[发明专利]顾及多细节层次的三维R树空间索引方法

说明书

技术领域

本发明属于地理信息系统领域，特别是涉及一种顾及多细节层次的三维R树空间索引方法。

背景技术

随着地球空间数据获取手段如摄影测量、激光扫描、地质勘探等技术的发展，三维模型数据的获取精度和建模速度不断提高，一方面提高了三维场景的细腻程度，另一方面也带来了场景的复杂性，并使数据量激增、数据类型多样。同时，为表达场景真实性，纹理数据、CAD模型也被广泛采用，多细节层次已经成为真三维空间数据的重要特征之一。2008年8月被采纳为OGC标准的CityGML三维城市模型标准已经有关于室内外一体化表达、多细节层次(LOD)描述的内容。地上下、室内外空间目标的一体化表达的需求日益迫切，地表物体、地下设施、建筑室内环境等各种空间目标类型亟需纳入到统一的真三维描述框架中，满足人们对真三维表达科学工具的强烈需求。然而，真三维应用需要解决在一个平面点的垂直方向上不同空间语义的描述问题，并不是从二维到三维的简单扩展，随之而来的是大量全新的数据类型和空间关系的出现，以及极具膨胀的空间数据库规模，乃至苛刻的实时性效率需求，三维空间数据库管理方法也因此成为研究热点。然而作为其核心问题的空间索引方法传统上是基于二维的，即使存在少量的三维研究成果，也是面向2.5维等准三维应用，没有顾及地下空间和室内环境等真三维空间的特点，没有充分考虑真三维空间中空间目标分布失衡、形状各异和空间关系错综复杂等现象。真三维空间索引方法已经成为制约三维城市模型和虚拟地理环境应用的关键问题之一。

R树索引是Guttman于1984年提出的支持扩展对象存取方法，具有动态更新、树深平衡等优点，目前许多商用地理信息系统均提供对R树的支持，最为关键的是，它能够自然扩展至高维空间包括三维空间，因此被公认为是最有前途的真三维空间索引方法。然而，R树的节点重叠现象会导致多路查询而影响效率，特别是扩展至真三维空间后重叠现象更为显著，这是因为三维空间目标的空间分布失衡、形状各异和空间关系错综复杂的数据特点导致的。三十年来，由于对空间数据库的重要性，R树空间索引一直以来都是研究热点，相关文献有：Guttman A.R-trees：A dynamic index structure for spatial searching.In：Proc.ACMSIGMOD Int.Conf.on Management of Data，1984：47-54.；Gaede V.and Günther O.Multidimensional Access Methods.ACM Computing Surveys，1998，30(2)：170-231。

多细节层次(LOD)是三维城市模型的重要特征，三维空间索引也开始兼顾LOD查询功能。Kofler提出LOD-R-TREE，将R树的不同层节点作为LOD表达的细节层次，Zlatanova同样努力寻求一种R树索引和LOD思想结合的途径，提出三种分组方式聚合地缘和形状相近的地物，其中考虑了高程因素。然而顾及多细节层次的真三维R树索引方法却进展缓慢，主要受阻于R树节点重叠严重和尺寸不均匀的问题，相关研究文献有：Kofler M.R-trees for Visualizing andOrganizing Large 3D GIS Databases.Ph.D Thesis，Austria，Graz University ofTechnology，1998.；Zlatanova S.3D GIS for Urban Development.Ph.D.Thesis，ITC，The Netherlands，2000。

R树的构建方法可以分为动态和静态生成方法，在已知数据库内容且更新操作较少的条件下，人们研究静态方法构建合理树形，与动态方法的自顶向下方式不同，静态方法从树叶层开始，采用邻近原则将对象充满树叶节点，自底向上构建各层节点直至根节点，保证近100％的空间利用率和最小树深，最大限度提高查询性能。空间数据库更新周期短，必须以动态方法作为主要手段，动态方法中改变对象插入顺序会产生不同的树形结构，之前不合理树形也会阻碍树形最优，研究动态方法中树形优化方法不容回避。