規(guī)劃設(shè)計成果在線三維展示方法探討

何興富，劉金榜

(重慶市勘測院，重慶 401121)

0 引 言

測繪地理信息成果是關(guān)系國家主權(quán)、安全和利益的戰(zhàn)略性信息資源，受到國家相關(guān)保密政策的嚴格保護。但近年信息化服務(wù)的快速發(fā)展，尤其是移動互聯(lián)網(wǎng)的興起對地理空間數(shù)據(jù)的需求不斷擴大，導(dǎo)致服務(wù)與應(yīng)用的矛盾日益突出。為此，較多學(xué)者從政策和技術(shù)方面進行了研究。魏源（2014）、朱建廣（2015）、劉萬增（2016）、周衛(wèi)（2016）等人提出，針對地理數(shù)據(jù)的共享應(yīng)用，可以借鑒一些國家的做法，采取軍民分版策略，合理確定保密要素，位置精度逐漸弱化，民用版完全開放、軍用版則完全保密等手段以解決“保密”和“應(yīng)用”之間的矛盾[1-4]。閆娜（2013）基于DOM（Digital Orthophoto Map，數(shù)字正射影像圖）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征和幾何精度脫密模型的研究，構(gòu)建了DOM幾何精度脫密與恢復(fù)模型[5]。李安波等（2016）研究了基于Logistic混沌系統(tǒng)的干擾脫密和基于輔助點的精度控制方法，實現(xiàn)了精度可控的矢量地理數(shù)據(jù)脫密處理[6]；上述研究從制度和技術(shù)上對現(xiàn)有保密政策提供了新的思路和方法，但“脫密”本身對資質(zhì)管理和內(nèi)容審核較為嚴格、周期較長，在公眾參與等需要快速響應(yīng)的領(lǐng)域難以達到理想的應(yīng)用效果。

隨著互聯(lián)網(wǎng)地理信息服務(wù)的興起，GeoCover、SRTM3和國際科學(xué)數(shù)據(jù)平臺等平臺提供了大量中、低精度數(shù)據(jù)資源，這些公開的“天然脫密”的數(shù)據(jù)逐漸成為地理信息行業(yè)應(yīng)用的研究熱點。趙尚民（2016）等利用1:5 000精確數(shù)據(jù)地SRTM3 DEM（Digital Elevation Model, 數(shù)字高程模型）數(shù)據(jù)的誤差分布等進行研究討論其在黃土地貌類型上的研究意義[7]；謝翠貞（2015）采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)對90 m SRTM和30 m ASTER DEM數(shù)據(jù)進行融合處理，實現(xiàn)DEM在水平分辨率上的提高和高程數(shù)據(jù)精度的改善[8]。這些研究，為直接利用互聯(lián)網(wǎng)提供的地理空間信息資源提供了較好的實踐基礎(chǔ)。在城鄉(xiāng)規(guī)劃和設(shè)計領(lǐng)域，羅文?。?017）對利用3S技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)促進城鄉(xiāng)規(guī)劃管理現(xiàn)代化進行了研究[9]；利用AutoDesk公司的Infraworks提供的低精度三維地理空間數(shù)據(jù)，張波（2015）、李震等（2015）綜合利用Civil 3D與Infraworks開展用3D模型來支持道路拓寬改造、油庫的總圖設(shè)計與三維可視化展示等工作[10-11]。

總體而言，公開的數(shù)據(jù)精度較低，更多地服務(wù)于大尺度分析、宏觀管理等方面。在城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計領(lǐng)域，尤其是涉及重大民生工程的項目中，仍然需要以高精度的地理空間資源作為支撐，并高度重視公眾參與。在規(guī)劃設(shè)計工作與公眾參與中，“保密”這一道鴻溝難以逾越。本文針對這一問題，以規(guī)劃設(shè)計成果在線模擬和分析服務(wù)為目標，提出了基于線上線下整合的、多精度DEM融合的規(guī)劃設(shè)計成果量化分析、三維可視化、在線展示和公眾參與技術(shù)路線，可有效提升地理信息成果的利用效率和服務(wù)能力。

1 城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計數(shù)據(jù)需求與資源分析

在城鄉(xiāng)規(guī)劃和設(shè)計領(lǐng)域，隨著尊重自然的人文設(shè)計思想日益受到重視，如何在市政設(shè)計工作中更加順應(yīng)自然中山系、水系和綠系的自然發(fā)展規(guī)律，做到城市與山水融合，要求市政設(shè)計人員必須以高精度的地形圖為設(shè)計底圖。目前，市政設(shè)計一般采用的底圖為1:500地形圖。而在部分重點區(qū)域，如重慶兩江新區(qū)甚至還要求使用高精度的DEM和高分辨率影像，以輔助開展多達200km2的交通、綠地和綜合服務(wù)設(shè)施系統(tǒng)布局[12]。表1列出了當前各項規(guī)劃設(shè)計工作對測繪地理信息成果的一般性要求。

表1 規(guī)劃設(shè)計工作對測繪地理信息數(shù)據(jù)的一般性要求Tab.1 General requirements of geographic information data for planning and design

當前，面向互聯(lián)網(wǎng)提供的地理信息數(shù)據(jù)資源主要包括幾個渠道，一是商業(yè)化的如百度地圖等；二是由行政管理部門或相關(guān)單位經(jīng)批準公開的公共數(shù)據(jù)資源，如天地圖等；三是由各大研究機構(gòu)、數(shù)據(jù)服務(wù)商公開的數(shù)據(jù)資源，如NASA等。表2展示了當前可通過部分互聯(lián)網(wǎng)渠道獲取的地理信息資源[13]。

表2 部分互聯(lián)網(wǎng)渠道可獲取的地理信息資源Tab.2 Some geographic information data available from Internet

在開展城鄉(xiāng)規(guī)劃和設(shè)計工作中使用的高精度數(shù)據(jù)資源主要是由各城市勘測單位提供的，受保密政策限制，這些數(shù)據(jù)資源只能在保密的工作環(huán)境下使用，難以服務(wù)于公示、征求意見等工作環(huán)節(jié)。通過公共渠道獲取的各類地圖、影像和DEM數(shù)據(jù)，則精度較低，更多應(yīng)用于宏觀決策和科學(xué)研究。在規(guī)劃設(shè)計與公眾參與中間，存在著“保密的高精度數(shù)據(jù)”和“公開的低精度數(shù)據(jù)”兩個分離的領(lǐng)域，要既能滿足保密政策的要求，又能充分利用這兩種數(shù)據(jù)資源，必須將規(guī)劃設(shè)計環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)成果帶入到公開的低精度數(shù)據(jù)中，多精度DEM融合技術(shù)起到了一個較好的橋梁作用。

2 多精度DEM融合技術(shù)

2.1 基于約束的市政設(shè)計成果DEM融合

使用不同方法和數(shù)據(jù)源生成的DEM具有較強的互補性，因此，DEM融合成為地理信息應(yīng)用的一個重要數(shù)據(jù)處理手段。DEM融合是將不同來源、不同精度的DEM數(shù)據(jù)進行處理，使其形成統(tǒng)一精度、銜接良好的單一DEM數(shù)據(jù)的過程。當前，DEM融合主要是基于代數(shù)的融合，主要步驟如下[14]：

1）確定要融合的DEM數(shù)據(jù)源；

2）確定各DEM在融合時的權(quán)重系數(shù)及取舍閾值；

3）以像素為單位，根據(jù)上述系數(shù)或閾值，遍歷處理所有DEM像素；

4）輸出融合后的DEM。

要達到在線展示市政規(guī)劃設(shè)計成果的目標，需要將互聯(lián)網(wǎng)渠道獲取的公開的低精度DEM數(shù)據(jù)源（如ASTER GDEM的30 m精度DEM）由市政三維模型轉(zhuǎn)換而來的高精度DEM（輸出為0.5 m分辨率）進行融合。要達到這兩種數(shù)據(jù)源的較好融合和所需的展示效果，突出設(shè)計成果的細節(jié)，需要對DEM融合增加約束條件：如果在一個像元中同時存在高精度和低精度的DEM，則只取高精度DEM值。圖1展示了基于ASTER GDEM數(shù)據(jù)源和市政設(shè)計成果之間的整合效果。

圖1 市政設(shè)計成果與低精度DEM融合效果（注：ASTER GDEM數(shù)據(jù)內(nèi)插到0.5m）Fig.1 The fusion eあect of municipal design result with low precision DEM (Note: ASTER GDEM interpolated to 0.5 meter)

2.2 基于TIN的多精度數(shù)字地形構(gòu)建

由于DEM數(shù)據(jù)的存儲規(guī)則限制，如果要保留高精度的規(guī)劃設(shè)計成果的細節(jié)，如道路邊坡的馬道、路基的路緣等，必須使用平面精度和垂直精度都大于1 m的DEM進行存儲，圖1中對互聯(lián)網(wǎng)獲取的ASTER GDEM數(shù)據(jù)內(nèi)插到0.5 m。但內(nèi)插必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)量的急劇增加，為此，在使用融合后的DEM構(gòu)建數(shù)字地形模型時，對市政設(shè)計成果范圍以外的區(qū)域，需要再恢復(fù)為其原始的較低DEM精度，以降低數(shù)據(jù)量，利于網(wǎng)絡(luò)傳輸。

不規(guī)則三角網(wǎng)（Triangulated Irregular Network,TIN）為上述需求提供了解決手段。本文在使用融合后的DEM構(gòu)建數(shù)字地形模型時，對原低精度DEM區(qū)域，通過相應(yīng)的規(guī)則對DEM進行抽稀，有效減少該區(qū)域三角網(wǎng)的數(shù)量；對原高精度DEM區(qū)域則保持精度不變，維持市政規(guī)劃設(shè)計成果的空間特征。通過這一處理，使得最終展現(xiàn)的三維場景既能保證了規(guī)劃設(shè)計成果的精細展示，又有效地降低了數(shù)據(jù)傳輸量和三維場景的三角面數(shù)，保證在線展示的流暢性，并支持移動端的三維展示，擴展成果的應(yīng)用場景。

3 線上線下整合的設(shè)計成果三維模擬與在線展示

3.1 基于高精度DEM的三維市政設(shè)計

將高精度的DEM應(yīng)用于市政規(guī)劃設(shè)計是當前地理信息應(yīng)用的一個重要領(lǐng)域，基于參數(shù)化設(shè)計思想，將市政設(shè)計成果進行三維建模，并基于GPU運算技術(shù)使得三維市政模型能與DEM進行良好匹配，從而實現(xiàn)在大范圍三維場景下展示市政設(shè)計成果。這一過程主要包括以下幾個步驟：

1）設(shè)計成果導(dǎo)入。將基于CAD的設(shè)計軟件的市政設(shè)計成果導(dǎo)入到三維輔助設(shè)計系統(tǒng)中，識別出其中的設(shè)計參數(shù)。

2）模擬參數(shù)設(shè)計。將CAD設(shè)計轉(zhuǎn)換成三維設(shè)計，主要包括空間設(shè)計和表現(xiàn)設(shè)計兩類，空間設(shè)計指市政設(shè)計成果的空間模型，表現(xiàn)設(shè)計指在空間模型上進行紋理貼圖、陰影處理等。

3）三維可視化。將上述設(shè)計參數(shù)轉(zhuǎn)換成空間模型，并賦予紋理、陰影等細節(jié)，實現(xiàn)市政設(shè)計成果的三維可視化。

4）綜合分析。在三維可視化基礎(chǔ)上，結(jié)合GIS分析實現(xiàn)土石方量計算、道路彎曲系數(shù)計算、道路視距計算、場地排水評估等分析功能。

圖2展示了基于高精度DEM開展三維市政設(shè)計的成果。

圖2 基于高精度DEM的三維輔助市政設(shè)計Fig.2 3D aided municipal design based on high precision DEM

3.2 線上線下整合的市政三維模擬與在線展示方法

在三維市政設(shè)計技術(shù)支撐下，本文提出了基于線上線下整合的三維道路模擬與展示方案。該方案由外網(wǎng)環(huán)境和內(nèi)網(wǎng)環(huán)境兩部分組成。整體方案運行流程如圖3所示。

圖3 線上線下數(shù)據(jù)整合的三維市政模擬與展示流程Fig.3 Display and simulation process for 3D municipal result integration of online and oラine data

在外網(wǎng)環(huán)境，通過在線云服務(wù)平臺，向外發(fā)布公開的DEM數(shù)據(jù)資源和影像資源，儲存用戶的市政方案設(shè)計成果及與之對應(yīng)的三維模型、分析成果，同時通過資源目錄和示意圖發(fā)布可供服務(wù)的高精度數(shù)據(jù)資源，提供DEM融合服務(wù)和三維地形模型構(gòu)建服務(wù)。

在內(nèi)網(wǎng)環(huán)境，同樣通過云服務(wù)模式，提供高精度DEM數(shù)據(jù)資源，提供市政設(shè)計成果三維模擬和分析服務(wù)。當前，市政設(shè)計成果的實時三維可視化與分析已經(jīng)有較為成熟的解決方案[15]，這里不再贅述。

通過這種整合模式，通過云盤中心、展示中心和資源目錄中心，用戶可以在外網(wǎng)環(huán)境下了解當前可用的高精度數(shù)據(jù)資源，在線提交市政設(shè)計方案和在線展示三維市政設(shè)計成果。由于基于內(nèi)外網(wǎng)的隔離性，方案提交和成果展示是分離的，即會造成工作的中斷。為了提升服務(wù)的響應(yīng)效率，通過加入消息通知服務(wù)，可以在新方案提交和三維成果發(fā)布時通過短信等渠道進行提醒，從而實現(xiàn)異步但邏輯上連續(xù)的工作過程，即服務(wù)的閉環(huán)。

圖4展示上述過程中的數(shù)據(jù)流與效果圖，圖5展示了基于智慧重慶空間信息服務(wù)云平臺構(gòu)建的在線服務(wù)平臺及三維市政方案展示效果。

圖4 線上線下整合的市政設(shè)計成果展示數(shù)據(jù)流圖Fig.4 The data flow diagram for online and oラine integration of municipal design results

圖5 三維市政方案在線展示效果Fig.5 Online presentation for 3D model of municipal program

通過整合三維地理資源與三維分析技術(shù)，在實現(xiàn)道路模擬成果的基礎(chǔ)上，還可以開展空間測量和分析功能。同時，利用三維道路、場地等設(shè)計技術(shù)，還可以綜合展示道路橫斷面圖、縱斷面圖、場平放坡圖等效果。通過三維空間形態(tài)的展示與分析，幫助規(guī)劃設(shè)計人員更好地收集公眾意見，改進規(guī)劃設(shè)計方案，提升規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性。圖6展示了在線發(fā)布的數(shù)字地形模型斷面圖與設(shè)計道路斷面圖的疊加展示，可以看到利用TIN的特性，地形斷面較好地保持了設(shè)計道路斷面的總體特征。

圖6 DEM融合后斷面線分析比較（步長0.1m）Fig.6 Comparison of section for terrain and road after DEM fusion（step:0.1meter）

4 結(jié)束語

本文從當前互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下可獲取的公開數(shù)據(jù)資源入手，分析了如何結(jié)合高精度的地理信息資料和低精度地理信息資源各自的應(yīng)用范圍，為當前城鄉(xiāng)規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)工程提供豐富、在線的地理信息服務(wù)提出了一個行之有效的解決辦法，滿足企業(yè)對高精度數(shù)據(jù)服務(wù)的需求和規(guī)劃設(shè)計成果的空間可視化。但由于受線上線下分離的影響，這一服務(wù)模式難以做到實時反饋，對規(guī)劃設(shè)計企業(yè)動態(tài)調(diào)整規(guī)劃設(shè)計成果的需求仍有一定的差距。要解決這些問題，一方面需要相關(guān)政策的逐步完善與放開，另一方面還需要開展相關(guān)技術(shù)探索，在當前機制體制下探尋有效的使用途徑。