面對規(guī)劃的三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)管理

冉慧敏,劉全海,李 樓

(1.常州市測繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 213002; 3.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430070)

面對規(guī)劃的三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)管理

冉慧敏1,2?,劉全海1,2,3,李 樓1,2

(1.常州市測繪院,江蘇常州 213002; 2.常州市地理信息智能技術(shù)中心,江蘇常州 213002; 3.武漢大學測繪學院,湖北武漢 430070)

三維數(shù)據(jù)的有效管理是豐富集成應用的基礎(chǔ)。在大量三維模型生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,如何實現(xiàn)既具有幾何又具有紋理與屬性信息的三維模型原始數(shù)據(jù)的有效管理,同時與應用系統(tǒng)進行無縫集成對接是當前三維數(shù)字城市的一個難點。本文通過對三維數(shù)字城市的數(shù)據(jù)體系與模型的研究,提出了對于各類三維模型的一體化集成與管理方法。以常州為例,通過數(shù)據(jù)的管理與三維應用系統(tǒng)的集成,實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)的高校管理與應用。

三維數(shù)字城市;數(shù)據(jù)模型;數(shù)據(jù)管理

1 引 言

虛擬仿真和三維重建技術(shù)的發(fā)展使得其在城市規(guī)劃、房地產(chǎn)開發(fā)、智慧旅游、智能交通、城市應急管理等領(lǐng)域得到廣泛應用,也出現(xiàn)了針對不同應用所需要的各類不同標準的三維模型數(shù)據(jù)。在建模方式與三維應用平臺上,各類平臺層出不窮,百花齊放?？傮w來說,虛擬仿真和三維重建技術(shù)在城市規(guī)劃領(lǐng)域中的應用范圍最廣、精度要求最高、對三維視圖的效果要求最高,代表著三維數(shù)字城市的發(fā)展方向[1]。由于三維數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大,結(jié)構(gòu)復雜,需要包括三維的幾何、紋理、屬性多種信息,其原始數(shù)據(jù)的管理是一件較為復雜的事情,且許多學者更注重于研究三維模型的數(shù)據(jù)生產(chǎn)與應用。但研究三維數(shù)據(jù)管理的人還有很多,但大都存在實際操作問題,一是靈活度欠缺,二是未與應用系統(tǒng)進行集成。

通過分析,本文認為目前三維數(shù)據(jù)管理要解決如下幾個方面的問題,一是如何將數(shù)據(jù)管理靈活度提升,也就是對于三維數(shù)據(jù)無論是按照圖幅,還是按照顆粒度更小的單元,如何管理好。二是如何做好三維模型的常態(tài)化更新與歷史數(shù)據(jù)管理,由于三維模型在空間拓撲關(guān)系方面比二維要復雜得多,更新一個建筑物可能對周圍地物、地形都要做相應更改,而模型更新工作又是三維模型數(shù)據(jù)庫的一項重要的、頻繁的維護工作。在數(shù)據(jù)管理中實現(xiàn)便捷更新,切實提高數(shù)據(jù)更新效率是至關(guān)重要的。三是如何與應用系統(tǒng)進行無縫集成,最終做到管理方便快捷,更新及時。

2 面對規(guī)劃的三維數(shù)據(jù)組織

2.1 三維數(shù)據(jù)分類

(1)規(guī)劃角度

從規(guī)劃角度,三維模型一般分為:地形地貌三維模型、現(xiàn)狀建(構(gòu))筑物三維模型、規(guī)劃設計三維模型等。不同的模型類別,其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集獲取方式各異、模型制作方法和工藝流程多樣[9]。

(2)地物具體類別

從地物具體類別,三維模型類型分為地形(Terrain)、建筑(Building)、道路(Road)、植被(Plant)、市政設施(Municipal)和其他(Other)等,編碼應分別按ter、bui、roa、pla、mun和oth對應?；ㄅ_、水池等和地面構(gòu)成統(tǒng)一體的面應歸到地形類型中,豎直的灌木、喬木等應歸到植被類型,電線桿、井蓋、消火栓等應歸到市政設施類型中。本文在參考了城市建模相關(guān)規(guī)范的基礎(chǔ)上,結(jié)合常州市三維建模相關(guān)經(jīng)驗,將三維模型類型進行分類,具體內(nèi)容如表1所示:

表1 三維模型分類圖

(3)其他數(shù)據(jù)類別

三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)框架還包括其他數(shù)據(jù)類型,如相關(guān)矢量數(shù)據(jù)(如地形圖、管線圖等)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)(總體規(guī)劃、詳細規(guī)劃、專項規(guī)劃等)、規(guī)劃方案資料(建設項目規(guī)劃方案、圖片資料、經(jīng)濟技術(shù)指標等)等。這些數(shù)據(jù)應當與相關(guān)規(guī)劃業(yè)務、相關(guān)三維模型數(shù)據(jù)有機聯(lián)系起來,才能有效提供城市規(guī)劃服務。在建立城市三維數(shù)據(jù)庫時,應當充分考慮不同類型的數(shù)據(jù),保證數(shù)據(jù)組織的合理性、更新的便捷性。

2.2 高精度三維城市模型的一體化數(shù)據(jù)組織

三維城市模型涉及多種數(shù)據(jù)類型,包括原始資料、影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等,并且城市級的三維建模數(shù)據(jù)量較為龐大,通常達到TB級別。此外,隨著日益迫切的地上、地下、室內(nèi)、室外三維空間數(shù)據(jù)的一體化管理、多用戶協(xié)作、數(shù)據(jù)及功能服務共享、數(shù)據(jù)安全等方面的系統(tǒng)需求,如何有效地將所有數(shù)據(jù)進行合理組織并將生產(chǎn)出來的三維模型數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理也是三維城市建模的一項重要研究內(nèi)容。

當前的三維數(shù)據(jù)大多采用文件管理方式,具體有兩種方式:①按規(guī)劃單元管理,將大范圍三維空間數(shù)據(jù)分成多個規(guī)劃單元分別管理,這一方式很難滿足一體化管理和無縫漫游的要求;②按城市片區(qū)管理,采用松散的大文件管理方式,這一方式難以保證數(shù)據(jù)的安全性和高效性。

因此,采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫對三維空間數(shù)據(jù)進行一體化管理已成為必然選擇。然而,目前地上、地下三維空間數(shù)據(jù)的一體化管理尚未采用真三維的空間數(shù)據(jù)模型,而已有的三維空間數(shù)據(jù)模型大都局限在特定的專業(yè)領(lǐng)域,其通用性和擴展性不強,難以滿足地上、地下三維空間信息的語義表達、動態(tài)更新、一致性維護以及綜合分析應用的需求。

2.3 一體化數(shù)據(jù)模型

數(shù)字城市建設工程復雜而龐大,涉及多類地物的幾何位置、形態(tài)特征和相互關(guān)系,同時還包含了人口、資源、環(huán)境、社會經(jīng)濟基礎(chǔ)信息以及各行各業(yè)的專題信息。目前,關(guān)于數(shù)字城市的概念模型并沒有形成某種規(guī)范,缺乏統(tǒng)一框架體系和標準體系。概念模型的研究也呈現(xiàn)出多種多樣的狀態(tài),國內(nèi)研究的學者也比較多[3～7]。根據(jù)地物的空間位置及其基本特點,本文在綜合了一些參考文獻后,從縱向?qū)哟?將三維數(shù)字城市中涉及的空間地物分為以下幾類:

(1)地上空間對象:如居民樓、各種建(構(gòu))筑物、亭廊、電力設施、樹木花草等。

(2)地面空間對象:主要是指附貼在地面上的空間對象,包括道路、草地、綠化帶以及湖泊、池塘、河流等。

(3)地下空間對象:如地下管網(wǎng)、地下停車場、巷道、地下建筑物、地層、構(gòu)造、礦體、其他地質(zhì)體等。

圖1 一體化三維空間數(shù)據(jù)模型[8]

針對地上、地下和室內(nèi)、室外三維空間實體的基本特點,需要從概念上建立其統(tǒng)一表達的通用三維空間數(shù)據(jù)模型。如圖1所示,地上、地下三維空間實體集成表示的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型通過幾何層、多尺度表達層和專題語義層三個層次進行完整的表達。在幾何層,通過點、線、面、體等基本元素實現(xiàn)地上、地下三維空間實體幾何表達的統(tǒng)一;在多尺度表達層,通過LOD對象實現(xiàn)地上、地下三維空間對象的多尺度表達;在專題語義層,對建筑物模型、道路網(wǎng)絡模型、地質(zhì)體模型(由于城市三維規(guī)劃較少涉及地質(zhì)建模,本文暫未對地質(zhì)三維建模展開研究)等專題進行面向?qū)ｎ}語義的擴展。其中,在DEM表面層次上確保合理的空間劃分與區(qū)域識別;在地上下立體層次,解決地理實體在二維抽象表示中產(chǎn)生的地上下交疊問題,滿足三維立體空間層面的實體精確表達與分析需求;基于語義層次關(guān)系進一步詳細描述相關(guān)實體的三維內(nèi)部結(jié)構(gòu)或組成關(guān)系[8]。

2.4 一體化數(shù)據(jù)更新

數(shù)據(jù)是系統(tǒng)建設的基石,三維數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)需要存儲和管理大量的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),一般數(shù)據(jù)處理工作占整個系統(tǒng)建設周期的50%左右,好的數(shù)據(jù)管理方式對系統(tǒng)的實現(xiàn)起到顯著的促進作用。三維數(shù)據(jù)庫建設時,為了滿足規(guī)劃的需求,系統(tǒng)數(shù)據(jù)必須包括三維景觀數(shù)據(jù)以真實地表現(xiàn)現(xiàn)實世界,包括必要的規(guī)劃屬性數(shù)據(jù)以進行規(guī)劃指標的統(tǒng)計分析,還需包括一定的規(guī)劃用地二維矢量數(shù)據(jù)以粗略地表現(xiàn)規(guī)劃方案,其中三維景觀數(shù)據(jù)在城市規(guī)劃中又具體表現(xiàn)為三維城市模型。雖然系統(tǒng)數(shù)據(jù)簡明的可概括為:三維城市模型、規(guī)劃相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)和二維矢量數(shù)據(jù),但是現(xiàn)有數(shù)據(jù)并不遵循一定的數(shù)據(jù)標準,系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)類型復雜、種類繁雜、數(shù)據(jù)來源多樣[10]。

三維模型的數(shù)據(jù)組織是數(shù)據(jù)管理工作的基礎(chǔ),本文在上節(jié)提出的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上,結(jié)合常州市實際三維建庫經(jīng)驗,設計了一套基于圖幅的三維數(shù)據(jù)組織與管理方法。限于篇幅,本節(jié)主要針對三維源數(shù)據(jù)建設(包括原始三維模型數(shù)據(jù)(.MAX文件)、三維交換模型(.x格式,提供三維場景發(fā)布用)、圖幅數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)以及三維模型相關(guān)屬性數(shù)據(jù)等)工作中涉及的空間數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系及數(shù)據(jù)更新方式做簡要介紹。

(1)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設計

本文以三維空間數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系(源數(shù)據(jù)部分)為例來介紹相關(guān)內(nèi)容。

根據(jù)三維模型數(shù)據(jù)特點以及建庫要求,本文對空間實體的關(guān)系進行了認真研究。由于在實際三維建模時,多半以建模單元或其他類型的圖幅等作為任務派發(fā)的區(qū)域界線。本文提出了基于圖幅的三維模型數(shù)據(jù)組織方法,基于圖幅方式的三維模型數(shù)據(jù)組織需要研究其縱向和橫向組織的技術(shù)特點和要求,以滿足三維模型在圖幅方式下的得到有效和合理地組織。

針對三維源數(shù)據(jù)的建設,圖2描述了三維空間數(shù)據(jù)庫實體之間的關(guān)系,三維原始模型數(shù)據(jù)按類別分別存入不同的模型表,以圖幅為單元對各類模型進行管理。同時,建立了三維模型及對應中間交換模型的一對多關(guān)系。三維原始模型及中間交換模型分別通過相應的字段與各類模型對應的紋理表建立關(guān)聯(lián)。

圖2 三維空間數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系圖

三維模型的屬性信息一部分直接存儲在三維模型對應的表中,同時建立與對象ID相關(guān)聯(lián)的擴展的屬性字段,擴展的屬性直接與傳統(tǒng)的二維GIS相關(guān)數(shù)據(jù)進行綁定,從而實現(xiàn)二維跟三維的關(guān)聯(lián),保留了原有的二維GIS數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的重復利用。

(2)數(shù)據(jù)更新設計

隨著時間的變遷,城市建設在不斷發(fā)展,三維模型數(shù)據(jù)也越來越多,所以需要定期對三維數(shù)據(jù)庫進行更新,針對不同的三維模型數(shù)據(jù)有著不同的更新方式。主要有以下幾種方式:

①對象級更新。

以三維城市建模為對象,以對象為單位進行更新。優(yōu)點是更新方式比較簡單,缺點是對象沒有空間位置概念,同時本身建模對象的命名實時在變,導致后期管理容易混亂。

②圖幅級更新。

以圖幅為更新單位,只要當前圖幅數(shù)據(jù)進行變更,以圖幅變更為需求提交要求進行更新。優(yōu)點是更新管理起來簡單,只要管理到圖幅即可。缺點是每次更新數(shù)據(jù)量大,即使實際更新部分數(shù)據(jù)量非常小,更新的數(shù)據(jù)量都是一個圖幅的數(shù)據(jù)[7]。

結(jié)合城市三維管理實際情況,三維模型的變化往往帶來周邊地物模型的相應變化,例如房屋變化往往導致關(guān)聯(lián)的地塊模型發(fā)生變化,單純的獨棟建筑的變化一般較少出現(xiàn)。因此,圖幅更新方式更適用于三維數(shù)據(jù)的更新管理,圖幅作為城市空間劃分的組織區(qū)域是長期不變,也方便跨部門應用,大大方便后期管理和共享應用。綜合對象級更新方式和圖幅級更新方式的優(yōu)缺點,三維空間數(shù)據(jù)庫建設的設計更新模式可按照圖3實施。

圖3 三維數(shù)據(jù)庫更新機制

3 實踐與分析

通過實踐,本文以常州為例基于Oracel、3ds Max開發(fā)了面對規(guī)劃的三維數(shù)據(jù)管理系統(tǒng),且與三維平臺進行聯(lián)動,最終形成了時空三維數(shù)據(jù)的管理與應用體系。

通過對三維數(shù)據(jù)的管理與應用,大大減少人工以文件方式對三維數(shù)據(jù)進行管理的時間和成本,使數(shù)據(jù)管理更為正規(guī)了,尤為重要的是為歷史數(shù)據(jù)的管理提供了相應的技術(shù)路徑。

如圖4所示,本文根據(jù)常州的實際情況,對于建筑、地形、植被、道路、市政、規(guī)劃方案等類型進行了全面管理,對于各類數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理,如可以進行場景質(zhì)檢,對于質(zhì)檢通過的數(shù)據(jù)可以進行入庫。

圖4 模型庫管理軟件

如圖5所示,針對原始庫中的數(shù)據(jù),通過發(fā)布數(shù)據(jù)的管理,可以動態(tài)監(jiān)測相應數(shù)據(jù)的更新情況,對于已更新的數(shù)據(jù)可動態(tài)發(fā)布,最終形成三維的時空數(shù)據(jù)應用。

圖5 模型庫動態(tài)監(jiān)測與發(fā)布管理軟件

4 結(jié) 語

本文對面向規(guī)劃的三維城市數(shù)據(jù)模型的管理行了研究與實踐。詳細分析了智慧城市時期對于三維的數(shù)字城市數(shù)據(jù)管理的需求特征。結(jié)合常州市在三維數(shù)據(jù)管理的經(jīng)驗對面對規(guī)劃的城市數(shù)據(jù)分類進行了分析,對三維數(shù)據(jù)的組織與結(jié)構(gòu)進行了分析,解決了三維數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)與三維平臺一體化數(shù)據(jù)管理的關(guān)鍵問題。但數(shù)字城市內(nèi)涵很廣,目前將三維所需要的信息進行了管理,下一步還需進一步將所有二維的、影像、DEM、街景等信息進行集中管理,進行進一步的集中與集成。

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Three-dimensional Digital City Data Management for Urban Planning

Ran Huimin2,3,Liu Quanhai1,2,3,Li Lou1,2
(1.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430070,China; 2.Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213002,China; 3.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center,Changzhou 213002,China)

Effective management of three-dimensional data is the basis of rich integrated application.On the basis of a large number of three-dimensional model production,how to achieve both a three-dimensional geometric model of effective management but also has texture and properties of the original data,and seamless integration with the application system is a difficulty of current three-dimensional digital city.In this paper,through the study of three-dimensional digital model of the city's data system to proposed a three-dimensional model of integration for all types of integration and management methods.In case of Changzhou,through systems integration of data management and 3D applications,to achieve a three-dimensional data efficient management and applications.

three-dimensional digital city;data model;data management

2014—07—08

冉慧敏(1980—),女,工程師,主要研究方向三維數(shù)字城市建設理論。

住房和城鄉(xiāng)建設部科學技術(shù)項目計劃(2013-S5-4)