（地图学与地理信息系统专业论文）三维模型转换引擎及其应用研究.pdf

中文摘要 随着三维建模技术、虚拟现实技术和i n t e r n e t 技术的发展在w e b 环境支持下的分布式 可视化系统结构已经成为三维空间应用系统的发展趋势。三维数据是三维应用的基础，但冈 为缺乏三维模删f i 勺统一表达，三维数据的存鹪 j l 艰与存储格式也是多种多样，从而导致目前 分布在网络空间上大量的三维空间数据在数据存储模型和数据存储格式上都有很大的差异。 为了充分利用现有三维空间数据就必须解决多源三维空间数锯的共享集成问题。尽管三维空 间数据的共享与集成应用是一个技术难点，但数据引擎技术、v r g i s 技术的发展为三维空问 数据的共享和应用提供了新的思路和解决方法。 本文围绕多源三维数据格式共享和转换集成这一主线，在对比成熟二维数据集成方法的 基础上，探讨了多源三维数据集成的研究现状和发展趋势，分析了多源三维数据集成面临的 问题，详细分析了典型多源三维数据的异构性，剖析了目前三维数据转换集成的两种模式， 提出了基于数据转换 l 擎模式的三维数据集成方法和三维数据转换引擎的概念，设计了通用 三维空问数据库和典型三维数据格式的解析模块和导出模块，实现了几种主要三维数据的相 互转换。在此基础上，重点研究了三维数据转换集成的服务问题，探讨了在网络环境f 三维 数据转换集成的可行性及应用，为三维数据共享和集j 兑做出了有益的尝试。 此外，本文还详细阐述了三维数据转换集成过程中涉及的关键技术如三维空间数据库技 术、数据预处理技术，实现了三维数据转换引擎的模型框架及基于w e b 服务的三维数据转换 引荤应用，研究并试验了w e b 环境下的多源三维数据转换集成的技术方法。最后对本文中提 出的方法进行了验证，实验结果表明基于w e b 服务的多源三维数据转换集成应用是可行的， 三维数据转换引擎及其应用框粲是可实现的。 关键词：三维空间数据，三维数据集成，三维数据转抉引擎，空间数据集成与共享。网络服务 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n t e r n e tt e c h n i q u e 、v rt e c h n i q u ea n d3 dm o d e l i n gt e c h n i q u e ，i th a s b e c o m end e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o no f3 dv re n v i r o n m e n t ，a n di tw i l lb ea t r e n df o rs h a r i n g i n t e g r a t i o ns y s t e md e p e n d i n go nw e bs e r v i c e 3 dd a t aa r et h eb a s i so ft h e3 da p p l i c a t i o ns y s t e m ， b u tn o wm o r ea n dm o r e3 ds p a t i a ld a t aa r ep l a c e do ne x t e r n a l l ys e p a r a t e dc o m p u t e r s ，a n da tt h e s a m et i m et h e r ea r eal o to fd i f f e r e n c e si n3 dd a t as t o r em o d e l sa n dd a t as t o r ef i l e s ，s ot h a tt h e q u e s t i o nf o rm u l t i - s o u r c ed a t as h a r i n gs h o u l db er e s o l v e d a l t h o u g hi t sad i f f i c u l tp o i n tf o rs h a r i n g a n di n t e g r a t i n g3 dd a t a , t h ed a t ae n g i n et e c h n i q u ea n dv r g i st e c h n i q u ep r o v i d et h en e wi d e aa n d m e t h o df o rs h a r i n ga n di n t e g r a t i n g3 ds p a t i a ld a t a t h et h e s i se n c i r c l e dt h ef i l e ss h a r i n ga n dc o n v e r s i o no fm u l t i s o u r c e3 dd a t a , r e s e a r c h i n go n t h em u l t i s o u r c e3 dd a t ai n t e g r a t i o nn o w a d a y s s i t u a t i o na n df u r t h e rd e v e l o p m e n t ，b a s e do nt h e2 d s h a r i n gm e t h o d ，a n a l y z e ds e v e r a lm o d e l so f3 dd a t ai n t e g r a t i o n ，a n dr a i s e dt h ef a c i n gp r o b l e mf o r m u l t i s o u r c ed a t ai n t e g r a t i o n t h i st h e s i se l e p h a s i z e dm o r e t h ec o n v e r s i o na n ds h a r i n go f3 d f i l e sa n da n a l y z e dt h ed i f f e r e n c e so f m u l f i s o u r c e3 dd a t aw h i c ha p p e a r e do nt h ei n t e m e lp r o v i d e d t h e3 dd a t ai n t e g r a t i o nm e t h o db a s e do nt h ed a t ac o n v e r s i o nm o d e la n dr a i s e dt h ec o n c e p to f 3 d d a t ac o n v e r s i o ne n g i n e , d e s i g n e dt h eg e n e r a l3 dd a t as p a t i a ld a t a b a s ea n dm a i nd a t aa n a l y s i s c o m p o n e n ta n do u t p u tc o m p o n e n t ，r e a l i z e dt h ei n t e r - c o n v e r s i o no fs o l n em a i n3 dd a t a ，b a s e do n t h a ts t u d i e dm o r eo nt h e3 dd a t ac o n v e r s i o ni n t e g r a t i o nf o rw e bs e r v i c e ，t a l k e di t s p o s s i b i l i t ya n d i t sa p p l i c a t i o no nw e be n v i r o n m e n ts ot h a td o n e s o m et r i e so f t h e3 dd a t ai n t e g r a t i o nf o rl a t e rs t u d y b a s e do nt h a t ，t h i st h e s i si n t r o d u c e dt h ek e yt e c h n i q u ef o ra p p l i c a t i o no f t h ed i v e r s i t y3 dd a t a m u l t i 。s o u r c ei n t e g r a t i o ns u c ha s3 ds p a t i a ld a t a b a s et e c h n i q u e ，d a t ap r e - p r o e e s s i o nt e c h n i q u ea n d d e s i g n e dt h e3 dd a t aa p p l i c a t i o ne n g i n ef r a m ef o rm u l t i s o u r c e3 dd a t ai n t e g r a t i o nv i s u a l i z a t i o n , r e s e a r c h e da n dt d e dt od e s i g nt h et e c h n i c a lm e t h o df o rm u l t i s o u r c e3 dd a t ai n t e g r a t i o n a tl a s t , t h i s t h e s i s sr e s e a r c hr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h em e t h o di sf e a s i b l e ，a n di t sr e l i a b l eo ft h e3 dd a t ae n g i n e a p p l i c a t i o ns y s t e mf r a m e k e yw o r d s ：3 ds p a t i a ld a t a ，3 dd a t ai n t e g r a t i o n ，3 dd a t ac o n v e r s i o ne n g i n e , i n t e g r a t i o n a n ds h a r i n gf o rs p a t i a ld a t a ，w e bs e r v i c e , u 图目录 图1 一lg o o g l ee a r t h 展示图一1 图i - 2 g o o g l ee a c h 服务应_ j 体系图一2 图l 一3s d e 体系结构图6 圈l - 4s i m s 体系结构图，6 圈1 - 5 三维空间数据模型图8 圈1 - 6 三维数据引擎模式图8 图1 _ 7 技术路线图9 图2 - id x f 中l w p o l y l i n e 要素信息1 2 图2 - 2d x f 格式结构图1 3 图2 - 33 d s 数据文件结构图1 5 图2 4v r m l 工作原理图一1 8 图2 - 5 v r m l 节点结构图一1 8 图2 h 6s t l 三角形逼近示俐图1 9 图2 - 7 直接转换模式图2 2 图2 8a u t o c a d 数据转换界面图2 3 图2 - 93 d m a x 数据格式转换图2 4 图2 - 1 0o p e a f l i g h t 数据库层次结构。2 5 图2 ，1 1 文件数据库模式转换图一2 5 图2 1 2 转换引擎模式图2 6 图3 - 1 数据转换引擎整体框架图2 7 图3 - 2 基于对象关系模式的类结构图2 9 图3 - 3 层次关系图3 0 图3 _ 4 层次对象图3 0 图3 - 5 长方体线框图，3 2 图3 - 6 子模型层次图，3 4 图3 7 多源数据解析处理流程图3 6 图3 - 8 解析d x f 文件流程图3 8 图3 - 9d x f 要索信息储存图一3 8 图3 1 03 d s 文件读取流程3 9 图3 - 1 13 d s 文件的要素信息储存图3 9 图3 1 2v r m l 文件解析的具体框架4 0 图3 1 3v r m l 文件的数据库影射4 l 图3 1 4 读三角形数据流程图4 1 图3 ，1 5 重生成d x f 文件流程图4 3 图3 - 1 6 读v r m l 数据读取流程4 4 图3 1 7 生成v r m l 中i n d e x e d f a c e s e t 的流程图“ 图4 i 孔子像数据转换实例4 7 图4 - 2w e b 服务业务流程图4 7 囤4 3v r m l 转换验证框架图4 8 图4 - 4v r m l 转换验证结果4 8 图4 - 5r o o m d x f 在a u t o c a d 中。4 9 图4 - 6 运行结果联调注释图4 9 表目录 表卜1f m e 数据转换表 表卜2 基于表面的三维儿何表示 表1 - 3 基于体的三维几何表示 衷2 - 1d x f 组码对应表 5 表2 - 23 i ) s 数据结构表1 4 表2 33 0 s 物体定义块( o x 4 0 0 0 ) 的子块信息1 5 表2 43 d s 三角形列表块( o x 4 1 0 0 ) 的子块信息1 6 表2 - 53 d s 顶点列表块( o x 4 1 0 0 ) 信息1 6 表2 - 63 d s 面列表块( 0 x 4 1 2 0 ) 信息 1 7 表2 - 73 1 ) s 光源块( 0 x 4 6 0 0 ) 信息1 7 表2 - 83 d s 材质块( o x a f f f ) t c g b 颜色块定义1 7 表 93 t ) s 材质块( o x a f f f ) 2 4 色颜色块 表3 一l 数据库顶点集合描述表3 3 表3 - 2 数据库面集合描述表3 3 表3 3 数据库法线集合描述表3 3 表3 - 4d x f 组码对应表 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成 果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构已 经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了 谢意。 作者签名：殂竭i e 1 期：q 。c 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子 版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文 进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进行 检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解 密后适用本规定。 作者签名：垒垫 日期：垒2 ：s 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 1 1 1 研究的背景 2 0 0 5 年6 月世界著名的搜索引擎公司美国的g o o g l e 提供了三维影像和矢量地图服务软件 g o o g l ee a a h 供免费下载，同时发布了h t t p ：m a p ，g o o g t e c o t l l 网站。二翥邦免费提供卫昂影像 数据查询、矢量地圈搜索、g p s 导航等服务，这立即引起了全世界互联网用户的极大兴趣。 o o o g l ce a r t h 及其a p l 的推出对地理信息应用带来了巨大的霞箍，因为o o o g l e 不仅提供平台 也提供详细的二维地理空间数据和影像数据的优质服务，对于3 8 个美国主要城市g o o g l ee a r t h 还提供了城市三维立体图，而且绝大部分数据都是多源开放获得的。不仅如此，g o o g l ee a r t h 还给我们提供了空问数据集成现成的模式和方法，它给我们的启示是空间应用不仅要关心平 台建设，也要关心空问数据的集成与建设，特别是基于数据的服务和数据的共享发布。其中 关键技术均涉及多源二维三维多源空间数据的共享与集成。2 0 0 7 年g o o g l e 又推出了“数字汉 堡”使德国汉堡成为了第一个被数字化在w e b 上发布的城市，g o o g l ee a c h 的一个三维场景 展示如图1 - 1 所示。 圈1 - 1g o o g l ee a r t h 展示图 由g o o g l e 运行效果来看，g o o g l e 对开放多源二维三维空间数据的支持与集成已经达到了 一个很高的水品，并且在此基础上构建了非常完备的应用及数据服务服务体系，图1 2 描 述了g o o g l ee a r t h 服务应用体系结构。它主要包括： ( 1 ) 强劲的三维浏览引擎和超高速率的数据压缩传输 ( 2 ) 强大的多源二维三维空间数据引擎的支撑 ( 3 ) 提供紧密结合w e b 搜索引擎数据服务 第一章绪论 l 竺翌兰! 竺兰。 强 紧强 大 密劲 空 绝的 臣至于 间 台溯 数 的览 据 w 曲引 臣固一 弓 搜 整 鏊索 引 圈三 坚 图l - 2g o o g l ee a r t h 服务应阁体系图 1 1 。2 多源数据集成及其来源 多源数据集成是指不同数据来源、不同数据格式、不同语义特征的空间数据逻辑上或物 理上的集中。数据集成目的是通过使用各种自动化数据转换工具，把多种来源的数据集成到 本系统中来，成为本系统可以识别的数据形式从而实现数据的共享9 “。多源空间数据的集成 和共享是一种异构的、分布式的数据的有机集成和共享，g o o g l ee a r t h 等软件在多源二维地 理空同数据的麸享与集成方面做得已经比较完善，但多源三维空间数据的集成一直还是个难 点。 多源三维空间数据的产生大致基于以下两个方法：一是利用三维建模软件制作的较规则 的三维数据模型，比如利用计算机辅助设计获得三维建筑物模型和三维动画模型，常用的应 用软件包括应用在建筑物建模领域的a u t o c a d 软件和应用在三维动画领域的3 d m a x 软件等， 但格式各样的建模软件都有自己的格式，这是多源三维数据产生的第一个原因l ”j 。另外利用 虚拟现实技术结合摄影测量技术、三维激光扫描技术进行真实场景的三维建模是获得三维数 据模型的另一个方法1 2 0 】。这种方法有自动化、沉浸程度高、建模速度快、易于实时更新等特 点，特别是对于那些自然物，数字摄影测量和激光扫描技术麓方便快捷地进行数字建模，但 由于各硬件厂商以及其提供的软件都根据自己产品的特点自定义数据格式，三维模型的数据 格式也是五花k f ，这是多源三维数据产生韵另一个原因。 1 1 3 问题的提出 随着网络技术的飞速发展和3 d 技术普及，近年来空间应用系统也已经开始向三维化、网 络化、分布式、多种数据源、多种表现方式等方向发展，三雏信息共享已经成为一种必然的 趋势9 ”。三维数据是三维应用的基础，但因为缺乏三维模型的统一表达，三维数据的存储模 型与存储格式也是多种多样，从而导致分布在网络空间上大量的三维空间数据在数据存储模 型和数据存储格式上都有很大的差异，而目前三维信息分散的、非动态、不兼容的管理现状 2 第一章绪论 已远远不能满足社会广泛的、多元的、科学的、迫切的要求，所以三维数据的共享与集成问 题就显得非常重要。 为了充分利用现有三维数据也必须解决多源三维空问数据的共享集成问题1 。目前网络 存在最多的是大量的三维摸型数据。包括建筑设计模哩、人物造型模型、动画特效模型等。 在组织大规模场景的时候我们往往希望能够重用已存在的三维模氆并把所需的三维模型统一 到个场景中来从而简化藿复编辑的l ：作量，但由于初始编辑一r 具选择的不同，三维模l ! 的 存储模型和数据格式也各不相同。为了实现共享与重用的目标，三维模型数据的转换集成问 题就提出来了。数据格式的转换是统一网络上大量三维模型数据的一种有效方法，但三维数 据的转换并不仅仅局限于三维模型数据，更广义上指的是大量异构的多源三维空间数据共享 与集成。 目前南京师范大学虚拟地理环境教育部重点室拥有近景摄影测量系统、激光扫描测距系 统，并计划与车载导航系统进行集成，形成车载地物目标立面数据采集系统，并将机载数字 摄影测量系统与激光扫描测距系统、车载近景摄影测量系统与激光扫箍铡距系统获取的三维 模型数据结合三维建模软件对多源三维数据进行处理。并对获取数据进行压缩，剖分、离散 化，与g i s ( 地理信息系统) 数据进行融合进行真三维建模和空间分析。由于获取的三维模型 数据多样性，共享和转换集成三维模型数据成为该系统必须解决的问题。 1 1 4 研究的意义 在二维领域空间数据共享集成技术经过多年的研究，己经取得了大量的研究成果，分 别集中于计算机图形学和g i s 领域【“。空问数据的共享集成模式也经历了数据格式转换、数 据互操作、直接数据访翘、无缝集戍等近魍代的发展。对比二维空间数据，因为三维空阊数 据在表达、建模、存储上与二维均有很大的差别，所以三维数据集成的理论和方法都和二维 有很大差异，因此三维数据共享与集成还在理论研究阶段，对其深入的研究是一个难点，也 会是一个热点1 3 4 】 3 6 1 。尽管对比二维空间集成的发展，对三维空间数据共享集成的模式和实现 也只是停留在二维空间数据共享集成的初始阶段，但本文借鉴w e b 的体系结构，研究了基于 数据转换引擎的w e b 三维数据转换集成服务的问题，其本质是依照数据格式转换模式构建的 一种三维数据共享与集成的应用，对其的实现为探索三维空间数据共享与集成打下了一定的 基础并做出了有盏的尝试。 1 2 研究发展现状及存在闯题 1 2 1 二维空问数据共享集成的发展 3 第一章绪论 自从空间信息可以被计算机多样化表达以后，对空间信息的共享与集成的探索就没有停 止过，从二维空间数据的共享和集成的发展看人致可以分为以下几个阶段： 第一阶段：数据格式转换模式阶段 在这种模式下，其他数据格式经专门的数据转换程序进格式转换后复制到当前系统 中的数据库或文件中。这是目前_ 二维g i s 系统数据集成的主要办法i ”l p s t 。许多g i s 软件为了 实现与其他软件交换数据，制定有明码的交换格式，如a r c i n f o 的e 0 0 格式、a r c v i e w 的s h a p e 格式、m a p l n f o 的m i f 格式等，通过交换格式可以实现不同软件之间的数据转换。由于缺乏 对空间对象统一的描述方法，在不同数据格式描述空间对象时采用的数据模型也不同，因而 转换后不能完全、准确地表达原数据的信息，经常会造成一些信息丢失。另外，通过交换格 式转换数据的过程较为复杂，需要首先使用软件a 输出为某种交换格式，然后再使用软件b 从该交换格式输入。些单位同时运行着多个使用不同g i s 软件建立的应用系统。如果数据 需要不断更新，为保证不同系统之问数据的一致性，需要频繁进行数据格式转换l l s l 2 2 1 。 比照二维空阃数据的集成方法。对于三维空间数据的数据格式转换模式有几款成熟的软 件( 将在第二章作详细的介绍) 但基于数据格式转换的三维空间数据集成模式仍然存在二维 数据格式交换过程中的数据信息丢失、交换频繁的问题。 第二阶段：数据互操作模式阶段 数据互操作模式是o p e n g i sc o n s o r t i u m ( o g c ) 制定的规范。o g c 是为了发展开放式地 理数据系统、研究地学空问信息标准化以及处理方法的一个非盈利组织。g i s 互操作是指庄 异构数据库和分布计算的情况下，g i s 用户在相互理解的基础上，能透明地获取所需的信息。 o g c 为数据互操作制定了统一的规范，从而使得一个系统同时支持不同的空间数据格式成为 可能。根据o g c 颁布的规范，可咀把提供数据源的软件称为数据服务器( d a t as e l v e l s ) ，把 使甩数据的软件拣为数据客户( d a t a c l i e n t s ) ，数据客户使豫某神数据的过挥就是发出数据请 求，由数据服务器提供服务的过程，其最终目的是使数据客户能读取任意数据服务器提供的 空间数据。数据互操作为多源数据集成提供了崭新的思路和规范。它将g i s 带入了开放式的 时代，从而为空问数据集中式管理和分布存储与共享提供了操作的依据。o g c 标准将计算机 软件领域的非空间数据处理标准成功地应用到空间数据上。 f l v l e ( f e a t u r em a n i p u l a t ee n g i n e ) s u i t e 是加拿大s a f es o t t w a r e 公司( 成立于1 9 9 3 年) 推出 的用于不同数据格式之问转换的一种方法，该方法基于o p e n g l s 组织提出的新的数据转换理 念“语义转换”，通过提供在转换过程中重新构造数据的功能，实现了超过1 0 0 种不同空间数 据格式( 模型) 之间的相互转换p 4 1 。f m e 数据转换见表1 - 1 。 4 第一章绪论 表卜1f m e 数据转换表 格式转换转换格式转换效果 d g n a r c s d ed g n 一 d w g保证属性信息和图形信息的一致 a r c s d e 。 d g ne 0 0 一 d g n保证转换前后图面内容一致 d g n 一 m a p l u f o d g n - e o o转换不丢失信息 m a p l n f o r - d g n e p s w - d g n 自动进行坐标系转换 m a p l n f o - a r c l n f o d g n e p s w 自动进行投影变换 a r c l n f o - m a p | n f o v i r t u o z o d g n 还可以完成比较复杂的数据处理 此外，利用该系统还可以改善用户已有数据的质量，实现同单位内部或不同单位之间的 不同数据的集中式管理及共享。通过f m e 提供的多源数据访问技术及其提供的多种接口和运 行模式，可以建立多种类型的访问多源空间数据的应用系统，以及提供多种数据格式的数据 分发系统，这可以大大提高对数据的应用减少了人工进行繁杂的数据转换处理工作量。由 于f m es u i t e 在数据转换领域的通用性，它正在逐渐成为业界在各种应用程序之间共享地理 空间数据的事实标准。但f m e 的所有数据转换和数据模型均是针对二维c a d 稷g i b 数器的， 并没有涉及三维领域瞄i 。在三维领域尚没有类似于o p e n g l s 的完整的三维数据标准化描述方 法，所以产品的实现也无从谈起。 第三阶段：直接数据访问模式阶段 在二维g i s 领域，直接数据访问模式是指在一个二维g i s 软件中实现对其他软件数据格 式的直接访问，用户可以使用单个二维g i s 软件存取多种数据格式。直接数据访问不仅避免 了繁的数据转换，而且在一个二维g i s 软件中访问某种软件的数据格式不要求用户拥有该数 据格式的宿主软件，更不需要该软 牛运行。直接数据访阀提供了一神更为经济实用的多源数 据集成模式n 8 l 。 e s r i 最先推出了全薪的空间数据库管理器空间数据库弓l 擎s d e ( s p a t i a ld a t a b a s e e n g i n e ) 用以支持超大型空间数据库管理以及在网络环境中对多用户并发空间数据访问的快速 响应方面的应用。从空问数据管理的角度来看，s d e 可看成是一个连续的空间数据模型，借 助这模型，可将空间数据加入到关系数据库管理系统( r d b m s ) 中去【。s d e 融入r d b m s 后，提供了对空间、非空间数据进行高效率操作的数据库接口，同时，还能获得统一标准的 数据库应用环境及数据安全机制。由于s d e 采用的是客户，服务器( c l i e n t s e r v e r ) 体系结构，大 量用户可同时针对同一数据进行操作。e s r i 公司s d e 的体系结构如图1 - 3 。 第一章绪论 图卜3s d e 体系结构图 直接数据访问模式是解决三维数据共享集成比较理想的方案，在理论上可以做一定探讨， 在本文的1 2 3 节将给出基于商接访问模式的三维数据共享集成发展趋势的描述。 第四阶段：无缝集成模式阶段 2 0 0 0 年宋关福、钟耳顺、刘纪远等人提出多源空间数据无缝集成( s i m s ) 的概念，该技术 具有多格式数据直接访问、格式无关数据集成、位置无关数据集成、多源数据复合分析等特 点，有效地解决了不同格式数据资源的综合利用问题删。s i m s 技术体系是一种紧凑三层结构， 包括：数据消费者( c u s t o m e r ) 、数据代理( a g e n t ) 和数据提供者( p r o v i d e r ) ，每层有明确分 s e ：数据提供者直接访问数据文件或者数据库，并通过数据代理提供给其他模块使用；数据 消费者消费和使用数据的模块，通常负责对数据的各种分析、处理和表现；数据代理是维系 数据消费者和数据提供者之间的纽带，来自提供者的数据通过代理这个中介传递给消费者， 完成一次数据访问( 或者数据消费) ，一次数据消费行为可能产生新的数据( 如：迭加分析产生 的新斟层、缓冲区分忻产生的缓冲区多边形等) ，这些新的数据也是通过代理传递给提供者， 由提供者完成存盘动作，s i m s 体系结构见图1 - 4 。目前这种模式在二维领域还没有基于此种 模式的商业产品出现。 图l - 4s i m s 体系结构圈 6 第一章绪论 1 2 2 三维空间数据集成存在的问题与发展趋势 三维空间数据的集成主要存在数据模型的表达和储存两个方面的问题。由于缺乏统一的 数据模型的描述，数据储存也无法统一。三维数据模型主要分为矢量数据模型和栅格数据模 型p 4 】【”j 。量数据模型具有精确表示目标、数据鼙小、能够描述空闻拓扑关系的能力，两且 图形输出美观，便于一些空间操作和分析，由于几何和拓扑的复杂性使得三维矢量数据模型 成为三维g i s 研究的重点，具有欠量特征的三维数据模型有面片模型、边界表示、n u r b s 样条，三维f d s 、四面体格嗣模型等【2 7 j 。表面的三维儿何表示见表1 2 。 表卜2 基于表面的三维几何表示 表示方法基本元素 应用 面片模型面片( 三角形)d e m 、等高线、可视化 边界模型点、线、面元、体元建筑、规划c a d 工程 n u r b s 样条曲线、曲面建模、地学 三维f d s 节点、弧、边、面城市建模、地质领域 四面体网格 点d e m 、等高线、三维网跟 而基于体的几何表示应用实体信息取代表面信息描述对象的内部联系，因此也称之为实 体模型。基于这类表示方法，可以描述、分析、可视化物体的实体信息。基于体的表示包括 三维阵列、行程模型、针模型、八叉树、结构性实体几何p “。基于体的三维几何表示见表l - 3 。 表卜3 基于体的三维几何表示 表示方法 基本元素 应羽 三维阵列体素中间表示 行程模型体素地质层面的表示 针模型 针 空间分祈、规曰j 、工程 八叉树八分元动态建模 结构性实体几何 体元、面元规划、c a d 、动画、工程 但目前如何表达三维空间还没有绕一的标准4 ”。在矿山，地下水等具体应用领域已经建 立了相关的事实标准，但这些标准在其他领域并没有通用性。由于三维数据在模型和表达上 的不统一，三维数据的存储更无法建立统一的标准，因此三维数据的转换是解决现有三维数 据共享集成的权宜的方法。而三维数据转换的关键是要解决好三维数据转换中几何信息和语 义信息的转换问题1 4 0 l 。三维空间数据模型见图l 咱。 7 第一章绪论 图1 - 5 三维空间数据模型图 三维数据集成的发展趋势就是发展三维数据引擎技术口”，三维引擎本质上就是个中间 件，它隔离了表现层和数据层，故对于表现层而言数据层是透明的，不需要知道数据层是何 存储数据，只要弓 擎能提供准确一致的数据接口，表现屋就能处理请求处理 3 。1 1 3 l j 。三维空间 数据集成发展趋势模式见图l - 6 数据源lk ! 三 雯亘p 维 = 空 维 匿夏卢 闻空 数 间 l 据数 引 据 i 鍪库 两稚 图卜6 三维数据引擎模式图 i 2 3 本文技术路线 本文在基于面模型( 主要是几何信息) 的三维数据模型基础上构建一个基于数据转换引 擎来实现的满足数据交换模式的三维数据集成体系的w e b 应用，从而在一定程度上解决三维 空问数据的共享与集成的问题，也为以后三维数据引擎的发展奠定一定的理论和应用基础。 本文的技术路线如图卜7 所示。 8 第一章绪论 数据源1b 中一 = 维 l 数摇源2 斗一 数 = 。 据维 毫。 解 空 f 敦据源3 = 析间 1 1 导数 ! l ! i 出 据 ! ? i ； 模库 t i 数据源nk 块 w 如共享与服棼：l 三维转按引擎 ： iiit l - 一il i 图卜7 技术路线图 1 3 研究内容与论文组织 1 3 1 研究内容 本文围绕多源三维数据转换集成这一主线，研究了三维数据集成的研究现状和发展趋势， 并在比较二维和三维数据集成的几种模式的在基础上，分析了三维数据集成面临的问题，提 出了三维数据转换引擎的概念。本文重点研究和实现了三维数据格式转换的问题。详细分析 了六种三维数据的异构性，包括3 d m a x 产品的3 d s 格式、a u t o c a d 产品的d x f 格式、3 d s y s t e m 的s t l 数据格式、网络上比较流行的v r m l 格式和自定义的两种g i s 格式，比较分 析了数据转换集成的两种模式，提出了数据转换引擎模式的多源三维数据集成方法，并设计 实现了三维数据转换引擎系统的原形并提出了发展趋势和存在问题，探讨了三维数据转换集 成的可行性及在网络环境下三维数据集成应用，为三维数据共享与集成做出了有益的尝试。 在此基础上，实现了w e b 环境下的多源三维数据转换服务的集成，最后通过对基于w e b 服务的三维数据转换服务的验证，提出种解决当前三维数据共享集成方面存在的某些问题 的方式方法，抛砖引玉，期待引起大家对于这方面的研究。 1 3 2 论文组织 第一章绪论 第一章主要介绍本文研究的背景、意义和问题的由来，分析了现有二维空问数据集成共 享的几个发展阶段，对比了三维空间数据集成与二维空间数据集成的异同，阐述了目前三维 数据集成面临的问题，提出了基于三维数据转换服务的三维数据共享集成的权宜方案，介绍 9 i|!lli 第一章绪论 了比较有代表性的二维商用空间数据转换产品及其技术特征，并对三维数据集成共享的发展 趋势与本文的技术路线进行了描述，在此基础上对本文研究内容与组织进行了安排。 第二章多源三维数据的异构性与转换方法 第二章主要详细介绍了d x f 、3 d s 、v r m l 、s t l 、a s c 、t r i 六种现有三维数据格式的 描述与异构性，重点剖析了d x f 、3 d s 、v r m l 中要素信息的结构，在阐述了三维数据转换 的模式方法，分析比较有代表性的三维商用空间数据转换产品的基础上，提出了数据转换引 擎的概念，为下文三维数据转换引擎的设计与实现奠定了基础。 第三章多源三维数据转换引擎的设计 第三章是本文的重点，给出了三维数据转换引擎的总体掏架，分解了系统的模块结构， 详细阐述了个模块的功能，并对三维图形共享数据库进行了详细设计：对层次数据库进行了 数据定义、层次表示、拓扑信息表示，几何信息表示、辅助信息表示进行了详细描述。实现 了六种数据格式向图形数据库的映射，剖析了六种数据的导入方法和导出方法，并介绍了导 入过程中的关键技术：数据预处理技术。 第四章三维数据转换引擎的实现。 第四章主要介绍了三维数据转换引擎的实现以及提出了转换引擎的两种基于网络的应用 方法，一种是以v r m l 为中间格式的浏览器方式，第二种是基于浏览器场景描述的三维可视 化渲染方式，充分验证了基于w e b 服务的多源三维数据转换集成应用是可行的三维数据引 擎及其应用框架是可实现的。 第五章结论和展望 第五章主要对本文研究进行总结，反思了论文研究工作中的几点不足之处井指出了今后 需要进一步研究的问题。 1 0 第二章多源三维数据的异构傩与转换方法 第二章多源三维数据的异构性与转换方法 由于分布在网络上三维模型数据的多样性，三维数据转换集成的第一步需要了解三维数 据的内部组织和表述方法。各种三维数据格式最初都是为特定的目的而设计的，所以三维 数据格式都有其的优点与缺点，例如a u t o c a d 中d x f 格式的线框模型在建筑设计领域的表 达1 f 常高效；3 d m a x 中的3 d s 格式对曲线曲面的描述在动画设计领域就更胜一筹；v r m l 数据的描述方法特别惩台基于网络的应用；s t l 的网格逼近对机械加工非常有利；而a s c 和 t r i 对基本几何信息的描述又非常简练，对后续数据加工很有帮助。本文下面对d x f 、3 d s 、 v r m l 、s t l 、a s c 、t r l 分别作简要的介绍，作为下一章节中数据转换解析模块设计的基础。 当然分布在网络上的典型的三维数据格式远远不只这六种，在以后的研究中可能会涉及更多。 2 1 典型的三维数据格式分析 2 1 1a u t o c a dd x f 文件 d x f ( d r a w i n ge x c h a n g ef i l e ) 文件是a u t o d e s k 公司推出的用来与外部c a d c a m 进行图 形信息交换的一个接口，是图形信息交换的一种文件格式。d x f 格式适合对点、线、面的再 加工，属线框三维模型格式。因其筒单，易读在工业界d x f 码已经成为了一种事实上的国际 数据接口标准文件。d x f 格式可以是a s c i i 码格式，也可以是二进制格式。由于在实际应 用过程中a s c i i 码d x f 文件比二进制d x f 文件更常用，因此通常情况下所指的d x f 文件为 a s c i i 码格式。完整的d x f 文件应该由七大段( s e c t i o n ) 组成，这些段分别为：h e a d e r 段、 c l a s s e s 段、t a b l e s 段、b l o c k s 段、e n t i t i e s 段、o b j e c t s 段、文件的结束符号( 组 码为0 ，组值为e o f ) 。 表2 - 1d x f 组码对应表 组码用途 0 表示一个事物的开始，如标识圈素实体，表项或文 件头的开始，后随的文字表明具体对象 1 字符型数据的值，如t e x t 的文字串，属性值等 2 事物的名称、属性、特征、图块名等 1 0 主x 坐标( 直线或文字的起点，圆心等) 1 1 1 8 其它x 坐标 2 0 主y 坐标 2 1 2 8 其它y 坐标 3 0主z 坐标 3 1 - 3 6 其它z 坐标 第二蟹多源三维数据的异构性与转换方法 d x f 文件段中所存储的图形元素为组码与其后所带的组值构成。例如：l o 代表x 轴；2 0 代表y 轴；3 0