基于面向对象数据库的三维GIS实验系统

第15卷第7期2003年7月计算机辅助设计与图形学学报JOURNAL OF COMPU TER 2AIDED DESIGN &COMPU TER GRAPHICSVol 115,No 17J uly ,2003原稿收到日期:2002205220;修改稿收到日期:20032012081本课题得到国家“八六三”高技术研究发展计划(2002AA131010)资助1李　军,男,1973年生,博士,副教授,主要研究方向为GIS 、数据库技术、3S 集成技术1景　宁,男,1963年生,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为GIS 、数据库技术、计算机网络信息服务1吴秋云,男,1971年生,硕士,讲师,主要研究方向为GIS 、数据库技术、办公自动化1陈　华,男,1973年生,博士研究生,讲师,主要研究方向为空间数据库1基于面向对象数据库的三维GIS 实验系统李　军　景　宁　吴秋云　陈　华(国防科学技术大学电子科学与工程学院　长沙　410073)摘要　基于面向对象GIS 模型和空间数据库技术,在面向对象数据库Jasmine 的基础上建立了基本的空间数据库系统1通过实现空间索引结构V 2Reactive 树、空间查询等技术,设计和实现了一个三维GIS 实验系统1该系统能够实现三维GIS 的一些典型功能,包括细节层次可视化、多比例尺、空间查询等1关键词　三维GIS ;空间数据库;三维可视化中图法分类号　TP391143D GIS Experimental System on Object 2Oriented DatabaseLi J un Jing Ning Wu Qiuyun Chen Hua(School of Elect ronic Science and Engi neeri ng ,N ational U niversity of Def ense Technology ,Changsha 410073)Abstract Based on object 2oriented GIS model and spatial database technology ,a basic spatial database system was built on object 2oriented DBMS “Jasmine ”1By implementing some key techniques ,including spatial index (V 2Reactive tree ),spatial query and dynamic buffer management ,a 3D GIS ex 2perimental system was created ,which provides many typical functions ,such as LOD visualization ,mul 2ti 2scale and spatial query 1K ey w ords 3D GIS ;spatial database ;3D visualization1　引 言当前,三维GIS 技术发展迅速,不同的应用对其具有不同的要求1一个完整的三维GIS 系统应该具备以下特征:(1)空间数据库系统的集成管理1空间和非空间数据无缝集成在空间数据库中,空间数据库中能够自行定义新的数据类型和数据操作,具有空间索引方法,能够实现空间数据的快速存取1(2)集成型的查询接口1三维GIS 需要设计集成型的查询接口,通过统一的查询接口实现空间查询和属性查询1(3)快速且高质量的三维可视化1三维GIS 应该基于空间数据库的快速存取,实现细节层次、纹理图像等可视化技术,保证三维场景快速且高质量的绘制1(4)良好的人机交互接口1三维GIS 要求用户能够直接浏览、漫游三维场景,直接点击选取三维对象,并进行各种操作,三维GIS 系统也针对用户的输入给出直观的反馈1本文系统以海量数据应用为背景,具有三维GIS 的基本功能,能够用来验证一些三维GIS 实现技术,测试多种算法,评估多种查询处理策略12　三维GIS 实验系统设计本文系统采用Client/Server 体系结构,如图1所示1在服务器端建立空间数据库系统,负责空间和非空间数据的存储、管理和查询;在客户端建立客户应用程序提供可视化界面、人机交互手段和集成查询接口1图1　三维GIS 实验系统体系结构211　空间数据库的实现在服务器端,空间数据库系统建立在面向对象数据库管理系统Jasmine [1]的基础上1Jasmine 是CA公司推出的商用面向对象数据库管理系统,该系统实现了对象标识符、继承、封装、方法等绝大多数的面向对象特性1尽管目前的面向对象数据库管理系统的性能还不够理想,存取效率还比较低,但考虑到其较强的建模能力、较好的扩展性和对复杂数据(空间数据、多媒体数据等)的管理优势,我们仍然采用面向对象数据库管理系统作为空间数据库的基础1在Jasmine 中,系统能够定义各种类和子类,表达三维GIS 中复杂的数据类型和空间关系1典型的数据结构可以采用面向对象GIS 数据模型,通过场景、图层、对象和几何数据4个层次描述三维空间1但是,这种数据结构导致数据创建和数据维护的工作量非常大1如图2所示,我们设计了一种简化的数据结构,以一些较简单的空间对象为基础,实现三维GIS 的一些基本功能1图2　三维GIS 实验系统的面向对象数据结构在图2中,G eo object 类包括地理对象的一些基本的属性和方法1属性polygon 表示地理对象包含的表面;mbb 表示地理对象的最小包围框;impvalue 表示其多比例尺权值1方法IncludePoint ()判断地理对象是否包含某点;InBox ()判断地理对象是否位于某四方体内1Polygons 类表示地理对象的表面,其属性point 表示表面包含的顶点;属性Color 表示颜色;Points 类则表示所有点的几何坐标1在这种简化的数据结构中,只定义了G eo ob 2ject ,Polygons 和Points 三个基本类,分别表示地理对象、面和点1该数据结构只包含了一些简单的几何信息,每个空间对象由一系列面和点构成,没有针对一些特殊的几何要素(如圆、球)等建立专门的数据结构,也没有存储任何拓扑信息1每个类只定义了简单的属性和方法,构成一个实验系统的框架,以实现空间查询和可视化等基本功能1这种数据结构主要描述各种三维空间对象,提供空间对象的查询和三维场景可视化1212　空间索引的扩展空间索引是空间数据库的基础1我们建立了空间索引V 2Reactive 树[2]1V 2Reactive 树是Alternative Reactive 树[3]在三维空间的扩展和改进1V 2Reactive 树针对三维可视化的特点,改变其空间查询算法,并针对重叠度增加等问题对路径选择等算法进行了优化,可以高效率地实现多比例尺下的选择、简化等多比例尺综合和细节层次技术1V 2Reactive 树的基本结构是四维R 树,在三维R 树的基础上扩展了一个权值维1该结构预先对每个对象分配一定的权值,该权值与对象类型、对象大小、所在属性层的性质等相关,通常可映射至一连续的整数区间1通过查询对象的权值,可以较好地实现多比例尺综合1同时,利用其类似于R 树[4]的层次结构,可以实现多比例尺下的细节层次可视化1V 2Reactive 树的结点包含结点项(tree entry )和对象项(object entry )两类1对象项存在于叶结点,其1887期李　军等:基于面向对象数据库的三维GIS 实验系统表示是(mbb,object2id),mbb是包含地理对象的最小平行于坐标轴的四维包围框1V2Reactive树通过将对象的三维最小包围框和权值imp2value组合成一个四维的MBB,进行插入、删除以及查询等操作1 object2id是数据库中各对象的对象标志符(所有地理对象存储于面向对象数据库中)1结点项位于各个非叶结点中,表示为(mbb,child2pointer),其中, child2pointer是指向子结点的指针1由于Jasmine无法从内部直接扩展索引方法,因此空间索引的扩展可以采用两种办法:(1)建立空间索引类1在数据库中单独建立一个V2Reactive类,该类的每个对象就是索引树中的一个结点1这种方法可以将索引树的插入、删除、查询等操作作为类的方法存储在数据库中,从而将索引树完全集成在数据库内;其缺点是由于面向对象数据库的数据存取效率较低,索引类的数据存取导致索引效率的降低1(2)建立空间索引文件1这种方法是在数据库的外部针对数据库中的对象的对象标识符(O ID)建立索引文件,将索引树以文件形式存储在服务器上1索引树的插入、删除等算法必须集成在客户应用程序中,通过这些算法,对索引文件进行访问,获取数据库中对象的O ID1这种方法虽然无法集成在数据库中,但减少了数据库的存取次数,索引效率比较高1我们实现了这两种空间索引扩展方法,但由于空间索引类的建立导致索引效率下降,空间查询性能也相应下降,从而直接降低了可视区域的空间查询和数据存取性能,影响了三维场景的绘制速度1因此,我们最终采用第二种方法1213　集成查询接口的实现用户通过提交查询从数据库中获取所需信息,查询可分为空间查询和属性查询1属性查询是查找数据库中的属性数据,通过直接提交Jasmine提供的ODQL(Object Database Query Language)查询语言实现;空间查询是三维GIS的主要特征,需要利用空间索引实现空间数据的存取,面向对象数据库中没有现成的空间查询接口1在我们定义的G eo object类中包含属性和方法1方法可以实现对象的操作和查询,包括空间查询和属性查询1方法是数据库操作的内部实现,通过在数据库服务器的类中定义程序代码,在服务器上执行数据库操作1这样,如果定义数据库的空间查询操作为G eo2object类的方法,就可以通过ODQL查询执行方法,实现空间查询操作1由于ODQL查询语言能够直接实现属性查询和空间查询,因此,可以作为集成查询接口1ODQL查询语言是Jasmine提供的一种用于数据库编程的语言,可以用来实现面向对象数据库的所有操作1我们利用ODQL查询语言实现数据库的查询,其查询语法类似于关系数据库中采用的SQL 语言,只是增加了对方法的调用1ODQL语言查询语法结构如下:[select]target2specification from from2specifica2 tion2list　[where where2specification];例如,要查询位于立方体box内所有多比例尺权值大于等于a的三维对象,其ODQL查询语句如下:G eo object from G eo object　where G eo object1imp value>=a and G eo object1InBox(box);方法可以通过Jasmine提供的嵌入式ODQL查询语言编写,空间查询操作可以编写成各种方法1当用户调用这些方法时,首先通过查询算法在索引文件中查询目标对象的O ID,然后通过O ID在数据库中查询对象的属性1例如,要查找包含某点k的对象的名称,在类G eo object中建立了方法Object2 IncludingPoint后,输入如下查询语句:G eo object1Object IncludingPoint(k)1name from G eo object1214　三维可视化的实现在客户端,我们以Open Inventor作为三维可视化接口1Open Inventor通过一个场景图描述所有的几何对象和场景的可视化参数,三维GIS需要从数据库中存取几何数据和参数,转换成Open Inventor 数据结构,就可以实现三维可视化1三维可视化的关键是如何快速地从数据库中存取三维场景的数据1为了模拟海量数据环境,我们没有一次性将所有数据装载至内存,而是通过空间区域查询每次只装载可视区域内的数据1并且以透视查询技术[5]为基础,根据对象与视点的距离关系将可视区域分成不同细节的子区域,存取不同细节的几何数据,实现细节层次技术和多比例尺综合技术1实验系统将三维场景分为三个细节层次Lod1, Lod2和Lod31其中,Lod1的细节层次最高,从数据库中直接存取几何数据,显示地理对象的详细形状; Lod2的细节层次次之,以V2Reactive树的倒数第二288计算机辅助设计与图形学学报2003年层的MBB作为几何数据,显示地理对象的分布状况;Lod3细节层次最低,以V2Reactive树的倒数第三层的MBB的中点作为三维场景的背景数据1面向对象数据库的存取效率较低,尤其是涉及到不同类之间的连接或导航,数据存取耗时很多1虽然本文实验系统模拟海量数据环境,必须根据视点或视线等条件的变化对可视区域进行空间查询,从数据库中存取不同可视区域的数据[6],但是可以尽量利用内存空间的数据,通过缓冲管理,优先存取缓冲区数据,减少数据库的存取次数[7]1本文实验系统采用了基于空间查询的缓冲管理算法,对存取数据量很大的空间查询实现了缓冲管理1在固定缓冲区大小的条件下,将每个G eo object类的对象的几何数据作为页面进行缓冲管理1215　用户交互界面设计如图1所示,用户交互接口有两种形式:(1)直接提交查询1这种交互是以前面提到的集成查询接口为基础,通过直接提交ODQL查询语句查找数据库中的数据,以表格或其他文字形式反馈给用户,或者将返回数据与三维可视化结合,以特殊的标记形式(改变对象颜色等)直观地反馈给用户1(2)基于三维场景的交互1三维场景直观地将地理环境展现给用户,用户所有的交互都可以完全依赖于绘制的三维场景1用户可以通过在三维场景上的动作(如鼠标在对象上的点击、拖拉等)改变三维场景的可视化参数(如视点的移动),或者执行某些特定的操作1例如,通过在地理对象上的点击查询该对象的属性1本文实验系统实现了这两种交互方式1直接提交查询比较简单,在实现集成查询接口的基础上,只需输入ODQL查询语句1而基于三维场景的交互则比较复杂,涉及到三维可视化技术和数据库存取技术1由于Open Inventor提供了丰富的交互手段,因此可以以Open Inventor库函数为基础实现用户动作及其参数的获取,再根据动作类型判断其操作类型,根据其参数实现用户的操作1本文实验系统实现了通过对象的点击获取该对象的属性数据这种典型的用户交互1当用户在三维场景中点击鼠标左键时,首先通过Open Inventor函数库将鼠标所指屏幕点转换成世界坐标系中的坐标点,然后,只需基于空间索引查询包含该点的空间对象,得到空间对象的O ID,就可以从数据库中查询该对象的所有属性信息1用户在屏幕上用鼠标点击三维物体,只能得到点击处在屏幕上的二维坐标1通过Open Inventor中的SoRayPickAction类,从视点发出一条经过屏幕坐标点的射线到三维场景,计算射线和三维物体的交点,可以得到鼠标点击处的实际三维坐标1虽然通过Open Inventor中的函数可以获取三维场景中的所有数据,但是这些数据必须存储在其内部的场景图中,而对于数据库中存储的大量的其他相关数据则无法获取1因此,为了获取关于地理对象的各种数据,我们将得到的射线和三维对象的交点作为一个查询目标,查询包含该交点的地理对象1这种空间查询能够从V2Reactive树中获取地理对象的O ID,利用O ID就可以在数据库中G eo object类查询与该地理对象相关的所有属性1其他基于三维场景的空间查询可以采用类似的流程,如图3所示1首先通过Open Inventor获取用户交互的屏幕坐标并转换成世界坐标;然后针对交互的地理坐标,基于V2Reactive树进行空间查询,再通过得到的O ID在数据库查询目标属性1图3　基于三维场景的空间查询流程图4　对象为四方体的三维场景3　实验结果根据本文提出的面向对象模型、空间数据库技术和三维可视化技术,我们实现了三维GIS实验系统1并且以一批自行创建的实验数据为基础,验证了本文中提出的一些三维GIS技术的可行性,并进行了实验分析1由于缺乏现成的三维数据,我们为进行实验自行创建了一批简单三维对象数据1实验系统实现了细节层次技术和多比例尺综合技术,直接反映在绘制的三维场景中,如图4所示1该系统预先设置三3887期李　军等:基于面向对象数据库的三维GIS实验系统个比例尺阈值,用当前的比例尺和比例尺阈值比较,根据所在的阈值区域设定不同的多比例尺权值区间1三维场景数据的获取是通过将可视区域和多比例尺权值区间扩展成一个四维包围框,并对该包围框进行透视查询形成的1通过对三维对象的点击,能够查询得到其各种属性,如图5所示1图5　三维对象的点击交互4　校园三维GIS 实验系统实例在三维GIS 实验系统的基础上,我们通过对学校的主要建筑物建模,建立一批校园建筑物数据,从而建立校园三维GIS 实验系统,实现了细节层次可视化、多比例尺综合和空间查询等功能1校园三维建筑物采用AutoCAD 或3DMax 建模,并存储成dxf 文件,通过图6所示的数据输入流程将数据转换到空间数据库中1为了便于实验,建模时对物体外观要求不高,采用了一些长方体、圆柱体等简单模型合成三维建筑物,没有考虑其几何细节,也没有加纹理贴图1图6　校园三维GIS 的数据获取流程我们实现的校园三维GIS 实验系统如图7所示1系统模拟海量数据应用,每次只加载可视区域内的三维数据,所有数据无缝地集成在面向对象数据库中,能够进行基于三维场景的空间查询操作1该系统实现了细节层次技术和多比例尺技术,通过调整细节区域的大小改变加载和绘制的数据量,提高可视化效率1由于采用3DMax 对学校建筑的建模工作量很大,因此只建立了一些简单模型,然后进行转换,使得场景结构简单1该场景只采用了几种简单颜色,光照效果也只采用了最简单的点光源,位于视点处1图7所示的场景只是一个实验场景,作为实验验证1图7　校园三维GIS 实验系统示例5　结束语本文从空间数据库、空间索引的扩展、集成查询接口、三维可视化和用户交互设计几个方面详细讨论了三维GIS 实验系统的体系结构和实现机制1该实验系统忽略了三维数据获取、几何数据模型等许多工作,集中实现了面向对象模型、空间数据库技术、细节层次可视化、多比例尺综合、动态缓冲管理和空间查询等技术1该三维GIS 实验系统具有三维GIS 的主要特征,充分考虑海量数据应用的背景,许多技术在大型三维GIS 系统中具有其应用价值1但是,实验系统中的一些技术受目前条件限制,效率较低1例如,实验系统在每次改变视点时,都需要从数据库中查询可视区域的数据,而采用的面向对象数据库虽然在建模方面具有优越性,适合3D GIS 的复杂需求,但Jasmine 存取速度较慢,严重影响了三维场景的可视化性能1因此,许多技术还需要结合目前的一些常用技术才能走向实用1下一步我们将采用对象关系型数据库(如Oracle 等)来提高存取效率1参　考　文　献[1]Ishikawa H ,Izumida Y ,K awato N 1An object 2oriented database system Jasmine :Implementation ,application ,and ex 2tension [J ]1IEEE Transactions on Knowledge and Data Engi 2neering ,1996,8(2):285～303[2]Li J un ,Jing Ning ,Sun Maoyin 1A mechanism of implementing visualization with level of detail at multi 2scale [J ]1Journal of Software ,2002,13(10):2037～2043(in Chinese )488计算机辅助设计与图形学学报2003年(李　军,景　宁,孙茂印1多比例尺下细节层次可视化的实现机制[J]1软件学报,2002,13(10):2037～2043)[3]van 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