三維GIS及其在智慧城市中的運(yùn)用研究

沙俊松　蔣金秀

摘 要： 本文在研究中以基于三維GIS的智慧城市為核心，簡(jiǎn)單介紹三維GIS，分析三維GIS在智慧城市中的運(yùn)用，列舉實(shí)際案例，發(fā)揮出GIS在智慧城市中的價(jià)值和實(shí)踐方式，推動(dòng)智慧城市的建設(shè)和發(fā)展，并為相關(guān) 研究人員提供一定的借鑒和幫助。

關(guān)鍵詞： 三維GIS;智慧城市;運(yùn)用

【中圖分類(lèi)號(hào)】P208 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-3733（2020）08-0219-02

隨著技術(shù)水平和社會(huì)發(fā)展水平的提升，數(shù)字城市逐漸過(guò)渡為智慧城市，這二者有很大的區(qū)別，數(shù)字城市主要是通過(guò)多分辨率、多空間、多尺寸對(duì)城市進(jìn)行三維描述，實(shí)現(xiàn)城市過(guò)去、現(xiàn)狀、未來(lái)的數(shù)字化虛擬呈現(xiàn);智慧城市就是通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)+和智能應(yīng)用形成以用戶(hù)創(chuàng)新、大眾創(chuàng)新、協(xié)同創(chuàng)新為主的可持續(xù)發(fā)展體系，特別是在移動(dòng)新技術(shù)的應(yīng)用下，賦予智慧城市信息化特征。三維GIS技術(shù)是智慧城市建設(shè)中的重要技術(shù)，對(duì)城市地理信息進(jìn)行整合和應(yīng)用，呈現(xiàn)城市數(shù)字化布局，推動(dòng)智慧城市的建設(shè)與發(fā)展。在這樣的環(huán)境背景下，探究三維GIS及其在智慧城市中的運(yùn)用具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 三維GIS的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

三維GIS在實(shí)際應(yīng)用中，具有兩大優(yōu)勢(shì)：一是信息承載與表達(dá)能力，在智慧城市建設(shè)中，要依賴(lài)于城市硬件環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境組建的城市信息化體系，特別是在數(shù)字地球理念推出后，智慧城市建設(shè)中需要解決實(shí)體信息如何有效轉(zhuǎn)變成數(shù)據(jù)信息。傳統(tǒng)方式以二維地理信息數(shù)據(jù)為主，二維地理信息數(shù)據(jù)+GIS信息，就由平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)變成三維空間坐標(biāo)，大大提高了數(shù)據(jù)承載與表達(dá)能力。從這一層面上看，三維GIS技術(shù)的應(yīng)用，為智慧城市建設(shè)中的各個(gè)使用功能的實(shí)現(xiàn)提供有力支撐，提高地理信息數(shù)據(jù)的全面性和精準(zhǔn)性，并通過(guò)直觀化工作平臺(tái)進(jìn)行信息管理，保證智慧城市的穩(wěn)定運(yùn)行。二是三維可視化功能，這是三維GIS技術(shù)的一大優(yōu)勢(shì)，借助三維建模與信息處理技術(shù)，在計(jì)算機(jī)界面上呈現(xiàn)數(shù)據(jù)信息，構(gòu)建真是的地理信息模型，使得管理者可以更加直觀掌握地理信息和城市空間布局，了解各個(gè)區(qū)域地形地貌特征，便于數(shù)據(jù)分析與管理。

2 三維GIS在智慧城市中的運(yùn)用途徑

2.1 構(gòu)建三維GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型

智慧城市建設(shè)和發(fā)展中，必須依賴(lài)于城市信息的自動(dòng)化采集手段，且可以對(duì)這些新信息進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在傳統(tǒng)三維空間數(shù)據(jù)模型中，無(wú)法呈現(xiàn)出完整的城市空間布局，形成宏觀規(guī)劃管理和微觀精細(xì)化管理的沖突。三維GIS可以有效的解決這一問(wèn)題，構(gòu)建三維GIS空間數(shù)據(jù)庫(kù)模型，將地面數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)庫(kù)模型的方式保存和表現(xiàn)，再利用三維GIS軟件轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，為智慧城市建設(shè)提供數(shù)據(jù)模型。在實(shí)際應(yīng)用中，三維GIS可以根據(jù)室內(nèi)外情況進(jìn)行多粒度對(duì)象表達(dá)，形成室內(nèi)外、地上、地下的多維度GIS模型。

2.2 構(gòu)建三維GIS技術(shù)可視化模型

在智慧城市建設(shè)中，需要聚集大量數(shù)據(jù)以支撐虛擬地球應(yīng)用系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)三維空間模型數(shù)據(jù)進(jìn)行高校組織管理，使其分布均勻，而如何將三維GIS技術(shù)由局部至城市范圍應(yīng)用是當(dāng)前三維GIS技術(shù)可視化模型構(gòu)建的難點(diǎn)，形成兩方面管理瓶頸：一是三維GIS技術(shù)可視化模型內(nèi)承載的數(shù)據(jù)量較大，空間內(nèi)部數(shù)據(jù)分布不均，結(jié)構(gòu)化二維紋理數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化三維結(jié)合數(shù)據(jù)耦合一起，使得數(shù)據(jù)過(guò)于密集，造成數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)儲(chǔ)存障礙;二是在三維空間數(shù)據(jù)分析和可視化應(yīng)用中，由于計(jì)算密集，造成復(fù)雜空間數(shù)據(jù)操作和服務(wù)器性能不協(xié)調(diào)。對(duì)此，在解決和管理中，可以選擇一次性裝載數(shù)據(jù)組織管理模型，統(tǒng)一模型表示與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，控制不同格式模型轉(zhuǎn)化造成的空間浪費(fèi)。同時(shí)，積極開(kāi)發(fā)三維GIS專(zhuān)用數(shù)據(jù)組織模式，形成空間索引結(jié)構(gòu)，制定動(dòng)態(tài)化調(diào)度機(jī)制，解決這兩個(gè)問(wèn)題，保證系統(tǒng)運(yùn)行效率。

2.3 建設(shè)高性能三維GIS可視化系統(tǒng)

在智慧城市建設(shè)中，三維GIS數(shù)據(jù)具有可視化與真實(shí)性特征，更加關(guān)注人機(jī)交互中的響應(yīng)速度和低延遲性，達(dá)到逼真的場(chǎng)景效果。針對(duì)城市范圍應(yīng)用領(lǐng)域而言，由于數(shù)據(jù)量較大且分布不均，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性與逼真性，使得可視化應(yīng)用中始終存在場(chǎng)景復(fù)雜性和場(chǎng)景繪制之間的沖突。對(duì)此，針對(duì)這一問(wèn)題，運(yùn)用高性能三維GIS可視化系統(tǒng)，依托于三維空間數(shù)據(jù)組織管理進(jìn)行數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)化調(diào)度，優(yōu)化城市范圍的三維空間數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)裝載，剔除十余種的復(fù)雜遮擋物，通過(guò) GPU/CPU協(xié)同技術(shù)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維場(chǎng)景的繪制，滿(mǎn)足可視化要求。

3 案例分析

3.1 智慧城市建設(shè)項(xiàng)目

某市高鐵新城建設(shè)項(xiàng)目依托遵義東站而建，向內(nèi)無(wú)縫對(duì)接高鐵站、長(zhǎng)途客運(yùn)站、城市公交樞紐、輕軌站點(diǎn)，向外輻射遵義境內(nèi)800萬(wàn)人口及周邊城市，形成泛遵義、跨城際的城市商業(yè)新核心項(xiàng)目。高鐵新城項(xiàng)目是集大型綜合商業(yè)、特色休閑娛樂(lè)、商務(wù)商貿(mào)辦公、生態(tài)品質(zhì)家居、特色旅游等多功能于一體的城市旗艦綜合體，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義及拉動(dòng)地區(qū)經(jīng)濟(jì)的積極意義，打造“創(chuàng)新、便捷、安全、綠色”的智慧新城，持續(xù)釋放遵義高鐵新城品牌價(jià)值，延展品牌影響力。

3.2 三維GIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建設(shè)

（1）基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

如表1所示，為基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)中各個(gè)要素表示情況。在設(shè)計(jì)和建設(shè)中，基礎(chǔ)地圖要具備在線瀏覽、標(biāo)注、搜索等功能，以此為設(shè)計(jì)要求，對(duì)矢量數(shù)據(jù)進(jìn)行內(nèi)容選取，呈現(xiàn)出

數(shù)據(jù)集，通過(guò)符號(hào)化處理和圖面整飾等處理方法后，的形成重點(diǎn)突出、色彩協(xié)調(diào)、符號(hào)形象、圖面美觀的各類(lèi)地理底圖，可用于在線瀏覽、專(zhuān)題標(biāo)圖，也可供用戶(hù)下載后打印輸出或作為文檔插圖。

如圖1、圖2所示，分別為三維GIS精細(xì)化地圖，圖一為手繪地圖，用以展示地圖細(xì)節(jié)，圖2則是GIS精細(xì)化地圖，精度要求高，能實(shí)現(xiàn)園區(qū)精確定位，所反映的園區(qū)設(shè)備更加精細(xì)。

（2）導(dǎo)航路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

導(dǎo)航路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的目的是為園區(qū)建立可進(jìn)行路徑分析查詢(xún)和導(dǎo)航的道路數(shù)據(jù)網(wǎng)，在實(shí)際建設(shè)中那個(gè)，以道路網(wǎng)圖層建立、轉(zhuǎn)彎限制圖層建立為核心，反映出園區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)，其中，轉(zhuǎn)彎限制圖層同樣為線圖層，用以表達(dá)所有有交通限制的道路段。借助導(dǎo)航數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)園區(qū)的精確導(dǎo)航，包括尋找最佳線路，計(jì)算步行和車(chē)行時(shí)間等。

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