焦作市城區(qū)實(shí)景三維數(shù)據(jù)平臺建設(shè)研究

古慧敏

（焦作市基礎(chǔ)地理信息中心，河南 焦作 454150）

1 引言

按照《關(guān)于推進(jìn)數(shù)字城市向智慧城市轉(zhuǎn)型升級有關(guān)工作的通知》（國測國發(fā)〔2015〕11號）要求，要做好城市時(shí)空數(shù)據(jù)內(nèi)容的豐富、范圍的擴(kuò)充，著力開展歷史、實(shí)時(shí)、動態(tài)、地下、室內(nèi)、三維、多維地理信息獲取與分析處理，并不斷提升獲取能力和分析處理水平。

通過總結(jié)“數(shù)字焦作”數(shù)據(jù)成果的使用經(jīng)驗(yàn)，二維數(shù)據(jù)在對“智慧城市”提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)時(shí)，存在空間數(shù)據(jù)單一、抽象性較大、專業(yè)性要求高等問題。隨著三維數(shù)據(jù)模型建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，城市三維模型數(shù)據(jù)的推廣使用逐漸與城市管理緊密結(jié)合[1]，并將發(fā)揮更大作用。

2 城市實(shí)景三維模型建設(shè)面臨的問題

以焦作市為代表的城市正處于發(fā)展上升期，城市功能區(qū)日漸完善，中心城區(qū)規(guī)劃范圍逐漸擴(kuò)大，三維數(shù)據(jù)建模需要明確經(jīng)費(fèi)，確定實(shí)景三維模型的清晰度和建設(shè)內(nèi)容，在數(shù)據(jù)生產(chǎn)和推廣時(shí)，存在生產(chǎn)周期長、數(shù)據(jù)量大等問題。建設(shè)實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型時(shí)，高精度的清晰模型造價(jià)高，大范圍建設(shè)需要耗費(fèi)大量財(cái)力；低精度的實(shí)景模型會造成中心城區(qū)發(fā)達(dá)區(qū)域內(nèi)建筑模型不清晰，對實(shí)景三維數(shù)據(jù)的推廣使用造成較大障礙[2]。

在三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)時(shí)，必須考慮三維數(shù)據(jù)的整體展示效果和城市發(fā)展的變化速度。如果數(shù)據(jù)采集的時(shí)間過長，超出一個(gè)季度，整個(gè)城市的影像數(shù)據(jù)色彩及地物不是一個(gè)季度的景象，致使影像數(shù)據(jù)在時(shí)間軸上無法形成統(tǒng)一整體；三維模型建設(shè)的周期過長，城市的發(fā)展變化會造成三維數(shù)據(jù)成果與城市現(xiàn)狀不符，降低實(shí)景三維數(shù)據(jù)成果的實(shí)用性。此外，三維數(shù)據(jù)量大，推廣使用時(shí)對服務(wù)器和計(jì)算機(jī)要求較高，因此，需要穩(wěn)定可靠的平臺來搭載三維數(shù)據(jù)，展示定制功能及其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。

3 實(shí)景三維模型建設(shè)方案

3.1 三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)

對焦作市實(shí)景三維數(shù)據(jù)建模前，首先在焦作市城區(qū)選取幾個(gè)小區(qū)域進(jìn)行三維數(shù)據(jù)建模實(shí)驗(yàn)，分別采用人工三維建模、基于傾斜攝影測量和基于航空攝影測量提高重疊率的實(shí)景三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)三種方式。

通過對比實(shí)驗(yàn)成果發(fā)現(xiàn)，人工三維建模的模型精細(xì)、場景美觀，建筑信息能根據(jù)需要重點(diǎn)展示，但與實(shí)地場景存在較大色差，不能直觀展示實(shí)地狀況。實(shí)景三維可真實(shí)、直觀反映實(shí)地狀況，建筑模型尺寸與實(shí)物相符，能根據(jù)不同數(shù)據(jù)精度完成精模和簡模兩種數(shù)據(jù)模型，但對有特殊要求的局部無法達(dá)到定制需求。在獲取實(shí)景三維數(shù)據(jù)的方法中，傾斜攝影與正射影像大重疊的方法制作的三維數(shù)據(jù)模型區(qū)別不大，但基于航空攝影測量提高重疊率的方法在數(shù)據(jù)采集效率上更有優(yōu)勢[3]，在應(yīng)用上，兩種數(shù)據(jù)成果各有特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域各有所長。

3.2 城市現(xiàn)狀分析

城市中心城區(qū)人口集中，商業(yè)發(fā)達(dá)，城市建設(shè)完善且更新速度慢，但城市管理壓力大。建設(shè)三維數(shù)據(jù)模型時(shí)需采用精細(xì)模型，滿足城市管理工作對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的需求；對于重要建筑和地標(biāo)建筑采用人工建模輔助完善，使得從大場景到局部精細(xì)部件還原城市原貌。

城市規(guī)劃發(fā)展區(qū)域處于中心城區(qū)外圍，建筑密度低、低效用地較多、發(fā)展?jié)摿薮笄腋滤俣瓤欤瑢?xì)模型的需求不高。因此，在建設(shè)三維數(shù)據(jù)模型時(shí)，可采用簡易三維模型數(shù)據(jù)，讓城市規(guī)劃發(fā)展區(qū)域的數(shù)據(jù)成果與中心城區(qū)對接，不用浪費(fèi)大量財(cái)力、物力。

3.3 建設(shè)方案選擇

通過小范圍實(shí)驗(yàn)，以大范圍實(shí)景三維模型為基礎(chǔ)，在城市規(guī)劃區(qū)范圍內(nèi)、主要建成區(qū)范圍外的250平方公里內(nèi)，采用簡易模型；在主要建成區(qū)100平方公里內(nèi)采用精細(xì)模型，同時(shí)挑選部分區(qū)域采用人工三維模型，重點(diǎn)展示需要的細(xì)部紋理，具體建設(shè)范圍如圖1所示，其中紅色為精細(xì)模型與簡易模型建設(shè)分界線。

3.4 數(shù)據(jù)維護(hù)方案

圖1 實(shí)景三維建設(shè)范圍圖

城市實(shí)景三維數(shù)據(jù)要與實(shí)地狀況相結(jié)合，能進(jìn)行小范圍的數(shù)據(jù)更新，這就要求在三維數(shù)據(jù)建設(shè)時(shí)，每一個(gè)三維模型必須是獨(dú)立存在的個(gè)體，且具有單體編輯功能，為后期三維模型數(shù)據(jù)的更新維護(hù)做準(zhǔn)備。

4 三維模型數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求及完成內(nèi)容

為保證三維建設(shè)范圍內(nèi)的影像色彩效果及三維景象的視覺效果，確保三維數(shù)據(jù)能真實(shí)反映城市建設(shè)現(xiàn)狀，航空攝影數(shù)據(jù)采集時(shí)間不能超過一個(gè)月，三維模型從開始建設(shè)至投入使用不能超過半年。

（1）完成主建成區(qū)100平方公里精細(xì)MESH三維模型數(shù)據(jù)獲取，主要成果有正射影像、DOM模型和真三維實(shí)景模型。

精細(xì)模型的數(shù)據(jù)要求：建筑屋頂結(jié)構(gòu)、房上房、屋脊、女兒墻、主體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)完整；建筑樓體、立面陽臺、窗戶、大型臺階主體結(jié)構(gòu)表現(xiàn)完整；棚戶區(qū)、村中村、鄉(xiāng)鎮(zhèn)街道建筑只表現(xiàn)建筑主體結(jié)構(gòu)，屋頂結(jié)構(gòu)統(tǒng)一以平頂結(jié)構(gòu)表現(xiàn)。所有幾何結(jié)構(gòu)邊緣垂直直角化、無扭曲結(jié)構(gòu)，建筑與地面直角鏈接、無褡褳；建筑與建筑間、建筑自身結(jié)構(gòu)無褡褳、建筑無破面[2]；重點(diǎn)道路沿街商鋪紋理清晰，真實(shí)反映物體表面顏色，同一區(qū)域同種物體紋理應(yīng)協(xié)調(diào)一致。實(shí)景三維精細(xì)模型效果如圖2所示。

（2）完成城市規(guī)劃區(qū)350平方公里（含100平方公里精細(xì)模型數(shù)據(jù)）簡易三維模型數(shù)據(jù)獲取，主要成果有正射影像、DOM模型和真三維實(shí)景模型。數(shù)據(jù)要求是：建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)完整，建筑和地面無破面、褡褳，建筑紋理無嚴(yán)重扭曲，河道、水域、湖泊水面要平整，重點(diǎn)橋梁道路表現(xiàn)完整，場景無懸浮物[2]。簡易模型效果如圖3所示。

圖2 實(shí)景三維精細(xì)模型效果圖

圖3 實(shí)景三維簡易模型效果圖

（3）主建成區(qū)范圍內(nèi)10條主要街道沿街底商數(shù)據(jù)及10條道路兩側(cè)建筑采用人工建模，要求建筑紋理與現(xiàn)狀基本相符，建筑結(jié)構(gòu)表現(xiàn)完整，每棟建筑都能夠獨(dú)立進(jìn)行編輯，建筑精度能夠符合實(shí)景三維模型整體精度情況，沿街底部商業(yè)門面表現(xiàn)清晰、完整。

5 結(jié)束語

通過對焦作市實(shí)景三維建設(shè)過程與數(shù)據(jù)成果分析，城市大范圍實(shí)景三維數(shù)據(jù)模型的快速建設(shè)基本能夠?qū)崿F(xiàn)。根據(jù)城市管理實(shí)際情況采用分區(qū)域、分級別的建設(shè)方案，在時(shí)間上實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型與城市建設(shè)現(xiàn)狀基本相符，在空間上盡可能全部包含城市規(guī)劃范圍。同時(shí)，建筑模型的單體編輯可讓實(shí)景三維數(shù)據(jù)與城市發(fā)展變化同步，為數(shù)據(jù)成果的長期使用提供技術(shù)支持。