古建筑三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計探究
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了古建筑三維模型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)設(shè)計探究范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
摘要：古建筑作為研究經(jīng)濟(jì)、文化、政治、科技發(fā)展的實物資料具有重要的價值，其三維數(shù)字化成果的留存是當(dāng)前古建筑數(shù)字化保護(hù)的一個重要手段。針對古建筑數(shù)字化多源數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)，本文設(shè)計了多源數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫存儲總體設(shè)計方案，并提出了古建筑基于不規(guī)則三角網(wǎng)、線框、表面和實體三維模型的數(shù)據(jù)關(guān)系表達(dá)方法與數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)，為古建筑數(shù)字化保護(hù)提供技術(shù)支持。
關(guān)鍵詞：古建筑；數(shù)據(jù)庫；三角網(wǎng)模型；線框模型；表面模型
1概述
古代建筑是中國古代辛勤勞動人民集體智慧的結(jié)晶。許多古代建筑都是文化考察與旅游的重要場所，它是研究我國古代經(jīng)濟(jì)、文化、政治、科技發(fā)展的重要實物資料。中國古建筑不僅是現(xiàn)代建筑文化傳承、技術(shù)創(chuàng)新的重要借鑒，更是中華五千年文明發(fā)展的重要載體，同時也因其特有的藝術(shù)風(fēng)格，在世界各國建筑風(fēng)格中脫穎而出，成為一種獨特的建筑體系。然而伴隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展、全球氣候日益變暖、極端天氣日益增多等多方面因素影響，許多具有高藝術(shù)價值的古建筑正面臨被人為或環(huán)境破壞的危險，而這些急需保護(hù)的古建筑，有些僅是擁有文字、圖片等不易反應(yīng)古建筑真實樣貌的簡單資料，有些甚至有些沒有任何資料保存，僅有的那些資料也是在紙上以文字記載的形式進(jìn)行記錄，沒有完整的數(shù)字形式的數(shù)據(jù)資料妥善保存，隨著時光的流逝他們很可能被損毀或丟失，一旦這些古建筑被破壞，無法得到有效的修復(fù)，可能將永遠(yuǎn)消失于人類的視野中，這對于中華文明乃至世界文明都是不可彌補(bǔ)的巨大損失[1]。通過探索多元化的古建筑保護(hù)途徑，高效、直觀并且完整的保存古建筑各類數(shù)據(jù)信息已成為國內(nèi)外古建筑保護(hù)單位急需解決的問題。傳統(tǒng)古建筑保護(hù)單位對于古建筑的數(shù)字化保護(hù)方式為擁有該古建筑的影像照片、尺寸大小等圖文資料，且這些資料均以文件型的存儲方式散亂的存儲于硬盤等各類存儲設(shè)備中。通過文字資料保存古建筑數(shù)據(jù)的方法比較抽象，無法真實的反應(yīng)古建筑的樣貌，且數(shù)據(jù)量龐大，查找困難；利用影像照片存儲古建數(shù)據(jù)的方法雖然比較直觀形象，但很難達(dá)到古建筑修復(fù)時所需要的精度，無法滿足科學(xué)研究以及古建筑修復(fù)、重建的要求。并且古建筑數(shù)據(jù)信息以文件型的存儲方式存儲于各類存儲設(shè)備也面臨著數(shù)據(jù)冗余過大、查找困難、無法共享等一系列問題。針對古建筑數(shù)字化多源數(shù)據(jù)存儲的問題，建立基于數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)的古建筑數(shù)字化數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是當(dāng)前研究的熱點。
2數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)總體設(shè)計
古建筑數(shù)據(jù)庫后臺管理系統(tǒng)主要依托關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式文件系統(tǒng)兩種關(guān)鍵技術(shù)，對古建筑三維點云、古建筑三維模型、古建筑構(gòu)件、古建筑影像、電子檔案、屬性等數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。關(guān)系型數(shù)據(jù)系統(tǒng)采用Postgresql+postGIS方式，基于多分辨率金字塔中的關(guān)系模型構(gòu)建二維行列關(guān)系表格，依托于SQL語言實現(xiàn)數(shù)據(jù)的查詢、更新、添加、刪除等處理操作。分布式文件系統(tǒng)主要通過非關(guān)系型HDFS文件系統(tǒng)存儲文件數(shù)據(jù)，支持存儲節(jié)點的動態(tài)增添、海量數(shù)據(jù)的讀寫、高并發(fā)訪問等。PostGIS數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)和HDGS分布式文件子系統(tǒng)來設(shè)計一個適于大規(guī)?？臻g數(shù)據(jù)的存儲與管理系統(tǒng)，其具體體現(xiàn)如下：
2.1對于點云、模型等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建分層分塊的多分辨率金字塔，從而方便數(shù)據(jù)的更新、重組與刪除。
2.2基于PostGIS關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)多分辨率金字塔數(shù)據(jù)的快速索引、查詢、編輯等。
2.3基于HDFS(HadoopDistributedFileSystem)實現(xiàn)對大文件、松散型文件的處理以及分布式存儲，并將其作為數(shù)據(jù)的底層存儲系統(tǒng)。
2.4基于MapReduce并行編程模型，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行處理。
2.5基于HBase分布式數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲管理（圖1）。古建筑數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)將分為數(shù)據(jù)庫維護(hù)（權(quán)限管理和系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份與恢復(fù)）數(shù)據(jù)管理通用模塊、點云數(shù)據(jù)存儲模塊、三維模型數(shù)據(jù)存儲與管理、古建筑構(gòu)件[2~3]數(shù)據(jù)存儲與管理模塊、影像數(shù)據(jù)存儲與管理模塊、電子檔案數(shù)據(jù)存儲與管理模塊、屬性數(shù)據(jù)存儲與管理模塊等6大模塊。本子系統(tǒng)將提供上述的大文件、松散型文件處理，保存與提取，文件分布式存儲，支持高效的局部更新和全局更新，數(shù)據(jù)檢查、入庫和，數(shù)據(jù)并行處理6個工具分別對應(yīng)這9個模塊（圖2）。根據(jù)業(yè)務(wù)需求可以將子系統(tǒng)的各種功能劃分到不同模塊中實現(xiàn)，以提供相互之間的合作。子系統(tǒng)主要的模塊功能主要有如下功能：（1）數(shù)據(jù)管理通用模塊，主要包括，提供數(shù)據(jù)管理的用戶界面和實現(xiàn)與各類數(shù)據(jù)管理模塊的對接。（2）點云與影像數(shù)據(jù)存儲與管理，支持結(jié)構(gòu)化點云存儲，非結(jié)構(gòu)化影像存儲，分布式存儲，單瓦片點云數(shù)據(jù)編輯、保存與提取；高效的局部更新和全局更新；對接數(shù)據(jù)處理工具，提供數(shù)據(jù)檢查、入庫和等一攬子流程化功能；數(shù)據(jù)并行處理。（3）三維模型數(shù)據(jù)存儲與管理，支持OBJ、3DS等主流格式的模型存儲；模型LOD形式存儲；單瓦片模型數(shù)據(jù)編輯、保存與提??；BIM模型數(shù)據(jù)存儲（4）古建筑構(gòu)件數(shù)據(jù)存儲與管理，支持大文件、松散型文件處理；構(gòu)件分類管理；構(gòu)件檢索；構(gòu)件上傳下載。（5）檔案資料數(shù)據(jù)存儲與管理，支持檔案多文件管理；檔案按編碼、按類型存儲；數(shù)據(jù)全局與局部更新；對接數(shù)據(jù)處理工具，提供數(shù)據(jù)檢查、入庫和。（6）數(shù)據(jù)庫安全，支持用戶管理權(quán)限設(shè)置；支持?jǐn)?shù)據(jù)備份與數(shù)據(jù)恢復(fù)；支持多節(jié)點數(shù)據(jù)調(diào)取。（7）滿足C/S、B/S交互訪問。
3古建筑三維模型數(shù)據(jù)庫設(shè)計
古建筑三維模型數(shù)據(jù)模型總的關(guān)系圖以三維線框、表面、實體模型[4~5]為例進(jìn)行說明，三維體的基本要素可以抽象為點、邊、線、面、實體和復(fù)雜體，呈現(xiàn)出由簡單到復(fù)雜的遞進(jìn)關(guān)系。其中，根據(jù)線框的特性，建立了線框模型（WireFrame），包含一系列頂點以及由頂點連接的棱邊；表面模型（surface）是在線框的基礎(chǔ)上，加入環(huán)邊的信息及邊的連接關(guān)系；僅僅依靠表面模型，無法判別實體與表面的位置關(guān)系，實體模型（正則形體）主要是明確定義了表面的哪一側(cè)存在實體，具體做法是，在表面模型的基礎(chǔ)上增加了每個表面的外法矢量信息。這幾種模型可作為復(fù)雜體(Compound)的三種表達(dá)方式，下面具體討論古建筑復(fù)雜體的數(shù)據(jù)庫存儲結(jié)構(gòu)。
3.1不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN）模型
TIN模型是利用點云進(jìn)行三維重構(gòu)生成的三維模型，是多源空間數(shù)據(jù)應(yīng)用最多的數(shù)據(jù)之一。一個場景對象一個或多個TIN模型構(gòu)成，TIN模型主要由頂點列表、子集結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、矩陣參數(shù)以及組件名稱組成。TIN模型中，頂點列表包括位置信息、法線、紋理坐標(biāo)組成；子集信息（如圖3所示）包含頂點列表、材質(zhì)名稱、材質(zhì)對應(yīng)的資源視圖、子集對應(yīng)的索引緩存的開始位置、子集對應(yīng)的頂點數(shù)目以及材質(zhì)對應(yīng)的影像數(shù)據(jù)、光照模型，因此設(shè)計如圖4所示的TIN數(shù)據(jù)模型。以下TIN模型中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明：StructModelVertex存儲頂點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含頂點坐標(biāo)、紋理和法向；StructModelSubMesh存儲子集結(jié)構(gòu)，包含對應(yīng)材質(zhì)索引、子集對應(yīng)的索引及索引數(shù)目；StructModelSubMaterial子集材質(zhì)結(jié)構(gòu)，包含影像、材質(zhì)反射率；StructTriModelMesh模型構(gòu)件結(jié)構(gòu)，包含頂點集合、面片索引集合、子集索引集合、材質(zhì)集合、矩陣集合、組件。
3.2線框、表面、實體模型
表示線框、表面、實體模型[6~7]的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如圖5具體如下：
3.2.1復(fù)雜體（Compound）表包含一個標(biāo)識信息CompoundID，一些屬性信息Attribute1、Attribute2…，PartID對應(yīng)WireFrame、SurfaceModel、RugularShapeSolid三張表的里標(biāo)識信息，SolidTypeID對應(yīng)SolidType表里的標(biāo)識信息，SolidType表主要用于確定SolidTypeID對應(yīng)的是WireFrame、SurfaceModel、RugularShapeSolid中哪一種模型，如表1所示。
3.2.2WireFrame、SurfaceModel、RugularShapeSolid三張表分別存儲線框模型、表面模型和正則形體模型；
3.2.3線框模型使用頂點和鄰邊來表示形體，可以作為多面體的一種表達(dá)方式，用來確定多面體的形狀和位置，這種方式被廣泛用于工程圖。WireFrame表使用二進(jìn)制格式存儲頂點（BVertex）和鄰邊（VertexIndex），鄰邊是使用頂點的序列來構(gòu)成，另外使用了一個標(biāo)識（WireFrameID）來表示該線框模型；
3.2.4表面模型是通過有向棱邊圍成的部分來定義形體便面，由面的幾何來定義形體，它基于線框模型的基礎(chǔ)上，增加了有關(guān)（環(huán)）信息、棱邊的連接方向等內(nèi)容，使用表SurfaceModel來存儲，該表包含一個標(biāo)識SurfaceModelID和在面標(biāo)識序列SurfaceIndex，其中SurfaceIndex是標(biāo)識在表Surface里面存儲的面的ID集合，表Surface就存儲形體的各個面信息，該表包含面標(biāo)識SurfaceID和線框標(biāo)識WireFrameID以及棱邊的序列索引；
3.2.5正則實體模型，主要是明確定義了表面的哪一側(cè)存在實體，在表面模型的基礎(chǔ)上增加了每個表面的外法矢。因此表RugularShapeSolid中包含標(biāo)識RegShID，表面模型標(biāo)識SurfaceModelID，以及使用二進(jìn)制存儲的各個面外法矢向量的集合OuterVector。
4結(jié)論
本文主要針對古建筑數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)建設(shè)，提出了基于三維激光掃描儀獲取的三維激光點云數(shù)據(jù)、高分辨率影像照片、三維模型以及屬性數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)的古建筑綜合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的存儲模型，重點研究了古建筑不規(guī)則三角網(wǎng)模型，線框、表面和實體模型的實體表達(dá)方法，并進(jìn)一步闡述了維模型數(shù)據(jù)庫存儲的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文的古建筑數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)與方法為古建筑數(shù)字化保護(hù)提供技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[1]秦強(qiáng).古建筑海量二三維空間數(shù)據(jù)存儲與管理[D].北京：北京建筑大學(xué),2016.
[2]“故宮古建筑木構(gòu)件樹種數(shù)據(jù)庫”課題組,陳勇平,李華.故宮古建筑木構(gòu)件樹種數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與實現(xiàn)[J].故宮博物院院刊,2011,(5):105-117,162.
[3]陳勇平,石志敏,夏榮祥,劉秀英,李華.故宮古建筑木構(gòu)件樹種數(shù)據(jù)庫的設(shè)計與進(jìn)展[C].故宮古建筑研究中心、中國紫禁城學(xué)會.中國紫禁城學(xué)會論文集(第七輯).故宮古建筑研究中心、中國紫禁城學(xué)會:中國紫禁城學(xué)會,2010:561-567.
[4]吳曉紅.淺談三維建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新,2020(23):133-134.
[5]王星捷,衛(wèi)守林.面向規(guī)則的三維古城虛擬技術(shù)的研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2019,36(5):7-14.
[6]王星捷,衛(wèi)守林.面向規(guī)則的三維古城虛擬技術(shù)的研究[J].計算機(jī)應(yīng)用與軟件,2019,36(5):7-14.
[7]臧宇哲,肖揚.基于多源數(shù)據(jù)的三維建模方法研究[J].吉林建筑大學(xué)學(xué)報,2017,34(05):41-45.
作者：吳志群 單位：北京北建大科技有限公司