建筑物實體化改造技術(shù)研究及實踐

林利東 黃國平

（1.山西省測繪地理信息院，山西 太原 030001；2.吉奧時空信息技術(shù)股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0.引言

建筑物是城市社會經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)的重要載體與信息共享的基礎(chǔ)，但由于政府部門管理工作的分工不同，不同階段、不同側(cè)重的建筑物數(shù)據(jù)往往分布在不同部門的數(shù)據(jù)庫中，其數(shù)據(jù)形式、內(nèi)容也各不相同，如建筑物的報批、登記數(shù)據(jù)由自然資源部門管理，設(shè)計、竣工數(shù)據(jù)則由建設(shè)部門管理，這一現(xiàn)象已經(jīng)成為智慧城市數(shù)據(jù)資源建設(shè)的一大瓶頸。

構(gòu)建建筑物數(shù)據(jù)庫可以解決城市建筑物信息零散、割裂、口徑不一的問題，并為精細(xì)化城市規(guī)劃和管理提供信息化支撐。因此，建筑物數(shù)據(jù)庫被列入了住建部頒布的《智慧城市公共信息平臺建設(shè)指南（試行）》中的五大公共基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫。在各地智慧城市建設(shè)中，建筑物數(shù)據(jù)庫建設(shè)也受到高度重視，已有專家學(xué)者和政府部門提出了建筑物數(shù)據(jù)庫的建設(shè)思路[1-3]。

在傳統(tǒng)的建筑物數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，其建筑物數(shù)據(jù)往往直接來自于基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫[4]，這一做法充分利用了現(xiàn)有數(shù)據(jù)，并在空間精度和細(xì)節(jié)表達(dá)上具備一定優(yōu)勢，但基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)無法實現(xiàn)建筑物的分層分戶表達(dá)，缺少建筑物作為多部門管理對象的屬性特征，并忽略了建筑物作為地理對象所具備的唯一性、作為業(yè)務(wù)管理對象的承載能力以及其所牽連的業(yè)務(wù)活動之間的復(fù)雜性；而新型智慧城市試點建設(shè)的評價指標(biāo)體系和城市管理精細(xì)化的訴求，則要求對建筑物的全生命周期實施跟蹤管理。在此背景下，將基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)中的建筑物數(shù)據(jù)改造為符合智慧城市管理需求的建筑物實體數(shù)據(jù)，將是綜合考慮成本、效率和成效的最佳技術(shù)路線。

本文將以建筑物實體概念為核心，重點介紹建筑物實體化改造的建設(shè)內(nèi)容、技術(shù)設(shè)計和應(yīng)用成效，并在實際項目建設(shè)中驗證技術(shù)的可行性，為今后的建筑物數(shù)據(jù)庫建設(shè)工作提供一條成熟有效的技術(shù)路線。

1.建筑物實體化改造內(nèi)容

建筑物實體化改造包括基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)的二維矢量數(shù)據(jù)再生產(chǎn)、以二維平面圖為基礎(chǔ)的三維建筑簡模自動生產(chǎn)、以樓棟為單元的分層入戶數(shù)據(jù)建設(shè)以及基于建筑物實體的政務(wù)數(shù)據(jù)掛接工作。

1.1 數(shù)據(jù)再生產(chǎn)

建筑物實體化改造的基礎(chǔ)包括基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)地名地址數(shù)據(jù)和規(guī)劃審批數(shù)據(jù)等。

數(shù)據(jù)再生產(chǎn)的第一步是確定建筑物實體單元，主要是依據(jù)建筑物自然幢資料進(jìn)行確定。缺少建筑物自然幢資料時則參考住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2022年6月1日發(fā)布的《房屋建筑統(tǒng)一編碼與基本屬性數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》中劃分編碼單元的規(guī)則，規(guī)則如下：

（1）地下建筑物與地上建筑結(jié)構(gòu)為一體的，劃分為一個建筑物實體，獨立式地下建筑單獨劃分為一個建筑物實體；

（2）通過裙房或地下室相互連通的多幢建筑，每幢單獨劃分為一個建筑物實體，裙房或地下室也單獨劃分為一個建筑物實體；

（3）由空中連廊、地面連廊等相連接的多幢建筑，每幢建筑單獨劃分為一個建筑物實體，但空中連廊和地面連廊不劃為建筑物實體；

（4）結(jié)構(gòu)連續(xù)的平房劃分為一個建筑物實體，結(jié)構(gòu)不同或不連續(xù)的成排平房則應(yīng)劃分為多個建筑物實體。

數(shù)據(jù)再生產(chǎn)包括空間數(shù)據(jù)再生產(chǎn)和屬性信息映射等工作?？臻g數(shù)據(jù)再生產(chǎn)是在劃分建筑物實體單元后，在已有的規(guī)劃審批、房產(chǎn)分丘圖、基礎(chǔ)地形、核準(zhǔn)檔案等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過一系列的提取、加工、整理、融合等流程，補(bǔ)充外業(yè)采集信息，多種數(shù)據(jù)交叉補(bǔ)充驗證，提高數(shù)據(jù)精度和準(zhǔn)確度，形成分層到戶、不同粒度的建筑物數(shù)據(jù)載體，并根據(jù)行政區(qū)劃代碼、地理網(wǎng)格編碼和地理實體類別代碼等為建筑物實體賦予獨一無二的建筑物實體編碼。

為了保證每一個建筑物單元有且只有一個唯一的建筑物實體編碼，需要對建筑物實體編碼的組成和賦碼規(guī)則進(jìn)行設(shè)計。我們設(shè)計的建筑物實體編碼為21位，各碼段設(shè)計如表1所示：

表1 建筑物實體編碼

新增的建筑物實體編碼在已有編碼的基礎(chǔ)上遞增；當(dāng)建筑物擴(kuò)建、結(jié)構(gòu)變化超過原建筑面積的50%以上時，原編碼作廢，賦予新編碼；建筑物因拆除等原因消失時，其編碼不得被其他建筑物實體占用。

基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)和規(guī)劃審批數(shù)據(jù)等自然資源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中的各類屬性信息，則需要對應(yīng)映射到建筑物實體的相關(guān)屬性字段中。以檔案審批數(shù)據(jù)為例，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中的立項規(guī)劃、施工交付、使用維護(hù)及拆除等與建筑物實體相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行歸類和數(shù)字化，并歸集填充至建筑物業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)表中。

1.2 分層入戶數(shù)據(jù)建設(shè)

建筑物層實體和戶實體的數(shù)據(jù)建設(shè)以規(guī)劃審批數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)開展。根據(jù)建筑物實體每一層的平面核準(zhǔn)圖，進(jìn)行層戶的矢量化工作，建筑物總平面圖數(shù)據(jù)依據(jù)建筑物擴(kuò)展數(shù)據(jù)的內(nèi)容，與建筑物擴(kuò)展信息表關(guān)聯(lián)，表屬性數(shù)據(jù)按照建筑物建設(shè)階段劃分為立項規(guī)劃、施工交付、使用運維、拆除等階段，分階段輸入數(shù)據(jù)，便于管理查找。

1.3 三維建筑簡模自動生產(chǎn)

Web3D數(shù)據(jù)是在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用Html5+WebGL技術(shù)，通過互聯(lián)網(wǎng)直接構(gòu)建物體三維立體展示并可以互動瀏覽操作的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，是Web技術(shù)和3D技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，具有網(wǎng)絡(luò)性、三維性和互動性，無需插件。利用二維矢量數(shù)據(jù)和建筑物高度屬性構(gòu)建建筑物實體的Web3D模型，能有效地提高建筑物數(shù)據(jù)的綜合展示能力。

1.4 政務(wù)數(shù)據(jù)掛接

建筑物實體化工作的最后一步，是將建筑物實體作為政務(wù)數(shù)據(jù)的載體，將與建筑物相關(guān)的政務(wù)數(shù)據(jù)掛接至建筑物實體上。

2.關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計

本章將介紹建筑物實體化改造中的關(guān)鍵技術(shù)，包括建筑物三維模型快速構(gòu)建，以及地理編碼與匹配技術(shù)，前者是以二維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，自動生產(chǎn)三維建筑簡模的高效方法，后者則是政務(wù)數(shù)據(jù)掛接的核心技術(shù)。

2.1 建筑物三維模型快速構(gòu)建

二維圖形數(shù)據(jù)具有大量三維城市模型（3DCM）所需要的數(shù)據(jù)，所以在二維圖形數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上添加一些信息（如房屋高度、規(guī)則屋頂?shù)龋﹣順?gòu)建三維城市模型，采用HTML+JavaScript技術(shù)實現(xiàn)建筑物立體化展示，無需預(yù)先進(jìn)行三維建模，根據(jù)建筑物的高程自動生成建筑的立體模型，不依賴插件，能兼容目前主流瀏覽器，能支持移動端瀏覽，可以調(diào)節(jié)地圖的俯視角，逐層鉆取進(jìn)行建筑物信息的瀏覽，每一層下分戶，可以查看每戶。這種方法重構(gòu)的主要是大范圍簡易的建筑物實體，數(shù)據(jù)量少，速度快，唯一缺陷在于這類模型僅表達(dá)規(guī)則建筑物實體，難以構(gòu)建復(fù)雜的城市景觀，構(gòu)建的模型真實感小。

2.2 地理編碼與匹配技術(shù)

通過地理編碼和匹配技術(shù)可以實現(xiàn)統(tǒng)一空間坐標(biāo)，整合各種信息資源，在各個部門分散的建筑物資源庫之間建立有機(jī)聯(lián)系，為各級政府和部門實現(xiàn)信息共享、交換和整合提供基礎(chǔ)信息支撐。

地理編碼和匹配技術(shù)是以地理編碼數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)的空間相對定位技術(shù)；地理編碼就是建立給定地址與真實地理坐標(biāo)一致性的過程，可分為正向匹配和逆向匹配兩種方式，能夠?qū)崿F(xiàn)文字地址描述與空間地理坐標(biāo)之間的雙向轉(zhuǎn)換。地址匹配服務(wù)按照特定的步驟為地址查找匹配對象：首先要將地址標(biāo)準(zhǔn)化；然后服務(wù)器搜索地址匹配參考數(shù)據(jù)，查找潛在的位置；最后根據(jù)與地址的接近程度為每個候選位置指定分值，用分值最高的來匹配這個地址。

地址匹配最重要的是將地址標(biāo)準(zhǔn)化，建立地址編碼數(shù)據(jù)庫。雖然國外有不少商業(yè)化的地址匹配引擎服務(wù)，但這些技術(shù)都是建立在國外地址模型基礎(chǔ)上，完全不適合中國的文字形式。因此，地址匹配服務(wù)必須本地化，并建立適合實際情況的地址編碼數(shù)據(jù)庫,并以該地址數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，做各種與地址相關(guān)的應(yīng)用。

政務(wù)數(shù)據(jù)掛接工作的核心技術(shù)就是地址匹配。以財稅示范應(yīng)用建設(shè)為例，首先對接獲取財稅業(yè)務(wù)系統(tǒng)的財稅專題數(shù)據(jù)，根據(jù)地址信息，以公安的地名地址庫為主，利用地名地址引擎進(jìn)行空間化處理，賦予財稅數(shù)據(jù)空間屬性，即可實現(xiàn)財稅數(shù)據(jù)的“空間化”。然后，根據(jù)空間化結(jié)果，對財稅數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物編碼，通過建筑物的唯一標(biāo)識碼與建筑物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。財稅數(shù)據(jù)地址信息匹配度較高的，掛接到戶室，匹配度一般的掛接到建筑物單體。

3.應(yīng)用成效

南京市建鄴區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，城區(qū)每年新建大量建筑物，城市規(guī)劃、建設(shè)和管理需要了解和掌握建筑物現(xiàn)狀和變化情況。建鄴區(qū)在多年的智慧城市建設(shè)中積累了豐富的二維、三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，為建筑物數(shù)據(jù)庫的搭建提供了良好的環(huán)境。

筆者選取建鄴區(qū)作為試驗區(qū)，驗證了建筑物數(shù)據(jù)從采集、生產(chǎn)、應(yīng)用到對外服務(wù)全流程技術(shù)的可行性，搭建了精細(xì)化建筑物數(shù)據(jù)庫與建筑物綜合應(yīng)用平臺，實現(xiàn)了建筑物2.5維的高效、生動地可視化呈現(xiàn)，并以物業(yè)、財稅數(shù)據(jù)為突破口，打造了一系列示范應(yīng)用。

3.1 財稅示范應(yīng)用建設(shè)

財稅示范應(yīng)用建設(shè)基于建筑物數(shù)據(jù)庫及公安地名地址庫建設(shè)，通過地理編碼與匹配技術(shù)整合掛接財稅業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)至建筑物，豐富了建筑物數(shù)據(jù)庫的業(yè)務(wù)信息，可對外提供具有財稅專題信息的建筑物數(shù)據(jù)資源服務(wù)，支撐財稅業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)基于行政區(qū)劃范圍、功能園區(qū)、建筑物單體的空間統(tǒng)計分析。系統(tǒng)具體展示界面如圖1、圖2所示。

圖1 建筑物實體財稅信息展示

圖2 建筑物戶室實體財稅信息展示

3.2 后勤管理示范應(yīng)用建設(shè)

后勤管理涉及單位人員管理、會議管理、辦公用品租借、車輛管理等內(nèi)容，是單位負(fù)責(zé)人員調(diào)度、會議安排、辦公資源協(xié)調(diào)的重要部門。以建鄴區(qū)政府的辦公大樓—建鄴大廈為例，后勤管理人員需要對每個辦公室的人均辦公面積進(jìn)行計算，分析其與科室人員的職務(wù)是否匹配。

為此，建筑物綜合應(yīng)用平臺與建鄴大廈后勤管理系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行對接，獲取了室內(nèi)精細(xì)化測量的戶室面積、科室名稱、科室門牌號，結(jié)合后勤主管部門提供的科室人員信息，將這些數(shù)據(jù)通過建筑物編碼掛接至建鄴大廈，進(jìn)一步豐富了建鄴大廈這一建筑物的專題信息，在后勤、物業(yè)管理等方面提供數(shù)據(jù)支撐。系統(tǒng)實現(xiàn)的展示界面如圖3所示。

圖3 建筑物戶室掛接后勤管理信息

建筑物綜合應(yīng)用平臺為后勤管理示范應(yīng)用提供了兩種API接口，其中一種為建筑物單體模型，另一種為基于戶室布局的層模型。后勤管理系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要，將層模型接口對接到業(yè)務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行層平面圖展示，并根據(jù)獲取的科室使用面積、人員信息分析人均辦公面積，同時與職務(wù)比較分析判斷是否超標(biāo)。

4.結(jié)束語

本文提出的建筑物實體化改造方法充分利用已有多源數(shù)據(jù)融合形成建筑物數(shù)據(jù)，突破了傳統(tǒng)建筑物數(shù)據(jù)建庫在數(shù)據(jù)分析挖掘的深度和廣度方面的限制；利用已有規(guī)劃成果數(shù)據(jù)矢量化形成了準(zhǔn)確、豐富的建筑物分層分戶數(shù)據(jù)；利用新一代WebGL技術(shù)實現(xiàn)建筑物實體模型的360°無死角旋轉(zhuǎn)查看，并可逐層鉆取實現(xiàn)建筑物層實體的信息瀏覽，通過立體呈現(xiàn)的戶室分布效果圖實現(xiàn)建筑物戶實體數(shù)據(jù)的顯示；基于成熟的地址匹配技術(shù)實現(xiàn)了建筑物相關(guān)數(shù)據(jù)的有效性關(guān)聯(lián)掛接。

本文提出的建筑物實體化改造方法，在建鄴區(qū)建筑物數(shù)據(jù)庫建庫及應(yīng)用工程的數(shù)據(jù)資源和示范應(yīng)用建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用與驗證。未來，我們將以建筑物數(shù)據(jù)庫為研究的載體和基礎(chǔ)，面向建筑物全生命周期管理的實際需求，繼續(xù)探索建筑物的全生命周期數(shù)據(jù)，進(jìn)行分類、采集、存儲、管理與應(yīng)用。