包頭三維數(shù)字城市發(fā)展研究

薛飛

摘 要： 本文簡(jiǎn)要介紹了包頭市三維數(shù)字城市的建設(shè)發(fā)展情況，總結(jié)了關(guān)鍵性技術(shù)，分析了當(dāng)前存在的問題，研究提出了解決的思路和辦法，對(duì)包頭市三維數(shù)字城市進(jìn)一步的發(fā)展具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞： 三維城市模型； 三維數(shù)字包頭

1. 引言

隨著“數(shù)字城市”建設(shè)的推進(jìn)，傳統(tǒng)的二維數(shù)字地圖已不能滿足城市三維空間管理的需要。建立三維數(shù)字城市成為城市規(guī)劃、建設(shè)、管理部門在空間信息社會(huì)化服務(wù)中共同追求的目標(biāo)。

“三維數(shù)字城市”是通過對(duì)城市地形、建筑及其它人工設(shè)施進(jìn)行三維地理建模，形成覆蓋全市的數(shù)字城市立體場(chǎng)景，同時(shí)結(jié)合虛擬仿真等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市的三維可視化管理，是提高城市規(guī)劃編制技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)科學(xué)規(guī)劃的有效手段，是推進(jìn)“數(shù)字包頭”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)公共事務(wù)可視化管理的基礎(chǔ)保障，可以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的全面可持續(xù)發(fā)展。

包頭市于2011年啟動(dòng)了三維數(shù)字城市建設(shè)工作。經(jīng)過幾年的不斷努力，建成了一套數(shù)據(jù)，二個(gè)系統(tǒng)，三個(gè)規(guī)范，取得了豐碩的成果。

2. 發(fā)展情況

包頭市三維數(shù)字城市建設(shè)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維GIS技術(shù)和信息管理技術(shù)等為核心，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和軟硬件平臺(tái)為依托，以相關(guān)國(guó)家政策、法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等為保障，通過Internet/Intranet等方式真實(shí)、直觀、充分地展現(xiàn)包頭市的城市空間框架，實(shí)現(xiàn)城市三維空間信息數(shù)據(jù)的全方位共享與交換，形成對(duì)行政管理和社會(huì)的應(yīng)用與服務(wù)。

2.1 一套數(shù)據(jù)

一套數(shù)據(jù)是指利用三維仿真技術(shù)建成包頭市中心城區(qū)約150km2的三維精細(xì)模型，實(shí)現(xiàn)城市景觀的三維虛擬重建，精細(xì)、生動(dòng)地反映了城市的整體風(fēng)貌。主要分為二個(gè)層次，第一層是地形地貌模型庫(kù)，第二層是城市三維模型庫(kù)。

地形地貌模型庫(kù)主要利用數(shù)字高程模型和數(shù)字正射影像生成，采用1∶2000比例尺DEM和DOM數(shù)據(jù)，平面坐標(biāo)系采用包頭市獨(dú)立坐標(biāo)系，高程系統(tǒng)采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，地形地貌數(shù)據(jù)庫(kù)可以展現(xiàn)真實(shí)的三維地理環(huán)境。

城市三維模型庫(kù)主要對(duì)城市建筑、道路、水系等進(jìn)行精細(xì)建模，能夠真實(shí)再現(xiàn)城市景觀。首先通過外業(yè)實(shí)地采集建筑、景觀的立面照片，作為三維模型的側(cè)面貼圖來源。利用VirtuoZo，在立體環(huán)境下采集建筑物頂部三維矢量數(shù)據(jù)。利用采集的建筑物矢量線通過CCModel軟件自動(dòng)生成建筑物三維體塊模型。由于正射影像已經(jīng)消除了建筑物投影差，使得矢量信息與影像信息能夠完美疊加，由此可以對(duì)影像頂部紋理信息進(jìn)行準(zhǔn)確裁切，并自動(dòng)提取，附著在建筑物三維模型數(shù)據(jù)上。根據(jù)外業(yè)實(shí)景照片，制作側(cè)面紋理貼圖。

2.2 二個(gè)系統(tǒng)

二個(gè)系統(tǒng)是指建成三維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)和三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)。三維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可將各種傳統(tǒng)的二維矢量數(shù)據(jù)、航測(cè)遙感數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型、三維精細(xì)建筑模型無(wú)縫集成，實(shí)現(xiàn)海量三維模型數(shù)據(jù)的瀏覽和管理。三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)以規(guī)劃專業(yè)應(yīng)用為基礎(chǔ)，具有空間量測(cè)、多方案比較、日照模擬、通視分析等專業(yè)分析功能，可以應(yīng)用于輔助規(guī)劃編制和城市管理。

2.3 三個(gè)規(guī)范

三個(gè)規(guī)范是指針對(duì)包頭市的實(shí)際情況，建設(shè)相應(yīng)的三維數(shù)字地圖標(biāo)準(zhǔn)體系，包括：《三維數(shù)字地圖技術(shù)規(guī)程》、《三維數(shù)字地圖質(zhì)量檢查與驗(yàn)收規(guī)程》和《建設(shè)項(xiàng)目建筑（規(guī)劃）設(shè)計(jì)方案三維仿真輔助審查數(shù)據(jù)要求》，作為項(xiàng)目建設(shè)和三維技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用的保障和依據(jù)。

2.4 推廣與應(yīng)用

在三維數(shù)字城市的應(yīng)用方面，首先推廣了三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)在規(guī)劃評(píng)審中的應(yīng)用。通過三維建模技術(shù)，建立起擬建項(xiàng)目及周邊的三維仿真環(huán)境，使人足不出戶就可以領(lǐng)略真實(shí)的城市面貌，從而對(duì)擬建項(xiàng)目與周邊環(huán)境關(guān)系有直觀的認(rèn)識(shí)和把握，為規(guī)劃管理提供了決策依據(jù)。其次拓寬了三維技術(shù)的應(yīng)用載體，將僅限電腦終端使用，推廣至ipad移動(dòng)終端，大大提高了使用的便捷性，為城市形象推廣、領(lǐng)導(dǎo)決策提供了便利的工具。

3. 關(guān)鍵性技術(shù)

3.1 多源多尺度模型的融合及海量數(shù)據(jù)管理

與傳統(tǒng)的二維數(shù)據(jù)相比，三維地理信息數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)復(fù)雜、數(shù)據(jù)量龐大的特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)建庫(kù)組織是一個(gè)非常重要的技術(shù)和策略問題。主要包括：

（1）數(shù)據(jù)組織方法。在三維數(shù)字城市建設(shè)過程中涉及二維和三維數(shù)據(jù)，對(duì)于二維數(shù)據(jù)可采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)組織方法，對(duì)于三維數(shù)據(jù)主要采用不規(guī)則網(wǎng)格組織模型數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮各種數(shù)據(jù)組織方法的優(yōu)勢(shì)：同時(shí)，考慮三維模型數(shù)據(jù)與二維數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。

（2）數(shù)據(jù)壓縮方法。對(duì)規(guī)則格網(wǎng)的柵格數(shù)據(jù)（如DEM、DOM數(shù)據(jù)），建立金字塔數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并進(jìn)行壓縮；模型數(shù)據(jù)則采用LOD方法進(jìn)行壓縮。

（3）空間索引建立。對(duì)于海量數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景，必須建立適當(dāng)?shù)目臻g索引以加速三維模型數(shù)據(jù)的定位與訪問，提高數(shù)據(jù)訪問和存儲(chǔ)的效率。

3.2 三維建模技術(shù)

三維數(shù)字城市的三維建模就是重建城市真實(shí)地理環(huán)境，即以真實(shí)的地理空間位置再現(xiàn)城市現(xiàn)狀景觀（包括地形地貌、城市建筑與道路設(shè)施等）。要在計(jì)算機(jī)中模擬現(xiàn)實(shí)世界，就必須建出在多維尺度下外形、光照、質(zhì)感等各方面都與真實(shí)對(duì)象相似的對(duì)象模型。需要解決以下問題：

（1）建模區(qū)域劃分。城市包括了建成區(qū)、郊區(qū)等，建成區(qū)包括了新建地區(qū)、待改造地區(qū)等，首先要對(duì)建模區(qū)域進(jìn)行規(guī)劃，合理劃分建模工作片區(qū)（格網(wǎng)劃分、街區(qū)劃分），對(duì)每個(gè)區(qū)片設(shè)定建模級(jí)別，是建模之前首先要開展的工作。

（2）多源數(shù)據(jù)的整合利用。三維城市模型建設(shè)涉及DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、地形圖、實(shí)拍照片、規(guī)劃圖紙等多種數(shù)據(jù)源，需要有效整合這些原始數(shù)據(jù)，并按應(yīng)用要求，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行流程化處理，滿足三維模型在幾何、細(xì)節(jié)上的要求。

（3）大范圍三維場(chǎng)景模型的快速建立。對(duì)于大區(qū)域的三維模型的建立，要有一個(gè)快速建模的技術(shù)和方法，提高模型建立的自動(dòng)化水平，同時(shí)保證模型的質(zhì)量。

（4）制定建模技術(shù)規(guī)范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。三維數(shù)字城市建模范圍大、模型種類多樣，統(tǒng)一的建模標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范非常重要，它不僅可保證模型建設(shè)的質(zhì)量和效率，使建模工作順利進(jìn)行，還可推動(dòng)和實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的共享。

4. 存在的問題

4.1 更新速度滯后

三維數(shù)字城市的現(xiàn)勢(shì)性直接關(guān)系到其使用價(jià)值的優(yōu)劣，可以說是三維數(shù)字城市的生命，只有始終保持其現(xiàn)勢(shì)性，跟上城市建設(shè)發(fā)展的步伐，才能及時(shí)有效的為城市規(guī)劃建設(shè)管理服務(wù)，提供真實(shí)可靠的決策依據(jù)，才能使三維數(shù)字城市在國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中發(fā)揮應(yīng)有的作用。

目前我市三維數(shù)字城市建設(shè)已歷經(jīng)六年時(shí)間，由于城市建設(shè)發(fā)展迅速，城市景觀發(fā)生了很大變化，現(xiàn)有三維數(shù)字城市的部分區(qū)域已經(jīng)與現(xiàn)實(shí)情況不符，需要及時(shí)進(jìn)行更新。然而，現(xiàn)有每年只能完成3平方公里區(qū)域的更新，更新的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于城市建設(shè)發(fā)展的步伐。

4.2 應(yīng)用的深度與廣度不夠

在應(yīng)用的深度方面，我們的應(yīng)用仍主要集中在三維城市景觀的全景瀏覽方面，缺乏更深層次的開發(fā)應(yīng)用。

在應(yīng)用的廣度方面，我們的應(yīng)用仍主要集中在城市規(guī)劃領(lǐng)域，如資源管理、災(zāi)害防范、事故應(yīng)急處理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)等領(lǐng)域的應(yīng)用仍未涉足。

4.3 人才技術(shù)力量薄弱

三維數(shù)字城市建設(shè)是一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)性很強(qiáng)的工作，三維技術(shù)發(fā)展也十分迅速，但是我們現(xiàn)有專業(yè)技術(shù)人員數(shù)量卻嚴(yán)重不足，技術(shù)水平與先進(jìn)地區(qū)差距巨大，人才技術(shù)力量的缺乏，勢(shì)必影響我市三維數(shù)字城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

5. 解決的思路

5.1 建立有效的更新機(jī)制

為保障三維數(shù)字城市的有效利用，必須切實(shí)建立三維數(shù)字城市更新機(jī)制，建設(shè)快速更新的技術(shù)保障體系，從更新方法、更新周期、更新工作的機(jī)構(gòu)、人員和經(jīng)費(fèi)等方面落到實(shí)處。為此，我們需要借鑒先進(jìn)地區(qū)的好方法、好經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我們的實(shí)際，摸索出一條符合我市實(shí)際的快速有效的好方法。

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域一項(xiàng)新興、熱門的技術(shù)。它顛覆了傳統(tǒng)航空攝影技術(shù)，融合了正射和傾斜影像，通過在飛行平臺(tái)上搭載多臺(tái)航攝儀（或傳感器）同時(shí)從垂直、傾斜等多個(gè)不同角度的拍攝將用戶引入真實(shí)世界。通過對(duì)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的研究可以得知，該技術(shù)是大規(guī)模城市三維模型建設(shè)更新的可行方法。下一步應(yīng)繼續(xù)深入研究如何利用傾斜攝影測(cè)量技術(shù)實(shí)際開展工作，同時(shí)研究如何解決地面低處模型欠佳的問題，為大規(guī)模三維模型更新打好基礎(chǔ)。

5.2 積極推廣應(yīng)用

積極開拓三維地圖制作、三維輔助分析等更深層次的應(yīng)用。積極開拓資源管理、災(zāi)害防范、事故應(yīng)急處理、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、城市形象展示等領(lǐng)域的應(yīng)用。

5.3 加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)

三維數(shù)字城市建設(shè)是提高我市城市管理現(xiàn)代化水平的一項(xiàng)前期性、基礎(chǔ)性、公益性的工作，其作用只能加強(qiáng)，不能削弱，這就要求要有一支人員結(jié)構(gòu)合理、業(yè)務(wù)水平精通的人才隊(duì)伍。建議引進(jìn)更多專業(yè)技術(shù)人才，同時(shí)多提供培訓(xùn)深造機(jī)會(huì)，為三維數(shù)字城市建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展做好人力資源保障。

6. 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過多年的努力，包頭三維數(shù)字城市建設(shè)已經(jīng)取得一定的成績(jī)，在輔助城市規(guī)劃決策管理、城市形象宣傳推廣方面做出了一定的貢獻(xiàn)。但是在發(fā)展過程中，仍存在一些問題和不足，筆者提出了解決思路和建議，希望能夠?yàn)橄乱徊降陌l(fā)展提供一些幫助。