交互式三维模型数据属性数据管理

交互式三维模型数据属性数据管理

1数字三维校园的属性数据

“数字校园”是指信息化的校园，或者说校园的虚拟对照体

[1,2,3]

o

数字校园概念深化于虚拟校园，简单说来包括数字与校园，进

而延伸出几方面的内容，就近年来的研究成果而言主要包括虚拟校

园再现、数字信息与信息管理。本论文基于虚拟仿真的数字校园化层

面。

虚拟仿真的数字校园H力它除了可以提供三维可视化界面和虚

拟现实场景界面的校园景观漫游，还必须提供校园信息的浏览与查

询，并可上载到计算机网络，提供远程用户访问的一个新的校园空

间。此外，其中很重要的数字概念包括属性数据与空间信息，两者结

合才构成完整的概念模式。因此，在数字三维校园的建设工作中，必

须突破属性数据与空间数据形式上的分离，属性数据个体之间的分散,

在空间数据的引导与当前技术层面，以最优的效果实现属性数据的采

集与建库工作，加强整个校园系统在属性方面的完整与时效性，通

过用户的主动与被动需求,带给他们最大的视觉效果与便捷服务。

2GIS在三维数字属性数据中的管理

2.1GIS发展概况

随着社会的发展，21世纪人类已进人信息化社会，数字地球、

数字中国、数字城市、数字校园等概念已逐渐被人们所认识，现在

已感受到信息社会给人们的生活和社会的管理带来的方便、快捷。

在地理信息技术方面,以“3S”(GPS:全球卫星定位系统;GIS:地理

信息系统;RS:遥感技术)为代表的现代测绘技术已基本取代传统的

测绘方法，测绘行业已成为现代地理信息产业，并服务于整个社会

各个方面，特别是地理信息系统(GIS)在城市规划、建设管理方面

起着十分重要的作用。高等学校作为城市的一个重要的组成部分，

其校园总体规划与有效的管理越来越引起社会和学校领导的高度

重视。随着高等教育改革，学校合并组建了许多规模较大的新的大

学;从校园的建设与绿化、学生规模、师资力量、专业设置、教学

方法、招生人数、学生管理等方面做出了不同时期的安排。以上情

况均给学院的规划与管理工作提出了较高的要求，传统的手工规划

与管理模式已远远不能满足高等学校的发展需要。GIS作为一种能

科学地管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，能提供对规划、

管理、决策和研究所需信息的综合性技术系统，是有效地解决城市

规划与管理问题的先进工具。因此，将GIS技术用于高校的校园规

划与管理，建立一个集图、文、表、管一体化的，能科学地、动态

地管理学院信息的办公白动化系统，是解决学院规划与动态管理的

有效的技术工具。

2.2GIS—地理信息系统概述

(1)、概念信息、地理信息和地理信息系统信息是用数字、

文字、符号、语言等介质来表示事件、事物、现象等的内容、数量

或特征，信息向人们提供关于现实世界新的事实的知识，信息为生

产(工作)，管理、经营、分析和决策的依据。信息具有客观性、实

用性、可传输性和共享性等特征。信息来自数据，数据是未加工的

原始资料。数字、文字、符号、图形等都是数据。数据是客观地对

象的表示，信息则是数据内涵的意义，是数据的内容的解释。地理

信息是指与所研究对象的空间地理分布有关的信息，它表示地表物

体及环境固有的数量、质量、分布特征、联系和规律。地理信息属

于空间信息,其位置的识别是与数据联系在一起的，它具有区域性。

同时，地理信息具有多维结构的特征，即在同一坐标XY位置上具

有多个专题和属性的信息结构。而且地理信息有明显的时序特征，

即动态变化的特征，这就要求及时采集和更新它们，并根据多时相

的数据和信息来寻找时间的分布规律，进而对未来做出预测或预

报。

地理信息系统(GeographicInformationsystem,GIS)是近

几十年来发展起来的一门综合应用系统，它能把各种信息同地理位

置和有关的视图结合起来，并把地理学、几何学、计算机科学及各

种应用对象、CAD技术、遥感技术(RS)、全球卫星定位技术(GPS)、

网络技术(Internet)、多媒体技术及虚拟现实(VR)技术等融为一

体，利用计算机图形与数据库技术来采集、加工、管理、分析和表

达地理图形及其属性数据。根据需要将这些信息图文并茂地翰送给

用户，便于分析及决策使用。

(2)地理信息系统的功能

按照GIS对数据进行采集、加工、管理、分析和表达，可将

GIS软件系统中与用户有关的软件分为五大子系统，即：数据输入

与转换、图形与文本编辑、数据存储与管理、空间查询与空间分析

和数据的输出与表达。(图2—1)

图2-1GIS的五大子系统

(1)数据输人与转换:数据输入子系统包括将现有的地形图，外业

观侧成果、航片、遥感数据、文本资料等转换成汁算机兼容的数字

形式的各种处理转换软件。(图2-2)

地理数据库

图2-2数据输入与转换系统

(2)图形与文本编辑:现有的地理信息系统都具有很强的图形

编辑功能。如ARCGIS,除负责数字化仪的数据输人外，主要功能

是用于图形编辑。

(3)数据的存储与管理:数据存储和数据库管理，涉及地理元

素(地物的点、线、面)位置，空间关系以及属性数据如何结构和组

织，使其便于计算机处理和系统用户理解等。目前最流行的是商用

关系数据库管理系统，一个有发展前景的模型可能面向对象关系数

据模型，它既可以表达图形数据又可以有效地表达属性数据。在属

性数据管理方面，GIS软件提供了数据库的定义、建立和维护、操

作等基本功能。

(4)空间查询和空间分析：虽然数据库管理系统一般提供了数

据库查询语言，如语言标准化结构查询SQL(StandardStructured

QueryLanguage)。但对于GIS而言，需要对通用数据库的查询语

言进行补充或重新设计，使之支持空间查询，如一条公路穿过哪些

城镇等，这些查询都是GIS所特有的。而空间分析相比空间查询来

讲，是GIS在各行业更深层次的应用，内容更加广泛，包括地形分

析、网络分析、叠置分析和决策分析等等。

决策分析

图2-3空间查询与空间分析功能

(5)数据输出与表达:数据输出和表达是关于数据显示和向用

户报告分析结果的方法问题，结果数据可能以地图、表格、图表、

文字、多媒体等多种形式表达，输出范围也很广，如输出到文件、

磁介质、终端等等.

图2-4数据的输出

3三维数字校园属性数据选择及建库

数据是GIS的“血液”，数据库的建立是实现GIS系统的关键

所在。GIS数据库包括空间数据为(图形数据库)和属性数据库。根

据各高校及我院规划管理的实际情况，数据库结构设计如下：

3.1图形数据库

(1)校园1:500,1:1000,地形图。表示学院整个地形情况，包

括学院现有的各类建筑物、道路、体育运动场、水域、绿地、测量

控制点、高程、注记等。

(2)院各类建筑物分布平面图，包括院长办公楼、行政办公楼、教

学楼、实验楼、图书馆、后勤服务中心楼、食堂、学生宿舍、职工

住宅楼等。

(3)校园综合管线图现状图，主要包括给水管网、排水管(沟)网、

污水管、天然气管道、电力线、通讯线、有线电视线、校园网

(Internet)等管线图。

(4)所政办公楼平面分布图，主要包括院领导办公室、院办公室、

宣传部、人事处、财务处、学工处、教务处、科研处、总务处、保

卫处等综合管理部门位置。

(5)系部办公楼及下属教研室、科研机构的位置、教室、实验室、

网络教室、多媒体教室等位置。

(6)图书馆平面分布图，包括书库、借书处、查询处、学生阅览室、

教师阅览室、电子阅览室等分布位置。

(7)校园内各公共服务部门，如医院、商场、食堂、宾馆位置。除

上述图形库外，还可以根据需要建立一些更详细的图形库。

以上图形数据库主要通过学院已有的地形图、规划图、管线图、

建筑图进行数字化，还可直接利用全站仪通过实地采集，利用

CASS5.0地形地籍成图软件通过计算机编辑绘图获得。

3.2属性数据数据库建立

数据库设计概念模型(ER图)

属性库主要包括人事档案数据、各种统计数据、建筑物属性数据等。

(1)教职员工信息库，包括编号、姓名、籍贯、出生年月、专业、

学历(学位)、职务、职称、所在部门、工资、家庭住址、电话。

(2)学生信息库，包括编号、学号、姓名、籍贯、出生年月、专业、

班级、交费情况、入校时间、离校时间、宿舍住址。

(3)建筑物资料库，包括楼房编号、楼房性质、建筑结构、楼层数、

占地面积、总建筑面积、建成日期、设计单位、施工单位、造价。

(4)各种办公及教学实验管理库，包括设备编号、设备名称、型号

规格、所属部门，购买日期、价格、使用情况、保管人员等。

(5)年度教学日历、课程安排表，学期教学、考试、活动安排、课

程编号、课程名称、授课时间、授课地点、授课教师。

(6)学生成绩档案，包括学号、姓名、课程名称、成绩。

(7)各种教学文件，特别是教学人纲、教学计划、学期授课计划、

实训计划等。

(8)科研资料库，包括科研项目编号、项目题目、项目来源、项

目负责人、参与人、经费、审批日期、结题日期、项目鉴定情况、

获奖情况等。

(9)院统计数据库，包括校园占地总面积、建筑物占地面积、总

建筑面积、各类建筑的面积、各类资产总额、教职工人数、学生人

数等等。

3.3符号数据库

各种地理要素以数字形式存入空间数据或这种存储形式是对

地理要素的一种抽象，为了GIS物出结果的清晰明了，必须将图形

图表符号化，建立符号库。符号库一般包括点状符号、线状符号和

面状符号。符号库的建立，可以通过已绘好的符号数字化人库或用

扫描仪扫描人库，也可用AutoCAD绘图软件在计算机中设计所需的

符号入库，符号库的建立为以后的空间数据的查询显示输出提供有

力的工具。

以上图形库、属性库及符号库虽然以不同的形式存储在数据库

中，但这三种数据库不是孤立的，彼此之间有一定的联系，每一幅

基本图形都对应着一个属性数据文件，图形库中每一个基本元素对

应着属性数据文件的一个记录，它们之间通过用户标识符或ID代

码建立彼此之间的联系。这样通过图形库要以检索、调用属性库，

同样也可由属性数据检索、显示图形数据。

4三维校园属性数据采集工作

三维属性数据是空间实体的特征数据，包括地理实体或现象的

专题属性(名称、分类、数量等)数据和时间数据。它需要通过给予

一个公共标识符与空间实体联系起来。属性数据的获得,主要包括相

关地区的社会环境数据、自然环境数据、资源与能源数据，或者更为

广泛的细分数据。就三维数字校园的属性数据而言，其采集工作包

括：

4.1采集原始数据收集学校现有属性数据库资料：通过学校的帮助

与提供，可以获取相当数量的原始资料。一般学校的资料比较陈旧，

与当前事实存在些许差距。因此，必须先检查，进行预处理，选择出

有意义有时效的信息，删除无用过时的信息与字段，整合成新的资

料，以满足当前用户的需求。

结合电子地图和摄影测量图建立属性数据和空间数据的对应关

系：属性资料采集的成果是以表格形式呈现的，因此可以利用具体

的图像数据源。最终是利用学校发布的最新版电子地图，以及摄影测

量图共同识别，其中以电子地图为主，从图中查到同济本部各建筑

物名称、院系分布等总体情况，以此修补更新原表中的不足与问题,

变化较大时创建新表。

结合其他资料进行补充、完善网站资料：学校网站上的信息源相

对而言是最新的，包括所有的院系布置、行政单位、校庆安排、院系

联系电话与网站主页等，从中可以很清晰地获取到此项目需要的很

多属性数据，主要用于填补具体的介绍与总体情况的数据。

4.2实地考察进行数据检核通过实地考察检核，对已有数据资料进

行有利的补充，修改原数据的错误，并添加其可能存在的相应变化。

5属性数据管理

目前，在国内市场上应用较广的GIS基础软件较多，如

ARC/INFO,Mapinfo,GeoMedia,MapGlS,Geostar等，国产GIS

产品大部分是从九十年代才开始研究开发，虽然开发时间晚，但发

展中借鉴了国外的GIS软件的功能和技术，随着我国电子技术的高

速发展，国内一直占据领先位置之一的就有Geostar软件。

5.1对象的属性

点状对象、点群对象、线状对象、面状对象可以有与之相对应

的属性数据，属性数据存储于关系表格中，通过ODBC链接。几何

对象与属性数据之间的联系通过系统分配的惟一标识建立。

对象标识（0ID）是惟一标识一个对象的记号，每个对象都有

一个惟一的0ID,且不同的对象0ID也不同。系统必须提供对象标

识的统一分配机制，用户自己不能对0ID进行更改。GeoStar系统

中用一个32位的整数来表示对象标识，系统分配的0ID大于Oo

0ID小于0时用来表示线段的方向，0ID等于0无效。0ID是几何

对象与属性数据之间联系的桥梁，与几何对象对应的属性表中都

建立一个0ID字段，通过0ID可以找到相应对象的属性信息、。同

样，通过属性值可以得到相应的OID,从而得到几何对象。

线状对象和面状对象的位置信息可以直接用一系列（x,y）坐

标表示，也可以引用其他已定义的线状对象，前者称为直接对象,

后者称为间接对象。间接对象的引入可以减少公共边的重复存储,

其位置信息用一系列被引用的线状对象的对象标识OID来表示。由

于OID大于0,所以记录被引用的线状对象时，在0ID前加负号来

表示坐标序列的顺序。如果0ID前无负号，则表示在间接对象中

的坐标顺序与被引用的线状对象的坐标顺序相同；如果OID前有

负号，则表示在间接对象中的坐标顺序与被引用的线状对象的坐标

顺序相反。

5.2属性数据管理

对象存储管理器主要负责对空间各类对象的存取，建立空间索

引，实现对持久对象的存储，以及记录空间操作的事物日志，并且

在必要时对空间对象进行恢复。对象管理器主要负责空间对象的

生成，分配对象和工作区的惟一标识，实现对空间对象的调度，

完成各种基本的空间查询，维护空间对象的一致性，实现在网络环

境下多用户控制，并实现对地物类、层、工作区、工程等内容的管

理。

GeoStar面向大型空间数据管理，因此，空间数据调度就显得

特别重要。通常，GeoStar并不把所有空间数据调到内存，而是在

实际用到时，根据需要来决定调入或调出哪些数据。一般情况下，

GeoStar以工作区的地物类来进行调度，根据界面的操作信息，系

统自行决定何时需要调用哪些地物类，何时淘汰哪些地物类。在用

户进行二次开发时，由于界面的操作信息要由二次开发用户（利用

应用程序开发函数（API）开发或开发运行动态扩展模块的用户）来

设计，因此，二次开发用户对空间数据调度也应有一定的介入。二

次开发用户如果发现某一地物类不在内存，则可以显式调入。

GeoStar根据面向对象的思想来组织空间数据。按照面向对象

的方法，客观世界的一切事物、概念等都表示为对象。空间线状对

象、面状对象由一系列空间点构成。在空间对象的实现上，线状对

象、面状对象可以有两种方法：①将线、面内部的点都描述为各个

独立的点状对象，对每个点状对象可以方便地实行各种操作;②线、

面内部的点不描述为独立点状对象，而是作为一个整体，内部信息

必须由应用程序去解释。第一种方法更加符合面向对象的思想，更

加方便编程。但由于空间数据量一般都很大，一个复杂的线、面可

能由成千上万个点构成，如果每个点都表示为对象，在对象的实例

化时会过多地使用内存分配的new操作。一方面new操作本身会占

用很多时间，另一方面，new操作会带来内存的碎片，两者都会降

低系统的效率。因此，GeoStar中线状对象、面状对象的实现使用

第二种方法。

各高校包括我院原有办公自动化(0A)技术已较为普及，加上与

拟建的GIS系统结合，在学院能真正实现图、文、表、管一体化的

综合的高校网络管理信息系统，能够完成复杂的地形图及各种专题

地图的显示、查询、开窗、缩放以及各种管理数据的动态更新、统

计报表等功能，便于各级领导对校园规划建设与学院统一管理进行

直观可视化的管理、分析与决策，同时也便于全院师生查询、检索

所需信息。

系统功能设计

6总结

本文通过对南阳师范学院建立三维数字地图，分析了南阳师范

学院三维数字校园的属性数据，运用三维数字校园属性数据采集方

法对这些数据进行采集，然后计并建立了三维数字校园属性数据库，

并进行优化,结合已有数据及电子地图实现校园的参观，查询等目的,

并以此验证三维数据属性数据的管理，为其他类似项目的实施提供

了参考借鉴。在系统设计与实现的整个过程中还存在着某些不足。如

在采集中删去了某些目前尚不需要的分类数据，将来却有可能为用

户所需要；同时，限于人力、物力等因素的制约，目前所取得的数据

可能存在着某些不确定因素-，仍需作进一步的研究与开发。

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