[发明专利]基于城市形态学和R树的三维模型索引方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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Geographic Information System或Geo－Information system，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Hilbert Curve、Gray Code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。本发明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。

发明内容