表面网格模型

模型用途

简介

表面网格模型是三维实体建模中常用的方法，通过一系列连续的面来对三维实体形状进行刻画。 同时，对于面信息支持可视化元素的设置，如材质，纹理等信息，使得在三维可视化时具有更好的视觉效果。

在Ganos中，使用标准的SQL语言来查询和处理表面模型类型的数据，支持数据基于文本和二进制的表达和数据交换。

Ganos Sfmesh是对象关系型数据库PostgreSQL兼容版本（PolarDB PostgreSQL版）的一个时空引擎扩展，提供了一组数据类型，函数和存储过程，帮助用户高效地管理、查询和分析表面三维数据。

功能概述

表面网格模型包括多种数据类型，支持构建、访问、编辑、处理、聚合、导入导出等多种方法，支持三维空间关系判断与三维分析计算操作，支持三维索引。

表面网格模型通过Ganos Utility扩展支持多种三维数据格式的导入，如IFC、glTF、Obj等，也支持将表面网格模型转换为三维瓦片形式（如3dtiles）。

功能详情请参见SfMesh SQL参考。

主要业务场景

在实际应用中，表面网格类型可以用于空间数据的可视化和分析：

• 三维地图制作和可视化

  地图可视化可以直观地展现地理空间中数据的分布、趋势和关系，有助于更好地理解空间数据的意义和背后的规律。三维空间数据可以表示三维空间中的对象，如建筑，管线等，配合材质、纹理等可视化元素，可以还原出真实的三维场景以供展示以及决策使用。

• 三维空间关系查询

  空间关系查询可以用于多种场景，例如空间数据挖掘、城市规划等。通过空间关系查询，可以快速地找到满足特定条件的空间实体，为决策提供有力的支持。

  表面网格类型支持三维空间关系查询，如相交、包含等。这可以用于确定两个对象之间的关系，例如确定两个物体是否相交。

• 三维空间分析和计算

  三维空间分析和计算用于各种量测场景，例如计算建筑物的面积、体积等。

  表面网格类型支持各种空间分析和计算，如计算面积、长度、距离，同样也包括两个对象的交集，并集等。

以下以BIM场景为例，介绍表面网格模型在BIM数据场景下的使用。

BIM数据

建筑信息模型（Building Information Modeling，简称BIM）是在建设工程及设施全生命期内，对其物理和功能特性进行数字化表达，并依此设计、施工、运营的过程和结果的总称。

BIM数据中包含了大量的三维空间数据和属性数据，适合数据库中做统一的存储，管理和查询。

Ganos Utility扩展支持IFC数据格式的导入，并转换为表面网格数据模型。

可视化

有别于以往2D图，3D模型的真实性，直观的表达，让模型信息的展现更符合人的直觉，更清楚地了解建造物的空间关系。

采用表面网格存储的BIM数据，通过三维可视化技术，可以生成场景模型进行可视化操作，解决BIM数据，特别是大文件数据直观性差的问题。

属性查询

BIM数据往往以专业格式按文件存储，不利于结合其他二三维数据统一管理、联合查询，需要对其进行结构化拆解，提供业务/空间查询的能力。

基于数据库的储存和查询能力，可以在数据库中进行属性和空间一体化查询，解决数据管理的问题。

例如，可以用标准的SQL查询类型为 'System Panel' 的部件：

SELECT project_uuid, project_name, parent_uuid, uuid, "family", "name", attrs, props_set
FROM ifc_demo_ifc_elem
WHERE
(((props_set->'Other')::json)->'Type')::text like '%System Panel: %'

空间分析

BIM模型中的尺寸与建筑物一致。利用这些信息，进行各类指标的计算，如容积率与建蔽率；各类指标检查，如楼层净高，面积检测；与其他空间数据联动检查碰撞关系等，如与二三维的规划红线进行空间比对。

基本构成

表面网格模型概述

在实体建模和计算机辅助设计中，一个实体对象通常被表示为一组连接的表面元素，这些元素定义了内部和外部点之间的边界。

这些面通常由三角形（triangle meshes）、四边形（quads）或其他简单的凸多边形（n-gons）组成，可以对实体对象的轮廓边界进行精确的描述。

这种由多个面来表示描述实体对象的模型称为表面网格模型。

空间参考系统

空间参考系（Spatial Reference System，以下简称为SRS ）定义了如何将Sfmesh对象关联到地球表面上某个具体位置。

Ganos使用称为SRID来引用SRS定义。Sfmesh对象通过其自身的SRID值与SRS关联。

更多内容请参见空间参考。

表面网格模型数据模型

Ganos表面网格模型在OGC Simple Feature标准模型的基础上，新增以下数据模型：

INDEXSURFACE

IndexSurface用于基于索引的方式来描述多面体信息，例如以下多面体，可以分别使用顶点坐标串（p1, p2, p3, p4, p5）以及使用顶点描述的面（1,2,3），（2,4,3），（4,5,3）来进行描述。

TRIANGLESTRIP

TriangleStrip基于连续的点来描述多面体系统，例如以下多面体，可以分别使用顶点坐标串（p1, p2, p3, p4, p5）来描述三个三角面（p1,p2,p3），（p2,p3,p4），（p3, p4, p5）。

TRIANGLEFAN

TriangleFan基于连续的点来描述多面体系统，例如以下多面体，可以分别使用顶点坐标串（p3, p1, p2, p4, p5）来描述三个三角面(p3,p1,p2), (p3,p2,p4), (p3, p4, p5)。

表面网格模型数据类型

Ganos中表面模型包含以下数据类型：

• sfmesh：包含几何、材质、纹理、纹理坐标等相关信息的数据类型集合。

• meshgeom：几何对象，用于记录坐标点信息以及如何构面描述，以及对应的纹理坐标和法向量等信息。

• texture：纹理贴图信息，包含宽、高、压缩方式及纹理二进制数据等。

• material：材质，sfmesh对象表面各可视化属性的集合，包括模型对象表面的色彩、纹理、光滑度、透明度、反射率、折射率、发光度等。

Ganos表面模型支持引用对象。引用对象是一种特殊数据结构，该对象中不存储实际的数据值，只存储到另外一个对象的地址信息。

表面网格交换格式

表面网格交换格式支持文本和二进制两种格式。

• 方便阅读的文本形式：Well-Known Text（以下简称为WKT）。详情请参见WKT。

• 可以保留数据精度且方便传输的二进制形式：Well-Known Binary（以下简称为WKB）。详情请参见WKB。

数据列视图

在Ganos中，sfmesh_columns是从数据库系统目录表中读取全部表面网格相关列的视图。该视图遵循了OGC的Simple Features Specification for SQL标准并进行可对应的扩展。

该视图结构如下：

可以通过如下语句查询当前数据库中全部表面模型数据列：

SELECT * FROM sfmesh_columns;

或通过如下语句筛选出模型列。

SELECT * FROM sfmesh_columns
WHERE g_sfmesh_type = 'sfmesh';

索引

空间索引使Ganos处理大型空间数据集时避免对数据库进行全局顺序扫描。索引通过将数据组织到搜索树中来加速搜索，可以快速遍历该搜索树以查找特定记录。

Ganos为Sfmesh提供了一种基于GiST的三维空间索引。

可通过以下方式进行创建。

CREATE INDEX <index_name>
ON <table_name>
USING GIST(<column_name>);

快速入门

简介

快速入门文档帮助用户快速理解Ganos Sfmesh引擎的基本用法，包括扩展创建、建表、插入数据、查询结果、创建索引、空间查询等内容。

更多专业用法可参考SFMesh最佳实践文章：

• Ganos三维引擎系列（三）：BIM数据管理与可视化功能解析

• Ganos三维引擎系列（四）：路网与地形贴合

语法说明

• 创建扩展。

  CREATE EXTENSION Ganos_sfmesh CASCADE;

  说明

  建议将扩展安装在public模式下，避免权限问题。

  CREATE extension Ganos_sfmesh WITH schema public cascade CASCADE;

• 创建具有SFMesh字段的表。

  CREATE TABLE t_mesh(
    id integer,
    mesh sfmesh
  );

• 插入数据。

   --向表中插入数据
  INSERT INTO 
    t_mesh(id, mesh)
  VALUES 
    (1, '{   "version" : 1, "srid" : 4326, "root" : 0 , "meshgeoms" : [    "MESHGEOM(PATCH(TRIANGLESTRIP(0 0 0 ,0 10 10,10 10 10,10 0 0)))" ],  "primitives" : [    {"meshgeom": 0}],  "nodes" : [    {"primitive" : 0} ] }'::sfmesh),
    (2, '{   "version" : 1, "srid" : 4326, "root" : 0 , "meshgeoms" : [    "MESHGEOM(PATCH(INDEXSURFACE(VERTEX(0 0 1,0 10 2,10 10 3,10 0 4), INDEX((0,1,2),(1,2,3)))))" ],  "primitives" : [    {"meshgeom": 0}],  "nodes" : [    {"primitive" : 0} ] }'::sfmesh);

• 查询数据结果。

  SELECT id, ST_AsText(mesh)
  FROM t_mesh;
  
  -------------------------
  1 | {"version" : 1, "srid" : 4326, "root" : 0, "meshgeoms" : ["MESHGEOM(PATCH(TRIANGLESTRIP(0 0 0,0 10 10,10 10 10,10 0 0)))"], "primitives" : [{"meshgeom" : 0}], "nodes" : [{"primitive" : 0}]}
  2 | {"version" : 1, "srid" : 4326, "root" : 0, "meshgeoms" : ["MESHGEOM(PATCH(INDEXSURFACE Z (VERTEX(0 0 1,0 10 2,10 10 3,10 0 4),INDEX((0,1,2),(1,2,3)))))"], "primitives" : [{"meshgeom" : 0}], "nodes" : [{"pr
   imitive" : 0}]}

• 创建索引。

   CREATE INDEX idx_t_mesh
   ON t_mesh
   USING GIST(mesh);

• 空间查询。

   -- 与某个三维空间对象相交
  SELECT id
  FROM t_mesh
  WHERE ST_3DIntersects(mesh, ST_SetSRID('BOX3D(0 0 0, 10 10 10)'::box3d::sfmesh, 4326));

• 删除扩展（可选）。

  DROP EXTENSION Ganos_SFMesh CASCADE;

SQL参考

详细SQL手册请参见SfMesh SQL参考。