面向城市更新的實景三維平臺設(shè)計與實現(xiàn)

高 俊，柳春生，淦立琴，何 騫

（1.廣州市城市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510060；2.廣州市資源規(guī)劃和海洋科技協(xié)同創(chuàng)新中心，廣東 廣州 510060；3.廣東省城市感知與監(jiān)測預(yù)警企業(yè)重點實驗室，廣東 廣州 510060）

城市更新是推動城市高質(zhì)量發(fā)展的重要環(huán)節(jié)[1]。近年來，城市更新摒棄推倒重來的簡單方式，逐步轉(zhuǎn)向精細化運營的更新方向[2]。構(gòu)建基礎(chǔ)時空信息底板是實現(xiàn)智慧城市內(nèi)部多源、異構(gòu)、海量數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)與融合[3]，保障各類智慧應(yīng)用正常運轉(zhuǎn)，實現(xiàn)城市精細化治理的前提[4]。在城市更新持續(xù)深化過程中，土地管制和開發(fā)的復(fù)雜程度將越來越高，土地成本與收益的計算和評估以及規(guī)劃改造方案的成果展示均需三維可視化表達與量算分析的支撐，以提升城市更新工作的有效性和精細程度。目前城市更新改造一般通過圖片、二維空間數(shù)據(jù)進行區(qū)位、現(xiàn)狀分析，而實景三維現(xiàn)狀模型可直觀感受、認識改造范圍的全貌，有利于全面掌握改造區(qū)域現(xiàn)狀，合理安排改造工作。因此，城市更新工作有必要充分結(jié)合傾斜攝影測量、BIM、物聯(lián)傳感、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，積極響應(yīng)城市治理體系和治理能力現(xiàn)代化的需要，低成本、高效快速構(gòu)建全覆蓋的實景三維管理體系。本文以傾斜攝影模型為基礎(chǔ)，融合BIM、影像、點云、視頻、街景、基礎(chǔ)調(diào)查、土地權(quán)屬、建筑專題、空間規(guī)劃等二三維數(shù)據(jù)，形成二三維一體化的城市更新數(shù)據(jù)底板；并進行平臺總體框架與功能設(shè)計，實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)一體化綜合展示、全要素信息查詢、專題統(tǒng)計分析等功能，為廣州市番禺區(qū)城市更新精細化管理提供有力支撐。

1 平臺需求分析與設(shè)計

城市更新實景三維可視化平臺面向城市更新精細化管理需要，集成二三維GIS、BIM、物聯(lián)傳感等技術(shù)，構(gòu)建二三維場景綜合展示、“一張圖”輔助決策管理、精細化經(jīng)濟測算、現(xiàn)狀動態(tài)分析評價、規(guī)范性審查等模塊，為城市更新綜合管理提供二三維數(shù)據(jù)展示和分析解決方案。平臺基于B/S 模式，后端采用分布式數(shù)據(jù)庫部署，支撐統(tǒng)一標準的數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布；前端集成開源的WebGL技術(shù)，實現(xiàn)二三維一體化的城市更新綜合展示平臺[5]。

1.1 需求分析

城市更新業(yè)務(wù)流程復(fù)雜，涉及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查、方案編制與審批、項目監(jiān)管、用地報批、供地與報建等各個階段。面向城市更新精細化管理的需要，對城市更新管理進行以下優(yōu)化：①在數(shù)據(jù)管理方面，需提供在線管理平臺，實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的集成管理，解決城市更新基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理上的痛點；②在數(shù)據(jù)展示方面，需提供在線可視化平臺，實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的綜合展示，優(yōu)化數(shù)據(jù)單機展示的不足；③在數(shù)據(jù)分析方面，需要限高分析、可視域分析等三維分析功能，降低業(yè)務(wù)人員決策成本；④在城市更新項目監(jiān)管方面，接入在線視頻監(jiān)控、全景照片等數(shù)據(jù)，探索一種全新的監(jiān)管方式，提升監(jiān)管效率。

1.2 總體框架設(shè)計

平臺總體框架設(shè)計遵循分層架構(gòu)的思想，采用面向服務(wù)體系架構(gòu)，建立平臺對外擴展和異構(gòu)關(guān)聯(lián)機制，設(shè)計形成了包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)支撐層、服務(wù)管理層、平臺應(yīng)用層的二三維一體可視化框架[6]。

1）基礎(chǔ)設(shè)施層將計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、物聯(lián)傳感設(shè)施等物理資源和安全環(huán)境、軟件環(huán)境等軟件資源進行整合，形成動態(tài)可擴展的高性能計算環(huán)境、大容量存儲環(huán)境、安全接入環(huán)境，滿足多源數(shù)據(jù)接入、海量數(shù)據(jù)存儲、多類型用戶并發(fā)應(yīng)用和信息公開共享查詢的需要。

2）數(shù)據(jù)支撐層由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、實景三維數(shù)據(jù)庫、城市更新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫組成，其中基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫主要包括電子地圖、遙感影像、地形等測繪地理信息數(shù)據(jù)；實景三維數(shù)據(jù)庫主要包括傾斜攝影模型、BIM模型、物聯(lián)傳感等數(shù)據(jù)；城市更新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫主要包括城市更新普查數(shù)據(jù)、城市更新專項規(guī)劃數(shù)據(jù)、城市更新項目數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。該層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一組織、存儲和管理，為服務(wù)管理層各類服務(wù)提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

3）服務(wù)管理層在基礎(chǔ)設(shè)施層和數(shù)據(jù)支撐層的基礎(chǔ)上，融合管理二維數(shù)據(jù)服務(wù)、三維數(shù)據(jù)服務(wù)、監(jiān)控視頻服務(wù)、全景照片服務(wù)、業(yè)務(wù)分析查詢服務(wù)、規(guī)劃審查服務(wù)等服務(wù)接口，構(gòu)成平臺數(shù)據(jù)共享開發(fā)與集成框架，實現(xiàn)平臺內(nèi)數(shù)據(jù)的集成共享和關(guān)聯(lián)互動。

4）平臺應(yīng)用層提供城市更新業(yè)務(wù)信息的查詢、統(tǒng)計、分析、展示、管理等功能，包括二三維場景綜合展示、“一張圖”輔助決策管理、精細化經(jīng)濟測算、現(xiàn)狀動態(tài)分析評價、規(guī)范性審查等功能模塊，支撐城市更新工作向精細化管理方向發(fā)展。

1.3 功能設(shè)計

結(jié)合辦公室、統(tǒng)籌策劃科、項目審核科、土地整備和建設(shè)監(jiān)督科等番禺區(qū)城市更新局下屬科室業(yè)務(wù)內(nèi)容，需求調(diào)研要點集中在區(qū)策劃方案編制和審核、規(guī)劃調(diào)整和具體實施工作、劃定城市更新范圍的意見、城市更新項目跟蹤監(jiān)管等方面；并以此為依據(jù)開展平臺功能設(shè)計，主要包括多源數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)處理入庫、三維場景展示、輔助決策分析、專題分析評價和平臺運維管理6個部分。

梳理各部門數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，整合測繪地理信息、規(guī)劃、BIM、物聯(lián)傳感、全景照片等數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)一的標準和規(guī)范，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的接入、處理、入庫與管理；針對不同應(yīng)用場景，采用一套技術(shù)框架實現(xiàn)實景三維地形場景、BIM場景、視頻、全景等多場景的集成與展示，支持多場景切換與漫游；在統(tǒng)一的可視化界面上，實現(xiàn)改造范圍疊加分析、改造項目聯(lián)動分析、城市更新數(shù)據(jù)查詢展示、多屏比對和限高分析等基礎(chǔ)分析功能，支撐城市更新業(yè)務(wù)決策分析；為滿足城市更新專題業(yè)務(wù)需要，開發(fā)精細化經(jīng)濟測算、規(guī)范性審查、現(xiàn)狀分析評價等專題分析模塊，推動城市更新業(yè)務(wù)向智能化、便捷化方向發(fā)展；平臺運維管理主要側(cè)重于平臺安全運維、用戶管理和更新迭代等方面，保障平臺能在安全、穩(wěn)定的環(huán)境中持續(xù)運行。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 二三維數(shù)據(jù)融合

城市全空間信息數(shù)據(jù)具有多尺度、多時空、多維動態(tài)等特征，實現(xiàn)多模態(tài)時空數(shù)據(jù)的集成管理是平臺搭建的關(guān)鍵。本文將在統(tǒng)一空間參考、統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼、統(tǒng)一數(shù)據(jù)分類等標準下[7]，對城市更新數(shù)據(jù)進行融合集成管理。

1）數(shù)據(jù)收集和整理。收集現(xiàn)有的遙感影像、電子地圖、地形圖、傾斜攝影模型、視頻等實景三維數(shù)據(jù)進行整理和分類，形成空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；收集城市更新業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行空間落圖，實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)空間化。

2）數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。在統(tǒng)一時空基準下，對數(shù)據(jù)進行坐標轉(zhuǎn)換處理，采用格式轉(zhuǎn)換軟件對多源數(shù)據(jù)進行格式轉(zhuǎn)換，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)組織形式，打破多源數(shù)據(jù)難以在同一場景展示的屏障，為數(shù)據(jù)的分級調(diào)用和可視化展示奠定基礎(chǔ)。

3）數(shù)據(jù)輕量化處理。對BIM 數(shù)據(jù)進行數(shù)模分離處理，分開存儲空間信息和非空間信息，并通過唯一ID關(guān)聯(lián)；通過參數(shù)化描述規(guī)則幾何，完成幾何體的繪制，減少存儲空間；通過簡化三角面、移除重復(fù)頂點和面、外殼提取等方式對三維模型進行輕量化處理，提高可視化渲染效率[8]。

4）數(shù)據(jù)編輯融合。通過數(shù)據(jù)編輯融合工具實現(xiàn)BIM、視頻與傾斜攝影模型的融合；通過模型編輯進行傾斜攝影模型壓平和BIM模型替換，并完成模型接邊和屬性掛接，實現(xiàn)BIM與實景三維場景的融合；通過監(jiān)控攝像頭的位置和姿態(tài)信息，將監(jiān)控視頻的實時畫面投射到實景三維場景，融合后的三維場景不會因傾斜、旋轉(zhuǎn)等操作而產(chǎn)生變形或錯位。

2.2 二三維數(shù)據(jù)可視化

本文基于WebGL技術(shù)在瀏覽器端進行二三維數(shù)據(jù)可視化展示，解決了海量二三維數(shù)據(jù)流暢加載、多場景融合渲染等問題。在數(shù)據(jù)組織調(diào)度方面，對于影像、地形等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，采用“均勻分塊+金字塔分層”的方式實現(xiàn)矢量、柵格數(shù)據(jù)的組織和調(diào)度[9]；對于傾斜攝影模型、BIM 等三維數(shù)據(jù)，顧及其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、紋理數(shù)據(jù)眾多等特征，通過數(shù)據(jù)輕量化處理減少單個對象的數(shù)據(jù)量，并結(jié)合幾何對象索引模式實現(xiàn)模型數(shù)據(jù)的高效存儲檢索和組織調(diào)度[10]。在場景融合渲染方面，基于符號渲染、物理渲染和圖形渲染等引擎對矢量、柵格、三維模型等數(shù)據(jù)進行渲染展示，實現(xiàn)燈光、日照、天氣等渲染特效，滿足場景漫游需要，實現(xiàn)視頻、全景與三維場景的融合渲染，并支持多場景切換展示，滿足不同業(yè)務(wù)需要。

2.3 精細化經(jīng)濟測算

為提升城市更新智能化管理水平，依托人口、經(jīng)濟、建筑、土地等城市更新基礎(chǔ)調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)城市更新業(yè)務(wù)需要，開發(fā)更新改造成本測算、產(chǎn)業(yè)建設(shè)量核查等計算模型。

1）更新改造成本測算。對改造范圍內(nèi)更新改造各環(huán)節(jié)成本進行測算，包括前期費用、拆遷費用、復(fù)建費用、拆遷獎勵以及土地出讓金等成本測算。

2）產(chǎn)業(yè)建設(shè)量核查。依據(jù)《廣州市城市更新實現(xiàn)產(chǎn)城融合職住平衡的操作指引》進行產(chǎn)業(yè)建設(shè)量計算和圈層合規(guī)性審查，實現(xiàn)改造范圍與圈層空間范圍的疊合分析，測算產(chǎn)業(yè)建筑量，并對產(chǎn)業(yè)建設(shè)量規(guī)范性審查結(jié)果進行提示。

3 應(yīng)用實踐

本文選取廣州市番禺區(qū)作為實驗區(qū)。近年來為促進城市更新工作的發(fā)展，廣州市政府多次出臺相關(guān)政策，番禺區(qū)政府也積極響應(yīng)上級部門的要求，基于本區(qū)現(xiàn)狀推動城市更新工作往精細化、科學(xué)化方向發(fā)展。本文采用實景三維等新技術(shù)，以番禺區(qū)為試點，助力城市更新工作向智慧化方向發(fā)展。以番禺區(qū)2021年采集制作的數(shù)字真正射影像、數(shù)字高程模型、數(shù)字表面模型和傾斜攝影模型為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，搭建番禺區(qū)實景三維空間底板；通過圖層管理模塊實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一加載和圖層顯隱控制等功能，以滿足城市更新中查看改造范圍內(nèi)基本情況的需求（圖1）。

圖1 二三維一體化數(shù)據(jù)展示

為提高城市更新工作的效率和科學(xué)決策能力，平臺提供審查分析功能，通過融合BIM 和實景三維場景，用戶可在規(guī)劃階段查看未建區(qū)域BIM模型三維場景，為規(guī)范性審查提供輔助決策支撐；用戶還可在已建成區(qū)域查看BIM模型三維場景，結(jié)合量算、壓平等基礎(chǔ)功能，輔助判斷城市更新改造是否按照規(guī)劃設(shè)計建設(shè)（圖2）。

圖2 BIM三維場景融合

城市更新項目跟蹤監(jiān)管工作主要涉及用地報批進度跟蹤、拆遷進度跟蹤、建設(shè)進度跟蹤、固定資產(chǎn)投資進度跟蹤等方面，其中拆遷進度和建設(shè)進度跟蹤工作存在跟進難度大、跟蹤不及時等問題。平臺通過融合監(jiān)控視頻與三維場景將城市更新改造場地的現(xiàn)場情況實時展示在三維場景中，便于工作人員實時查看城市更新項目進展，達到項目跟蹤監(jiān)管的目的（圖3）。

圖3 視頻三維場景融合

平臺具備接入全景數(shù)據(jù)的能力，實現(xiàn)實景三維場景與全景數(shù)據(jù)的分屏聯(lián)動展示，可為用戶提供更全面的視角，并可根據(jù)需要切換場景，豐富了城市更新業(yè)務(wù)人員獲取現(xiàn)實環(huán)境信息的途徑（圖4）。

圖4 全景三維場景融合

4 結(jié)語

本文基于城市更新業(yè)務(wù)對實景三維技術(shù)的需要，從GIS、BIM、視頻等多源數(shù)據(jù)融合入手，結(jié)合二三維一體可視化技術(shù)，以廣州市番禺區(qū)為例，打造了一個面向城市更新業(yè)務(wù)的實景三維可視化平臺，并驗證了平臺的可行性與可靠性，為城市實景三維數(shù)據(jù)應(yīng)用于城市更新業(yè)務(wù)提供了新思路。研究表明，城市實景三維技術(shù)能更加直觀地對城市立體空間內(nèi)的物理環(huán)境、地物形態(tài)、事件動態(tài)進行連續(xù)、精細的表達，進而滿足城市更新日益增長的精細化管理需要。