數(shù)字張掖地理空間框架建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

魏志宏

武威市規(guī)劃測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 武威 733000

數(shù)字城市建設(shè)是未來智慧城市、智慧社區(qū)建設(shè)的基礎(chǔ)，也是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代不可或缺的基礎(chǔ)設(shè)施，其融合了信息技術(shù)及3S技術(shù)，主要面向政務(wù)部門，旨在為其提供直觀、準(zhǔn)確、及時(shí)更新的三維地理信息以供支持決策服務(wù)。數(shù)字張掖地理空間框架是數(shù)字張掖的重要組成部分，主要提供框架和基準(zhǔn)服務(wù)，基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)體系是數(shù)字張掖地理空間框架的核心。建設(shè)數(shù)字張掖地理空間框架，應(yīng)用服務(wù)是宗旨，共建共享是關(guān)鍵，基礎(chǔ)設(shè)施是支撐，政策法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)是保障。張掖市政府十分重視數(shù)字城市的建設(shè)工作，將數(shù)字張掖地理空間框架建設(shè)列為“十二五”期間全市測(cè)繪工作的重點(diǎn)。數(shù)字張掖地理空間框架建設(shè)項(xiàng)目于2011年8月15日獲國(guó)家測(cè)繪地理信息局批準(zhǔn)列為重點(diǎn)建設(shè)試點(diǎn)城市。文章以數(shù)字張掖地理空間框架建設(shè)建設(shè)為例，詳細(xì)闡述了數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)和思路，對(duì)其他省份和市州數(shù)字城市建設(shè)具有參考意義。

1 平臺(tái)建設(shè)思路

1.1 主要建設(shè)內(nèi)容

數(shù)字張掖地理空間框架項(xiàng)目圍繞“1+1+1+1+1+N”的模式進(jìn)行建設(shè)，即建設(shè)采用“1”網(wǎng)，地理空間信息公共平臺(tái)政務(wù)網(wǎng)和公眾網(wǎng)；“1”庫，即統(tǒng)一的一個(gè)基礎(chǔ)地理信息庫，保證數(shù)據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一；“1”平臺(tái)，即基礎(chǔ)版、政務(wù)版、公眾版平臺(tái)相統(tǒng)一，統(tǒng)一數(shù)據(jù)框架、服務(wù)機(jī)制；“1”套標(biāo)準(zhǔn)，即由張掖市政府出臺(tái)地方性規(guī)范，包括涉及地理信息及各專題信息的生產(chǎn)、管理、建庫和更新的地方性標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范；統(tǒng)“1”數(shù)字城市地理信息空間框架推廣機(jī)制：全市統(tǒng)一，重在應(yīng)用推廣；N個(gè)示范項(xiàng)目：第一期開展五個(gè)示范應(yīng)用系統(tǒng)，后期逐步擴(kuò)展，體現(xiàn)亮點(diǎn)，重在展示以地理信息為基礎(chǔ)，以信息化為推手的嶄新的城市管理模式。主要建設(shè)內(nèi)容包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)體系建設(shè)、基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫、數(shù)字張掖地理信息公共平臺(tái)建設(shè)、示范應(yīng)用系統(tǒng)建設(shè)、運(yùn)行支撐環(huán)境建設(shè)、機(jī)制建設(shè)。

1.2 平臺(tái)總體架構(gòu)

（1）基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)組成體系。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)由空間基準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)兩部分組成，空間基準(zhǔn)定位數(shù)據(jù)主要由省級(jí)基準(zhǔn)站網(wǎng)CGCS2000坐標(biāo)、1980西安坐標(biāo)系、1954年北京坐標(biāo)系及城市獨(dú)立坐標(biāo)系組成，目前省級(jí)基準(zhǔn)管理服務(wù)部門已實(shí)現(xiàn)所有坐標(biāo)系相互轉(zhuǎn)換，同時(shí)加強(qiáng)了基準(zhǔn)站點(diǎn)、各等級(jí)控制點(diǎn)的維護(hù)和檢測(cè)工作，確保了空間定位基準(zhǔn)穩(wěn)定可靠，控制點(diǎn)滿足精度要求。基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)建設(shè)具有重要意義，包括省、市、國(guó)家三級(jí)，部分?jǐn)?shù)據(jù)的生產(chǎn)對(duì)整個(gè)項(xiàng)目的建設(shè)具有舉足輕重的作用。通過對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定數(shù)字張掖地理空間框架體系，如圖1所示。

圖1 數(shù)字張掖基礎(chǔ)地理信息體系

（2）數(shù)據(jù)生產(chǎn)技術(shù)路線。該測(cè)區(qū)數(shù)據(jù)生產(chǎn)以（SWDC）數(shù)碼航空攝影影像、空三加密成果為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)源，以Pixel Grid分辨率遙感影像一體化測(cè)圖系統(tǒng)為數(shù)據(jù)生產(chǎn)平臺(tái)，進(jìn)行正射影像（DOM）制作。通過空三導(dǎo)入方式完成定向建模，采用基于影像一體化的生產(chǎn)地理信息生產(chǎn)更新平臺(tái)，通過空三導(dǎo)入方式完成定向建模，在立體環(huán)境下進(jìn)行數(shù)字線劃圖（DLG）各要素的采集。完成數(shù)據(jù)采集后，輸出CASS軟件標(biāo)準(zhǔn)格式，提供外業(yè)進(jìn)行實(shí)地調(diào)繪、檢核、補(bǔ)測(cè)、編輯，最終輸出*.DWG和*.shp空間數(shù)據(jù)格式，完成空間數(shù)據(jù)與制圖數(shù)據(jù)的生產(chǎn)。

2 空間數(shù)據(jù)入庫

2.1 空間數(shù)據(jù)入庫

空間數(shù)據(jù)入庫原則如下：

（1）數(shù)據(jù)編輯時(shí)，要求構(gòu)面的要素閉合，保證面與面、線、點(diǎn)要素之間的拓?fù)潢P(guān)系合理化。

（2）線要素必須嚴(yán)格捕捉繪制，線要素與面要素、線要素、點(diǎn)要素之間的空間位置關(guān)系合理、正確。

（3）面要素的邊線及線要素等加工、編輯時(shí)不允許采用擬合線、圓弧線或圓，必須用折線加工。

（4）同一編碼的點(diǎn)狀符號(hào)不能重疊，處理好點(diǎn)要素與點(diǎn)要素、線要素、面要素之間的關(guān)系，不能出現(xiàn)不合理的拓?fù)潢P(guān)系。

（5）不同層的要素重疊，其幾何位置必須嚴(yán)格匹配。對(duì)于測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的地形、地物，應(yīng)該保證同一地形、地物對(duì)象的單一性，即空間數(shù)據(jù)對(duì)象是一個(gè)目標(biāo)、屬性數(shù)據(jù)只保留一條與之對(duì)應(yīng)。

2.2 空間數(shù)據(jù)檢查

CASS專版中生產(chǎn)的數(shù)據(jù)仍為制圖數(shù)據(jù)，只是與標(biāo)準(zhǔn)的制圖數(shù)據(jù)表示有些區(qū)別，要成為空間數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，即將CASS專版中檢查合格的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的SHP數(shù)據(jù)，再將SHP數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SDB格式的數(shù)據(jù)，以便利用SuperMap Object開發(fā)的質(zhì)檢軟件進(jìn)行入庫前的數(shù)據(jù)檢查以及數(shù)據(jù)入庫。入庫前的數(shù)據(jù)檢查主要是檢查數(shù)據(jù)的拓?fù)潢P(guān)系與屬性一致性。

3 地名地址數(shù)據(jù)采集

地名地址數(shù)據(jù)以坐標(biāo)點(diǎn)位的方式描述某一特定空間位置上自然或人文地理實(shí)體的專有名稱和屬性，具體包括各要素的規(guī)范化名稱、空間位置、屬性及地理編碼等信息內(nèi)容，可分為行政區(qū)域地名、街巷名、小區(qū)名、門樓地址或標(biāo)志物名。

地址采集是地理編碼庫建立的起點(diǎn)，建立城市地名地址數(shù)據(jù)庫需要利用多種途徑采集地理編碼信息。為精確定位某一條道路兩側(cè)的地址，在調(diào)查地址外業(yè)的同時(shí)，需要調(diào)查登記、采集道路兩旁的商業(yè)網(wǎng)點(diǎn)、事業(yè)單位等興趣點(diǎn)，確保地名地址點(diǎn)的密度不低于電子地圖20級(jí)顯示要求。將城市地名地址及興趣點(diǎn)數(shù)據(jù)按照管理地名地址數(shù)據(jù)庫的要求和格式錄入系統(tǒng)，數(shù)據(jù)錄入可采用空間位置數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)同時(shí)或分開錄入的方法。地名和地址數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程如圖2所示。

圖2 地名地址數(shù)據(jù)的生產(chǎn)技術(shù)流程圖

4 城市三維景觀建模

4.1 三維數(shù)據(jù)精度要求

對(duì)建筑物、城市道路和水系分別建模，具體要求如下：

（1）建筑建模要求。①精細(xì)建模區(qū)。根據(jù)精細(xì)程度要求，分為三個(gè)級(jí)別：一級(jí)模型區(qū)為城市地標(biāo)性建筑、重要景觀建筑、步行街等，建筑物側(cè)面紋理（包括底商及立面廣告等）達(dá)到與現(xiàn)狀真實(shí)性一致，建模面積不超過精細(xì)建模區(qū)的5%，單體模型三角面數(shù)不超過9000個(gè)；二級(jí)模型區(qū)為城市重要公共建筑、重要商業(yè)建筑、主干道臨街建筑、高檔社區(qū)等建筑，建筑物側(cè)面紋理（包括底商及立面廣告等）達(dá)到與現(xiàn)狀真實(shí)性一致，建模面積不超過精細(xì)建模區(qū)的10%，三角面數(shù)不超過5000個(gè)；三級(jí)模型區(qū)則為一級(jí)、二級(jí)以外的所有建筑物，如城市普通公共建筑、普通商業(yè)建筑、支干道臨街建筑、中檔社區(qū)、普通民宅、城中村、工廠廠房等，建筑物側(cè)面紋理（包括底商及立面廣告等）達(dá)到與現(xiàn)狀真實(shí)性一致，占精細(xì)建模區(qū)面積的85%，三角面數(shù)不超過2500個(gè)。②普通建模區(qū)。普通建模區(qū)為城市外圍，包含普通公共建筑、商業(yè)建筑、居民社區(qū)、普通民宅、廠房等，以四級(jí)建模標(biāo)準(zhǔn)要求制作，三角面數(shù)不超過1500個(gè)。③簡(jiǎn)單建模區(qū)。簡(jiǎn)單建模區(qū)為城市轄區(qū)，主要是鄉(xiāng)鎮(zhèn)、農(nóng)村地區(qū)，采用航空影像自動(dòng)提取立面紋理，以五級(jí)建模標(biāo)準(zhǔn)要求制作，三角面數(shù)不超過500個(gè)。

（2）城市道路表現(xiàn)要求。精細(xì)模型區(qū)的城市主次道路的立交橋、高架路、行樹、路燈、道路隔離帶、交通護(hù)欄、交通標(biāo)志牌、交通信號(hào)燈、過街天橋、公交站亭、路面交通標(biāo)線（修飾影像）、路名牌、廣場(chǎng)景觀地帶中的樹和路燈，以及其他重要的設(shè)施要求精細(xì)建模表現(xiàn)。

（3）城市水系表現(xiàn)要求。精細(xì)建模區(qū)主要水系的碼頭、河堤、橋梁、防洪墻、護(hù)欄、沿河景觀建筑、沿河景觀雕塑、大型景觀燈、綠化樹、綠化帶、休閑座椅、臺(tái)階等要求精細(xì)建模表現(xiàn)。

4.2 模型要求及規(guī)范

（1）模型構(gòu)造要求。①建筑物模型要求真實(shí)反映建模物體的外觀細(xì)節(jié)，包括裙房底部結(jié)構(gòu)符合現(xiàn)實(shí)建筑特征，在沿建模物體漫游時(shí)，能清晰觀察到建模物體的結(jié)構(gòu)特征，紋理保持建筑原有外觀的完整性、美觀性、統(tǒng)一性（不考慮因個(gè)人原因改裝，隨意搭建，封閉陽臺(tái)而對(duì)建筑物造成的不統(tǒng)一）模型觀感與原物體保持一致。②建筑立面重要的裝飾（墻線）凹凸結(jié)構(gòu)尺度依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指標(biāo)，按要求建模表現(xiàn)，突出門廳、進(jìn)出口大門、門廊、建筑重要面室外扶梯、接地臺(tái)階依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指標(biāo)，按要求表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)，下穿結(jié)構(gòu)需要建模表現(xiàn)。③正確表現(xiàn)建筑物各類屋頂形狀結(jié)構(gòu)，紋理用影像表現(xiàn)，女兒墻和屋檐等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指標(biāo)按要求建模表現(xiàn)；古建房頂適當(dāng)提高分段數(shù)表現(xiàn)其弧度，屋檐、挑檐、房頂裝飾及附屬物等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范指標(biāo)按要求建模或采用透明貼圖表現(xiàn)其造型。

（2）模型制作要求。①所有模型平面誤差要求小于0.5m，高程誤差要求小于0.8m。②模型單位要在制作前設(shè)置好，以避免建筑尺寸錯(cuò)誤，縮放后影響建筑的尺度感。③城市三維模型的位置必須與基礎(chǔ)地形圖文件中的建筑位置保持一致，嚴(yán)格按照建筑基線進(jìn)行制作。

5 結(jié)束語

數(shù)字張掖是數(shù)字城市的具體體現(xiàn)，相關(guān)部門從張掖市實(shí)際出發(fā)，按照數(shù)字城市的建設(shè)要求建設(shè)了一個(gè)滿足張掖市經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的數(shù)字化系統(tǒng)工程。數(shù)字張掖地理空間框架建設(shè)是數(shù)字張掖建設(shè)的先導(dǎo)，具有基礎(chǔ)性和前瞻性的重要地位，將在提升張掖市地理信息服務(wù)能力、提高政府工作效率和管理水平、促進(jìn)地理信息的深入廣泛應(yīng)用、降低行業(yè)部門地理信息系統(tǒng)建設(shè)成本、拉動(dòng)地理信息產(chǎn)業(yè)等方面產(chǎn)生巨大經(jīng)濟(jì)效益。

整個(gè)項(xiàng)目在地理信息數(shù)據(jù)采集、整合與建庫的基礎(chǔ)上，通過提取地理框架數(shù)據(jù)、開展地名地址和POI調(diào)查、城市三維地理信息建模等建立了完善的數(shù)據(jù)體系、開發(fā)服務(wù)體系及其運(yùn)行的支撐環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了在線地理信息服務(wù)等，最終實(shí)現(xiàn)了數(shù)字張掖地理空間框架智能化、服務(wù)大眾化，具有典型應(yīng)用示范作用，數(shù)字張掖地理空間框架項(xiàng)目建設(shè)思路和所采用的關(guān)鍵技術(shù)能為類似項(xiàng)目的開展提供一定的參考和指導(dǎo)。