徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺研究與應(yīng)用

宋 靜 梁 苗

徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221000

隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)二維GIS因無法獲得真實(shí)的空間感受、指標(biāo)計(jì)算枯燥、空間關(guān)系不明顯等因素，已無法滿足城市規(guī)劃建設(shè)管理的要求。此外，在以往空間分割管理模式下，地上地下空間信息較復(fù)雜，不利于各級領(lǐng)導(dǎo)的科學(xué)決策和城市規(guī)劃建設(shè)管理。

基于此，我們研究開發(fā)了徐州市歷史上首次數(shù)字化、三維可視化、集中統(tǒng)一的信息動態(tài)管理平臺——徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺，使城市規(guī)劃者和管理者可以在三維真實(shí)城市環(huán)境中進(jìn)行規(guī)劃、決策和管理，實(shí)現(xiàn)了地上地下空間信息的無縫集成和一體化管理。

1 徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺研究建設(shè)

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)平臺在技術(shù)上堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)、管理、服務(wù)與應(yīng)用相分離的架構(gòu)原則，采用SOA架構(gòu)、B/S模式，建立了靈活裝配式的擴(kuò)展機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的管理、共享、融合、交換及與其它業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的集成。

系統(tǒng)在技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)上分為五層結(jié)構(gòu)：工具層、服務(wù)器與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和三維表現(xiàn)層。標(biāo)準(zhǔn)化體系和安全保障制度需要貫穿于各個層次，從而使各個層次相互連接，形成一個有機(jī)整體。

1.2 軟件體系

徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺軟件體系主要包括以下幾個部分。

1.2.1 WEB服務(wù)端

WEB服務(wù)端基于面向服務(wù)的開發(fā)和架構(gòu)，采用Linux服務(wù)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)、服務(wù)的分布式部署和負(fù)載均衡?？蛻舳藷o并發(fā)訪問和授權(quán)數(shù)量限制，服務(wù)器支持網(wǎng)絡(luò)授權(quán)模式。面向服務(wù)的架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用環(huán)境，用戶可自定義擴(kuò)展服務(wù)，跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺無縫聚合第三方服務(wù)；支持服務(wù)和數(shù)據(jù)的分布式部署。

1.2.2 編輯管理子系統(tǒng)

（1）運(yùn)維管理子系統(tǒng)。運(yùn)維管理子系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)管理、服務(wù)管理及用戶管理三部分組成。

（2）編輯子系統(tǒng)。編輯子系統(tǒng)以C#作為開發(fā)語言，可提供基于數(shù)據(jù)庫的三維模型瀏覽和管理功能，以實(shí)現(xiàn)三維環(huán)境中三維模型的單體化更新和建筑紋理、屬性的實(shí)時更新。

1.2.3 瀏覽子系統(tǒng)

瀏覽子系統(tǒng)要求支持海量數(shù)據(jù)平滑瀏覽，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外、二維三維、地上地下等的一體化，實(shí)現(xiàn)真實(shí)與美觀的和諧統(tǒng)一；實(shí)現(xiàn)二三維基礎(chǔ)地理信息的屬性查詢、本地化編輯、空間分析和距離面積量算等。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理工具集

項(xiàng)目對傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)的可視化技術(shù)進(jìn)行了算法和流程的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了大面積海量數(shù)據(jù)的快速顯示與分析和基礎(chǔ)地理實(shí)體模型的三維精細(xì)化表達(dá)，解決了項(xiàng)目的研究難點(diǎn)。

1.2.5 業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)

針對具體需求，在徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)，研究建設(shè)了三個業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)。

1.3 數(shù)據(jù)建設(shè)

（1）標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。項(xiàng)目實(shí)施過程中，結(jié)合實(shí)際情況，建立了三套地方性標(biāo)準(zhǔn)：《徐州市三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、《徐州市地下管線普查技術(shù)規(guī)程（修訂）》、《徐州市綜合地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與建庫規(guī)范》。

（2）模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。項(xiàng)目通過流水線式三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝，將數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)與傳統(tǒng)三維模型生產(chǎn)方法相結(jié)合，生產(chǎn)DEM、DOM、TDOM以及三維建筑模型等多種符合測繪精度要求的數(shù)據(jù)。

2 徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

2.1 基于城市框架數(shù)據(jù)的DEM建模方法

項(xiàng)目在城市框架數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，結(jié)合航空攝影立體像對數(shù)據(jù)采集三維特征點(diǎn)線，并直接構(gòu)TIN，避免了常規(guī)DEM生成過程中GRID內(nèi)插造成的數(shù)據(jù)精度損失，精確表現(xiàn)了城市道路、河流湖泊、溝坎和隧道等城市地形要素。

2.2 研究提出了三維管線自動化建模及更新算法和方法

2.2.1 三維管線碰撞檢測的立體求交算法

在管線數(shù)據(jù)普查和管理中，如何快速發(fā)現(xiàn)碰撞管線，并精確找出位置，一直是一個難點(diǎn)。項(xiàng)目基于三維體求交算法能夠精確計(jì)算各種形狀管線的間距，確定管線碰撞的位置，為外業(yè)加密點(diǎn)布置和內(nèi)業(yè)檢查提供了依據(jù)，管線數(shù)據(jù)質(zhì)量得到提升，普查周期得到縮減。

2.2.2 基于自動耦合造型法的管線三維自動建模方法

項(xiàng)目利用二維矢量管線的拓?fù)潢P(guān)系及對應(yīng)屬性字段自動生成或匹配全部管網(wǎng)要素，實(shí)現(xiàn)了管線、管溝、特征、井和井室等的自動化生成，避免了由于手工建模造成的誤差，解決了特征模型庫與管線匹配時不一致的問題，為管線管理提供了更加直觀的管理方式。

2.2.3 三維管線數(shù)據(jù)的自主式增量更新方法

項(xiàng)目在自動化生產(chǎn)技術(shù)上，基于統(tǒng)一的二維數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)了與二維管線數(shù)據(jù)同步的三維管線數(shù)據(jù)增量式實(shí)時更新，支持按管線要素、按測區(qū)范圍和按時間周期等多種方式，縮減了運(yùn)維成本。

2.3 實(shí)現(xiàn)了跨平臺、跨應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)體系

項(xiàng)目采用面向服務(wù)架構(gòu)技術(shù)，將智能集群、并行計(jì)算和虛擬化技術(shù)應(yīng)用到平臺建設(shè)中，實(shí)現(xiàn)了松耦合異構(gòu)式環(huán)境集成，解決了跨部門、跨平臺和跨應(yīng)用互操作問題。

3 徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺的應(yīng)用研究

3.1 城市三維規(guī)劃決策方面的應(yīng)用

以平臺為基礎(chǔ)，面向城市規(guī)劃，研制開發(fā)了徐州市三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)從地理位置和幾何尺寸上保證了規(guī)劃的真實(shí)性和可信度，可在城市規(guī)劃、設(shè)計(jì)與決策的不同階段，對規(guī)劃審批內(nèi)容進(jìn)行立體化、動態(tài)化、形象化顯示，使決策者可從任意角度看到規(guī)劃效果，大大提高了規(guī)劃決策的效率及科學(xué)性。目前該系統(tǒng)已在舜淮府第、珠山風(fēng)景區(qū)洲際酒店、徐州九里萬科城、徐州中樞街、徐州樂園等多個項(xiàng)目中發(fā)揮了重要作用。

3.2 城市地下空間開發(fā)利用中的應(yīng)用

城市地下管線是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”。以平臺為基礎(chǔ)，根據(jù)“管線三維可視化”思路，研制開發(fā)的徐州市綜合地下管線三維信息管理系統(tǒng)，使城市綜合管線的三維可視化管理得以實(shí)現(xiàn)，不僅使得錯綜復(fù)雜的地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)變得一目了然，更可針對不同的管線數(shù)據(jù)進(jìn)行三維的信息統(tǒng)計(jì)、查詢、標(biāo)注及輔助分析，在真實(shí)、直觀的環(huán)境下完成爆管分析、開挖模擬和規(guī)劃設(shè)計(jì)等，有力保障了地下空間規(guī)劃、建設(shè)和管理的安全性和科學(xué)性。地下管線圖如圖1所示。

圖1 地下管線圖

3.3 形象宣傳和展示中的應(yīng)用

徐州市規(guī)劃館三維城市展臺——《尋找我的家園》是在徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺基礎(chǔ)上的又一成功應(yīng)用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)了三維渲染客戶端和人機(jī)互動系統(tǒng)，可提供多角度、全方位的城市瀏覽及搜索定位等功能。該系統(tǒng)目前已在徐州規(guī)劃館實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用，在徐州市城市展示宣傳、公共服務(wù)和招商引資中發(fā)揮了重要作用，得到了參觀領(lǐng)導(dǎo)及社會公眾的一致好評。

4 結(jié)語

徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺可以為各行業(yè)提供真實(shí)直觀準(zhǔn)確且具有針對性的三維地理信息服務(wù)和輔助決策，各行業(yè)也可在該系統(tǒng)平臺的基礎(chǔ)上，方便快捷地疊加相關(guān)行業(yè)信息，并快速搭建相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)，降低系統(tǒng)開發(fā)難度和城市空間數(shù)據(jù)的更新成本，避免重復(fù)投資，形成信息孤島，可有效集約優(yōu)化城市公共服務(wù)資源，為推動城市信息化進(jìn)程和智慧城市建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。