三維數(shù)字城市平臺(tái)建設(shè)及應(yīng)用

朱豐杰

（青島西海岸新區(qū)自然資源局，山東 青島 266555）

1 研究背景

1.1 機(jī)構(gòu)改革后的新要求

新一輪國(guó)家機(jī)構(gòu)改革，由國(guó)土、規(guī)劃、林業(yè)等部門(mén)組成的自然資源部門(mén)，被賦予了新的職能，提出了更高的要求，傳統(tǒng)的二維平面空間管理模式已難以滿(mǎn)足當(dāng)前的管理需求，從技術(shù)上要求由二維向自然資源、林業(yè)、國(guó)土空間規(guī)劃等多要素相結(jié)合的三維立體空間要素轉(zhuǎn)變。

1.2 三維GIS的發(fā)展現(xiàn)況

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外GIS軟件在三維GIS領(lǐng)域均有了較快的發(fā)展，在地理信息、城市規(guī)劃、軍事、海洋、石油、林業(yè)、礦產(chǎn)和應(yīng)急管理等眾多領(lǐng)域逐步得到成功應(yīng)用。其中，多款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)三維GIS軟件質(zhì)量和水平也有了顯著的提高，在很多行業(yè)和領(lǐng)域開(kāi)始大量應(yīng)用，發(fā)揮了其重要作用。

2 三維數(shù)字城市建設(shè)方案

2.1 建設(shè)目標(biāo)

基于城市發(fā)展需要，以國(guó)產(chǎn)自主品牌軟件平臺(tái)為依托，利用傾斜攝影、三維激光掃描及三維建模等技術(shù)，以西海岸新區(qū)二維、三維地理信息數(shù)據(jù)為支撐，建立西海岸三維數(shù)字城市平臺(tái)，為城市規(guī)劃、建設(shè)提供輔助決策等綜合信息服務(wù)。

2.2 三維GIS軟件平臺(tái)選擇

本著安全、自主可控原則，本次三維數(shù)字城市平臺(tái)采用性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、支持二三維一體化的SuperMap軟件平臺(tái)。

2.3 數(shù)據(jù)采集和入庫(kù)

2.3.1 二維數(shù)據(jù)處理

由于二維數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富、來(lái)源多樣，數(shù)據(jù)格式、精度、存儲(chǔ)形態(tài)等差異大，要將這些多源異構(gòu)的二維數(shù)據(jù)整合為支撐多部門(mén)、多專(zhuān)題的核心數(shù)據(jù)庫(kù)，需要開(kāi)展數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)組織整合工作。二維數(shù)據(jù)預(yù)處理與組織的步驟主要包括：數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)加工處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)、空間數(shù)據(jù)地圖服務(wù)發(fā)布和成果整合等內(nèi)容。

2.3.2 三維數(shù)據(jù)處理

目前常用的三維GIS數(shù)據(jù)包括傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)、人工建模數(shù)據(jù)、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和BIM等。本文中所使用到的三維數(shù)據(jù)包括傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)和人工建模數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)所涉及的三維數(shù)據(jù)量非常龐大，對(duì)Web端數(shù)據(jù)傳輸與渲染帶來(lái)很大的難度。三維相關(guān)數(shù)據(jù)的預(yù)處理與數(shù)據(jù)組織是整個(gè)系統(tǒng)高性能運(yùn)行的關(guān)鍵。本文的三維原始數(shù)據(jù)格式為OSGB格式的傾斜攝影測(cè)量航攝數(shù)據(jù)，三角格網(wǎng)精細(xì)且復(fù)雜，數(shù)據(jù)量大，這給數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、在線加載以及分析應(yīng)用帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，于是本文借助SuperMap iDesktop采用LOD策略調(diào)度、紋理壓縮、合并根節(jié)點(diǎn)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行三維OSGB數(shù)據(jù)的性能優(yōu)化并將OSGB格式的三維GIS數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為更適合Web端應(yīng)用的S3M數(shù)據(jù)，最后將S3M數(shù)據(jù)發(fā)布為三維可視化與分析服務(wù)。

按照二三維一體化的方式，對(duì)于需要在三維數(shù)據(jù)中疊加的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)配置，實(shí)現(xiàn)二維數(shù)據(jù)在三維空間數(shù)據(jù)中的展示。

2.4 功能模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.4.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

結(jié)合現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資料和業(yè)務(wù)需要，對(duì)系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架圖

2.4.2 功能應(yīng)用簡(jiǎn)介

（1）城市規(guī)劃大數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

根據(jù)新區(qū)總體規(guī)劃、各片區(qū)控規(guī)，建立規(guī)劃建筑經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，并植入數(shù)字城市平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)全域地塊規(guī)劃建筑指標(biāo)查詢(xún)和維護(hù)更新管理。

構(gòu)建項(xiàng)目選址分析模型，主要用于重要項(xiàng)目的輔助選址分析和決策，主要功能為項(xiàng)目可選地址（空間位置）的確定、不同可選地址的信息查詢(xún)檢索和統(tǒng)計(jì)、不同選址方案的比較分析和數(shù)據(jù)或圖紙的輸出等。

（2）城市設(shè)計(jì)研究子模塊

主要用于對(duì)重點(diǎn)區(qū)域、重大項(xiàng)目開(kāi)發(fā)建設(shè)體量、建筑高度、建筑材質(zhì)、建筑色彩等方面進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和多方案的比較分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市特色風(fēng)貌、空間環(huán)境的系統(tǒng)研究，便于區(qū)域開(kāi)發(fā)、重大項(xiàng)目的方案審查及規(guī)劃輔助決策。

（3）城市容量智能規(guī)劃模塊

為科學(xué)分析城市開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中對(duì)現(xiàn)有交通、市政基礎(chǔ)設(shè)施承載能力的影響，預(yù)測(cè)和規(guī)劃未來(lái)城市發(fā)展的容量規(guī)模。實(shí)現(xiàn)區(qū)域開(kāi)發(fā)、項(xiàng)目建設(shè)對(duì)城市容量的動(dòng)態(tài)解析。主要包括道路拓寬分析模型、舊城改造分析模型、道路斷面結(jié)構(gòu)分析模型、給水管線控制分析模型和排水管線控制分析模型。

（4）空間分析子模塊

空間分析模塊主要是解決任何時(shí)段的日照分析問(wèn)題，計(jì)算科學(xué)準(zhǔn)確，使用簡(jiǎn)單方便，實(shí)現(xiàn)遮擋分析、陰影分析、區(qū)域分析、日照仿真、天際線分析等功能，為方案設(shè)計(jì)、研究、評(píng)審等提供直觀的科學(xué)支撐，如圖2、圖3所示。

圖2 區(qū)域分析

圖3 天際線分析

4 建設(shè)方案實(shí)施過(guò)程中遇到的問(wèn)題及解決辦法

4.1 海量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題

三維傾斜攝影測(cè)量數(shù)據(jù)空間分辨率和精度高，數(shù)據(jù)量非常龐大。在本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中，對(duì)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求預(yù)估不足，大大超出了預(yù)計(jì)。為此，臨時(shí)增加了存儲(chǔ)設(shè)備。

4.2 三維影像數(shù)據(jù)在服務(wù)器端入庫(kù)時(shí)間長(zhǎng)

本次三維傾斜攝影數(shù)據(jù)范圍大，分辨率高，原始格式為OSGB格式，數(shù)據(jù)量特別大，數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器時(shí)間很長(zhǎng)。為了提高三維數(shù)據(jù)的加載速度，對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化處理，處理的主要方式是紋理壓縮、合并根節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換為S3M格式，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊處理，可以按照街鎮(zhèn)范圍或者園區(qū)的管轄范圍為單元，進(jìn)行影像切割，劃分管理單元。

4.3 用戶(hù)終端的三維影像數(shù)據(jù)加載速度慢

由于數(shù)據(jù)量大，用戶(hù)端三維影像數(shù)據(jù)加載緩慢。為此，一方面是對(duì)三維影像數(shù)據(jù)進(jìn)行了優(yōu)化整合，采用對(duì)原有數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分塊，制作索引區(qū)，減少需要加載的數(shù)據(jù)，提高顯示的效果和運(yùn)行速度；另一方面，提高用戶(hù)端電腦配置，數(shù)據(jù)加載數(shù)據(jù)明顯改善。

4.4 數(shù)據(jù)更新問(wèn)題

城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，城市正在日新月異，作為一個(gè)信息系統(tǒng)，系統(tǒng)的更新和運(yùn)維是保持系統(tǒng)生命力的重要保證。為保持系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性，要求對(duì)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)更新。由于三維實(shí)景數(shù)據(jù)采集的成本高，實(shí)時(shí)更新的成本更高，難以實(shí)現(xiàn)。一方面需要根據(jù)城市發(fā)展的速度，合理評(píng)估需要更新的城市范圍，并做好系統(tǒng)的更新維護(hù)；另一方面，可以拓展更新模式，采用規(guī)劃審批的規(guī)劃工程方案數(shù)據(jù)和規(guī)劃驗(yàn)收竣工圖等相關(guān)數(shù)據(jù)，構(gòu)建三維模型并對(duì)系統(tǒng)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。

4.5 三維傾斜攝影測(cè)量模型的單體化問(wèn)題

傾斜攝影測(cè)量自動(dòng)建模輸出的是一個(gè)連續(xù)的影像，在GIS平臺(tái)中不能直接提取單獨(dú)的地物單元。為實(shí)現(xiàn)對(duì)獨(dú)立地物進(jìn)行單獨(dú)的選中、查詢(xún)屬性、空間分析等操作，提高三維數(shù)據(jù)的使用效率，需要對(duì)三維傾斜攝影模型進(jìn)行拆分，進(jìn)行單體化處理。單體化處理的成本比較高，在項(xiàng)目預(yù)算充足時(shí)應(yīng)當(dāng)予以考慮。

5 結(jié)束語(yǔ)

西海岸新區(qū)三維數(shù)字城市平臺(tái)，利用GIS、傾斜攝影、三維激光掃描、三維建模等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了矢量、影像、三維傾斜等數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢(xún)統(tǒng)計(jì)以及三維仿真等功能，城市設(shè)計(jì)模塊實(shí)現(xiàn)了建筑壓平、快速建模等功能，城市容量模塊為城市道路拓寬、舊城改造、地下管線分析等提供了輔助功能；空間分析功能實(shí)現(xiàn)了建筑物遮擋分析、陰影分析、天際線分析等功能。

通過(guò)三維數(shù)字城市平臺(tái)的建設(shè)，一方面是實(shí)現(xiàn)了地理空間的真三維立體可視化表達(dá)；另一方面，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、編制、審批、監(jiān)管、項(xiàng)目選址、智慧城市、智慧街區(qū)、社會(huì)治理、城市管理、安全生產(chǎn)、應(yīng)急救災(zāi)和智慧安防等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。隨著地理信息技術(shù)的發(fā)展，地理信息由二維向三維的轉(zhuǎn)變，是必然的趨勢(shì)，且應(yīng)用前景廣闊。