鮑 鵬，霍 亮,2，王 銳，宋 磊，方 敏

（1. 北京建筑大學(xué) 測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616；2. 現(xiàn)代城市測繪國家測繪地理信息局重點實驗室，北京 102616）

0 引 言

城市三維數(shù)據(jù)是數(shù)字城市3DGIS建設(shè)中的重要組成部分，由于城市三維數(shù)據(jù)更新速度快、數(shù)據(jù)量大等特點，城市三維數(shù)據(jù)更新逐步成為新的研究熱點[1]。

空間數(shù)據(jù)的組織方式是數(shù)據(jù)管理與更新的基礎(chǔ)。目前廣泛使用的空間數(shù)據(jù)組織方法都是以空間對象為基本單元進(jìn)行數(shù)據(jù)組織與更新，如基于特征的數(shù)據(jù)組織方法、面向?qū)ο蟮脑隽扛路椒ǖ?。與此同時，目前大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的組織方式多以形狀規(guī)則、變形較小的層狀面片進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，能夠?qū)崿F(xiàn)海量數(shù)據(jù)的存儲、提取和分析，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)模型在全球范圍內(nèi)多尺度、海量數(shù)據(jù)和層次數(shù)據(jù)的局限性[2]。以格網(wǎng)面片單元進(jìn)行空間數(shù)據(jù)組織，能夠有效地組織管理大規(guī)模空間數(shù)據(jù)，在提高空間數(shù)據(jù)渲染速度，減少空間數(shù)據(jù)I/O訪問等方面起到重要作用。目前常見的基于格網(wǎng)的空間數(shù)據(jù)組織方法有基于經(jīng)緯度格網(wǎng)模型、自適應(yīng)格網(wǎng)模型等。

道路網(wǎng)作為連通城市各個功能區(qū)塊的媒介，不僅反映了城市的地形地貌特點，還體現(xiàn)了城市中各個功能區(qū)塊的拓?fù)潢P(guān)系[3]。本文根據(jù)道路網(wǎng)在城市中天然的空間劃分特性以及格網(wǎng)模型在大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)組織管理方面的優(yōu)勢，提出了基于道路格網(wǎng)的城市三維數(shù)據(jù)組織方法，并且以城市地理塊為組織單元進(jìn)行城市三維數(shù)據(jù)的增量更新。

1 城市三維數(shù)據(jù)組織

1.1 城市道路類型

《城市道路設(shè)計規(guī)范》將城市道路分為快速路、主干路、次干路、支路四大類，指出道路分類依據(jù)包括道路在路網(wǎng)中的地位、交通功能以及對沿線建筑物的服務(wù)功能等因素[3]。不同類型的城市道路在城市中具有不同的道路網(wǎng)密度，根據(jù)城市三維數(shù)據(jù)的實際空間范圍，選取合適的道路網(wǎng)進(jìn)行城市地理空間的劃分，見表1。

表1 城市道路劃分Tab.1 Urban road classification

1.2 城市道路格網(wǎng)模型

城市道路網(wǎng)自身具有的位置規(guī)劃屬性將城市劃分為空間連續(xù)的不規(guī)則格網(wǎng)。本文對于不同規(guī)模的城市三維數(shù)據(jù)，選取不同類型的道路建立城市道路格網(wǎng)模型。依據(jù)《城市道路設(shè)計規(guī)范》對道路類型的劃分以及不同類型道路網(wǎng)在城市中的密度不同，將城市道路格網(wǎng)模型分為城市快速路格網(wǎng)、主干路格網(wǎng)、次干路格網(wǎng)、支路格網(wǎng)4種。根據(jù)城市三維數(shù)據(jù)的空間范圍選取合適的格網(wǎng)模型，見表2。

表2 道路格網(wǎng)模型Tab.2 Road network model

格網(wǎng)編碼是城市道路格網(wǎng)模型中的關(guān)鍵部分。由于本文利用城市道路網(wǎng)進(jìn)行城市三維數(shù)據(jù)的空間劃分，故格網(wǎng)編碼以道路名稱的方式構(gòu)建。以圖1為例，從A格網(wǎng)單元左側(cè)開始，順時針次序記錄道路名稱，以此作為該格網(wǎng)的編碼，故格網(wǎng)A的編碼為ESHDRoad。

為了便于城市三維數(shù)據(jù)的組織和更新，本文對城市三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一命名編碼，其具體規(guī)則為“格網(wǎng)單元編碼+模型類型編碼+模型LOD層次+模型序號”。以道路名稱作為格網(wǎng)編碼，通過城市三維數(shù)據(jù)的屬性查詢進(jìn)行空間定位，實現(xiàn)城市三維數(shù)據(jù)快速定位操作。

圖1 道路格網(wǎng)單元Fig.1 Road grid unit

1.3 城市三維數(shù)據(jù)組織

城市格網(wǎng)單元內(nèi)的城市三維數(shù)據(jù)使用分層的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)組織。本文按照規(guī)范將城市三維數(shù)據(jù)劃分為：建筑模型數(shù)據(jù)、地形模型數(shù)據(jù)、水體模型數(shù)據(jù)、植被模型數(shù)據(jù)、管線模型數(shù)據(jù)、交通設(shè)施模型數(shù)據(jù)和其他模型數(shù)據(jù)7個數(shù)據(jù)類型[4]。

采用分層的方式對城市三維數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理，即每個道路格網(wǎng)單元為一個地理塊，地理塊中包含不同數(shù)據(jù)類型，每個數(shù)據(jù)類型中又對應(yīng)著多個三維模型數(shù)據(jù)，如圖2所示。

圖2 城市三維數(shù)據(jù)組織邏輯模型Fig.2 Model of urban 3D data organization

地理塊是地理空間中固定的一塊區(qū)域，本文將地理塊（式1）定義為：地理空間中具有顯著邊界分割和區(qū)域性質(zhì)的一塊區(qū)域稱之為“地理塊”。采用城市道路格網(wǎng)對地理空間進(jìn)行劃分，可以產(chǎn)生多個地理塊，地理塊之間相互連接，能夠組成整個地理區(qū)域。因此，地理塊可以理解為城市場景的基本組成單元，固定的地理空間可以表示成一組地理塊的集合[5]。地理塊是城市三維數(shù)據(jù)組織的基本單元，由多個城市地理實體要素（式2）組成。

式中，Block代表地理塊；UID為地理塊的全球唯一性標(biāo)識；Element表示組塊中的各個地理要素；Time表示地理塊數(shù)據(jù)采集時間。

式中，ID為地理要素編碼，其具體編碼規(guī)則如（式3）；Geometry和Attribute為地理要素的幾何和屬性。

式中，BID為該地理要素所屬格網(wǎng)的格網(wǎng)編碼；TypeCode所屬的城市三維數(shù)據(jù)類型代碼；LayerCode代表所在的LOD層次；ColCode表示在該數(shù)據(jù)類型內(nèi)的編碼。

2 基于地理塊的城市三維數(shù)據(jù)增量更新設(shè)計

相比于傳統(tǒng)全覆蓋式數(shù)據(jù)更新方式，本文基于城市格網(wǎng)模型對城市三維數(shù)據(jù)進(jìn)行組織，并將地理塊作為城市三維數(shù)據(jù)管理與更新的基本單元，改變了傳統(tǒng)全覆蓋式數(shù)據(jù)更新方式，減少了數(shù)據(jù)冗余，提高了數(shù)據(jù)更新效率，能夠在時間和空間維度上對海量城市三維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和更新工作。本節(jié)將主要對基于地理塊的城市三維數(shù)據(jù)增量更新組織方式及更新流程進(jìn)行研究分析。

2.1 增量信息及結(jié)構(gòu)

2.1.1 增量信息定義及分類

增量信息是指基于現(xiàn)勢數(shù)據(jù)發(fā)生變化的數(shù)據(jù)信息，從面向?qū)ο蟮慕嵌瓤?，多個實體間的演變和空間結(jié)構(gòu)的變化都可以通過對單個實體的操作實現(xiàn)[6]。城市三維實體變化類型從實質(zhì)上總結(jié)為新建、消失、屬性變化、幾何變化4種類型，其具體內(nèi)容為①新建：新添一個或多個城市三維實體及相關(guān)屬性；②消失：一個或多個城市三維地理實體及相關(guān)屬性的滅失；③屬性變化：城市三維實體的非空間數(shù)據(jù)的變化，主要表現(xiàn)為屬性變化；④幾何變化：城市三維實體的空間數(shù)據(jù)變化，主要有地理實體的平移、旋轉(zhuǎn)、擴大、縮小等變化。

2.1.2 增量信息存儲模型

增量信息是城市三維實體發(fā)生變化的數(shù)據(jù)，包括空間及非空間數(shù)據(jù)，本文的增量信息以地理塊作為更新單元進(jìn)行數(shù)據(jù)組織。將獲取增量數(shù)據(jù)劃分到其所屬的地理塊中，以地理塊的形式進(jìn)行增量更新。增量信息存儲模型設(shè)計是數(shù)據(jù)更新中的關(guān)鍵部分，根據(jù)城市三維數(shù)據(jù)的特點，以地理塊為組織依據(jù)，設(shè)計了城市三維數(shù)據(jù)增量信息存儲模型：

式中，Time為增量信息的采集時間等信息；MetaData為增量信息的元數(shù)據(jù)，主要包括增量信息的所屬地理塊、坐標(biāo)系、空間數(shù)據(jù)范圍、版本號等；ΔOperates是對單個變化目標(biāo)進(jìn)行增量更新的操作過程信息，主要記錄哪個地理實體進(jìn)行了何種更新操作。

ΔOperates={BID,TIME,Table,Operate} （5）

式中，BID為增量地理實體的“臨時對象唯一ID”，BID與歷史數(shù)據(jù)庫中的地理塊數(shù)據(jù)表表相關(guān)聯(lián)，以確定該增量數(shù)據(jù)所屬的地理塊；TIME為數(shù)據(jù)變化時間信息；Table為地理實體變化對象的屬性表信息，主要包括數(shù)據(jù)表名稱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)精度等信息；Operate為增量更新的具體操作內(nèi)容，其主要內(nèi)容見表3。

表3 Operate信息Tab.3 Operate information

2.2 歷史數(shù)據(jù)庫設(shè)計

為了更好地管理增量數(shù)據(jù)，建立一套與現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫相同結(jié)構(gòu)的歷史數(shù)據(jù)庫，以地理塊為基本單元組織增量數(shù)據(jù)。

與常規(guī)的增量更新方式不同，本文以道路格網(wǎng)劃分的地理塊作為更新的基本單元進(jìn)行增量更新，其歷史數(shù)據(jù)庫設(shè)計概念如圖3所示，歷史數(shù)據(jù)庫名為CITYDATA，以道路格網(wǎng)劃分的地理塊(BLOCK1、BLOCK2…)為基本單元進(jìn)行增量數(shù)據(jù)的存儲；每個地理塊包含該地理塊(BLOCK11，BLOCK12…)在不同時期的增量信息文件，同樣以地理塊的形式對增量數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；GRIDS表示每個道路格網(wǎng)存放的評價指標(biāo)成本值，可在數(shù)據(jù)增量更新時選擇是否更新道路格網(wǎng)評價成本值。

圖3 歷史數(shù)據(jù)庫概念圖Fig.3 The concept of historical database

2.3 增量更新流程

為了保證增量更新數(shù)據(jù)能夠正確地融合到數(shù)據(jù)庫中，在增量更新操作之前需要對增量數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范化處理、數(shù)據(jù)匹配等相關(guān)操作[1]。更新時首先要驗證增量數(shù)據(jù)的有效性，為了保證現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫的安全性，建立一個緩存數(shù)據(jù)庫，對需要操作的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，確保原始數(shù)據(jù)不被永久性刪除或修改，然后匹配增量數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的檢測、融合操作，完成整個增量更新。其具體流程如圖4所示。

圖4 增量更新流程Fig.4 The process of incremental update

基于多基態(tài)修正模型[7]，如圖5所示，根據(jù)數(shù)據(jù)量或更新頻率設(shè)定具體的基態(tài)閾值，當(dāng)某時期超過設(shè)定閾值時自動將此時期的數(shù)據(jù)設(shè)定為基態(tài)數(shù)據(jù)。將增量信息文件以時間和地理塊的方式存儲到歷史數(shù)據(jù)庫中，以地理塊為城市場景變化單元，可組合所有地理塊增量數(shù)據(jù)查詢整個城市的歷史變化數(shù)據(jù)，也可選擇特定的城市區(qū)域查詢歷史數(shù)據(jù)。

圖5 多基態(tài)修正模型Fig.5 Multi-ground correction model

圖5 中，ΔF1為T2時刻與T1時刻間的增量信息文件，其中DBT3=DBT1+ΔF1+ΔF2；ΔF8為ΔF1、ΔF2、ΔF3這3個增量信息文件的并集文件，T4時刻的基態(tài)數(shù)據(jù)時可通過 DBT4=DBT1+ΔF8來獲取，此時根據(jù)T4時刻的數(shù)據(jù)量大小和更新、使用頻率做閾值評判，將DBT4作為另一個基態(tài)數(shù)據(jù)。隨著時間的增加，增量信息文件的數(shù)量愈加龐大，通過在不同時期設(shè)立基態(tài)數(shù)據(jù)，較好地解決了數(shù)據(jù)集成和檢索問題，提高了歷史查詢效率。

3 實 驗

本文在Windows環(huán)境下，基于B/S的開發(fā)模式，使用團隊自主研發(fā)的三維數(shù)據(jù)引擎展示城市三維數(shù)據(jù)；利用PostgreSQL進(jìn)行城市三維數(shù)據(jù)的存儲和管理，使用WebGL開發(fā)，實現(xiàn)了城市三維數(shù)據(jù)庫增量更新原型系統(tǒng)，其系統(tǒng)主界面如圖6所示。

圖6 城市三維數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)界面Fig.6 Urban 3D data display system interface

選用某城市三維建模數(shù)據(jù)作為實驗數(shù)據(jù)，獲取該城市近些年發(fā)生變化的城市三維數(shù)據(jù)。使用本文設(shè)計的增量數(shù)據(jù)存儲模型，制作增量更新包，將增量數(shù)據(jù)更新到現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)庫對增量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性檢驗，獲取增量數(shù)據(jù)所屬的地理塊信息，將其以地理塊的形式存儲到歷史數(shù)據(jù)庫中且融合到現(xiàn)勢數(shù)據(jù)庫中。選擇平臺“歷史回溯”功能模塊中2016年2月份及2017年11月份數(shù)據(jù)，系統(tǒng)以分屏瀏覽的形式展示了城市某一區(qū)域在該兩個時間段發(fā)生的變化，其展示效果如圖7所示。

圖7 分屏瀏覽Fig.7 Split screen browsing

本文以地理塊的形式進(jìn)行城市三維數(shù)據(jù)的組織與更新，通過設(shè)計的增量存儲模型，存儲了城市三維數(shù)據(jù)相關(guān)變化信息。在圖8中，系統(tǒng)右側(cè)面板顯示了不同時期的城市三維數(shù)據(jù)發(fā)生變化的一些具體信息，包括變化類型，數(shù)據(jù)文件地址，變化時間等，使用戶可直觀地了解該區(qū)域發(fā)生變化的情況以及查看相關(guān)附屬資料。

圖8 增量數(shù)據(jù)信息查詢Fig.8 Incremental data query

4 結(jié)束語

基于道路網(wǎng)自身在城市中所具有的特殊屬性對城市進(jìn)行空間劃分，以地理塊的形式進(jìn)行城市三維數(shù)據(jù)的增量更新，改變了傳統(tǒng)增量數(shù)據(jù)更新的方式。地理塊式的更新方式使得增量數(shù)據(jù)的管理更加靈活，可對城市進(jìn)行整體性的歷史數(shù)據(jù)查詢，也可進(jìn)行城市局部區(qū)域的歷史回溯，查詢方式更加多元化。由于道路網(wǎng)自身在城市中具有不同功能屬性的特點，每個道路格網(wǎng)可代表一個居民區(qū)、商業(yè)區(qū)等，以道路格網(wǎng)為單元表達(dá)城市動態(tài)時空變化規(guī)律，可以促進(jìn)人文與自然科學(xué)的融合，對于城市評價模型建立分析等具有重要的研究價值。但本文的增量更新方式局限于城市范圍且道路網(wǎng)較發(fā)達(dá)的地區(qū)，對于道路網(wǎng)欠發(fā)達(dá)或不存在的研究區(qū)域來說“時間+空間”的增量組織方式并不適用，還待進(jìn)一步的研究。