基于城市形态学和R树的三维模型索引方法技术

本发明专利技术提出一种基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，首先基于城市形态学基本原理，根据道路、水系等自然要素将城市空间进行分块，形成区别于规则网格的自然网格,并对分块内部采用R树对三维模型进行组织。该索引方法充分利用城市形态学索引和R树的优点，不产生索引记录冗余，而且符合人的认知习惯，不仅可以满足三位模型可视化查询的需要，而且可以满足空间聚类的需要。

【技术实现步骤摘要】
基于城市形态学和R树的三维模型索引方法
本专利技术涉及一种地理信息系统，特别是涉及一种基于城市形态学基本原理，依据道路、水系等自然要素将城市空间进行划分，并依据此对三维模型进行组织，从而提出的基于城市形态学和R树的三维模型索引方法。
技术介绍
地理信息系统(GIS)的主要任务之一是空间查询与分析，首先需要对空间地物建立索引，空间索引直接决定着数据存储的效率和检索的速度。到目前为止，国内外关于空间索引结构方面的研究主要集中在网格空间索引、四叉树系列和R-树系列空间索引。对于三维GIS(地理信息系统GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，有时又称为“地学信息系统”)，最常用的将二维空间索引进入三维空间，如将四叉树扩展为八叉树，将R树扩展为3D-R树索引，但是简单的扩充造成三维检索效率低下。对于三维模型的索引，主要有R树、BSP和KD-tree等,每种索引方法都各有特点，并且都能够大幅度提高空间数据库查询效率。空间数据索引方法主要分为两大类：线性空间索引和非线性空间索引。前者主要有HilbertCurve、GrayCode等,后者大都以空间划分为基础,根据划分空间的方式可以区分为基于网格的和基于树的空间索引。基于网格的划分方式主要采用人工网格,代表性有四叉树和八叉树索引，其结构、形式过于固定，缺乏灵活性；基于树的空间索引，则在算法方面较复杂，主要代表有R树。多维空间索引的理论研究最多的是四叉树和R树的多维扩展,针对三维主要就是八叉树和3D-R树。R树是基于B树的扩展树状结构，它是深度平衡的索引结构，根节点到叶节点的深度相同，可以满足多维查询的需要。3D-R树继承了R树的优点，它是动态的数据结构，数据范围随着对象的插入而调整，更具实际的对象分布合理调整属性，对象的索引与叶节点的深度保持一致，索引操作稳定，是最有前途的三维索引之一。例如申请号为CN201010528616.8的国内专利《基于三维R树索引扩展结构的三维城市模型自适应方法》，扩展了三维R树索引结构，定义了多细节层次定义参数，在实时可视化过程中，可以根据当前性能实时修改多细节层次定义参数来定量调整三维城市模型的场景复杂度。传统的R树采用面积准则实现空间聚簇，忽视重叠等因素。R树综合考虑了覆盖面积和重叠面积以及外围周长等因素,实现了较为合理的空间聚簇，但是如何使用覆盖面积和重叠面积还是一个问题。R树扩展到三维之后，节点重叠和节点不均匀问题很突出，使得R树集成LOD模型的实用性很差。多细节层级技术(LOD)对于可视化有着重要的影响，数据索引需要考虑LOD的影响，对三维空间进行格网划分，将格网单元作为R树叶节点构建R树,将中间层节点外围盒作为尺度表达的细节层次。Zlatanova提出另外一种R树索引和LOD结合的途径，聚合地缘和形状相近的地物，并考虑了高程因素。邓红艳、武芳提出了一种用于多尺度表达的R树变形索引结构，允许空间对象出现在非叶结点上，利用树的深度反映空间分辨率的变化，考虑对自动制图综合算法的支持。这些方法都是采用R树的层次特性，实现目标查询和细节查询。朱庆提出全局优化和三维聚类分析的动态三维R树检索方法，满足了单个三维模型的LOD需求。Zhu、Gong提出一种基于K均值算法，采用覆盖体积与重叠体积之和作为分组的综合指标,改进了现有的三维空间聚簇分组和R树插入算法，实现了三维模型的快速调度和可视化。虽然这些方法考虑了各个LOD级的问题，但是还有进一步的研究的空间。主要的问题如下：1)目前的三维模型索引没有考虑模型聚类可视化，群组可视化更注重结构特征；2)索引虽然考虑了三维模型的单个LOD的情形，但是没有考虑城市形态学特征。本专利技术将城市形态学引入三维模型的索引之后，和R树索引结合起来，既能满足三维模型可视化，又能满足查询的需要。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术提供了一种基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，建立一个三维模型多分辨率的索引结构。首先，设计一个抽象的数据模型，既能保存原始的三维模型和纹理，同时也能存储综合聚类之后的三维模型。其次，为了实现三维模型的综合可视化的意象和效果，设计有一个可视化结构，该结构不仅支持模型的实时渲染，而且还支持三维模型综合之后的实时更新。一种基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，包括以下步骤：S1：选取城市一待处理地区，基于城市形态学原理，将自然要素作为该待处理地区三维模型的分块层次依据，构建该待处理地区的区域自然网格，所述自然要素包括道路和水系；S2：利用三维空间数据层次索引方法3DMR对分块数据进行索引编码，通过引入多分辨率的维度，利用树的深度来反映空间数据多尺度表达中的分辨率变化；S3：采用三维模型合并算法，对三维模型进行分块处理；S4：对于块内的三维模型采用R树对三维模型进行组织，从而形成三维多分辨率组织结构，最终形成3DMR树。进一步的，步骤S1中，分块构建的自然网格分为“Urban”、“neigh-bourhood”、“Superblock”、“block”和“enclave”五个层次，使不同层次的分块对应不同的索引，索引的级别根据城市的规模的大小而设定，最大为5级，最小为1级。进一步的，步骤S4中，三维模型在建立3DMR索引时，对于不同的视点位置，对应不同的LOD级别，使三维模型在更新的时候能够找到对应的模型。进一步的，步骤S3中，所述三维模型合并算法是采用模型和纹理分开合并方法，将多个模型合并为一个模型，同时多个纹理也合并为一个纹理。进一步的，步骤S4中，3DMR树的索引示意图中，纵向坐标表示空间分辨率轴，横向坐标表示空间坐标轴。进一步的，步骤S2中，3DMR索引是在三维R树的基础上进行扩展，设M为节点中单元的最大数目，N为非根节点的中单元格个数的下限，其中，1≤N≤m/2，则3DMR索引的内容如下：1)每个单元节点的个数为N和M之间，除非它为根节点；2)根结点最少有两个孩子节点,除非它是叶子结点；3)允许空间对象位于非叶节点的单元，节点的基本表示形式为(I,PointerToChild,3DObjectID)，如果PointerToChild为空，则表示节点存储的是三维模型对象信息，其中I是空间对象的最小包含矩形，3DObjectID指示的是三维模型对象，或者三维对象单元；如果PointerToChild不为空，表示节点为3DMR树的分支节点，I是包含其所有子结点的最小包含矩形，或者对应合并之后的三维模型；3DobjectID表示的是其子结点的综合结果；如果其值为null，表示其节点综合结果没有产生；4)树的深度表示三维模型的多尺度表达的分辨率，从根节点开始，越往下细节层次越详细；5)每个非空间对象结点在地理区域划分上包括其子节点,即综合操作不能在同一层次上跨节点操作。其中，索引构建时，对于低级别的三维模型自底向上构造三维多分辨率R树，按照空间区域，自左向右、自上而下开始对三维模型进行遍历。首先根本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，包括以下步骤：/nS1：选取城市一待处理地区，基于城市形态学原理，将自然要素作为该待处理地区三维模型的分块层次依据，构建该待处理地区的区域自然网格，所述自然要素包括道路和水系；/nS2：利用三维空间数据层次索引方法3DMR对分块数据进行索引编码，通过引入多分辨率的维度，利用树的深度来反映空间数据多尺度表达中的分辨率变化；/nS3：采用三维模型合并算法，对三维模型进行分块处理；/nS4：对于块内的三维模型采用R树对三维模型进行组织，从而形成三维多分辨率组织结构，最终形成3DMR树。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，包括以下步骤：
S1：选取城市一待处理地区，基于城市形态学原理，将自然要素作为该待处理地区三维模型的分块层次依据，构建该待处理地区的区域自然网格，所述自然要素包括道路和水系；
S2：利用三维空间数据层次索引方法3DMR对分块数据进行索引编码，通过引入多分辨率的维度，利用树的深度来反映空间数据多尺度表达中的分辨率变化；
S3：采用三维模型合并算法，对三维模型进行分块处理；
S4：对于块内的三维模型采用R树对三维模型进行组织，从而形成三维多分辨率组织结构，最终形成3DMR树。


2.根据权利要求1所述的基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，其特征在于：步骤S1中，分块构建的自然网格分为“Urban”、“neigh-bourhood”、“Superblock”、“block”和“enclave”五个层次，使不同层次的分块对应不同的索引，索引的级别根据城市的规模的大小而设定，最大为5级，最小为1级。


3.根据权利要求1所述的基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，其特征在于：步骤S4中，三维模型在建立3DMR索引时，对于不同的视点位置，对应不同的LOD级别，使三维模型在更新的时候能够找到对应的模型。


4.根据权利要求1所述的基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，其特征在于：步骤S3中，所述三维模型合并算法是采用模型和纹理分开合并方法，将多个模型合并为一个模型，同时多个纹理也合并为一个纹理。


5.根据权利要求1所述的基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，其特征在于：步骤S4中，3DMR树的索引示意图中，纵向坐标表示空间分辨率轴，横向坐标表示空间坐标轴。


6.根据权利要求1所述的基于城市形态学和R树的三维模型索引方法，其特征在于：步骤S2中，3DMR索引是在三维R树的基础上进行扩展，设M为节点中单元的最大数目，N为非根节点的中单元格个数的下限，其中，1≤N≤m/2，则3DMR索引的内容如下：
1)每个单元节点的个数为N和M之间，除非它为根节点；
2)根结点最少有两个孩子节点,除非它是叶子结点；
3)允许空间对象...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘坡，岳贵杰，李静，程龙，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司电子科学研究院，中国测绘科学研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11