基于二、三維一體化Web GIS的城市拆違建系統(tǒng)開發(fā)

鄒永麗

（成都中地時(shí)空科技有限公司,四川 成都 610000）

0.引言

隨著智慧城市建設(shè)的不斷推進(jìn)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的技術(shù)被應(yīng)用于地理信息行業(yè)中，三維GIS也正在朝著智能化、數(shù)字化的方向推進(jìn)。傾斜攝影測量技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，使得空間三維地理信息數(shù)據(jù)采集更加便捷，基于傾斜攝影測量技術(shù)制作的三維實(shí)景模型能夠反映真實(shí)的空間場景，由于制作成本低、速度快，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于文物保護(hù)、應(yīng)急預(yù)案模擬、城市規(guī)劃等領(lǐng)域[1-3]。WebGIS是一種網(wǎng)絡(luò)化GIS，由Web技術(shù)和GIS技術(shù)共同構(gòu)成，利用Web技術(shù)對GIS進(jìn)行擴(kuò)展與完善而來。通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器，WebGIS用戶可以實(shí)現(xiàn)地圖服務(wù)站空間數(shù)據(jù)的瀏覽、索引以及分析。

目前我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，越來越多不符合規(guī)定的違法建設(shè)出現(xiàn)，如，房屋頂層的違法建筑、大雜院等。土地資源供需矛盾的日益突出使得建筑物違法事件日益增多，對我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的隱患。作為我國土地資源工作的重要環(huán)節(jié)，土地執(zhí)法監(jiān)察的科學(xué)有效性對土地資源利用的可持續(xù)發(fā)展意義重大。目前，通過二維GIS很難對上述違法建設(shè)進(jìn)行監(jiān)測，違法建設(shè)的存在對城市規(guī)劃建設(shè)發(fā)展造成很大的阻礙[4-5]?；诖耍疚木C合利用多領(lǐng)域技術(shù)，如多媒體技術(shù)、WebGIS技術(shù)及傾斜攝影測量技術(shù)等，開發(fā)應(yīng)用于城市拆違建的二、三維一體化地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過DEM、DOM以及傾斜攝影模型實(shí)現(xiàn)城市重點(diǎn)建設(shè)點(diǎn)位，重點(diǎn)拆除點(diǎn)云的二、三維一體化展示與屬性信息的瀏覽、查詢，為城市的管理與規(guī)劃提供可靠的技術(shù)支撐。

1.系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 WebGIS特點(diǎn)

相比于傳統(tǒng)GIS，WebGIS是通過Web技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)空間信息發(fā)布，用戶可以基于互聯(lián)網(wǎng)任意地進(jìn)行空間數(shù)據(jù)瀏覽，同時(shí)能夠進(jìn)行索引與分析操作。因此，WebGIS最大的作用在于提高了數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)與共享的能力。無需安裝特殊客戶端，使用通用瀏覽器就可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程空間數(shù)據(jù)訪問、GIS應(yīng)用程序訪問等。操作上的簡單性以及客戶端的易于維護(hù)性，使得基于WebGIS系統(tǒng)開發(fā)、維護(hù)的成本有了大幅度的降低。

1.2 總體架構(gòu)

為了滿足城市建設(shè)中的違建拆除及規(guī)劃建設(shè)的現(xiàn)實(shí)需求，本文研究了二、三維一體化的城市地理信息系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由三大模塊組成，分別為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層及應(yīng)用層。基于三維WebGIS框架，該系統(tǒng)支持多種網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)交互顯示。數(shù)據(jù)層中，多媒體文件、屬性信息等數(shù)據(jù)通過關(guān)系數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，柵格矢量空間數(shù)據(jù)則通過空間數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)；服務(wù)層主要用于數(shù)據(jù)傳輸及二、三維數(shù)據(jù)的發(fā)布，其中為便于解析與傳輸，通過Internet結(jié)合Geoserver發(fā)布二、三維數(shù)據(jù)；應(yīng)用層主要用于二、三維聯(lián)動(dòng)和屬性信息展示，滿足城市規(guī)劃行業(yè)需求。本系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖（如圖1所示）：

圖1 二、三維一體化的地理信息系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

通過相機(jī)視覺設(shè)置，該二、三維一體化地理信息系統(tǒng)可定位至拆除點(diǎn)具體位置，同時(shí)可以顯示拆除點(diǎn)位的各種屬性信息；同時(shí)為了準(zhǔn)確還原地物地貌信息，將二、三維地圖信息進(jìn)行整合，并對未來的規(guī)劃進(jìn)行展示，該系統(tǒng)也加入了計(jì)劃建設(shè)項(xiàng)目信息。

1.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

本系統(tǒng)的建設(shè)充分考慮了目前違建中存在的特點(diǎn)，結(jié)合需求進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要有以下三個(gè)方面的特點(diǎn)：

（1）還原性：本系統(tǒng)的三維實(shí)景地圖為利用傾斜攝影測量技術(shù)制作完成的三維實(shí)景模型，具有精度高、紋理細(xì)等顯著特征，能夠準(zhǔn)確還原真實(shí)的場景環(huán)境；

（2）先進(jìn)性與穩(wěn)定性：為了實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的快速加載及瀏覽，使用多細(xì)節(jié)層次等技術(shù)支持多層紋理，同時(shí)提高系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定性；

（3）實(shí)用性與擴(kuò)展性：本系統(tǒng)可方便地進(jìn)行人機(jī)交互，表現(xiàn)出了較高的靈活性，同時(shí)具有較高的可擴(kuò)展性，能夠有效集成多種系統(tǒng)，如視頻監(jiān)控等。

2.系統(tǒng)功能關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LOD模型優(yōu)化

為了能夠?qū)崟r(shí)快速地對三維實(shí)景地圖進(jìn)行加載與瀏覽，進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的有效渲染，三維實(shí)景地圖采用3DTiles瓦片數(shù)據(jù)類型，該數(shù)據(jù)類型具有多細(xì)節(jié)層次（LOD）渲染能力。同時(shí)通過Tileset.json文件對3DTiles元數(shù)據(jù)進(jìn)行定義，通過Tileset.json文件可以對元數(shù)據(jù)的配準(zhǔn)進(jìn)行讀取，使用該文件的優(yōu)勢在于保障了擴(kuò)展性。系統(tǒng)中的三維實(shí)景地圖模型在使用前，需要進(jìn)行紋理數(shù)據(jù)壓縮及LOD模型的TIN構(gòu)建。上述數(shù)據(jù)壓縮及抽稀的目的在于快速地進(jìn)行海量數(shù)據(jù)的加載及減少內(nèi)存占用。依據(jù)顯示層級，將三維實(shí)景模型分為9個(gè)tile，LOD分層數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì)（如表1所示），其中模型紋理精細(xì)程度隨著每個(gè)tile的數(shù)據(jù)集數(shù)量增加而提高。

表1 LOD分層數(shù)據(jù)集統(tǒng)計(jì) 單位：個(gè)

2.2 二、三維聯(lián)動(dòng)技術(shù)

二、三維聯(lián)動(dòng)是指二維視圖與三維視圖無論進(jìn)行放大、縮小、平移等哪個(gè)操作都是同步的，某個(gè)視圖會(huì)隨著另外一個(gè)視圖的變化發(fā)生對應(yīng)的變化。然而，該二、三維一體化地理信息系統(tǒng)中，二維視圖與三維視圖的數(shù)據(jù)類型不一樣，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也不一樣，因此，實(shí)現(xiàn)二、三維一體化的前提是擁有二維與三維相互解算的參數(shù)，二維聯(lián)動(dòng)三維就是二維參數(shù)到三維參數(shù)的解算，三維聯(lián)動(dòng)二維就是三維參數(shù)到二維參數(shù)的解算。

2.3 多線程多級緩存技術(shù)

多線程多級緩存結(jié)構(gòu)是通過在服務(wù)端及客戶端設(shè)置緩存區(qū)，可不用直接讀取硬盤數(shù)據(jù)，提高了三維實(shí)景地圖的瀏覽速度。數(shù)據(jù)請求發(fā)出后，可直接取出緩存區(qū)數(shù)據(jù)，對于讀取頻率較低的數(shù)據(jù)可存儲(chǔ)至硬盤中，優(yōu)先讀取內(nèi)存存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可有效提高讀取速率。客戶端發(fā)出數(shù)據(jù)訪問請求時(shí)，設(shè)置GDAL塊緩存、影像塊緩存及屏幕影像塊緩存：GDAL塊緩存用于提高數(shù)據(jù)的可視化效率；影像塊緩存用于直接讀取當(dāng)前瀏覽器窗口所有像素對應(yīng)數(shù)據(jù)塊；屏幕影像塊緩存用于重新利用存儲(chǔ)的當(dāng)前屏幕圖片。使用多線程開發(fā)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸及可視化，即在Web后臺(tái)中，有的線程負(fù)責(zé)維護(hù)數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)，并對緩存區(qū)進(jìn)行管理，有的線程控制地圖顯示。系統(tǒng)的表現(xiàn)也表明，多線程技術(shù)對數(shù)據(jù)管理及傳輸效率的提高有很大幫助。

2.4 接入多源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

對于常規(guī)的數(shù)據(jù)格式，如，拆除區(qū)、建設(shè)區(qū)shp格式數(shù)據(jù)，為了能夠?qū)⒋祟悢?shù)據(jù)疊加在三維實(shí)景模型上進(jìn)行可視化展示，需要對數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，生成三維實(shí)景模型能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，從而實(shí)現(xiàn)拆除區(qū)、建設(shè)區(qū)點(diǎn)擊時(shí)高亮顯示，同時(shí)能夠通過矢量數(shù)據(jù)對拆除區(qū)、建設(shè)區(qū)的屬性信息進(jìn)行展示，達(dá)到“一張圖”集成體系的展示效果。

3.系統(tǒng)功能應(yīng)用

3.1 三維實(shí)景地圖瀏覽

本系統(tǒng)將三維實(shí)景模型作為三維地圖數(shù)據(jù)，通過放大、縮小等操作實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景環(huán)境的全面瀏覽。通過高精度三維實(shí)景地圖，可以實(shí)時(shí)有效地掌握違建房屋以及違建房屋拆除進(jìn)展，不用工作人員到現(xiàn)場拍照記錄，從而大大降低人力物力支出；與此同時(shí)，三維實(shí)景地圖可以為城市結(jié)構(gòu)規(guī)劃提供信息支持，加快智慧城市建設(shè)。在宏觀三維場景中，可以對目前城市的休閑娛樂分布、重點(diǎn)產(chǎn)業(yè)格局、便民基礎(chǔ)設(shè)施等進(jìn)行準(zhǔn)確直觀地了解。三維實(shí)景地圖（如圖2所示），建筑物三維模型近景（如圖3所示）：

圖2 三維實(shí)景地圖

圖3 單個(gè)建筑物三維模型

3.2 城區(qū)規(guī)劃重點(diǎn)點(diǎn)位查詢

重點(diǎn)點(diǎn)位主要包括三個(gè)部分，（1）正在建設(shè)的點(diǎn)位；（2）規(guī)劃范圍內(nèi)即將建設(shè)的點(diǎn)位，（3）規(guī)劃中將要拆除的點(diǎn)位。通過查看這些重點(diǎn)點(diǎn)位，可以對拆違工作進(jìn)展情況、重點(diǎn)監(jiān)測對象情況進(jìn)行實(shí)時(shí)管理與調(diào)控，一方面可以全局把握無違法建設(shè)城區(qū)的現(xiàn)狀；另一方面為城市規(guī)劃提供重要的依據(jù)；同時(shí)，可以根據(jù)系統(tǒng)對點(diǎn)位的屬性信息進(jìn)行查詢，例如某拆除點(diǎn)的具體地址、類別及所在街道等信息。基層組織在拆違工作中扮演著極其重要的角色，點(diǎn)位屬性信息的快速有效獲取可以將點(diǎn)位屬性信息及時(shí)傳遞給街道工作人員，對基層組織中的拆違工作具有重要作用，同時(shí)能夠減少現(xiàn)場不必要矛盾，保障拆違工作的順利進(jìn)行。

3.3 違建點(diǎn)位二、三維聯(lián)動(dòng)顯示

二、三維聯(lián)動(dòng)顯示的優(yōu)勢主要有兩個(gè)方面：一方面可以快速地檢查三維實(shí)景模型中某一地物在二維地圖中的位置及周邊地物，并對點(diǎn)位的面積進(jìn)行準(zhǔn)確量測，避免工作人員實(shí)地測量，減少了不必要的外業(yè)工作量；另一方面二維視圖數(shù)據(jù)量小，可以更快快速、方便地進(jìn)行放大、縮小等操作，在三維場景中看到更加精細(xì)的紋理信息。二、三維聯(lián)動(dòng)顯示可以達(dá)到2D/3D GIS優(yōu)勢互補(bǔ)的效果，實(shí)現(xiàn)測繪地理信息系統(tǒng)在拆違工作中的有效應(yīng)用。

違建點(diǎn)拆前的照片（如圖4所示），圖4中建在樓頂?shù)膬?chǔ)藏室屬于違法建筑，通過圖5可以看到，該違法建筑已經(jīng)被拆除（如圖5所示）。通過本系統(tǒng)可以減少工作人員實(shí)地查看拆違工作進(jìn)展的工作量，有效提高拆違工作的效率。

圖4 三維實(shí)景模型地圖中違建點(diǎn)（拆前）

圖5 三維實(shí)景模型地圖中違建點(diǎn)（拆后）

3.4 拆違綜合信息管理應(yīng)用

通過接入照片、視頻等信息，WebGIS技術(shù)結(jié)合三維實(shí)景地圖可以及時(shí)查看違建拆除情況，同時(shí)得到不同街道的點(diǎn)位治理信息，有效掌握拆違工作開展進(jìn)度。通過系統(tǒng)的量測功能，可以實(shí)現(xiàn)地物面積等信息的獲取，對本系統(tǒng)的量測功能進(jìn)行檢驗(yàn)。通過實(shí)地儀器量測地物面積數(shù)據(jù)與系統(tǒng)量測功能量取面積數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果（如圖6所示）可以看到，兩者的誤差均在1m2以內(nèi)。這表明本系統(tǒng)的量測功能可用于城市拆違工作的決策。本系統(tǒng)的綜合信息管理應(yīng)用功能可有效解決拆違工作信息了解不及時(shí)的問題，為建設(shè)無違建城區(qū)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持。本系統(tǒng)從實(shí)際應(yīng)用需求的角度出發(fā)，充分考慮城市規(guī)劃建設(shè)中存在的問題，以改善城市生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)為目的，為城市規(guī)劃建設(shè)有效利用空間資源提供依據(jù)。

圖6 系統(tǒng)測量地物面積與實(shí)地測量地物面積統(tǒng)計(jì)

4.結(jié)束語

為了能夠?qū)ⅰ斑`”與“建”相結(jié)合進(jìn)行展示，充分發(fā)揮傾斜攝影測量三維實(shí)景模型與WebGIS技術(shù)的優(yōu)勢，本文研究了應(yīng)用于城市拆違建的二、三維一體化地理信息系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)的架構(gòu)、技術(shù)以及目前存在的功能進(jìn)行了全方位的介紹。該系統(tǒng)可以為城市建設(shè)的合理規(guī)劃與決策提供重要的技術(shù)支持，具有方便共享交換、數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與及時(shí)更新的能力。通過二、三維一體化展示與人機(jī)交互，該系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)地理信息系統(tǒng)成本高、共享性差等問題。同時(shí)，該系統(tǒng)具有的可擴(kuò)展性使得平臺(tái)新功能的研發(fā)與添加變得更加便捷。總之，本系統(tǒng)可以為城市信息化建設(shè)、智慧城市建設(shè)提供重要的技術(shù)支撐。