基于時空一體化的規(guī)劃編制管理平臺研究
——以珠海市為例

陳 真，張棟梁，周 萌，胡寧溪

(1.珠海市城鄉(xiāng)規(guī)劃編審與信息中心，廣東 珠海 519000；2.武漢大學 經(jīng)濟與管理學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

城市規(guī)劃從規(guī)劃編制到審批實施的各個環(huán)節(jié)都需要同時參照種類繁多，數(shù)量龐大的專業(yè)數(shù)據(jù)。除了傳統(tǒng)表單、文檔等傳統(tǒng)結構化數(shù)據(jù)，如項目申請表、“一書三證”等外，規(guī)劃行業(yè)更多的是需要參照空間數(shù)據(jù)。所謂空間數(shù)據(jù)是指以圖形作為表達主體的數(shù)據(jù),通常它以點、線、面、體、注記以及它們的組合來代表空間實體，如規(guī)劃成果、用地范圍線和數(shù)字城市模型等，這些數(shù)據(jù)都帶有明確的空間坐標?？臻g數(shù)據(jù)又可細分為二維空間數(shù)據(jù)和三維空間數(shù)據(jù)，三維數(shù)據(jù)由于其直觀的展示效果，已經(jīng)成為重要的規(guī)劃參考。同時，城市發(fā)展是一個動態(tài)過程，所以規(guī)劃管理者除了城市空間外，同樣關注時間概念，了解城市空間的“過去-現(xiàn)在-未來”，成為規(guī)劃管理者的另一大訴求。

綜上，規(guī)劃管理者對于信息系統(tǒng)的需求，可以概括為三個一體化，即圖文一體化、二三維一體化和時空一體化。在這三方面國內(nèi)外學者已經(jīng)取得一些研究成果。圖文一體化方面，孫紅春和王衛(wèi)安利用大型關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Oracle，DB2或SQL Sever）圖文一體存儲空間圖形幾何要素及其特征的描述屬性，實現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)記錄，提供具有時序概念的GIS功能[1]。二三維一體化方面，陳鵬等針對Skyline 和SuperMap 6R兩類軟件平臺，分析了各自的技術特點以及二三維一體化實現(xiàn)技術，實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡發(fā)布[2-3]。王永峰等研究了基于OSG三維虛擬顯示引擎和Flex系列RIA技術的二三維一體化系統(tǒng)實現(xiàn)技術及效果[4]。魏金明等提出了一種基于AE組件的二三維一體化GIS系統(tǒng)，并以濟南市為例，證實了系統(tǒng)的有效性[5]。徐澤驊等提出基于Open GL的新型高性能地圖渲染引擎，對于點、線、面等符號和要素實現(xiàn)了快速可視化[6]。時空一體化方面，柴彥威等從時間地理學的時空觀和行為觀入手，分析了時間地理學的規(guī)劃思想在城市規(guī)劃等方面的應用與探索[7]。彭玲等基于數(shù)據(jù)挖掘技術手段，科學地揭示了"城市脈動"變化規(guī)律,使平臺數(shù)據(jù)發(fā)揮最大價值[8]。高武俊等在空間模型中引入時間概念，探討時空數(shù)據(jù)模型及可視化技術[9]。

目前業(yè)內(nèi)研究鮮有將三個方面同時進行探索研究和實踐，規(guī)劃部門作為城市空間發(fā)展的重要統(tǒng)籌部門，對業(yè)務表單數(shù)據(jù)、包括二維、三維在內(nèi)的規(guī)劃空間數(shù)據(jù)和城市時空變化數(shù)據(jù)有著不可替代的需求，實現(xiàn)圖文一體，二三維一體和時空一體化對規(guī)劃部門全面地快速掌握城市信息和完善城市規(guī)劃管理有重要意義。但是目前絕大多數(shù)規(guī)劃部門難以實現(xiàn)三個一體化，主要原因是數(shù)據(jù)多源異構、數(shù)據(jù)共享難、數(shù)據(jù)體量大、系統(tǒng)協(xié)同性低等技術難點。本文針對以上難點，提出時空圖文二三維一體化建設思路和對應的關鍵技術，并在珠海市進行了實踐，取得了良好效果。

1 研究思路

首先采用多源異構的空間數(shù)據(jù)組織方式和時空數(shù)據(jù)庫技術，建立二三維一體化時空規(guī)劃數(shù)據(jù)資源中心，并基于SOA框架，采用B/S+C/S混合架構，集成二三維空間分析功能，搭建規(guī)劃編制時空圖文一體化管理平臺，此外還建立編制項目全過程管理、三維報建、城市設計方案評審等機制，保障規(guī)劃編制成果及時更新和三維項目成果的常態(tài)化應用。具體目標如下：

1）建立二三維一體化的規(guī)劃數(shù)據(jù)資源標準化體系。

2）整合規(guī)劃成果、現(xiàn)狀三維模型、規(guī)劃審批、基礎地理信息等數(shù)據(jù)資源，建立二三維一體化時空數(shù)據(jù)庫。

3）基于“框架+插件+業(yè)務”原理，集成業(yè)務工作流和二三維空間分析功能，搭建規(guī)劃編制時空圖文一體化管理系統(tǒng)。

4）建立三維數(shù)字城市在城市規(guī)劃管理全過程常態(tài)化應用及與規(guī)劃業(yè)務緊密銜接的數(shù)據(jù)更新機制。

5）為珠海市各職能部門提供數(shù)據(jù)共享接口。研究思路框架圖，如圖1所示。

圖1 研究思路框架圖Fig.1 Research idea frame

在實現(xiàn)以上目標過程中需要解決多源異構的空間數(shù)據(jù)組織、三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同、海量數(shù)據(jù)的高效動態(tài)渲染等難點。針對這些難點，本文采用了一系列的關鍵技術加以解決。

2 關鍵技術

2.1 多源異構的空間數(shù)據(jù)組織模式及優(yōu)化

針對規(guī)劃管理數(shù)據(jù)量大、格式不統(tǒng)一、同構和異構數(shù)據(jù)并存等問題，本文首先建立數(shù)據(jù)標準化體系標準，統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、坐標系、數(shù)據(jù)格式、表達方式與命名存儲規(guī)則，然后在數(shù)據(jù)標準化體系的基礎上采用空間數(shù)據(jù)應用轉換模型，整合多源異構的二、三維規(guī)劃數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)之間的提取、轉換、加載與整合，使其形成一個有機整體，如圖2所示，實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)組織和共享。此外，對于柵格數(shù)據(jù)，由于其數(shù)據(jù)量大，采用建立多分辨率金字塔和空間索引，提高柵格數(shù)據(jù)的加載效率；對于三維模型數(shù)據(jù)，則采用多分辨率模型簡化技術，針對不同尺度的展示場景，調用不同分辨率的三維模型，支撐三維模型數(shù)據(jù)加載效率的提升，同時為三維模型的渲染提速創(chuàng)造條件。

圖2 多源異構空間數(shù)據(jù)組織模式及優(yōu)化Fig.2 Multi-source heterogeneous spatial data organization model and optimization

2.2 三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同引擎技術

在多分辨率模型數(shù)據(jù)組織的基礎上，在數(shù)據(jù)調用時利用多層次三維空間索引快速調用最適用于當前展示場景的模型數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)傳輸時，多線程調度及異步通信傳輸能充分發(fā)揮服務器的計算性能，提升數(shù)據(jù)存取的速率，減少延遲；在數(shù)據(jù)展示時，多級緩存技術能避免已加載數(shù)據(jù)的再次加載、減少傳輸數(shù)據(jù)量，降低服務器負載。本文開發(fā)的三維GIS數(shù)據(jù)庫引擎，解決了大范圍三維模型數(shù)據(jù)加載效率慢、多尺度數(shù)據(jù)協(xié)同等難題，并在珠海市已建的160km2三維城市模型數(shù)據(jù)管理中得到良好應用，驗證了該引擎的有效性和可靠性（如圖3所示）。

圖3 三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同引擎Fig.3 Collaborative engine for 3D GIS database

2.3 海量數(shù)據(jù)的高效動態(tài)渲染

針對當前普通圖形硬件對海量城市模型數(shù)據(jù)承載能力不足等問題，從數(shù)據(jù)量和算法兩方面進行了優(yōu)化。數(shù)據(jù)量方面，動態(tài)緩存和分級渲染模型等技術在保證場景視覺效果的前提下減少了參與計算的數(shù)據(jù)量；算法方面，采用了基于GPU的圖形加速渲染優(yōu)化和視點實時選擇性格網(wǎng)細化，充分發(fā)揮GPU圖形計算性能，同時降低CPU負載，保障海量模型的快速加載、流暢渲染與穩(wěn)定運行，如圖4所示。除此之外，采用了城市部件模型智能匹配技術，對于在場景中大量重復出現(xiàn)并具有固定特征的城市部件，如路燈，樹木等，建立城市部件模型庫，并且每個部件有多種樣式，每個部件可以通過參數(shù)調整方位、大小。在一個場景中相同部件只用加載一次，避免了因為大量重復地解決城市部件模型引起的數(shù)據(jù)量倍增問題，使數(shù)據(jù)的加載效率和模型的檢索性能大幅提高，如圖5所示。

圖4 海量數(shù)據(jù)的動態(tài)渲染Fig.4 Dynamic rendering of massive data

圖5 城市部件智能匹配Fig.5 Smart matching of city components

3 總體設計

系統(tǒng)基于SOA框架，采用層次化設計思想，搭建C/S和B/S混合架構，即C/S架構的后臺管理子系統(tǒng)和B/S架構的二三維時空圖文一體化編制管理系統(tǒng)，并輔以二三維數(shù)據(jù)資源體系、項目全過程管理機制及業(yè)務驅動的數(shù)據(jù)更新機制，從技術和制度兩方面保障系統(tǒng)的建設和運行。

總體架構分為5個層次：

1）基礎設施層：由硬件、軟件、網(wǎng)絡及安全設備等構成，為平臺運行提供基礎設施支撐。

2）核心數(shù)據(jù)層：由基礎地理、規(guī)劃成果、審批和三維模型等數(shù)據(jù)組成，在Oracle數(shù)據(jù)庫的基礎上集成ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫和Skyline三維數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)多源異構數(shù)據(jù)間的關聯(lián)、約束及互訪。

3）數(shù)據(jù)管理層：構建二三維目錄體系，管理二三維數(shù)據(jù)的轉換、入庫、更新、維護和安全。

4）數(shù)據(jù)應用層：可針對不同的應用層面和場合進行功能或數(shù)據(jù)的定制，形成不同的模塊或子系統(tǒng)，靈活滿足用戶需求，如定制項目管理模塊、二三維聯(lián)動分析功能和三維方案評審模塊等。

5）應用服務層：封裝規(guī)劃管理相關的業(yè)務功能和數(shù)據(jù)分析功能接口，負責提供基礎、通用和專業(yè)的協(xié)同運行，支持相關數(shù)據(jù)的處理及應用，平臺總體架構如圖6所示。

圖6 平臺總體架構圖Fig.6 Overall architecture of the platform

4 平臺實現(xiàn)

4.1 圖文一體化

搭建統(tǒng)一的規(guī)劃編制管理平臺框架，實現(xiàn)規(guī)劃編制管理系統(tǒng)、一張圖建庫系統(tǒng)和城市三維系統(tǒng)的全面整合，實現(xiàn)單點登錄，如圖7所示，促進圖文一體化，并為將來系統(tǒng)的接入和擴展奠定基礎。

按照空間編碼體系將城市規(guī)劃管理過程中所參照和產(chǎn)生的圖文信息進行規(guī)范化組織分類，形成基于網(wǎng)絡的空間數(shù)據(jù)無縫連接且圖文信息動態(tài)連接的綜合信息資源，實現(xiàn)圖文數(shù)據(jù)的整體集成管理。聯(lián)網(wǎng)查詢檢索方式，實現(xiàn)對共享圖文數(shù)據(jù)資源的快速查詢及可視化，包括圖文雙向查詢、圖形綜合查詢、審批進度查詢、項目材料查詢、項目追蹤監(jiān)控、法令法規(guī)查詢和對外公眾查詢等功能。

為了實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與文檔數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理以及動態(tài)查詢顯示，需要在空間數(shù)據(jù)與文檔數(shù)據(jù)之間建立對應關系，通過在空間數(shù)據(jù)的屬性表及文檔數(shù)據(jù)的關系表中設定公共標識關聯(lián)項，便可以利用公共標識項將其關聯(lián)的圖文記錄掛接起來，實現(xiàn)圖文數(shù)據(jù)的動態(tài)聯(lián)接。

圖7 規(guī)劃編制圖文一體化管理Fig.7 Planning compilation for the management of graphics and documents integration

4.2 二三維一體化

為規(guī)范多源異構數(shù)據(jù)的組織，本文開展了數(shù)據(jù)編碼體系的研究，構建了9級數(shù)據(jù)編碼體系，9級15位代碼構成，即“綜合分區(qū)碼+分區(qū)碼+片區(qū)碼+規(guī)劃編制單元碼+規(guī)劃管理單元碼+地塊碼+分地塊碼+建筑編碼+校驗碼”。按照數(shù)據(jù)編碼體系，能夠實現(xiàn)從市域到建筑物的多層次數(shù)據(jù)銜接。

1）綜合分區(qū)碼：1位代碼，由大寫英文字母A、B、C、D、E等作為代碼。

2）分區(qū)碼：1位代碼，由阿拉伯數(shù)字1～9作為代碼。

3）片區(qū)碼：2位代碼，由阿拉伯數(shù)字01～99作為代碼。

4）規(guī)劃編制單元碼：1位代碼，由小寫英文字母a～z作為代碼。

5）規(guī)劃管理單元碼：由阿拉伯數(shù)字2位代碼，01～99作為代碼。

6）地塊碼：2位代碼，由阿拉伯數(shù)字01～99作為代碼。

7）分地塊碼：2位代碼，由阿拉伯數(shù)字01～99作為代碼。

8）建筑編碼：3位代碼，由阿拉伯數(shù)字001～999作為代碼。

9）校驗碼：1位代碼，范圍為0～9，以前14位編碼為依據(jù)生成數(shù)據(jù)編碼體系如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)編碼體系Fig.8 Data coding system

二維和三維數(shù)據(jù)集成能夠通過建立規(guī)范的編碼體系，建立空間數(shù)據(jù)映射來實現(xiàn)，即將二三維子系統(tǒng)集成于同一個系統(tǒng)中, 二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)同屏顯示，如圖9所示。

圖9 二三維一體化Fig.9 2D&3D integration

4.3 時空一體化

根據(jù)空間數(shù)據(jù)目錄，建立了從城市用地歷史檔案到現(xiàn)狀及規(guī)劃成果的規(guī)劃成果時空“一張圖”，實現(xiàn)了城市用地前世今生的一體化管理。

建立數(shù)據(jù)更新和動態(tài)訪問機制，保障數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性。在對數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)整合的基礎上，通過系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)范管理，實現(xiàn)規(guī)劃“一張圖”的訪問、應用、管理及更新機制，提供數(shù)據(jù)更新工具，實現(xiàn)歷史版本的自動管理和日志記錄。同時系統(tǒng)提供實時動態(tài)訪問機制，采用地圖服務訪問方式，實現(xiàn)實時動態(tài)訪問數(shù)據(jù)信息資源，保證數(shù)據(jù)的實時性和現(xiàn)勢性，且實現(xiàn)了跨部門數(shù)據(jù)共享利用。

在用地的動態(tài)管理中,需要記錄用地變遷的時空變化過程。為了能便捷地查詢到用地時空變遷信息，通過記錄用地實體的時空狀態(tài)序列，利用連續(xù)地塊變遷必須滿足空間相交性和時間相接性的時空約束條件，設計基于時空約束條件的空間數(shù)據(jù)組織，實現(xiàn)對用地實體歷史信息的動態(tài)回溯和便捷查詢。利用以“事件”為節(jié)點，添加時間標記，構建歷史庫、現(xiàn)狀庫和規(guī)劃庫，并按照時間標記建立時間索引，通過時間表及實現(xiàn)時間管理版本的管理來解決數(shù)據(jù)的時間序列問題，實現(xiàn)用地前世今生的一體化管理。在時間軸上過濾空間數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)任意時間點的數(shù)據(jù)快速回放，同時實現(xiàn)版本合并、回溯等功能，如圖10所示。

圖10 用地的時空一體化管理Fig.10 Management of the time-space integration

5 結束語

本文針對數(shù)據(jù)多源異構、數(shù)據(jù)共享難、數(shù)據(jù)體量大、系統(tǒng)協(xié)同性低等難點，提出時空圖文二三維一體化建設思路，運用了多源異構的空間數(shù)據(jù)組織模式、三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同引擎和海量數(shù)據(jù)的高效動態(tài)渲染等技術，并在珠海市的規(guī)劃編制管理平臺得以實踐，效果良好。未來研究重點是在智慧城市建設背景下，如何利用現(xiàn)有技術進一步豐富數(shù)據(jù)資源建設，拓展系統(tǒng)應用廣度和深度。