方式并没有表现出明显的提升，当区块数量较多时，系统更新下载效率明显优于手动方式。此外，系统提供的图形化管理功能能够实现一键式数据更新与下载，不需要人工干预。

5　结 语

基于本文思路研发的3ds Max模型数据管理系统替代了原有手动更新与管理模式，保障了数据安全性与准确性，大幅提高了数据更新、查询、下载效率，同时建立了有效的历史数据管理模式，整体上提升了3ds Max模型数据管理水平。下一步笔者计划继续完善该系统，重点是完善3ds Max数据质量检查功能，如增加检测模型冗余贴图、模型缺少贴图等功能。

［1］李宗华，黄新，赵中元等.武汉市三维数字地图系统建设与应用示范［J］.地理空间信息，2010，8（3）：1～4.

［2］孙敏，马蔼乃，陈军.三维城市模型的研究现状评述［J］.遥感学报，2002，6（2）：155～160.

［3］高山，陈思.城市三维建模技术与标准研究［J］.测绘通报，2013（3）：95～97.

［4］朱国敏，马照亭，孙隆祥等.城市三维地理信息系统中海量数据的数据库组织与管理［J］.测绘科学，2008，33 （1）：238～240.

［5］李道远，李英成，肖金城.大范围城市三维模型管理技术研究［J］.测绘科学，2011，36（5）：70～72.

［6］梁建国，李峰.城市三维GIS中的海量数据组织方法［J］.测绘科学，2012，37（6）：91～93.

［7］冯琰，郭容寰，汪旻琦等.三维城市模型数据组织与管理方法研究［J］.测绘科学，2011，36（1）：215～217.

［8］姚苏芩，卢天舒.三维模型数据的质量分析与控制方法研究［J］.测绘标准化，2011（1）：24～26.

Research and System Implementation on Management of the Massive Urban Three-dimensional Modeling Data

Zhang Weiwei，Gao Feng，Zhu Fangxiong，Le Heng
（Ningbo Planning&Geography Information Center，Ningbo 315042，China）

Three-dimensional digital city construction continues to advance，the scale of the city's three-dimensional modeling data is increasingly large，how to effectively manage the massive three-dimensional modeling data is an urgent problem to be solved.This paper describes the present situation on the three-dimensional modeling data management，combined with the management practice in Ningbo City，designed and implemented 3ds Max modeling data management system.Practice has proved that the system can greatly improve the efficiency of data management on 3ds Max modeling data.

urban three-dimensional modeling data；3ds Max modeling data；data management system；data organization and management

1672-8262（2016）04-61-04

P208.1

B

2016—04—08

张伟伟（1985—），男，工程师，硕士，现主要从事地理空间数据管理、空间数据挖掘与应用研究工作。