（计算机科学与技术专业论文）基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略.pdf

i ，, 瓮=一iiiitiniiil5iii7ii5i3ihi19llii 独创性( 或创新性) 声明 。- 、，p ) 了 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名：承奎墨气 本人承担一切相关责任。 日期翌粤芝89 旦 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文注释：本 学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 i v 一 ，弋 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 摘要 三维漫游是市政管网三维可视化系统中一个重要的子系统。它能 够给用户提供较好的三维沉浸感并可以通过三维漫游子系统向用户 动态的展示管网的地理位置空间关系等要素。但是三维漫游子系统往 往需要动态调用数据并进行三维建模，这极大的影响了系统运行的效 率，降低了用户的体验。因此，本文从三维漫游子系统的运行性能角 度出发，针对基于市政管网的三维漫游子系统优化方面的一些关键技 术进行研究和实现，主要包括数据库访问优化、缓冲区和数据预取与 替换策略等。 数据库访问优化技术主要针对三维漫游子系统对数据库的访问 技术进行优化。主要包括：对市政管网可视化系统的信息模型提出优 化和改进方案；针对信息模型建立存储过程和索引；研究数据库连接 池技术并设计针对三维漫游子系统的连接池。 缓冲区技术的研究是为三维漫游子系统的数据进行缓冲处理，把 从数据库获取的相关数据缓冲到速度更快的内存中。研究多级缓冲机 制，并建立针对市政管网三维漫游子系统的缓冲区机制。 数据的预取与替换策略是对缓冲区中的数据块进行预取与替换。 预取策略通过研究用户使用三维漫游子系统的习惯，提出基于概率统 计的预取策略。替换策略研究多种缓冲区数据块替换算法，目的是保 证缓冲区中的数据是最有可能被用户使用的。 最后，在市政管网三维可视化系统中，应用本文研究的优化技术 对原有的三维漫游子系统进行重新设计和实现。结果表明最终的三维 系统的性能得到了有效提高。 关键字市政管网三维漫游性能优化缓冲策略预取策略 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 基于市政管网系统的兰维漫游优化及缓冲策略 t h eo p t i m i z a t l 0 na n db u f f e r i n g s t r a t e g i e s0 n3 dn a v i g a t i o ns y s t e m b a s e du r b a np i p e n e t w o r k a b s t r a c t 一 3 dn a v i g a t i o ns u b s y s t e mi sa ni m p o r t a n ts u b s y s t e mi nt h eu r b a n p i p e n e t w o r k3 dv i s u a l i z a t i o ns y s t e m i tc a ng i v ec u s t o m e r sb e t t e r i m m e r s i o na n dw ec a nd y n a m i c a l l ys h o wt h ei m p o r t a n te l e m e n t ss u c ha s s p a t i a lr e l a t i o n s h i pa n dd e p t hi n f o r m a t i o nt h r o u g ht h e3 dn a v i g a t i o n s u b s y s t e m b u ti tn e e d sa c q u i r ed a t af r o mt h ed a t a b a s ea n dm o d e lt h e3 d m o d e l sf r e q u e n t l y i tt a k e sal o to ft i m ea n dh a sag r e a ti m p a c to nt h e s y s t e m se f f i c i e n c ya n dr e d u c i n gt h eu s e r se x p e r i e n c e t h e r e f o r e ，t h i s p a p e rf o c u so nt h ep e r f o r m a n c eo f3 dn a v i g a t i o ns u b s y s t e m ，r e s e a r c h e s a n di m p l e m e n t san u m b e ro ft h eo p t i m i z a t i o nk e y t e c h n o l o g i e sa b o u t3 d n a v i g a t i o ns u b s y s t e m b a s e d u r b a n p i p e n e t w o r k ， i n c l u d i n g t h e o p t i m i z a t i o n o f d a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g y ，b u f f e r s t r a t e g ya n dd a t a p r e d i c t i o na n dr e p l a c e m e n ts t r a t e g i e s ， 一 一一 lh eo p t i m i z a t i o no fd a t a b a s ea c c e s st e c h n o l o g ym a i n l yf o c u s e so n o p t i m i z i n gt h ea c c e s st e c h n o l o g yf r o m3 dn a v i g a t i o nt od a t a b a s e t h e r e a r et h r e ea s p e c t s t h ef i r s t ，w ec a no p t i m i z ea n di m p r o v et h es p a t i a ld a t a m o d e lo fu r b a np i p e n e t w o r kv i s u a l i z a t i o ns y s t e m t h es e c o n d w ec a n s e tu pt h ei n d e x e sa n dp r o c e d u r e sa b o u tt h es p a t i a ld a t am o d e l t h et h i r d r e s e a r c h i n gt h ed a t a b a s ec o n n e c t i o np o o l i n g ，w ed e s i g na n di m p l e m e n t t h ed a t a b a s ec o n n e c t i o np o o l i n gf o r3 d n a v i g a t i o ns y s t e m b u f f e rt e c h n o l o g yi sa i mt ob u f f e rt h e3 dn a v i g a t i o nd a t aw h i c ha r e a c q u i r e df r o md a t a b a s e w r eb u f f e rd a t ai n t ot h em e m o r yw h i c hi sh i g h e r s p e e dt h a n d a t a b a s e w p ea l s or e s e a r c ht h e m u l t i 1 e v e l b u f f e r i n g m e c h a n i s m sa n de s t a b l i s hi tf o rt h e3 d n a v i g a t i o ns u b s y s t e mb a s e d u r b a n p i p e n e t w o r k n ed a t ap r e d i c t i o na n dr e p l a c e m e n ts t r a t e g i e s a r et op r e d i c ta n d v r e p l a c et h ed a t ab l o c ki nt h eb u 虢r w es t u d yt h ec u s t o mo ft h eu s e r s a b o u tt h e3 dn a v i g a t i o ns u b s y s t e ma n dd e s i g nt h ep r e d i c t i o ns t r a t e g i e s b a s e dt h es t a t i s t i c s w ed e s i g nr e p l a c e m e n ts t r a t e g i e si no r d e r t os t o r et h e d a t ab l o c kw h i c hw i l lb eu s e dm o s tl i k e l ya n dr e p l a c et h ed a t ab l o c k w h i c hw i l ln o tb eu s e dm o s tl i k e l y f i n a l l y , t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g na n di m p l e m e n ta b o u tt h en e w 3 dn a v i g a t i o ns u b s y s t e mo nt h eb a s i so ft h e o r i g i n3 dn a v i g a t i o n s u b s y s t e m t h en e ws y s t e ma p p l i e st ot h eo p t i m i z a t i o n t e c h n o l o g y m e n t i o n e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：u r b a n p i p e n e t w o r k ，3 d n a v i g a t i o n ，o p t i m i z a t i o n ， o p t i m i z a t i o n ，p r e d i c t i o ns t r a t e g y v i 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 目录 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 课题的主要研究工作2 1 3 论文结构3 第二章相关理论4 2 1 三维漫游技术4 2 1 1 驾驶漫游4 2 1 2 路径规划技术4 2 1 3 基于目标的技术5 2 1 4 手动操作技术5 2 2 漫游系统对数据库的访问优化技术6 2 2 1p o s t g r e s q l 和p o s t g i s 6 2 2 2 空间信息模型7 2 2 3p o s t g r e s o l 索引8 2 2 4 存储过程8 2 2 5 连接池的使用9 2 3 漫游系统的多线程技术9 2 4 漫游系统的缓冲策略1 0 2 4 1 缓冲区策略1 l 2 4 2 微观缓冲策略1 1 第三章数据库访问优化技术1 3 3 1 信息模型设计与优化1 3 3 1 1 地下管网数据的特点1 3 3 1 2 信息模型设计原则1 4 3 1 3 空间信息模型设计1 4 3 1 4 空间信息模型优化1 9 3 2 数据库访问优化2 2 3 2 1 存储过程2 2 3 2 2 索引2 4 3 2 3 连接池技术2 7 第四章预取与缓冲优化技术3 1 4 1 二级缓冲3 1 4 1 1 数据获取步骤3 l 4 1 2 二级缓冲策略3 2 4 1 3 缓冲区管理3 2 4 2 预取策略的设计3 6 4 2 1 预取策略的算法设计3 6 4 2 2 预取策略的具体算法3 7 4 2 3 预取算法的分析4 0 4 3 替换策略的设计4 0 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 4 3 1 替换策略的算法设计4 1 4 3 2 替换策略的具体算法4 2 4 3 3 替换算法的性能分析4 5 第五章市政管网三维漫游子系统的设计与实现4 7 5 1 三维漫游子系统的需求4 7 5 2 三维漫游子系统的结构4 9 5 3 三维漫游子系统的设计5 2 5 3 1 用户交互设计5 2 5 3 2 场景管理5 3 5 3 3 多线程管理5 4 5 3 4 三维漫游过程管理5 5 5 3 5 类结构及类的功能设计5 8 5 4 三维漫游子系统截图6 0 第六章结束语6 4 6 1 总结6 4 6 2 下一步的工作6 5 参考文献6 6 致谢6 9 攻读学位期间发表的学术论文目录j 7 0 x 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 图表目录 图3 - 1 地下管线拓扑图1 5 图3 - 2 地下管网组织结构图1 5 图3 - 3 三维管件的例子1 6 图3 - 4 管件的层次结构图1 7 图3 - 5 数据模型的结构图1 9 图3 - 6b t r e e 索引管理算法2 5 图3 - 7r - t r e e 管理算法2 6 图3 - 8 连接池访问数据库的流程图2 8 图3 - 9 连接池模型图2 8 图4 - 1 数据获取过程3 2 图4 - 2 二级缓冲策略3 2 图4 - 3 缓冲区管理中的子区域划分3 3 图4 - 4 形成二级缓冲区3 4 图4 - 5 初始状态3 4 图4 - 6 向右移动显示区域3 5 图4 - 7 最终状态3 5 图4 - 8 其他缓冲方式3 6 图4 - 9 预取算法在三维漫游子系统中的流程图3 7 图4 - 1 0 替换算法的流程图4 l 图4 - 1 1c l o c k 替换算法流程图4 5 图5 一l 城市地下管网可视化系统模块结构图4 8 图5 - 2 三维漫游子系统结构图4 9 图5 - 3 预处理阶段流程图5 0 图5 - 4 实时漫游阶段流程图5 1 图5 - 5 生产者消费者多线程模式5 2 图5 - 6 用户操作漫游的控制界面5 3 图5 - 7 用户对坐标轴y 进行平移操作5 3 图5 - 8 用户对坐标轴z 进行平移操作、对坐标轴y 进行旋转操作5 3 图5 - 9 场景管理中的状态转换5 3 图5 - 1 0 多线程管理类5 5 图5 - 1l 初始漫游序列图5 6 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 图5 - 1 2 缓冲策略相关的漫游序列图5 7 图5 - 1 3 预取策略相关的漫游序列图5 8 图5 - 1 4 三维漫游子系统的类结构图5 8 图5 一1 5 三维漫游前系统界面6 l 图5 一1 6 三维漫游中沿x 轴平移6 l 图5 - 1 7 三维漫游中沿y 轴平移6 2 图5 - 1 8 三维漫游中沿z 轴平移6 2 图5 - 1 9 三维漫游中沿z 轴旋转6 3 图5 2 0 三维漫游中沿y 轴旋转6 3 表3 - 1 管段的属性信息1 7 表3 2 三通的属性信息1 8 表3 - 3 进行存储拆分后的表结构2 l 表3 4d b c p 的主要参数2 9 表3 5d b c p 的连接配置参数2 9 表4 - 1 零次顺序模型3 9 表4 - 2 一次顺序模型3 9 表4 3 二次顺序模型3 9 表4 - 4 三次顺序模型3 9 表4 - 5 三种预取算法的定性分析4 0 表4 - 6 先进先出的替换算法4 2 表4 7 后进先出的替换算法4 3 表4 - 8l f u 的替换算法4 3 表4 - 9l r u 的替换算法4 4 表4 - 1 0c l o c k 的替换算法4 4 表4 - 1 l 替换算法的性能比较4 6 x f 。 业1 的主要传输设备和重要的基础设施。随着我国城市的飞速发展，城市原有的 地下管网已无法满足现代化发展的需要，旧的管网的更新、新的管网的设计施工、 新区的管网的规划等都需要准确掌握地下管网的现状。当前，我国城市地下管网 的管理和研究工作总体来看还是相当落后的，很多地区仍以手工方式进行管理。 虽然我国一些发达城市建立了地理信息系统( g i s ) ，但城市管网系统大多停留在 二维的管理基础之上。二维图形可以实现管网的平面显示，实现对管网整体信息 的获取和查看。但是二维图形显示管线缺乏直观性，不能形象反映管线的空间位 置关系。而三维可视化技术恰恰弥补了二维图形的不足，使传统的二维的、静态 的地图表示向三维的、动态的场景表示方向发展。因此，建立三维市政管网系统 具有深刻的现实意义。在这方面国外的技术相对领先，美国各州政府在7 0 年代 就建立起基于地理信息系统的城市地下管线系统；日本在8 0 年代也建设成全国 的管线信息数据库，并利用地理信息系统技术对其进行管理。我国在这方面的工 作相对落后，目前也只是在基础设施较好的城市进行了城市地下综合管线信息系 统开发，实现的都是单一系统、单一城市的小规模的二维管线信息管理系统。 三维漫游子系统是城市综合地下管网的一个重要组成部分。三维漫游子系统 是一个真实空间或假想空间的实时仿真虚拟空间，用户借助必要的装备以自然的 方式在该虚拟空间中漫游( 视觉变换) ，从任意角度对环境中的虚拟对象进行观 察，从而产生亲临其境的感觉，同时也可以对其中的物体进行规划和操作。我们 可以通过地下管网三维漫游子系统更加逼真的展示地下管网的地理位置空间关 系等要素，为市政建设的规划和管理提供支持。三维漫游可以分为驾驶漫游和自 动漫游两种。驾驶漫游是指由用户操作鼠标或者键盘等其他的交互设备，按照自 己的意图来控制漫游位置和方向，其过程类似于驾驶员驾驶车辆行走，因此称之 为驾驶漫游。自动漫游是指系统按照用户输入的条件( 例如，关键点，漫游方向) 由系统进行路径计算，给出结果，并以此为依据进行漫游。 三维漫游方面，目前已经有了很多基于虚拟现实技术的三维漫游系统，这些 系统大多数集中在地上部分，主要面向建筑物如虚拟城市、数字校园等。在这方 面，国外仍然领先于国内，9 0 年代初，美国就已经利用虚拟现实技术，建立了 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 虚拟战场环境。我国从1 9 9 6 年开始，在8 6 3 计划的支持下也建立了类似的虚拟 战场，用户可以用交互方式控制虚拟仿真武器平台在虚拟场景中漫游。 但是三维漫游系统往往需要动态调用数据并进行三维建模，这就极大的影响 了系统运行的效率，降低了用户的体验。因此，从三维漫游系统的运行性能角度 出发，如何进行系统的优化和缓冲预取策略成为漫游系统迫切需要解决的问题。 在漫游系统的优化和缓冲预取策略方面，我国从2 0 0 0 年左右对三维漫游系统开 始了大量的开发和研究工作，并在此基础上针对不同系统进行了性能优化方面的 研究工作。主要集中于对多线程技术、场景数据调度算法，缓冲策略和预取策略 等方面进行研究。 1 2 课题的主要研究工作 通过对基于市政综合地下管网三维漫游子系统的需求进行分析以及对多线 程、连接池、缓冲策略等相关理论和技术的学习，针对漫游优化中的一些关键技 术进行重点研究和实现，主要包括 1 ) 针对市政管网可视化系统的特性，研究针对市政管网可视化系统的信息 模型，并从数据库表结构，属性检索，存储过程等多方面进行数据库方面的优化。 在数据库适配层方面，研究数据库连接池技术，实现数据库与系统的松耦合，增 加数据库连接池以降低建立数据库访问的时间开销。 2 ) 对三维漫游子系统的需求进行分析，研究漫游系统缓冲策略方面的相关 知识，包括多级缓冲、替换策略和预取策略等应用的理论，实现对漫游系统的重 新设计。借鉴现有的体系结构风格设计出符合漫游系统需求的体系结构，对其模 块进行重新设计。 3 ) 在基于市政管网三维漫游子系统设计的基础上，应用相关技术实现对三 维漫游子系统的重新开发实现。实现三维漫游子系统的体系结构及关键模块。 针对以上研究内容，结合城市市政管网信息管理系统及可视化动态管理系 统，本课题取得的成果主要有： 1 ) 在数据库优化技术上，课题研究了现实世界中管网的属性特征，提出了 一整套针对地下综合管网可视化系统的信息模型，并针对三维漫游的特点进行了 数据库表结构的改进。有效提高了三维管件数据的获取速度。 2 ) 在预取与缓冲策略技术上，在研究了相关理论的基础上，提出了多种针 对市政管网三维漫游子系统的预取和缓冲策略，并对不同策略进行了性能分析。 3 ) 在三维漫游子系统设计方面，课题对三维漫游中的相关技术如虚拟世界 管理、缓冲策略、场景调度等进行研究。针对市政管网的特点，在缓冲策略和场 2 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 景调度中都以单元对象为基础实现分层缓冲和多线程调度，以便实现系统交互性 和实时性的最大化。 最后依托于城市市政管网信息管理系统及可视化动态管理系统，实现了上述 关键技术的研究和设计，验证了研究成果和设计方案。 1 3 论文结构 本论文按以下章节进行组织： 第一章是绪论部分，简要介绍了本文的研究背景，总结了本文的主要研究内 容和研究成果，并给出了全文的组织结构。 第二章对课题相关的基础理论知识和技术进行简单介绍，包括针对城市综合 地下管网可视化系统的信息模型及针对数据库的访问技术，包括连接池、索引与 存储过程等。另一方面介绍了目前针对漫游系统的预取与缓冲策略的研究进展。 第三章研究了基于市政管网三维漫游子系统的数据库访问优化技术。首先对 城市综合管网可视化系统的信息模型提出优化和改进方案，并建立存储过程和索乏 引。最后，基于数据库连接池技术，设计针对三维漫游子系统的连接池。 第四章研究了三维漫游子系统数据的预取与缓冲策略。缓冲策略主要包括多 级数据缓冲策略与缓冲替换策略。预取策略研究用户使用习惯，并提出基于概率 统计的预取策略。 第五章，结合了第二章相关理论的研究进展以及第三、四章提出的针对市政。 综合地下管网三维漫游子系统的优化理论，对三维漫游子系统进行重新设计。并毒 对部分关键模块给出详细设计与实现。 第六章是结束语，总结了全文的主要内容，并指出了该课题的下一步研究方 向。 3 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 第二章相关理论 弟一早t 日大埋下匕 要想对三维漫游子系统进行优化，就要充分了解三维漫游子系统的相关技 术。因而在本章中我们首先对三维漫游相关技术进行简单的介绍。然后，本章针 对漫游系统对数据库的访问优化技术和漫游系统的多线程技术以及漫游系统的 缓冲策略进行介绍，以便为后续研究奠定理论基础。 2 1 三维漫游技术 三维漫游，是虚拟现实技术的重要应用，实现了对三维景观的数字化和虚拟 化，它将真实的场景在屏幕上显示出来【l l 。漫游系统包括一个逼真的视、听、触 觉一体化的特定范围的虚拟环境，它是一个真实空间或假想空间的实时仿真虚拟 空间，用户借助必要的装备以自然的方式在该虚拟空间中漫游( 视觉变换) ，从 任意角度对环境中的虚拟对象进行观察，从而产生亲临其境的感觉，同时也可以 对其中的物体进行规划和操作1 2 , 3 。 下面将简单介绍用于实现的具体漫游技术。 2 1 1 驾驶漫游 基于s t e e r i n g ( 驾驶) 的应用是最常用的一种漫游技术，和现实中一样，用户需 要连续地控制视点方向。控制矢量的来源可以是眼睛注视的方向，用户手指的方 向也可以是身体面对的方向，甚至用户可以手持相机实现六自由度连续控制。在 驾驶漫游技术中有一种手持相机技术，它是一种第三人称的漫游技术，用户置身 于虚拟场景之外用六自由度的输入设备直接控制相机的变换，这种技术经常用在 桌面环境下，但是由于场景是按第一人称生成的，用户需要在这两种视点之间进 行认知转换，一定程度上会增加用户的认知负担。 2 1 2 路径规划技术 基于路径规划的技术首先让用户勾画好相机的移动路径，然后系统自动执 行。这种技术非常适合于漫游过程中进行其它任务的操作，如信息搜集等。根据 路径生成方法的不同，可以分为以下几种： 1 、绘制路径 4 一 产 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 绘制路径是基于笔输入的一种漫游技术。在桌面环境下，一个连续的点击被 投射到地面或者漫游平面上，视点的方向由这条路径上的切线决定，视点的高度 也增加地面跟踪的限制。这种技术的关键是一个智能投射算法，无论与当前点击 相交的是哪个对象，都能自动地计算为地面上的点并且要保持路径的连续性。在 沉浸式虚拟环境下，绘制路径技术往往和地图结合，用户在地图上画出路径。 2 、路径标记 路径规划技术中视点的所有位置和视点方向都由用户决定，如果用户仅仅关 心路径上的关键点，则可以使用基于离散点列的路径漫游技术。在用户指定了若 干个离散点后，由系统进行拟合生成路径，离散点的多少决定着用户的控制程度。 这种技术的缺点是不能及时给用户提供最终路径的反馈，用户无法在开始漫游前 预见到漫游效果。 3 、操纵用户化身 该技术除了便于操纵对象外，还可以用于化身的操纵，从而间接地让系统从 化身的起始点和终点之间生成漫游路径。由于化身同时代表了相机的位置和方 位，因此这种方式可以实现视线方向和漫游方向的同时控制。但是化身只能沿着 地面行走，这使它不适于飞行等漫游技术。 2 1 3 基于目标的技术 在有些漫游任务中，用户的目标仅仅是移动到某个位置，而不在乎移动过程， 使用基于目标的漫游技术可以满足这种需求。但是，由于视点的突变会给用户带 来晕眩而丧失空间感，因此还是需要提供一个连续的变换过程。地图是这种技术 中常用的一个指点工具，用户只要在地图中指定目标点即可。除此之外，漫游的 目标点也可能是场景中的一个对象，指定这个对象作为目标点将会用到指点选择 技术。这种情况下，指点技术是为漫游技术服务的，因此这种漫游技术也被称之 为交叉任务技术。 除了用地图作为指点工具之外，在系统中存储感兴趣的视点位置也经常使 用。如在一个虚拟博物馆的场景中，用户在仔细浏览墙上的对象之后，发出一个 “复原 的离散事件回复到漫游前的位置，继续浏览整个场景以便搜寻下一个仔 细浏览的目标。 2 1 4 手动操作技术 这种方法对于需要对象操纵和漫游技术频繁切换的场合尤其适用，如在一个 家居布局系统中，用户在操纵对象的同时需要不停的变换视点观察布局效果，基 s 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 于不同隐喻的操纵和漫游技术容易增加用户的认知负担。而直接利用系统中的对 象操纵技术来操纵视点将会使用户感到自然的多 2 2 漫游系统对数据库的访问优化技术 2 2 1p o s t g r e s q l 和p o s t g i s p o s t g r e s q l 可以说是最富特色的自由数据库管理系统，甚至我们也可以说是 最强大的自由软件数据库管理系统。事实上，p o s t g r e s q l 的特性覆盖了 s q l 2 s q l 9 2 和s q l 3 s q 【广9 9 ，首先，它包括了可以说是目前世界上最丰富的 数据类型的支持，其中有些数据类型可以说连商业数据库都不具备，比如i p 类 型和几何类型等；其次，p o s t g r e s q l 是全功能的自由软件数据库，很长时间以 来，p o s t g r e s q l 是唯一支持事务、子查询、多版本并行控制系统、数据完整性 检查等特性的唯一的一种自由软件的数据库管理系统。最后，p o s t g r e s q l 拥有 一支非常活跃的开发队伍，目前的提交人员已经超过三十人，而且在许多黑客 的努力下，p o s t g r e s q l 的质量日益提高，也从另外一个侧面上增加了人们使用 p o s t g r e s q l 的信心。p o s t g r e s q l 有以下几点优势【4 乱 1 ) 支持b s d 开源协议。其他关系型数据库系统支持g p l 协议或是专有。 2 ) 支持大部分s q l ：2 0 0 3 标准并且提供了许多其他现代特性：复杂查询、外 键、触发器、视图、事务完整性、多版本并发控制。 3 ) p o s t g r e s q l 可以用许多方法扩展，比如，通过增加新的z 数据类型、函数、 操作符、聚集函数、索引方法、过程语言。 4 ) 因为许可证的灵活，任何人都可以以任何目的免费使用、修改和分发 p o s t g r e s o j , 不管是私用、商用还是学术研究使用。 5 ) p o s t g r e s o l 支持w i n d o w s 、m a co s 、xl i n u x 、b s du n i x 这些操作系统。 6 ) p o s t g r e s q l 对接口的支持也是非常丰富的，几乎支持所有类型的数据库客 户端接口。 但是p o s t g r e s o j 也有一些潜在的不足，主要有以下两点f 5 j ： 1 ) p o s t g r e s o j 过于学院味，它的目的是数据库研究，因此不论在稳定性，性 能还是使用方便方面，长期以来一直没有得到重视。 2 ) p o s t g r e s q l 还欠缺一些比较高端的数据库管理系统需要的特性，比如联 机热备份，数据库集群，更优良的管理工具和更加自动化的系统优化功能等提高 数据库性能的机制等。 城市市政管网可视化系统正是建立在p o s t g r e s q l 数据库上的。为了更好的处 6 f 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 理空间数据，我们使用t p o s t g r e s q l 的一个扩展组件p o s t g i s 。它在对象关系型数 据库p o s t g r e s q l 上增加了存储管理空间数据的能力。p o s t g i s 最大的特点是符合并 且实现了o p e ng i s 的一些规范，是最著名的开源g i s 数据库。它很好的支持了对 于空间数据的存储要求。p o s t g i s 有如下特性【6 】： 1 ) p o s t g i s 支持所有的空间数据类型，这些类型包括：点( p o i n t ) 、线 ( l i n e s t r i n g ) 、多边形( p o l y g o n ) 、多点( m u l t i p o i n t ) 、多线( m u l t i l i n e s t r i n g ) 、 多多边形( m u l t i p o l y g o n ) 和集合对象集( g e o m e t r y c o l l e c t i o n ) 等。 2 ) p o s t g i s 支持所有的数据存取和构造方法，如g e o m f r o m t e x t 0 、a s b i n a r y o ， 以及g e o m e t r y n o 等。 3 ) p o s t g i s 提供简单的空间分析函数( 如a r e a 和l e n g t h ) 同时也提供其他一 些具有复杂分析功能的函数，比如d i s t a n c e 。 4 ) p o s t g i s 提供了对于元数据的支持，如g e o m e t r y _ c o l u m n s 和 s p a t i a lr e fs y s ，同时，p o s t g i s 也提供了相应的支持函数， 如 a d d g e o m e t r y c o l u m n o 和d r o p g e o m e t r y c o l u m n 0 。 5 ) p o s t g i s 提供了一系列的二元谓词( j z i c o n t a i n s 、w i t h i n 、o v e r l a p s 和器j t o u c h e s ) 用于检测空间对象之间的空间关系，同时返回布尔值来表征对象之间 符合这个关系。 6 ) p o s t g i s 提供了空间操作符( 如u n i o n 和d i f f e r e n c e ) 用于空间数据操作。比 如，u n i o n 操作符融合多边形之间的边界。两个交迭的多边形通过u n i o n 运算就 会形成一个新的多边形，这个新的多边形的边界为两个多边形中最大边界。 奄j 2 2 2 空间信息模型 在空间信息模型的研究方面，由于地理空间的复杂性，多种数据模型并存。 根据吴立新等人提出的方案【7 l ，国内外在三维g i s 中应用的数据模型大致可分为3 类。 第一类基于矢量结构的数据模型( 面结构模型) ，如格网结构、规则三角形 格网( t i n ) 、边界表示( b r ) 和参数函数。 第二类基于栅格结构的数据模型( 体结构模型) ，如三维栅格叉树( o c t r e e ) 、 实体结构几何法( c s g ) 、四面体格网( t e n ) 等。 第三类是前两类的集成，即混合结构数据模型【8 l 。这些数据模型侧重于三维 空间表面和建筑物的建模，对于地下管网并不适用睁1 7 1 。 本文借鉴实体结构几何法模型并根据地下管网拓扑特点提出专门针对地下 管网可视化的数据模型，支撑系统的三维建模和地下管网的可视化展示，并根据 市政管网三维漫游子系统的特点进行优化。 7 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 2 2 3p o s t g r e s q l 索引 索引是数据库中的一个重要对象，它包含表中所选定字段信息的对象，这些 信息以某种规律排序，有一个指定指针指向存放实际数据的记录。用索引可以加 快读写表中信息的速度。p o s t g r e s o ! l 索引具有以下特征1 1 8 l ： 1 ) 索引是有序的。p o s t g r e s o ! l 索引中的所有数据都已经排好序的。 2 ) 索引可以保证数据的唯一性。用户可以建立两种类型的索引：唯一性索 引( u n i q u ei n d e x ) 、非唯一性索引( n o u n i o , u ei n d e x ) 。唯一性索引不允许有 数据的重复，即要保证数据的唯一性；而非唯一性索引则允许有数据的重复。 3 ) 多列比一列好。p o s t g r e s o l 允许建立复合索引，这种索引是针对多个表的 多列的。 4 ) w h e r e 子句与索引。p o s t g r e s o , l 根据用户在w h e r e 子旬中的定义找出满足 查询条件的索引项( 如根据一条s o , l 语句中的w h e r e 和a n d 部分指明的表列等 ， 检查可用的索引，选择能提供最快结果的索引。 s ) 使用索引分区。p o s t g r e s o , l 可以按分区键将索引分区( 物理划分) ，即可 按组成索引的同一列划分该索引。分区可以存储在分开的数据库表空间中，这些 数据库表空间都具有各自的存储参数，这样就可以提高搜索速度。 2 2 4 存储过程 存储过程e h s o l 语句和流程控制语句组成。它的功能包括：接受参数、调用 另一过程、返回一个状态值给调用过程或批处理、指示调用成功或失败、返回若 干个状态值给调用过程或批处理，为调用者提供动态结果、在远程s o ls e r v e r 中 运行等。建立数据库存储过程有以下好处【1 9 l ： 1 ) 存储过程是预编译过的，所以存储过程执行速度很快。 2 ) 存储过程和待处理的数据都放在同一台运行s o ls e r v e r 的计算机上，使用 存储过程查询当地的数据，效率自然很高。 3 ) 存储过程一般多e h c l i e n t 端通过存储过程的名字进行调用，减少了网络传 输量，加快系统速度。 4 ) 存储过程还有着如同c 语言子函数那样的被调用和返回值的方便特性。 由于查询优化的s o l 语句格式上比较统一，我们可以采用存储过程对其进行 编辑，在以后的数据库查询中只需要调用存储过程名和传递参数 8 基于市政管网系统的三维漫游优化及缓冲策略 2 2 5 连接池的使用 连接池是创建和管理一个连接的缓冲池的技术，连接池的核心思想就是对数 据库的连接复用，这个缓冲池中包含许多条对数据库的连接。具体表现为：建立 一整套的连接使用、配给、管理策略，当系统需要对数据库操作时，它从池中请 求一个空闲的连接。当系统使用完了这个连接，将它返回到连接池中。这样的连 接使用起来更安全，更可靠，效率也会更高，弥补了连接的繁琐和关闭的时间这 个缺陷 2 0 l 。 连接池主要由三部分组成：连接池的建立、连接池中连接的使用管理和连接 池的关闭。 建立连接池的过程是一个静态过程。它指的是系统在初始状态开始，连接就 已经准备好，而且是不容人为的随便关闭的。j a v a 本身有很多容器类可以建立和 保存连接，很大程度上方便了连接池的建立。在容器中读取文件的属性可以很方 便的与数据库进行一对一的连接。 连接池的核心是管理策略。管理策略起着非常重要的作用，对连接池的管理 直接影响着连接池内的分配和释放，以及系统的性能。连接池内资源的合理配置 和释放能使链接复用，大大缩短了系统建立新连接的时间，提高了效率。 一般的连接池管理策略是：用户在请求数据库链接时，首要的是看看有没有 空闲连接。若存在，就要把连接分配给客户然后做相应的处理。如果没有空闲连 接，则查看当前所开的连接数是不是已经达到最大连接数，如果没达到就重新创 建一个连接给请求的客户；如果达到就按设定的最长等待时间，使请求等待，如 果超过了最长等待时间后仍没有空闲连接，就抛出无空闲连接的异常给用户。 当应用程序退出时，应关闭连接池，此时应把在连接池建立时向数据库申请的 连接对象统一归还给数据库。 在三维漫游子系统中，由于地理数据量庞大，系统需要不断访问数据库获取 相关区域的数据，系统在建立数据库连接时开销巨大，而连接池技术恰恰有效的 降低了系统与数据库建立连接时的时