基于GIS的三维建筑物数据库设计

基于GIS的三维建筑物数据库设计摘要：城市建筑物三维建模是虚拟城市建设的关键技术之一。目前广泛采用的建筑物建模是表面模型，不能满足相关联数据承载和空间查询分析功能需求。从真三维GIS相关概念出发，采用语义-几何-拓扑相结合方式定义建筑物模型，并根据三维建筑物数据库的特征，对建筑物数据库的建设原则、建设方案等问题进行了讨论。关键词：三维GIS;建筑物数据库；建筑物模型；语义-几何-拓扑0引言建筑物作为城市空间基本构件，是城市空间信息基本组成部分。城市地下空间管线与城市地上空间建筑物作为城市建设与管理的两个基本对象，其上承载了各种人类活动相关的社会、经济数据。对于地下管线数据模型研究以及其数据库建设已经开展了大量的研究与实际工程的建设。而对于城市建筑物建模和库方面的相关研究还停留在二维建筑物轮廓管理和三维外观上，缺少对于建筑物整体三维GIS建模以及以建筑物为单位管理各类承载在建筑物上的各类社会经济数据的方式方法研究。1城市建筑物建模研究现状目前，大部分的建筑物3D模型都是以纯图形或几何的形式被制作出来，却忽略了语义和拓扑方面的表现，如表 1。在这个表格中，X3D是BS使用的格式，KML是GoogleEarth使用的格式，U3D是英特尔、波音、Adobe、微软以及30余家公司共同合作开发一个通用3D图形格式标准，COLLADA是非赢利组织Khronos开发的一个3D图形交换格式，IFC是建筑行业相互之间交流的一种常用的建筑物全生命周期模型。这些模型基本上只能用于纯视觉方面的用途， 并非真正意义上的GIS模型。不能满足主题查询、分析和空间数据挖掘等方面深层次的需求。另外也不能作为基础数据，承载与建筑物相关联的社会经济数据，缺乏可重用性，导致了模型应用的范围受到了很大的限制。2建筑物数据GIS建模基本准则建筑物数据库的建设作为城市基础地理信息数据库，其建设及维护可以为各种行业应用提供基础数据，为了最大化实现建筑物数据的应用价值，其设计应该满足以下原则：（1） 可承载性原则。建筑物数据库的建设要便于承载各种行业应用数据，如消防、房产、户籍人口、管线等数据。（2） 可组织性原则。建筑物数据库结构的建立必须便于空间数据的组织，便于各类空间数据所表达实体意义的拆分和组合。（3） 开放性原则。建筑物数据库的建设必须具有开放性，建筑物数据库作为城市系统的基础数据库，要便于其数据共享与交换，并以此为基础搭载各种行业应用系统。（4） 可分析性原则。空间分析功能，是GIS区别于CAD与科学计算可视化的特有功能。以往三维数字城市、三维房产系统的建设，主要以图形展示为主要特点，缺少必要的空间分析功能，比如消防里面逃生路线分析。（5）可维护性原则。目前对于三维数字城市的维护过于繁琐，只能通过专业人士用专业建模软件将建好的模型以二进制文件的形式存储在数据库当中，不便于维护，必须采用新的模型管理和维护手段。3建筑物数据库的设计3.1建筑物3DGIS模型为满足建筑物数据库建设要求，建筑物信息采用语义-几何-拓扑统一建模方式。语义层次指真实建筑物实体对象，对实体描述内容包括各种实体属性、实体关系、实体层次结构等（比如整体-局部关系）。在空间层次，几何对象被赋予给每个实体对象来表达其空间位置和范围。几何对象层次结构必须与实体对象的层次结构保持一致， 比如一堵墙在语义层次包含一扇门和两扇窗，那么相应的墙的几何对象也应该包含门的几何对象和窗的几何对象。这种建模方式的好处在于：①在语义层次之上维护建筑物层次结构关系，实现建筑实体对象的自由组合，而不需要考虑其空间几何对象；②几何对象上不具备任何实体属性，其必须经过组合才能形成建筑物实体对象的空间表达， 这样能保证空间关系与空间拓扑表达的完整性，减少数据冗余以及建筑物数据库维护的复杂度。图1建筑物语义-几何-拓扑模型框架3.2建筑物数据库设计实现完整的建筑物数据库的设计需要综合考虑建筑物数据存储与访问，为了实现对建筑模型的支持以及各项建筑物应用需求的满足， 主要从以下几个方面对建筑物数据库进行设计。建筑物数据的无缝层次化管理。完整、清晰、精炼地表达建筑物层次结构，并定义各层次的对象模型，是建筑物数据库建设的基础。充分调研理解建筑物基本实体，以基本实体集合为基础构成建筑物的各个组成层次实体，包括分层、分户分室等，并且在更大范围内构成建筑物部分、建筑物和建筑物群等实体对象，从而整体上形成一个城市建筑物模型。整个模型是层层嵌套的，这样可以很好地符合面向对象的数据结构组织方式。建筑物数据的空间拓扑关系管理。基于GIS的建筑物数据库的建设必须考虑到空间对象的拓扑关系，这是GIS区别于CAD主要特征。只有能够维护与处理空间拓扑关系，才能满足各种基于建筑物数据库应用对于数据承载和空间分析的需要。在空间几何 -拓扑的存储上按体由面围合而成，面有线围合而成，线由点组合而成的空间数据组织结构。这种方式减少数据冗余，便于维护更新，最为主要的是实现了空间拓扑关系的存储，比如两间房的邻接关系、连通关系可以通过两间房之间共有的墙和门的关系来获取。建筑物数据与其符号数据的无缝连接。充分调研建筑物中可能存在的符号，设计合理的建筑物构件符号，并将各种行业应用中不确定的符号灵活集成到建筑物数据库当中，实现建筑物空间构件与符号的无缝连接。建筑物符号存储的方法为在建筑物实体对象中定义一个新的建筑物专题展示对象，用建筑物专题展示对象来对不同建筑物专题应用展示进行规定。建筑物与城市中非建筑数据的一体化管理。建筑物的管理与分析应用离不开道路、水体、地形、植被等构件，研究如何表达这些构件，以及如何在建筑物管理中使用这些构件也是建筑物数据库建设内容。非建筑构件数据结构按照按建筑物方式定义，将非建筑物与建筑物从同一个虚拟结构城市构件实体继承，这样既能保持二者联系，有能将二者区分开来。建筑物承载行业应用数据管理。建设建筑物数据库的根本目的是将建筑物数据作为像基础地形数据一样的城市基础地理信息， 用于各种行业应用。建筑物数据库设计既要实现建筑物数据与行业应用数据的相对独立，又要能够实现两者的无缝集成。行业应用数据管理应由其数据提供部门独立管理，独立维护。建筑物数据库应该提供相应行业数据的注册、基于建筑物结构的数据维护、共享方式等功能。为了保证行业数据与建筑物数据的无缝集成，必须实现行业数据与建筑物数据在不同层次灵活关联。在建筑物数据库当中，其关联通过两种方式实现：一种是定义一个一般城市实体对象用来表达建筑所承载的行业实体对象，如图2中的房屋设施数据库，或者没有实体对象的属性信息，如图2中的房产数据库；另外一种方式是对每个建筑物实体设置一个外部参考表，可以自动连接建筑物数据库以外任何联网资源，如图2中的通讯设施数据库。4结束语采用语义-几何-拓扑统一的建筑物建模方式，以及其对应的建筑物数据库的设计，能够充分发挥GIS功能在建筑物数据库建设中的作用；能将城市建筑物真正承载各种与三维空间位置相关的行业应用数据，并进行各种应用相关的空间分析；同时探索开发建筑物信息相关的行业应用，包括