地上地下一體化三維系統(tǒng)建設(shè)研究——以成都市為例

陳凱，曾詩晴，張俊，李驍，陳文典，范云松

(1.成都市勘察測繪研究院，四川 成都 610081； 2.四川省城市信息化測繪工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610081)

1 引 言

城市化進(jìn)程中不可避免地出現(xiàn)國土資源供需矛盾尖銳、城市承載能力不協(xié)調(diào)以及城市空間格局不合理等日益突出問題，大型地上地下空間開發(fā)利用呈現(xiàn)加速態(tài)勢，在飛速發(fā)展的同時(shí)，也聚集了大量的風(fēng)險(xiǎn)[1]。探索人與自然和諧共生的可持續(xù)發(fā)展新路徑，實(shí)現(xiàn)全面透徹的城市地上地下三維空間立體感知與認(rèn)知，建立城市建設(shè)和政府管理的數(shù)字基底，已成為智慧城市發(fā)展建設(shè)和安全運(yùn)維管理的必然趨勢，亟須三維GIS技術(shù)提供支撐保障。

傳統(tǒng)的數(shù)字化管理系統(tǒng)，大多針對特定需求專項(xiàng)定制，如城市地下三維管線系統(tǒng)、三維地質(zhì)可視化系統(tǒng)以及規(guī)劃輔助審批決策系統(tǒng)等，各管理系統(tǒng)工作模式相對獨(dú)立[2]，缺乏共享交互接口；數(shù)據(jù)表達(dá)方式大相徑庭，缺乏多層次、多粒度時(shí)空對象描述，難以支持復(fù)雜環(huán)境下多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的協(xié)同分析和運(yùn)維管理；且對于大范圍市域級、城區(qū)級的三維GIS數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，幾乎沒有實(shí)景三維場景全覆蓋的相關(guān)研究和實(shí)例[3]，難以滿足政府對大范圍實(shí)景三維場景和數(shù)字化綜合管理系統(tǒng)的迫切需求。

本研究突破了傳統(tǒng)二維地圖“多張皮”和傳統(tǒng)三維可視化GIS側(cè)重外觀展示的局限，利用三維GIS對海量空間地理數(shù)據(jù)強(qiáng)大的存儲管理能力、綜合分析能力和多層次可視化能力[4]，對城市真三維立體空間進(jìn)行統(tǒng)一描述、組織和管理，準(zhǔn)確直觀地集成表達(dá)地上地形地貌、實(shí)景三維，地下管線、工程地質(zhì)、建(構(gòu))筑物，室內(nèi)設(shè)施、建筑結(jié)構(gòu)以及國土規(guī)劃、多測合一等專題數(shù)據(jù)，形成與現(xiàn)實(shí)世界一致的數(shù)字框架，實(shí)現(xiàn)全新模式的城市地上地下全空間信息一體化管理平臺，為城市的總體規(guī)劃、建設(shè)管理、智慧運(yùn)營等工作提供真實(shí)精準(zhǔn)的地理空間數(shù)據(jù)和綜合分析展示，有利于政府管理部門全盤、直觀地掌握城市空間資源，推動信息高度共享和數(shù)據(jù)深度應(yīng)用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

地上地下一體化三維系統(tǒng)基于B/S模式，采用面向服務(wù)體系架構(gòu)(SOA)理念，堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)、管理與應(yīng)用相分離的原則，建立靈活裝配式的擴(kuò)展機(jī)制。系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)層、存儲層、平臺層和應(yīng)用層四個(gè)層次，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層是地上地下一體化三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)，集成成都市試驗(yàn)區(qū)已有的地形影像、地下管線、工程地質(zhì)、國土規(guī)劃、多測合一等數(shù)據(jù)，形成城市全空間信息數(shù)據(jù)體系。利用天地空一體化觀測數(shù)據(jù)，構(gòu)建成都市中心城區(qū)全域范圍高精度、可量測的實(shí)景三維場景，形成地上地下一體化三維系統(tǒng)的基礎(chǔ)空間框架，為城市多維地理環(huán)境要素全面感知提供支撐。為保證城市全空間信息數(shù)據(jù)的高效存儲組織以及網(wǎng)絡(luò)安全環(huán)境下的協(xié)同共享，顧及空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)特征，采用一體化數(shù)據(jù)管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理信息、專題數(shù)據(jù)、三維模型等空間數(shù)據(jù)以及視頻、圖表、文本、屬性等非空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和集成管理。平臺層即搭建城市地上地下數(shù)據(jù)于一體的三維綜合管理平臺，是城市全空間信息精準(zhǔn)映射和協(xié)同融合的神經(jīng)中樞和關(guān)鍵支撐，面向不同的應(yīng)用需求，可為用戶提供基于局域網(wǎng)環(huán)境的PC端系統(tǒng)、大屏可視化系統(tǒng)以及基于互聯(lián)網(wǎng)的移動端App，通過人機(jī)交互獲取相應(yīng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)跨層級、跨部門、跨系統(tǒng)、跨業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)共享交換和業(yè)務(wù)協(xié)同[5]，為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、建設(shè)管理、政務(wù)服務(wù)、智能監(jiān)管、應(yīng)急指揮等提供全生命周期的智能管理應(yīng)用。

圖1 地上地下一體化三維系統(tǒng)建設(shè)總體框架

2.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

地上地下一體化三維系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)如圖2所示，主要可分為六個(gè)部分：多源數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)規(guī)范處理、三維場景構(gòu)建、綜合可視化分析、專題應(yīng)用模塊以及系統(tǒng)管理。依據(jù)各部門行業(yè)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，建立多種格式的數(shù)據(jù)入庫和數(shù)據(jù)提取接口，實(shí)現(xiàn)對各系統(tǒng)不同類型數(shù)據(jù)入庫的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范處理；針對不同的場景應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)地上實(shí)景三維場景和地下三維管線、工程地質(zhì)模型等專題應(yīng)用場景的一體化構(gòu)建；為滿足國土空間規(guī)劃、地下空間可視化應(yīng)用以及城市立體空間管理等不同業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)常規(guī)空間分析、地質(zhì)實(shí)時(shí)開挖模擬、分層分戶查詢管理等輔助決策功能以及雨、雪、霧等虛擬氣象模擬，實(shí)現(xiàn)真實(shí)和虛擬三維地理環(huán)境的沉浸式感知；系統(tǒng)管理功能則側(cè)重?cái)?shù)據(jù)安全運(yùn)維、系統(tǒng)更新迭代以及應(yīng)用服務(wù)接口。

圖2 地上地下一體化三維系統(tǒng)建設(shè)功能體系

3 關(guān)鍵技術(shù)及功能

3.1 多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)集成管理和高效可視化

城市全空間信息數(shù)據(jù)具有多尺度、多時(shí)空、多維動態(tài)等特征，實(shí)現(xiàn)多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)的集成管理是系統(tǒng)搭建的關(guān)鍵。本研究從成都市已有數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其邏輯結(jié)構(gòu)出發(fā)，通過一套針對不同管理對象的索引機(jī)制，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和非空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，為地上地下一體化三維場景數(shù)據(jù)快速調(diào)度與流暢可視化提供數(shù)據(jù)底板支撐。

對于衛(wèi)星遙感、航空影像、Lidar等多源傳感器數(shù)據(jù)構(gòu)建的大范圍城區(qū)級實(shí)景三維地形模型，具有格網(wǎng)幾何結(jié)構(gòu)的相對規(guī)則、空間數(shù)據(jù)相對均衡的特征，則采用基于四叉樹結(jié)構(gòu)的規(guī)則格網(wǎng)剖分處理方法，以“均勻分塊+金字塔分層”的方式實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維地形場景數(shù)據(jù)組織和調(diào)度，相比傳統(tǒng)二叉樹方式在數(shù)據(jù)剖分、存儲結(jié)構(gòu)以及索引效率方面都具有明顯優(yōu)勢[6]；對于數(shù)字航空攝影、傾斜航空攝影等數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)構(gòu)建的高精度實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，顧及其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紋理數(shù)量龐大等特征，通過創(chuàng)建幾何對象索引、紋理LOD和Mash-LOD的空間層次結(jié)構(gòu)索引模式實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的高效存儲檢索，并結(jié)合實(shí)時(shí)遮擋數(shù)據(jù)裁剪算法和數(shù)據(jù)動態(tài)裝載技術(shù)，實(shí)現(xiàn)符合人眼視覺規(guī)律的多細(xì)節(jié)層次三維模型數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度以及多尺度三維場景的快速瀏覽；對于地下管線普查數(shù)據(jù)、工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)、以及城市規(guī)劃報(bào)建和城市設(shè)計(jì)資料構(gòu)建的三維模型，為了滿足日常更新維護(hù)和編輯查詢需要，則采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲，通過空間數(shù)據(jù)引擎機(jī)制，以獲取服務(wù)的方式靈活查詢?nèi)S模型的空間和屬性信息；其他國土規(guī)劃、多測合一、公共專題、監(jiān)測業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)類型和結(jié)構(gòu)特征，綜合采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫建立專題數(shù)據(jù)庫存儲，以滿足不同業(yè)務(wù)部門管理需求。整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲采用“云GIS”技術(shù)，將數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行分布式部署，滿足各邏輯層的分離和獨(dú)立，實(shí)現(xiàn)城市立體空間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高性能存儲管理和靈活共享調(diào)用。多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)集成管理和高效可視化如圖3所示。

圖3 多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)集成管理和高效可視化

3.2 地下三維管線自動精細(xì)化建模

目前，成都市已累積了大量的管線普查數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的二維管線普查數(shù)據(jù)庫和地下管線檔案資料已不能滿足日趨復(fù)雜的管理需求，亟須向智能化、三維可視化的管理模式轉(zhuǎn)變。國內(nèi)現(xiàn)有的地下管網(wǎng)三維重建技術(shù)[7]，大多是管線和管點(diǎn)分開建模，一定程度存在建模工藝煩瑣、耦合效果不佳等問題。本研究顧及地下管線不同類別、屬性特征以及拓?fù)溥B接關(guān)系，分層分類設(shè)計(jì)了城市空間三維管網(wǎng)模型，不同的管線及其部件模型采用不同的方法建立。

①不規(guī)則的管線點(diǎn)實(shí)體模型：例如各種閥門、水表、消防栓、配電箱等。這類管線點(diǎn)實(shí)體模型可重復(fù)調(diào)用，因此可借助已有管線普查數(shù)據(jù)、竣工測量及現(xiàn)場照片獲取管線點(diǎn)平面底圖及紋理，建立該類管線點(diǎn)的三維模型庫。②規(guī)則的管線點(diǎn)實(shí)體模型：例如地下井室、蓄水池等設(shè)施。這類管線點(diǎn)模型具有規(guī)則的幾何結(jié)構(gòu)?？苫跇?gòu)造立體幾何法(Constructive Solid Geometry，簡稱CSG)，根據(jù)管線竣工CAD數(shù)據(jù)獲取管線點(diǎn)平面幾何信息，鍵入底面尺寸、高度即可自動生成該類管線點(diǎn)實(shí)體模型。③具有拓?fù)溥B接關(guān)系的管線點(diǎn)實(shí)體模型：例如彎頭、三通、四通、方管、圓管、管渠等。該類實(shí)體模型雖形狀方向各異，但具有連續(xù)的空間運(yùn)動軌跡，該軌跡可以用解析式來定義，使用掃描法配合格網(wǎng)技術(shù)即“Sweep+Mesh”自動耦合算法[8]，將一條管段看作是整張連續(xù)的曲面進(jìn)行建模處理，分別建立管線點(diǎn)連接的主管和支管模型，結(jié)合布爾實(shí)體運(yùn)算，切割融合形成光滑、連續(xù)的管線點(diǎn)和管段實(shí)體模型。

通過對地下管線三維實(shí)體模型進(jìn)行分層分類設(shè)計(jì)，基于管線自動耦合算法即可實(shí)現(xiàn)地下管線、特征管點(diǎn)以及附屬設(shè)施的自動高效建模，如圖4所示。相比傳統(tǒng)的建模方式，生成的管線光滑連續(xù)，有效節(jié)省了建模時(shí)間，一定程度推動了地下管線向精細(xì)化、數(shù)字化、智能化的管理模式轉(zhuǎn)變，對于城市地下管線合理布局、地下空間科學(xué)開發(fā)利用起了積極的促進(jìn)作用。

圖4 地下三維管線及附屬設(shè)施建模

3.3 三維工程地質(zhì)高效建模分析

充分利用成都市試驗(yàn)區(qū)內(nèi)已有水文地質(zhì)、工程地質(zhì)以及多參數(shù)鉆孔勘探資料，分析試驗(yàn)區(qū)工程地質(zhì)結(jié)構(gòu)詳細(xì)情況，按照一級階地、二級階地、三級階地和淺丘地貌單元常見巖土層類型沉積規(guī)律，采用“主層編碼+亞層編碼+次亞層編碼”的地層編碼機(jī)制[9]，將區(qū)域所有地層劃分為若干主層，主層之間包含亞層、次亞層，以分層分序的方法建立工程地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層序體系。

對常見的工程基本信息表(Project)、標(biāo)準(zhǔn)地層描述表(Soil)、鉆孔基本信息表(Hole)、鉆孔分層信息表(Hole_soil)等鉆孔數(shù)據(jù)表建立語義描述和標(biāo)準(zhǔn)映射，形成標(biāo)準(zhǔn)的工程地質(zhì)數(shù)據(jù)庫。通過標(biāo)準(zhǔn)表映射，建立工程表名、表字段信息和用戶表名、表字段信息之間的語義映射關(guān)系；通過標(biāo)準(zhǔn)值域映射，自動配置鉆孔類型如地層鉆孔、監(jiān)測孔、抽水孔等字段的標(biāo)準(zhǔn)值域；通過標(biāo)準(zhǔn)地層映射，實(shí)現(xiàn)地層編碼、地層邊界、地層紋理等信息映射，經(jīng)系統(tǒng)一系列標(biāo)準(zhǔn)化處理后，即可實(shí)現(xiàn)基于標(biāo)準(zhǔn)層序體系的鉆孔數(shù)據(jù)自動檢查和標(biāo)準(zhǔn)化入庫。在此基礎(chǔ)之上，采用不規(guī)則三角網(wǎng)TIN繪制各地層邊界面，利用克里金插值算法對生成的地質(zhì)層邊界面進(jìn)行自動平滑處理[10]，基于此類地層邊界運(yùn)用實(shí)體布爾運(yùn)算即可切割形成標(biāo)準(zhǔn)地層層序劃分的三維工程地質(zhì)模型，如圖5所示。

圖5 基于標(biāo)準(zhǔn)地層層序的三維工程地質(zhì)建模技術(shù)流程

三維工程地質(zhì)模型能夠完整清晰地展現(xiàn)工程地質(zhì)構(gòu)造類型和地層邊界劃分條件，以“透明地球”的形式直觀展示地上實(shí)景三維和地下空間要素分布情況，通過工程地質(zhì)體綜合可視化分析和實(shí)時(shí)開挖模擬，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜環(huán)境信息的感知、預(yù)判和決策，為重大工程選址、線路規(guī)劃設(shè)計(jì)、工程地質(zhì)勘查、地質(zhì)災(zāi)害識別等提供信息化支撐保障。

3.4 城市空間產(chǎn)權(quán)精細(xì)化管理

城市不動產(chǎn)權(quán)屬關(guān)系復(fù)雜、屬性信息豐富，傳統(tǒng)的二維不動產(chǎn)管理方式無法準(zhǔn)確區(qū)分城市地上、地表、地下空間權(quán)屬關(guān)系。本研究通過對成都市試驗(yàn)區(qū)國土規(guī)劃、多測合一、公共專題等數(shù)據(jù)進(jìn)行建庫管理，建立多源數(shù)據(jù)的時(shí)空關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)地上實(shí)景三維、地下立體空間、室內(nèi)建筑結(jié)構(gòu)以及專題成果的集成管理和數(shù)字化應(yīng)用。

利用規(guī)劃竣工、房產(chǎn)地籍、人防地下室等多測合一成果，對試驗(yàn)區(qū)地下停車場以及房屋、樓宇建筑進(jìn)行分層分戶建模，并對空間實(shí)體建立對象標(biāo)識碼ID，實(shí)現(xiàn)空間實(shí)體唯一標(biāo)識和非空間信息的映射關(guān)聯(lián)。通過獲取分層分戶建筑、商業(yè)樓宇、地下停車場等空間實(shí)體的投影面節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)、底部坐標(biāo)或?qū)痈叩刃畔ⅲ瑢?shí)時(shí)繪制建筑外包立體盒并高亮顯示，以此來實(shí)現(xiàn)三維場景中分層分戶建筑、商務(wù)樓宇以及地下停車場等實(shí)體的動態(tài)檢索，并關(guān)聯(lián)宗地信息、房產(chǎn)測繪、人口、狀態(tài)等屬性，實(shí)現(xiàn)室外城市級空間到多細(xì)節(jié)層次模型再到室內(nèi)空間的多尺度表達(dá)和綜合信息檢索。如圖6所示。

通過“以物查人”“以人查物”的雙向關(guān)聯(lián)以及專題成果的圖文檔一體化管理，輔助決策者既能從宏觀角度查看城市的總體布局、規(guī)劃用地情況，又能夠從微觀角度查看建筑實(shí)體空間權(quán)屬、狀態(tài)屬性以及地名地址、人口、經(jīng)濟(jì)等公共專題信息，有助于不動產(chǎn)確權(quán)登記、權(quán)籍調(diào)查、拆遷分析、人口普查等政府管理工作。以數(shù)字化賦能推動政府治理手段和管理模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)城市立體空間精細(xì)化管理。

圖6 城市空間產(chǎn)權(quán)精細(xì)化管理研究流程

4 應(yīng)用示例

本研究選用成都市中心城青羊區(qū)為試驗(yàn)區(qū)。青羊區(qū)作為“中優(yōu)”核心區(qū)域，既有悠久的歷史文化底蘊(yùn)，又有豐富的地上地下、地形地貌要素，能夠具有代表性地展示城市特色和風(fēng)貌，加之已有各類專題數(shù)據(jù)，故選做試驗(yàn)區(qū)。

以成都市2018年基于傾斜航空攝影、機(jī)載激光雷達(dá)等技術(shù)手段獲取的中心城(金牛區(qū)、成華區(qū)、武侯區(qū)、錦江區(qū)、青羊區(qū)) 420 km2的 0.05 m的數(shù)字真正射影像(TDOM)以及 0.5 m格網(wǎng)間距的數(shù)字高程模型(DEM)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，生成城區(qū)級高精度實(shí)景三維地形模型，直觀展示成都市真實(shí)地理空間環(huán)境；疊加青羊區(qū)單體化建筑模型，生成試驗(yàn)區(qū)實(shí)景三維場景，作為平臺的空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)(如圖7)?；谠囼?yàn)區(qū)范圍管線普查MDB數(shù)據(jù)庫、竣工CAD數(shù)據(jù)以及管線附屬設(shè)施模型庫，即可實(shí)現(xiàn)地下管線、特征管點(diǎn)以及附屬設(shè)施的自動高效建模，生成的管線表面連續(xù)光滑(如圖8)。導(dǎo)入試驗(yàn)區(qū)范圍的工程鉆孔數(shù)據(jù)表，經(jīng)一系列標(biāo)準(zhǔn)化處理，即可生成基于標(biāo)準(zhǔn)層序體系的三維工程地質(zhì)模型；通過地質(zhì)開挖模擬功能，實(shí)時(shí)展示工程地質(zhì)構(gòu)造、地下管線分布情況(如圖9)。系統(tǒng)支持基于多測合一數(shù)據(jù)建立的地下停車場三維模型及分層分戶室內(nèi)建筑模型導(dǎo)入實(shí)景三維場景中，實(shí)現(xiàn)地上下、室內(nèi)外多粒度對象集成表達(dá)和動態(tài)檢索(如圖10)。

圖7 地上地下一體化三維系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)實(shí)景三維場景

圖8 地下管線及附屬設(shè)施三維模型

圖9 三維工程地質(zhì)模型和實(shí)時(shí)開挖模擬

圖10 分層分戶建筑和地下停車位動態(tài)檢索

5 結(jié) 論

地上地下一體化三維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了城市多模態(tài)時(shí)空數(shù)據(jù)集成管理和城市三維立體空間真實(shí)、透明、全方位的描述和展示，是城市建設(shè)管理的切實(shí)需求，是技術(shù)手段不斷發(fā)展革新、智慧城市不斷擴(kuò)張演變的新途徑、新思路和新理念。以成都市中心城實(shí)景三維數(shù)據(jù)和青羊區(qū)試驗(yàn)區(qū)專題數(shù)據(jù)建設(shè)為例，驗(yàn)證了該系統(tǒng)建設(shè)研究的可行性和可靠性，為大范圍實(shí)景三維數(shù)據(jù)深入應(yīng)用和跨專業(yè)信息深度融合、協(xié)同分析提供了思路。不管是面向政府部門、企(事)業(yè)單位還是社會公眾服務(wù)都有著廣闊的應(yīng)用前景，可為國土空間格局優(yōu)化、城市科學(xué)規(guī)劃設(shè)計(jì)、地下空間合理開發(fā)利用、應(yīng)急防災(zāi)減災(zāi)等提供技術(shù)支撐保障，一定程度推動了“智慧城市”數(shù)字基底建設(shè)和“實(shí)景三維中國”建設(shè)。