新型三維測繪地理信息產(chǎn)品集成建庫研究技術

陳良超 ，陳 光，薛 梅

(重慶市勘測院，重慶 401121)

0 引 言

測繪“十三五”要求測繪地理信息由傳統(tǒng)測繪向新型測繪轉型升級，實現(xiàn)測繪地理信息功能作用的升華跨越，提升測繪地理信息公共服務的質量和效率[1]。當前，新技術、新工藝、新裝備的應用，使得新型測繪性能有明顯提高，同時產(chǎn)生新的功能狀態(tài)和產(chǎn)品存在形式[2]。以三維數(shù)字地形、傾斜攝影實景模型、激光點云（LiDAR）、精細三維模型、室內外全景影像模型為代表的新型三維測繪地理信息產(chǎn)品正是新型空間信息獲取和建模技術發(fā)展應用的成果，它們提供了對城市空間不同細節(jié)程度的直觀、高效表達。另外，建筑信息模型（BIM）作為建設工程領域的信息化集成手段，整合了多專業(yè)的精細數(shù)據(jù)資源，包括幾何、物理、規(guī)則等建筑空間和語義信息[3]。上述各類三維建模手段和數(shù)據(jù)資源各有特點，分別適用于不同的應用場景，如傾斜攝影模型具有真實度高、建模速度快的特點，適用于大場景的可視化應用[4]，但是其細部特征扭曲變形嚴重；而三維精細模型則可以支撐中小尺度下的城鄉(xiāng)規(guī)劃和基礎設施管理應用；建筑信息模型更是能夠服務于建設工程全生命周期的管理[5]。

在數(shù)據(jù)大爆炸時代，城市三維空間數(shù)據(jù)獲取已不再是瓶頸，在全國推進智慧城市建設的當下，各行業(yè)對空間數(shù)據(jù)資源的應用趨于交叉和協(xié)同，對數(shù)據(jù)服務保障能力提出了更高的要求。當前，對各類城市三維模型進行幾何、語義、時態(tài)等多維度信息集成建庫和統(tǒng)一管理應用正在成為三維地理信息技術的研究重點[6]。大規(guī)模三維數(shù)字城市場景的數(shù)據(jù)內容具有復雜性和海量性的特點，主要表現(xiàn)在對象類型繁多、模型精細程度不同、數(shù)量多且對象在空間上隨機分布、聚集和離散程度不均衡等方面[7]?，F(xiàn)有的建庫方案主要是針對各類模型數(shù)據(jù)特點分別建庫、獨立存儲，在城市模型數(shù)據(jù)管理應用中主要存在以下問題：①數(shù)據(jù)之間的空間異構、尺度異構、格式異構等特點導致集成度低，數(shù)據(jù)冗余度大；②模型對象缺少語義關聯(lián)，時空一致性差限制了地理空間分析能力的拓展提升。

綜上所述，本文研究建立了新型三維測繪地理信息成果集成建庫技術路線，如圖1所示。首先，在大尺度上對地理空間進行格網(wǎng)劃分，滿足對基本數(shù)據(jù)單元的索引，進而制訂空間地理實體編碼標準，結合空間格網(wǎng)與地理實體的位置關系確定實體的唯一編碼，為多級LOD和多時態(tài)數(shù)據(jù)資源關聯(lián)提供基準。然后，分別進行地理實體表和三維城市數(shù)據(jù)庫結構設計，重點描述多維度數(shù)據(jù)資源的庫表結構和關聯(lián)關系，考慮到現(xiàn)實對象類別之間的差異性，提供了動態(tài)擴展機制來支持差異化信息的組織管理；作為數(shù)據(jù)庫的基礎支撐，元數(shù)據(jù)和時空索引研究也是集成數(shù)據(jù)庫建設的關鍵。最后，研究建立數(shù)據(jù)庫更新和服務發(fā)布機制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的良性循環(huán)和對外的數(shù)據(jù)鏈條保障。

圖1 新型三維測繪地理信息產(chǎn)品集成建庫技術路線Fig.1 Technology route of database building of new 3D mapping geographic information products

1 集成建庫結構設計與組織

由于空間格網(wǎng)劃分和地理實體編碼部分與模型數(shù)據(jù)關聯(lián)入庫相關，將在下一節(jié)具體闡述。本節(jié)主要介紹多源三維信息模型集成建庫的庫表結構設計研究。一方面，建立地理實體表，為模型對象提供語義關聯(lián)基礎，另一方面，根據(jù)不同模型數(shù)據(jù)的細節(jié)表達特征，設計基于LOD級別的三維城市數(shù)據(jù)庫表，同時建立數(shù)據(jù)庫動態(tài)擴展機制，支持專題地物類的擴展支持。

1.1 地理實體表構建

地理實體（Geo-Entity）是現(xiàn)實世界中獨立存在、可以唯一性標識的自然或人工地物。在本研究中，基于面向對象建模方法[8]，以地理實體作為多來源和多時態(tài)模型對象的關聯(lián)基礎，實現(xiàn)同一地理對象在空間數(shù)據(jù)庫中的多比例尺集成管理。本研究設計的地理實體屬性表結構見表1。其中地理實體編碼由上述地理空間格網(wǎng)劃分和實體編碼規(guī)則唯一生成。屬性表中定義字段為現(xiàn)實世界地理實體的公共基本屬性，具體的數(shù)據(jù)描述見表中數(shù)據(jù)說明。其中對象的“出現(xiàn)時間”和“消亡時間”標識了地理對象的生命周期，該屬性與對象的外接矩形坐標信息聯(lián)合起來，實現(xiàn)在時空維度空間中對地理對象的定位，而地理實體編碼則起到唯一標識的作用。

表1 地理實體屬性表結構Tab.1 Table structure of geographical entity attribute

本研究地理實體數(shù)據(jù)來源于1:500全要素地形圖數(shù)據(jù)。從原始地形圖數(shù)據(jù)到地理實體數(shù)據(jù)需要執(zhí)行一系列的處理操作。首先，對1:500地形圖圖層與地理實體分類圖層進行映射關聯(lián)，根據(jù)映射關系生成基于原始地形圖要素數(shù)據(jù)的新分層數(shù)據(jù)；然后，對各圖層數(shù)據(jù)進行GIS規(guī)范化處理，包括對面層閉合要素進行自動構面處理等；最后，根據(jù)要素中心點坐標所在的格網(wǎng)和圖層對應的實體類型進行自動地理實體編碼，并同步原始地形數(shù)據(jù)中的相關屬性。

1.2 三維城市數(shù)據(jù)庫設計

三維城市數(shù)據(jù)庫以地理實體表作為總的牽引，通過唯一標識編碼來關聯(lián)同一地理實體的多源和多時態(tài)三維模型數(shù)據(jù)。根據(jù)模型數(shù)據(jù)表達現(xiàn)實世界的細節(jié)程度的差異，引入細節(jié)層級（Level of Detail, LOD）概念[9]，以LOD級別、時態(tài)和地理格網(wǎng)作為聯(lián)合鍵，對城市模型數(shù)據(jù)資源進行組織和關聯(lián)。每個三維模型代表地理信息實體的某個時間段或空間范圍內的形態(tài)，通過各自的ID作為標識。每個三維模型包含幾何、特性（包括時間）和行為3種信息，其中幾何數(shù)據(jù)主體是三維模型的矢量結構數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)；其他非時空相關的信息存儲在特性數(shù)據(jù)中；行為數(shù)據(jù)是描述對象的空間變化（移動、出現(xiàn)/消失、增加/減少、分裂等）、與相鄰對象的拓撲關系（相交、包含、鄰近）和度量變化（如距離）。動態(tài)擴展數(shù)據(jù)支持通過自定義幾何和屬性擴展的方式，增加對建筑、交通等對象進行數(shù)據(jù)補充記錄。

根據(jù)上述思路，研究設計了三維城市數(shù)據(jù)庫的總體邏輯關系，如圖2所示。圖中抽象地表達了庫中各類信息的構成和關聯(lián)關系。數(shù)據(jù)庫對三維模型的記錄主要包括公共數(shù)據(jù)和動態(tài)擴展數(shù)據(jù)兩部分，并且通過時態(tài)、格網(wǎng)、LOD和地理實體編碼作為聯(lián)合鍵值實現(xiàn)對模型數(shù)據(jù)的唯一標識，公共數(shù)據(jù)與動態(tài)擴展數(shù)據(jù)基于同樣的鍵值關聯(lián)，其關聯(lián)關系可能為0對1、1對1或者1對多。

圖2 三維城市數(shù)據(jù)庫表關系Fig.2 Relationship of 3D urban database tables

公共數(shù)據(jù)包括模型的幾何數(shù)據(jù)、特性數(shù)據(jù)和行為數(shù)據(jù)。不同類型的三維模型的幾何數(shù)據(jù)存儲策略不同，三維體塊模型和3D MAX模型的幾何數(shù)據(jù)包括模型的三角面頂點的坐標、法線、紋理坐標以及相關的材質和紋理信息等；三維模型紋理數(shù)據(jù)包括背景紋理數(shù)據(jù)、普通紋理、光照貼圖紋理；研究將模型幾何數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)的分離存儲，自然實現(xiàn)了紋理的共享共用，避免了模型之間紋理重復現(xiàn)象，提高了數(shù)據(jù)的一致性和完整性。傾斜攝影模型的幾何數(shù)據(jù)采用二進制的方式存儲其單體化后的原始數(shù)據(jù)；BIM模型無需單體化，同樣以二進制的方式存儲經(jīng)過信息過濾后的模型數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一按名字存儲所有三維模型的二進制數(shù)據(jù)。特性數(shù)據(jù)項根據(jù)對象類型的不同而不同，如建筑模型的屬性數(shù)據(jù)包括建筑名稱、權屬單位、使用性質、建筑結構、建筑層數(shù)、建筑用途等字段，交通路網(wǎng)模型和附屬設施模型的屬性數(shù)據(jù)包括名稱、類別、權屬單位等字段。為兼容模型數(shù)據(jù)特性數(shù)據(jù)存儲，通過抽提各類模型對象的公共屬性信息建立模型公共特性數(shù)據(jù)表。模型行為數(shù)據(jù)管理地理實體的空間變化、地理實體之間的語義拓撲關系以及實體的度量變化。其中實體空間變化包括位置變化、實體分裂與合并、實體出現(xiàn)于消失等；實體拓撲關系包括位于、部分-組成、連通等，如通過“位于”和“部分-組成”語義關系表達建筑的內部邏輯構成以及建筑內外空間和實體的“所屬關系”，通過建筑內部空間之間明確的連通關系建立建筑內部的三維網(wǎng)絡，能夠支持室內外一體化尋徑等復雜空間決策應用；實體度量變化主要記錄實體的特性中關于具體量值的變化，包括距離、面積、體量等特性變化。

城市三維空間數(shù)據(jù)涉及的模型類別包括建筑、交通、水系、管線、設施等。從對象的屬性和幾何特征差異考慮，增加動態(tài)擴展數(shù)據(jù)部分，通過數(shù)據(jù)庫表自定義擴展機制，實現(xiàn)對專題信息的動態(tài)擴展。動態(tài)擴展數(shù)據(jù)庫表及關系設計如圖3所示。其中，藍色表為動態(tài)擴展的核心表，主要管理擴展特性數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)；紫色表為擴展庫表外部關聯(lián)的公共數(shù)據(jù)主表（字段簡化），黃色表為字典表，記錄動態(tài)擴展相關的地物類別。擴展模型表支持對主體模型外附屬的模型實體文件的管理，采用BLOB字段以大二進制方式進行存儲。

圖3 動態(tài)擴展數(shù)據(jù)庫表及關系Fig.3 Relationships of dynamically expanding database tables

1.3 多級模型關聯(lián)與索引

按照總體的三維城市模型集成數(shù)據(jù)庫框架結構，不同來源模型數(shù)據(jù)對應不同LOD層級，并且相鄰LOD的地物要素之間存在明確的對應關系。以樹型結構表示的多級模型關聯(lián)關系如圖4a所示，具體關聯(lián)關系包括一對一、一對空和一對多。其關聯(lián)結構反映了低LOD數(shù)據(jù)向高LOD數(shù)據(jù)轉化的進程。根據(jù)本研究模型對象關聯(lián)設計，系統(tǒng)中不同級別LOD場景對象的關聯(lián)圖示如圖4b所示。圖中多個LOD級別的場景中，相同的地物被選中，隨著場景的縮放而保持選中狀態(tài)，LOD4級別直接顯示選中對象的BIM模型，即內部樓層的墻體結構信息。

圖4 多級模型對象關聯(lián)Fig.4 Multi-level object association model

由于時空對象的屬性和空間結構會隨著時間的推移而變化，伴隨著新的對象出現(xiàn)、已有對象的更新和已有時空對象的消失。由于時空對象的上述時間維度和空間維度上的特點，三維城市數(shù)據(jù)庫的索引設計需要顧及時空數(shù)據(jù)查詢的復雜度和普適性。本研究設計采用一種“二維空間索引+三維空間索引+時間索引”的三維索引結構，如圖5所示。首先，利用二維空間索引定位對象所在的空間格網(wǎng)，這是在大的空間尺度下的粗級篩選；然后，利用三維空間索引在格網(wǎng)內對象集合中進一步確定待檢索對象實體；最后，根據(jù)時間索引確定三維城市數(shù)據(jù)庫中的模型實例。實際應用中，多級檢索機制適用于海量異構數(shù)據(jù)的高效組織管理。

圖5 多級時空索引檢索Fig.5 Multi-level spatio-temporal indexing

2 三維測繪產(chǎn)品入庫與更新

2.1 地理空間格網(wǎng)劃分與實體編碼

地理格網(wǎng)框架的建立是整個空間數(shù)據(jù)組織的基礎。本研究參照現(xiàn)行的推薦性國家標準《地理格網(wǎng)》（GB/T12409-2009）[10]規(guī)定和實際應用精度要求建立多級直角坐標格網(wǎng)。在空間數(shù)據(jù)結構中，每個單元網(wǎng)格用來承載三維空間區(qū)域內的對象，因此，地理實體編碼是以地理空間格網(wǎng)編碼為基礎，編碼由地理空間格網(wǎng)編碼和格網(wǎng)內實體編碼構成，其中，實體編碼包括地理實體分類編碼和實體順序號，實體分類編碼參照國家基礎地理信息系統(tǒng)分類標準[11]。地理實體編碼中的空間格網(wǎng)編碼是由實體地理位置標識點所在格網(wǎng)的經(jīng)向和緯向編碼構成。實體地理位置標識點的定義參照測繪行業(yè)標準《地理信息公共服務平臺地理實體與地名地址數(shù)據(jù)規(guī)范（CH/Z 9010-2011）》實施，即，面狀區(qū)域對象的重心點點位，線狀實體中心點的點位，自然地物的中心點或標志點。利用實體地理位置標識點能夠有效解決跨格網(wǎng)實體要素的編碼問題。

2.2 數(shù)據(jù)檢查入庫

根據(jù)數(shù)據(jù)來源的不同，三維測繪產(chǎn)品檢查入庫總體技術框架如圖6所示，從示意圖的左上部分起始，以1:500地形圖更新數(shù)據(jù)為基礎，進行數(shù)據(jù)編碼和GIS化處理，生成數(shù)據(jù)庫的基礎部分，即地理實體數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)庫中不同LOD級別對應了不同的三維測繪產(chǎn)品來源，所有的數(shù)據(jù)在入庫之前都需要與地理實體數(shù)據(jù)進行空間匹配，即保證同名對象在三維地理空間中保持相同的位置，同時為不同來源的數(shù)據(jù)設置相同的空間參考和時間基準；經(jīng)過預處理后，建立模型數(shù)據(jù)與地理實體數(shù)據(jù)之間的對應關系，即為模型數(shù)據(jù)賦予地理實體編碼，并導入至臨時庫；對已入臨時庫的模型數(shù)據(jù)進行質量檢查，包括幾何精度、一致性等檢查內容，最終完成三維測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)的入庫管理。

圖6 數(shù)據(jù)檢查入庫流程Fig.6 Data check and storage flow

2.3 數(shù)據(jù)庫更新

集成數(shù)據(jù)資源更新方式包括動態(tài)更新和全局更新兩種，如圖7所示。動態(tài)更新是在城市新建、改建工程項目竣工后，通過竣工測量和三維建模任務進行數(shù)據(jù)資源更新，同時反饋至地理實體數(shù)據(jù)庫，進行相應的更新，動態(tài)更新也可被看做是自底向上驅動的數(shù)據(jù)更新。全局更新則是以年度為單位進行年度普查更新，對照地理實體數(shù)據(jù)庫進行區(qū)域內變化檢測，并對變化的城市對象進行數(shù)據(jù)補充采集，同步更新地理實體數(shù)據(jù)庫實體對象記錄。數(shù)據(jù)內容更新的同時，需要進行元數(shù)據(jù)更新。元數(shù)據(jù)更新內容包括數(shù)據(jù)集的內容、質量、表示方式、空間參考、管理方式等。根據(jù)測繪生產(chǎn)管理單位的年度基礎測繪數(shù)據(jù)更新任務，可以同步驅動新型三維測繪地理信息更新，從而保障數(shù)據(jù)更新的時效性和可靠性。

圖7 數(shù)據(jù)庫更新機制Fig.7 Database updating mechanism

3 集成應用實踐

本文以重慶市兩江新區(qū)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)園為示范區(qū)，開展新型三維測繪地理信息產(chǎn)品集成建庫和智慧應用實踐。建庫集成的新型三維測繪地理信息產(chǎn)品包括：三維數(shù)字地形、傾斜攝影模型、精細三維模型和BIM模型。數(shù)據(jù)庫根據(jù)應用場景和需求提供數(shù)據(jù)調取服務，滿足從產(chǎn)業(yè)園區(qū)規(guī)劃、建設和運營的全過程的保障支撐。

在宏觀規(guī)劃和路網(wǎng)設計階段，根據(jù)控規(guī)路網(wǎng)線型數(shù)據(jù)，在三維數(shù)字地形上進行道路方案模擬，根據(jù)挖填土石方量和景觀風貌的變化，輔助進行路網(wǎng)優(yōu)化設計。如圖8所示，左圖為優(yōu)化前的路網(wǎng)設計方案，線型平直且挖方量大，而右側為優(yōu)化后的設計方案依山就勢。

圖8 園區(qū)道路網(wǎng)優(yōu)化設計Fig.8 Optimizing design of road network in industrial park

方案審查階段，可以對各個建筑物和地物進行疊加分析，通過設置不同權值和數(shù)值，直觀顯示地物間的關系，來完成對現(xiàn)狀用地建設條件的評價[12]。在傾斜攝影實景模型和精細三維模型集成的場景中，疊加不同的建筑設計方案，從不同的視角查看建筑方案對城市景觀、天際線、開放空間形態(tài)和布局等因素的影響，如圖9所示。

圖9 建筑方案審查Fig.9 Examination of architectural programme

建筑運營階段，以大場景三維精細模型為基礎，集成加載建筑全專業(yè)BIM模型，通過掛接監(jiān)控視頻、設備屬性、狀態(tài)等信息，輔助開展建筑物業(yè)資產(chǎn)的精細化管理和維護，如圖10所示。

圖10 建筑物業(yè)資產(chǎn)管理維護Fig.10 Building property management and maintenance

面對城市多行業(yè)、多尺度的應用需求，集成多源新型三維測繪地理信息產(chǎn)品的三維城市數(shù)據(jù)庫能夠提供廣泛一致的空間數(shù)據(jù)支撐，滿足對大場景城市景觀和小范圍海量數(shù)據(jù)的綜合調用和無縫平滑切換。

4 結束語

本文根據(jù)新型測繪地理信息行業(yè)發(fā)展趨勢和應用需求，研究建立了新型三維測繪地理信息產(chǎn)品的檢查、入庫、更新技術流程，并提出了顧及多細節(jié)尺度、多來源、多時態(tài)特征的新型三維測繪地理信息產(chǎn)品集成建庫框架，實現(xiàn)對城市三維數(shù)字地形（LOD0）、建筑體塊模型（LOD1）、無人機傾斜攝影真三維模型（LOD2）、三維精細模型（LOD3），以及高細節(jié)層次建筑信息模型(LOD4)等數(shù)據(jù)的綜合集成管理，各級對象模型數(shù)據(jù)與現(xiàn)實世界地理實體對象關聯(lián)，顧及了語義相關模型之間的一致性和關聯(lián)性。

通過大范圍海量城市模型數(shù)據(jù)集成建庫，形成完整的三維空間數(shù)據(jù)基礎設施，能夠為智慧城市建設中各行業(yè)領域提供多源測繪產(chǎn)品的瀏覽、應用和分析支撐。伴隨著城市化進程的推進，基于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)更新采集機制，將形成更為完善的城市數(shù)據(jù)采集、處理、更新鏈條，從而更好地服務智慧城市建設需要。