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市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 摘要 随着信息技术的发展和市政管网建设的规模扩大，很多管网建设 单位都建设了自己的市政管网管理系统来提高自己的效率，由于设计 施工单位众多，且地域上相互重叠，导致很多单位知道自己单位埋设 的管线，而不了解其他具体情况，从而导致误施工，破坏市政管网设 施。且已有的系统多是二维系统，不能满足现在用户对系统的需求。 因此需要建立一个统一的三维可视化的市政管网管理系统来解决上 述问题。 本文以建立一个三维可视化的市政管网管理系统为目标，展开了 对地理信息系统，市政管网理论研究、对a r c g i s ，j a v a 3 d 技术的实 践和管件库方案的设计。首先，介绍了相关的理论和技术，包括地理 信息系统的理论和发展，a r c g i s 开发相关技术，j a v a 3 d 的理论和概 念以及实现三维场景的思想，空间数据库的理论及p o s t g i s 技术的介 绍。然后对市政管网管理系统的可视化进行了需求分析和分析了建设 三维可视化市政管网系统的实践难点。并提出了解决理论难点的方 案。接着，对解决方案的体系结构，市政管网可视化的框架和信息模 型进行了设计。最后，阐述了系统的各模块的设计与实现方法和实现 难点。鹰眼图的设计与实现，各类专题图的设计，并对三维技术相关 的管件库的设计与实现和调用管件库的三维展示设计实现。 关键词：市政管网管件库可视化三维鹰眼图专题图 北京邮电大学硕士论文 。 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 d e s i g na n di 口l e 正n t a t i o no f 1 h re e d i m e n s i o n a lv i s u a l f ij n i c i p a lp i p e n e t w o r km 已气n a g e m 匝n ts y s t e mm o d e l a bs 1 c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dm u n i c i p a l p i p e n e t w o r ke x p a n d i n g ， m a n ym u n i c i p a ld e p a r t m e n t sh a v eb u i l dt h e i ro w n m u n i c i p a lp i p en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mt oi n c r e a s et h e i re f f i c i e n c y a st h e r ea r e m a n ym u n i c i p a ld e p a r t m e n t s 。a n d t h e g e o g r a p h i c a l s u p e r p o s i t i o n s ，al o to fd e p a r t m e n t sa r ea w a r eo ft h e i ro w nd e p a r t m e n t s p i p en e t w o r k ， w i t h o u tu n d e r s t a n d i n go t h e rd e p a r t m e n t s s p e c i f i c s i t u a t i o n s t h e yh a v em a d em a n ym i s t a k e sa n dal o to f t h em u n i c i p a lp i p e n e t w o r k sw e r ed e s t r o y e d a n dal o to ft h ee x i s t i n gm a n a g e m e n ts y s t e m s a r et w o d i m e n s i o n a l ，a n dn o wt 1 1 e ya r eu n a b l et om e e tt h eu s e r s d e m a n d s h e n c eat h r e e - d i m e n s i o n a lv i s u a lm u n i c i p a lp i p en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e mn e e dt ob ei s s u e d i nt h i s p a p e r , t h eg o a li s t ob u i l dat h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l m u n i c i p a lp i p en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e mm o d e l ，l a u n c h e dr e s e a r c ho n g e o g r a p h i c i n f o r m a t i o n s y s t e m a n d m u n i c i p a lp i p e n e t w o r k t h e o r e t i c s ，a r c g i s ，j a v a 3 dt e c h n i ca n dt h ep r a c t i c eo nt h ep r o g r a md e s i g n f i r s to fa l l ，t h ea u t h o rd e s c r i b e dt h et h e o r ya n dr e l a t e dt e c h n o l o g i e s ， i n c l u d i n gg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e mt h e o r ya n dd e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g yr e l a t e dt ot h ed e v e l o p m e n to fa r c g i s ，j a v a 3 dt e c h n i c ，t h e c o n c e p t sa n di d e a st oi m p l e m e n tt h et h r e e d i m e n s i o n a ls c e n e s ，s p a t i a l d a t a b a s et h e o r ya n dp o s t g i st e c h n i c a lp r e s e n t a t i o n s t h e nt h ea u t h o rd i d t h en e e d sa n a l y s i so ft h em u n i c i p a lp i p en e t w o r km a n a g e m e n ts y s t e m s v i s u a l i z a t i o na n di n t r o d u c e dt h ed i f f i c u l t yo fb u i l d i n gt h r e e - d i m e n s i o n a l v i s u a lm u n i c i p a lp i p en e t w o r ks y s t e mo np r a c t i c e a n dt h ea u t h o rg a v e t h es o l u t i o nt ot h ea c a d e m i cd i f f i c u l t y t h e n ，t h ea u t h o rd e s i g n e dt h e s o l u t i o n sa r c h i t e c t u r e ，t h ef r a m e w o r ko ft h em u n i c i p a lp i p en e t w o r k m a n a g e m e n ts y s t e m sv i s u a l i z a t i o na n di n f o r m a t i o nm o d e l f i n a l l y ，t h e a u t h o re x p a t i a t e do nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es y s t e m sm a i n 北京邮电大学硕士论文 m o d u l e sa n dt h ed i f f i c u l t ya n dd e s c r i b e dt h ed e s i g na n di m p l e m e n to f e a g l ee y em a p ，t h ed e s i g no fv a r i o u st y p e so ft h e m a t i cm a p sa n dt h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a lp i p el i b r a r ya n dd i s p l a y t h et h r e e d i m e n s i o n a lp i p en e t w o r k s k e y w o r d s ：m u n i c i p a lp i p en e t w o r kp i p el i b r a r yv i s u a l i z a t i o n t h r e ed i m e n s i o n a l e a g l ee y em a p t h e m a t i cm a p i i i 北京邮电大学硕士论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名： j 薹l 金跹 日期：2 1 ：墨：三：翌 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一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： e t 期：垄互2 窒：三：12 日期：坐业单一 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 1 1 背景 第一章绪论 城市地下管线包括给水、排水、燃气、热力、电信、电力、工业管道等几大 类，它们日夜担负着传递信息和输送能量的工作，是城市赖以生存和发展的物质 基础。 在进行城市规划、设计、施工和管理工作中，如果没有完整准确的地下管线 信息，就会变成“瞎子 ，到处碰壁，寸步难行，甚至造成重大损失。面对大量 的浩繁的地下管线数据，需要采用现代计算机科学与技术建立一个城市信息系 统。现代的g i s 技术非常适宜于解决这个问题。 我国许多城市的管理部门建立了自己的g i s 应用系统，但是各个部门之间 的应用系统由于管理工作流程不同，信息系统相对孤立、实现功能相对简单，引 发数据交换困难等问题，也大多没有实现管网可视化动态管理。随着城市建设速 度的加快，很多图纸资料难以得到适时的更新，给管理带来不便。因此，研究如 何建立一个功能强大，操作简便的城市市政管网海量信息管理系统及可视化动态 管理系统成为迫切需求。 1 2 研究内容 作者本次毕业设计的内容隶属于“城市市政管网规划建设与运营管理关键技 术研究与示范项目中的地下管线可视化系统。本课题为。十一五力国家科技支 撑计划重点项目。 市政管网管理系统包括市政区化空间地理信息子系统，市政管网综合信息服 务平台，市政管网资源基础信息子系统，市政管网动态可视化子系统，市政管网 性能检测信息子系统，市政管网查询与变更子系统。 本文研究的市政管网三维可视化管理系统就属于其中的市政管网动态可视 化子系统，目标是建立一个市政管网管理系统的可视化功能的模型，用二维可视 化和三维可视化相结合的方式满足用户对三维可视化的需求，从而实现对市政管 网管理系统的可视化的研究。 本论文的研究和开发工作主要有以下几个方面： 1 对地理信息系统，空间数据库p o s t g i s ，j a v a 3 d ，a r c g i s 等理论和技术进 北京邮电大学硕士论文 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 行研究，为建立一个市政管网可视化管理系统做足准备。 2 分析研究市政管网管理系统的可视化需求，对比已有的市政管网二维可视 化管理系统存在的不足之处和及目前实现三维可视化的技术难点。 3 采用a r c g i s 实现二维可视化部分和j a v a 3 d 实现三维可视化部分相结合的 可视化技术解决方案是本文提出的创新点。 4 采用p o s t g i s 作为承载a r c g i s 和j a v a 3 d 管件库数据的空间数据库，并设 计出二维和三维相结合的空间数据信息模型。 5 实现市政管网三维可视化管理系统模型，并对该系统模型进行测试。 1 3 论文结构 第一章完成对选题背景的介绍，并对研究内容和论文结构进行说明。 第二章介绍了相关的理论和技术，包括地理信息系统的理论和发展，a r c g i s 开发相关技术，j a v a 3 d 的理论和概念以及实现三维场景的思想，空间数据库的 理论及p o s t g i s 技术的介绍。 第三章对市政管网管理系统的可视化需求进行分析和指出市政管网管理系 统的三维可视化实践难点。 第四章对市政管网管理系统的可视化体系结构进行了介绍，并对二维可视化 和三维可视化从框架上做出区分。设计了m v c 思想的市政管网管理系统三维可 视化的框架。 第五章阐述了市政管网可视化管理系统的各功能模块的设计与实现方法。首 先说明了基本g i s 功能的设计与实现，鹰眼图的设计与实现，五类专题图的设计， 然后是三维技术相关的管件库的设计与实现和三维可视化关键技术实现。 第六章结束语，总结本论文内容，并对现有研究成果存在的问题提出了改进 意见，指出了继续研究和开发的方向。 2 北京邮电大学硕寸：论文 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 第二章相关理论与技术介绍 2 1 地理信息系统 g i s 的全称是g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ，即地理信息系统【l 】。 地理信息系统是以地理空间数据库为基础，在计算机软硬件的支持下，运用 系统工程和信息科学的理论，科学管理和综合分析具有空间内涵的地理数据，以 提供管理、决策等所需信息的技术系统。简单的说，地理信息系统就是综合处理 和分析地理空间数据的一种技术系统【2 1 。 简单的说，g i s 系统将描述位置( 地方) 的信息结合在一起，通过这些信息 可以使你更好地认识这个位置( 地方) 。你可以按照需要选择使用哪些层信息， 比如找一个更好的地段设立店铺、分析环境危害、通过综合城市中相同的犯罪， 发现犯罪类型等等。 g i s 系统是将描述“在什么地方的信息与描述“这是什么力的信息相链接 的制图软件。与画在纸上的地图不同，g i s 是“所见即所得 的，一个g i s 地图 关联许多不同的层信息。 幅画在纸上的地图，你所能做的操作就是打开它。这时候展现在你面前的 是关于城市、道路、山峦、河流、铁道和行政区划的一些表现。城市在这些地图 上只能用一个点或一个圈表示、道路是一条黑线、山峰是一个很小的三角、而湖 泊则是一个蓝色的块。 同纸质地图一样，g i s 产生的数字地图也是用象素或点表示诸如城市这样的 信息，用线表示道路这样的信息、小块表示湖泊等信息。但是不同的是，这些信 息都来自数据库，并且只在用户选择显示它们的时候才被显示。数据库中存储着 诸如这个点的位置、道路的长度、甚至湖泊的面积等信息。 用g i s 技术绘制地图比用传统的手工操作或自动制图工具更加灵活。一个 g i s 系统从数据库中提取数据创建地图。现有的纸质地图也同样可以数字化并转 化进g i s 系统。 基于g i s 的绘图数据库可以是连续的，也可以以任意比例尺显示。也就是说 可以生产以任意地段为中心，任意比例尺的地图产品，并且可以有效地选择各种 符号高亮显示某些特征。只要拥有数据，地图可以用任意比例尺创建很多次。 用直观的方式了解数据会对人认识事务之间的关系和最终得出结论产生非 常大的影响。g i s 为人们将事实以更清晰、更引人注目的方式展示，提供了一个 北京邮电大学硕士论文 3 市政管网三维可视化管理系统模型的设升与实现 编辑和制图工具。 2 1 1g ls 系统组成 g i s 系统一般由以下四大部分组成： ( 1 ) 硬件 g i s 的硬件是一组电子设备。它通常包括中央处理器( c p u ) 、磁盘存储器、 显示器、绘图仪、数字化仪和扫描仪等。其中，中央处理器用来处理数据，磁盘 存储器用来存储数据和程序，数字化仪和扫描仪用来输入数据，显示器和绘图仪 用来显示与输出数据。 ( 2 ) 软件 g i s 的软件是一个含若干程序模块的软件包。它主要包括数据输入和格式转 换模块、数据编辑模块、数据管理模块、数据操作模块以及数据显示和输出模块 等。其中，数据输入和转换模块负责空间数据及属性数据的输入，实现不同的 g i s 数据格式之间的互为转换：数据编辑模块负责建立空间数据的拓扑关系，实 现空间数据和属性数据的关联，完成数据的增加、删除和修改：数据管理模块负 责数据库的定义、建立、访问和维护；数据操作模块负责对空间数据进行放大、 缩小和漫游操作，对空间数据及属性数据进行双向查询，对空间数据进行缓冲区 分析、叠加分析及网络分析等：数据显示和输出模块负责显示或输出地形图、专 题图、文档与表格。 ( 3 ) 数据 g i s 的数据是和空间地理要素相关的数据。g i s 数据按类型可分为空间数据 和属性数据。其中空间数据通常为几何图形或图像数据，属性数据通常为文档或 表格数据。g i s 数据按内容又可以分为基础数据，如地质、地貌、地形数据：专 题数据，如规划、房地产、交通、环保、公用事业、公安和消防等数据：宏观数 据，如综合统计指标数据。 ( 4 ) 用户 g i s 的用户是使用g i s 的操作者。这些操作者必须受过严格的培训，具有 g i s 的基本概念，熟悉专业的管理业务，具备通用的计算机操作能力，能够在实 际工作中运用g i s 软件来处理管理中的日常事物。 2 1 2g is 最新发展 1 、日趋与计算机信息技术融合 近年来随着计算机软、硬件技术和通信技术的高速发展，g i s 技术也得到了 迅速的发展和更广泛应用，并同趋与主流i t 技术融合，成为信息技术发展的一 4 北京邮电大学硕士论文 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 个新方向。 g i s 发展的动力一方面来自于日益广泛的应用领域对g i s 不断提高的要求； 另一方面，计算机科学的飞速发展为g i s 提供了先进的工具和手段。许多计算机 领域的新技术，如面向对象技术、三维技术、图像处理和人工智能技术都可直接 应用到g i s 中；同时，由于空间技术的迅猛发展，特别是遥感技术的发展，提供 了地球空间环境中不同时相的数据，使g i s 的作用日渐突出，g i s 不断升级并能 提供存储、处理和分析海量地理数据的环境。 组件式g i s 技术的发展，使之可以与其他计算机信息系统无缝集成、跨语言 使用，并提供了无限扩展的数据可视化表达形式。 2 、动态、多源、多维化 最新g i s 技术将逐渐摆脱先前的主要处理静态的、二维的、数字式的地图技 术的约束，而从传统的静态地图、电子地图发展到能对空间信息进行可视化和动 态分析、动态模拟，支持动态的、可视化的、交互的环境来处理、分析、显示多 维和多源地理空间数据。其中，可视化仿真技术，能使人们在三维图形世界中直 接对具有形态的信息进行实时交互操作；虚拟现实技术以三维图形为主，结合网 络、多媒体、立体视觉、新型传感技术，能创造一个让人身临其境的虚拟的数字 地球或数字城市。 先进的对地观测技术、互操作技术、海量数据存储和压缩技术、网络技术、 分布式技术、面向对象技术、空间数据仓库、数据挖掘等技术的发展都为g i s 的发展和创新创造了新的手段。 3 、新一代g i s 技术 随着计算机硬件性能的提高以及面向对象、网络和数据挖掘等主流i t 技术 的发展，在科技部有关部门的倡导下，目前国内学术界又提出了第4 代g i s 技术 的概念。第4 代g i s 技术将主要有如下特点。 支持“数字地球 或“数字城市概念的实现，从二维向多维发展，从静态 数据处理向动态发展，具有时序数据处理能力。 基于网络的分布式数据管理及计算、w e b g i s 和b s 体系结构，用户可以实 现远程空间数据调用、检索、查询、分析，具有联机事务管理( o u 甲) 和联机分析 ( o l a p ) 管理能力。 面向空间实体及其相互关系的数据组织和融合，具有矢量和遥感影像数据互 动等多源数据的装载与融合能力，多尺度比例尺数据无缝融合、互动。 具有统一的海量数据存储、查询和分析处理能力、基于空间数据的数据挖掘 和强大的模型支持能力。具有与其他计算机信息系统的整体集成能力。例如与 m i s 、e r p 、o a 等各种企业信息化系统的无缝集成；微型、嵌入式g i s 与各种 北京邮电大学硕士论文 5 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 掌上终端设备集成，如p d a 、手机、g p s 接收设备等。 具有虚拟现实表达及自适应可视化能力，针对不同的用户出现不同的用户界 面及地图和虚拟现实效果。 2 1 3 组件式g l s 组件的全称为组件对象模型( c o m p o n e n to b j e c tm o d e l ) ，英文缩写为c o m c o m 是微软公司提出的用于开发和支持程序对象组件的框架，是一种以组件为发布单 元的对象模型，它使各软件组件之间可用一种统一的方式进行交互。c o m 由一些 对象和对象的接口组成，接口由一个或多个相关的方法、属性和事件组成。 组件具有以下特点：1 与开发语言无关。因为组件是以二进制形式发布的， 各种程序开发语言均可应用于组件的开发。2 具有特定的结构和功能。每个组件 实现一些特定的功能，这些功能通过组件的对象和接口来调用。3 具有可替换性。 由于组件只是通过接口在程序中调用，因此具有相同接口的组件可以相互替换。 4 内部实现完全封装。c o m 对象是封装好的，用户不需要了解其内部构造，只需 使用接口对其进行操作。 组件化的软件结构思想是把一个应用程序分为若干个模块，每个模块实现特 定的功能，并且模块在功能上具有独立性，这样软件的开发升级可通过修改各个 模块来实现，同时基于组件式开发的软件具有可扩展性和可移植性的特点。具体 来讲，组件作为一段可重复使用的程序代码和数据，它由一个或多个对象组成。 g i s 软件技术体系的发展经历了以下阶段： 1 简单模块g i s ： 2 集成式g i s ： 3 模块化g i s ： 4 核, 5 , g i s ： 5 组件g i s 和网络g i s 。 图2 - 1 描述了以上各阶段的发展顺序。 6 北京邮电大学硕士论文 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 图2 - 1g i s 技术发展顺序图 组件式g i s 技术p 】( c o m g i s ) 是面向对象技术和组件式软件在g i s 软件开发中 的应用。是指基于组件对象平台，以一组具有某种标准通信接口的，允许跨语言 应用的组件提供的g i s 。c o m g i s 技术是一种g i s 软件技术体系，由于c o m 技术有许 多诸如无缝集成、跨语言使用、可重用性等优点，因此c o m g i s 技术已逐渐成为g i s 技术发展的主流。 c o m g i s 有如下特点： 1 无缝集成。应用组件式g i s 技术开发应用系统，只需要实现g i s 自身的功能， 其他功能则由其他组件实现。组件之间的联系则由可视化的通用开发语言( 如 j a v a ，v c ) 实现，通过组件之间的消息传递，组件间互相调用，协同工作，从而 实现了系统组件之间的高效、无缝集成。 2 跨语言使用。组件式g i s 不需专门的二次开发语言，只需实现g i s 的基本 功能函数，按照c o m 标准开发就能被通用语言使用。 3 具有可移植性和可扩展性。采用c o m g i s 技术开发的应用系统，其中的组 件具有相对独立性，可以方便地移植到其他应用系统中，并且系统的组件可以根 据需要不断地扩展，因此非专业用户也能够开发和集成g i s 应用系统。 北京邮电大学硕士论文 7 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 2 2 空间数据库技术 2 2 1 空间数据库理论 理论上空间数据库模型有：混合数据库模型( h y b r i dm o d e l ) 、统一数据模 型( i n t e g r a t e dm o d e l ) 、扩展结构模型( e x t e n d e dm o d e l ) 、面向对象模型 ( o b j e c t - o r i e n t e dm o d e l ) 和时空数据模型( s p a ti a l - t e m p o r a lm o d e l ) 。随 着各种商业数据库的发展，目前在g i s 领域中应用比较成熟的是统一数据模型、 混合数据模型和扩展结构模型【2 】。 混合数据库模型把空间数据和属性数据分开存储：空间数据及其拓扑关系存 放在文件中，属性数据存放在关系数据库中，二者通过唯一的标识符建立联系。 s u p e r m a p 的s d b 和m a p i n f o 的t a b l e 格式采用的都是混合模型。 统一数据模型是一种纯关系数据模型，其空间数据和属性数据都用关系数据 库的二维关系表来存储，使用标准关系连接机制建立空间数据与属性数据的关 联。s u p e r m a ps d x + 和e s r i 的a r c s d e 均采用了统一数据模型。 扩展结构模型采用统一的d b m s 存储几何数据和属性数据，与统一数据模型 不同的是，它在标准的关系数据库上增加几何管理层，也可称为对象一关系模型。 o r a l c es p a t i a l 采用扩展结构模型，作为o r a c l e 管理空间数据的插件，是 o r a c l e 在原有纯关系数据库基础上增加的空间数据管理层。 2 2 2p o s t g is 介绍 1 9 8 6 年，加州大学伯克利分校的m i c h a e ls t o n e b r a k e r 教授领导了p o s t g r e s 的项目，它是p o s t g r e s q l 的前身。随后出现了p o s t g i s ，p o s t g i s 是对象一关系 型数据库系统p o s t g r e s q l 的一个扩展，它的出现让人们开始重视基于数据库管 理系统的空间扩展方式，而且使p o s t g i s 有望成为今后管理空间数据的主流技 术。 由于空间数据具有空间位置、非结构化、空间关系、分类编码、海量数据等 特征，一般的商用数据库管理系统难以满足要求。目前，国内外较为流行的主要 集中在“关系型数据库+ 空间数据引擎 、“扩展对象关系型数据库两方面。 “关系型数据库+ 空间数据引擎 通常是近年来由g i s 厂商研发的一种中 间件解决方案。用户将自己的空间数据交给独立与数据库之外的空间数据引擎， 有空间数据引擎来组织空间数据在关系型数据库种的存储；当用户需要访问数据 的时候，再通知空间数据引擎，有引擎从关系型数据库中取出数据，并转化为客 户可以使用的方式。因此，关系型数据库仅仅是存放空间数据的容器，而空间 8 北京邮电大学硕士论文 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 数据引擎则是空间数据进出该容器的转换通道。这类系统的典型代表有e s r i 的 a r c s d e 和m a p i n f o 的s p a t i a l w a r e 。其优点是，访问速度快，支持通用的关系数 据库管理系统，空间数据按b l o b 存取，可跨数据库平台，与特定g i s 平台结合 紧密，应用灵活。其缺点主要表现为，空间操作和处理无法在数据库内核中实现， 数据模型较为复杂，扩展s q l 比较困难，不易实现数据共享与互操作。 扩展对象关系型数据库管理系统是由数据库厂商研发的管理空间数据一种 解决方案。由于关系型数据库难以管理非结构化数据( 也包括空间数据) ，数据 库厂商借鉴面向对象技术，发展了对象关系型数据库管理系统。 此系统支持抽象的数据类型( a d t ) 及其相关操作的定义；用户利用这种能 力可以增加空间数据类型及相关函数，从而将空间数据类型与函数就从中间件 ( 空间数据引擎) 转移到了数据库管理系统中，客户也不必采用空间数据引擎的 专用接口进行编程，而是使用增加了的空间数据类型和函数的标准扩展型s q l 语 言来操作空间数据。这类支持空间扩展的产品有o r a c l e 的o r a c l es p a t i a l ，i b m 的d b 2s p a t i a le x t e n d e r ， i n f o r m i x 的s p a t i a ld a t a b l a d e 。其优点是，空间 数据的管理与通用数据库系统融为一体，空间数据按对象存取，可在数据库内核 中实现空间操作和处理，扩展s q l 比较方便，较易实现数据共享与互操作。其缺 点主要表现为，实现难度大，压缩数据比较困难，目前的功能和性能与第一类系 统尚存在差距。 目前开源空间信息软件领域最性能优秀的数据库软件当属p o s t g r e s q l 数据 库，而构建在其上的空间对象扩展模块p o s t g i s 则使得其成为一个真正的大型空 间数据库。 2 2 3p o s t g is 技术特性 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 c 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。 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 0 ， 以及g e o m e t r y n 0 等。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 。 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 yc 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 和d r o p g c o m c t r y c o l u m n 。 北京邮电大学硕士论文 9 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 p o s t g i s 提供了一系列的二元谓词( 如c o n t a i n s 、w i t h i n 、o v e r l a p s 和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。 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。 p o s t g i s 还提供了以下功能： 数据库坐标变换 数据库中的几何类型可以通过t r a n s f o r m 函数从一种投影系变换到另一种 投影系中。在o p e n g i s 中的几何类型都将s r i d 作为自身结构的一部分，但不知 什么原因，在0 p e n g i s 的s f s q l 规范中，并没有引入t r a n s f o r m 。 球体长度运算 存储在普通地理坐标系中的集合类型如果不进行坐标变换是无法进行程度 运算的，0 p e n g i s 所提供的坐标变换使得积累类型的程度计算变成可能。 三维的几何类型 s f s q l 规范只是针对二维集合类型。o p e n g i s 提供了对三维集合类型的支持， 具体是利用输入的集合类型维数来决定输出的表现方式。例如，即便所有几何对 象内部都以三维形式存储，纯粹的二维交叉点通常还是以二维的形式返回。此外， 还提供几何对象在不同维度间转换的功能。 空间聚集函数 在数据库中，聚集函数是一个执行某一属性列所有数据操作的函数。比如 s u m 和a v e r a g e ，s u m 是求某一关系属性列的数据总和，a v e r a g e 则是求取某一 关系属性列的数据平均值。与此对应，空间聚集函数也是执行相同的操作，不过 操作的对象是空间数据。例如聚集函数e x t e n t 返回一系列要素中的最大的包裹 矩形框，如“s e l e c te x t e n t ( g e o m ) f r o mr o a d s 这条s q l 语句的执行结果是返 回r o a d s 这个数据表中所有的包裹矩形框。 栅格数据类型 p o s t g i s 通过一种新的数据类型片，提供对于大的栅格数据对象的存储。片 由以下几个部分组成：包裹矩形框、s r i d 、类型和一个字节序列。通过将片的 大小控制在数据库页值( 3 2 x 3 2 ) 以下，使得快速的随即访问变成可能。一般大 的图片也是通过将其切成3 2 x 3 2 像素的片然后再存储在数据库中的。 1 0 北京邮电大学硕士论文 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 2 3j a v a 3 d 技术介绍 2 3 1j a v a 3 d 的模型及概念 j a v a 3 d 是用来开发三维图形和开发基于w e b 的3 d 应用程序( a p p l e t ) 的编程 接口。目前用于开发三维图形软件的3 d a p i ( o p e n g l 、d i r e c t 3 d ) 都是基于摄像机 模型的思想，即通过调整摄像机的参数来控制场景中的显示对象，而j a v a 3 d 则 提出了一种新的基于视平台的视模型和输入设备模型的技术实现方案【4 】，即通过 改变视平台的位置、方向来浏览整个虚拟场景。它不仅提供了建造和操作三维几 何物体的高层构造函数，而且利用这些构造函数还可以建造复杂程度各异的虚拟 场景，这些虚拟场景大到宇宙天体，小到微观粒子。 j a v a 3 d 是j a v a m e d i a a p i s 中的一部分，可广泛地应用于各种平台，而且用 j a v a 3 d a p i 开发的应用程序和基于w e b 的3 d 小应用程序( a p p l a ) ，还可以访问整 个j a v a 类，且可以与i n t e r n e t 很好地集成，即如果在浏览器中安装了j a v a 3 d 的 浏览插件，在网上也可浏览j a v a 3 d 所创建的虚拟场景。j a v a 3 d a p i 还汲取了已 有图形a p i s 的优点，即j a v a 3 d 的底层图形构造函数不仅综合了底层 a p i s ( d i r e c r t 3 d 、o p e n g l ) 最好的绘制思想，而且它的高层图形绘制还综合了基 于场景图的思想，同时，它又引入了一些通用的图形环境所未考虑的新概念( 如 3 d 立体声) ，这样将有助于提高用户在虚拟场景的沉浸感。 2 3 1 1j a v a 3 d 视模型的概念 新的视模型概念 4 ( v i e w m o d e l ) 基二j ：摄像机的视模型是模仿虚拟环境中的摄 像机，而不是虚拟环境中人的“替身”，而且它是通过控制摄像机与视点的相关参 数来控制所显示的场景，但这种方法，在用户物质环境确定某些视参数的系统中 是不合理的，例如在头盔显示器( h m d ) 系统中，h m d 的光学性能就直接确定了 应用程序所显示的视域。由于不同的h m d 有不同的光学特性，因此如果允许终 端用户随意改变光学参数显然是不合理的。这里视参数的值将随终端用户物质环 境的不同而不同，而影响视参数的主要因素有显示器大小、显示器的位置( 戴在 头上，还是放在桌子上1 、三维空间中用户的头部位置、头盔显示器的实际显示 视域、每英寸的显示象素等。由于j a v a 3 d 的视模型直接提供了头部跟踪的功能， 因而使用户产生了真实存在于虚拟环境中的错觉。 j a v a 3 d 不仅提出了新的基于视平台的视模型概念，同时将其推广到包括显 示设备和外围输入设备( 如头部跟踪器等) 的接口支持中，而且新的视模型继承了 j a v a 的“w r i t e o n c e ，v i e w e v e r y w h e r e 本质。这意味着由j a v a 3 d 视模型开发的应用 程序或a p p l e t 可广泛地应用于各种显示环境。这种显示环境可以是标准的计算机 北京邮电大学硕士论文 11 市政管网三维可视化管理系统模型的设计与实现 显示屏、多元显示空间，也可以是头盔显示器。j a v a 3 d 视模型是通过将虚拟环 境和物质环境完全独立的方式来实现上述功能的，且该视模型可将虚拟环境中视 平台的位置、方向和大小，与j a v a 3 d 绘制的与视平台位置、方向相一致的虚拟 场景相区分。一般应用程序控制视平台的位置和方向，而绘制着色系统则依据终 端用户的物质环境以及用户在物质环境中的位置和方向来确定显示场景。 2 3 1 2j a v a 3 d 视模型的组成 j a v a 3 d 视模型由虚拟环境和物质环境两部分组成，其中，虚拟环境由 v i e w p l a t f o r m 对象来表示，它是虚拟对象存在的空间：而物质环境则由v i e w 对象 以及和它相关的对象来表示。这里，v i e w 对象和它的相关对象就描述了用户所 处的显示和操纵输入设备环境。虽然视模型将虚拟环境和物质环境相互独立，但 可通过一一对应关系来建立两种世界之间相互通信的桥梁，这样将使得终端用户 的行为会影响虚拟环境中的对象，同时虚拟环境中的对象行为也会影响终端用户 的视点。 j a v a 3 d 可通过几个对象来定义视模型参数。这些对象包括v i e w 对象及其相 关对象、p h y s i e a l b o d y 对象、c a n v a s 3 d 对象、p h y s i c a l e n v i r o n m e n t 对象、s c r e e r l 3 d 对象。视模型相关的对象作用如下：v i e w p l a t f o r m 用来标志场景图中视点位置的 节点。其父节点则指明了视平台在虚拟环境中的位置、方向和大小。v i e w 用于 指定需要处理场景图的信息。c a n v a s 3 d 定义了j a v a 3 d 绘制图象的窗口，它提供 了c a n v a s 3 d 在s c r e e n 3 d 对象中的大小、形状和位置信息。s c r e e n 3 d 用于描述 显示屏幕的物理属性。p h y s i c a l b o d y 用于封装那些与物质体相关的参视模型的组 成及其相互关系数( 如左、右眼的位置等) 。p h y s i c a l e n v i r o n m e n t 用于封装那些与 物质体环境相关的参数。 虚拟环境中的视平台( v i c w p l a t f o r m ) 鉴于视平台定义了坐标系统，于是虚拟 环境中的原始点和参考点就有了参考坐标系。这里视平台代表与视对象相关的一 个点，并充当确定绘制图象的基础。视平台的父节点确定了视平台在虚拟环境中 的位置和方向。若通过修改与t r a n s f o r m g r o u p 节点相关的t r a n s f o r m 3 d 对象， 就可以在虚拟场景中随意移动视平台。虽然虚拟环境中可以有许多不同的视平 台，但特定的视对象只能与一个视平台相关联，于是在c a n v a s 3 d 对象中所绘制 的场景均来自于一个视平台的视点。这样应用程序就可通过修改视平台的 t r a n s f o r m g r o u p 节点，在虚拟环境中漫游。 2 3 1 3 输入设备模型 j a v a 3 d 除了支持通用的键盘、鼠标输入外，还能给各种不问断的输入设备， 如跟踪设备和操纵杆提供支持。由于不同的跟踪输入设备其工作原理不同，因而 计算机与其交互的方式也不同。为了给不同的输入设备提供支持，j