基于SuperMap 的居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)建設(shè)研究

牛永力，賈 寶，鄧 超，呂寶奇，蘇春耀

（1.河南省測繪院，河南 鄭州 450003；2.自然資源部礦山時空信息與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗室，河南 焦作 454003；3.中國人民解放軍戰(zhàn)略支援部隊信息工程大學(xué)，河南 鄭州 450001）

傳統(tǒng)二維平面圖層化的方式管理城市信息已無法滿足日益增長的現(xiàn)實(shí)管理需要[1-3]，因此，迫切需要一種科學(xué)有效的技術(shù)手段獲取居民小區(qū)全要素空間三維數(shù)據(jù)，研究城市地上地下空間三維數(shù)據(jù)的獲取方法、智能處理、三維建模、可視化表達(dá)等，是實(shí)現(xiàn)小區(qū)全空間信息化管理的基礎(chǔ)，具有重要的應(yīng)用價值[4]。

為滿足智慧社區(qū)建設(shè)對三維地理信息技術(shù)的需求，選取鄭州市某小區(qū)為例，采用無人機(jī)傾斜攝影、管線探測、坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建了居民小區(qū)地上下一體化的三維模型，并基于SuperMap平臺開發(fā)了城市居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了三維場景漫游與展示、定位管理、空間分析、開挖分析、視頻監(jiān)控、車位管理、業(yè)主管理、爆管分析、斷面分析等功能，建立居民小區(qū)地上地下全要素精細(xì)化三維可視化表達(dá)，可為城市居民小區(qū)三維信息化管理提供參考和借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)

系統(tǒng)整體的體系架構(gòu)按照SOA（Service-oriented Architecture 面向服務(wù)架構(gòu)）的服務(wù)體系[5]，采用瀏覽器/服務(wù)器（B/S）模式可以最大程度上滿足業(yè)務(wù)異構(gòu)數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)功能、系統(tǒng)運(yùn)行性能的需求。以SuperMap作為三維開發(fā)平臺，以ArcGIS作為二維數(shù)據(jù)管理和GIS開發(fā)平臺，使用Geodatabase作為數(shù)據(jù)庫存儲三維模型及二維矢量數(shù)據(jù)，將不同格式的數(shù)據(jù)融合在一起，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的展示和分析功能主要在瀏覽器端完成，服務(wù)器端主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲、服務(wù)發(fā)布、數(shù)據(jù)訪問等功能。通過不同終端與服務(wù)器之間交互，訪問空間數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，管理業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)居民小區(qū)電子地圖調(diào)用、可視化、定位查詢、信息管理和空間分析等智慧化管理[6-7]。系統(tǒng)共分為數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

1）支撐層：提供系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，包括軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境及相關(guān)的安全設(shè)施。

2）數(shù)據(jù)層：存儲基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)（二維平面矢量數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)）、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（文檔、表格、坐標(biāo)、圖片、視頻等）、地下管線數(shù)據(jù)、車輛信息數(shù)據(jù)、居民信息數(shù)據(jù)等，利用服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理與維護(hù)。

3）服務(wù)層：將系統(tǒng)應(yīng)用到地理空間信息數(shù)據(jù)以服務(wù)的形式發(fā)布出來，提供給系統(tǒng)調(diào)用；提供數(shù)據(jù)分析功能接口，包括三維空間分析、其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能接口，為應(yīng)用層提供支撐服務(wù)。

4）應(yīng)用層：基于數(shù)據(jù)層與服務(wù)層，與用戶進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)加載、屬性信息管理、綜合服務(wù)、視頻監(jiān)控、三維場景瀏覽與三維空間分析等業(yè)務(wù)功能。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本文采用Geodatabase地理數(shù)據(jù)庫，分為空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)?？臻g數(shù)據(jù)包括地下管線數(shù)據(jù)與基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，地下管線數(shù)據(jù)包括給排水、電力、通信、燃?xì)?、熱力等，基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)包括休閑運(yùn)動區(qū)、居民樓、道路、配電室、游樂場、水系、停車位、綠化帶等。屬性數(shù)據(jù)包括房屋建筑基本屬性數(shù)據(jù)、業(yè)主信息數(shù)據(jù)、物業(yè)信息數(shù)據(jù)、機(jī)動車信息數(shù)據(jù)、施工圖、竣工圖、各類管線代碼、三維坐標(biāo)、材質(zhì)、管徑、走向、日期、管徑屬性等，將多源空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)融合在一起，實(shí)現(xiàn)專題信息、基礎(chǔ)信息、圖片信息、視頻圖像信息等的統(tǒng)一管理。

1.3 功能設(shè)計

為滿足小區(qū)物業(yè)和社區(qū)精細(xì)化管理，結(jié)合總體設(shè)計和需求分析，對城市居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計。以城市居民小區(qū)DEM、DOM、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地上三維模型、地下管網(wǎng)三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于SuperMap 平臺構(gòu)建城市居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)，將小區(qū)信息與地理信息相結(jié)合，以可視化、圖形化的方式實(shí)現(xiàn)三維空間分析、綜合瀏覽與查詢、三維綠量估計、單位面積建筑物容量分析、實(shí)時監(jiān)控、車位管理、斷面分析、開挖分析、爆管分析等功能，構(gòu)建地上下模型信息二三維聯(lián)動顯示，輔助小區(qū)智慧化管理。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 傾斜攝影三維建模技術(shù)

傾斜攝影測量影像處理的關(guān)鍵技術(shù)包括：非量測相機(jī)的高精度檢測、影像預(yù)處理、區(qū)域網(wǎng)聯(lián)合平差、多視影像密集匹配、高精度DSM生成、真正射糾正、三維建模等關(guān)鍵內(nèi)容[8]。其數(shù)據(jù)處理基本流程如圖1所示。

圖1 傾斜影像數(shù)據(jù)處理流程圖

為了快速實(shí)現(xiàn)城市小區(qū)三維景觀可視化，滿足三維建模紋理真實(shí)、精度高等要求，首先對影像進(jìn)行幾何校正、色彩、紋理調(diào)整和畸變差改正；再進(jìn)行多視影像聯(lián)合平差獲取精確地物三維信息、加密點(diǎn)坐標(biāo)、外方位元素；最后采用多視影像密集匹配技術(shù)，補(bǔ)充盲區(qū)地物特征，改正地物中誤匹配，生成高精度數(shù)字表面模型（DSM），采用像方糾正和物方糾正對多視影像進(jìn)行糾正，根據(jù)像方與物方同名點(diǎn)一一對應(yīng)關(guān)系，利用全局優(yōu)化采樣策略，完成多視影像真正射糾正。最后結(jié)合高精度影像匹配算法得到的密集點(diǎn)云，構(gòu)建不規(guī)則三角網(wǎng)（TIN），生成三維白膜模型，并將糾正的紋理映射到對應(yīng)的白膜上，輸出測區(qū)實(shí)景三維模型[9-10]。

2.2 地下管網(wǎng)三維建模技術(shù)

以二維管線屬性的點(diǎn)、線數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于SuperMap 二三維一體化技術(shù)，對二維管線數(shù)據(jù)進(jìn)行拓?fù)?、屬性、?shù)據(jù)類型等預(yù)處理，將二維管點(diǎn)、管線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三維空間數(shù)據(jù)，通過拓?fù)涮幚恚⑷S管線和管點(diǎn)的空間關(guān)系，創(chuàng)建三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集。采用自適應(yīng)管點(diǎn)符號與三維線型符號構(gòu)建三維管點(diǎn)和三維管線，表達(dá)彎頭、三通、四通等特征點(diǎn)，快速構(gòu)建管網(wǎng)立體式可視化場景。利用SuperMap 自適應(yīng)管點(diǎn)符號、實(shí)例化渲染、LOD結(jié)構(gòu)等技術(shù)，提供常態(tài)化的三維管線分析功能。

2.3 二三維聯(lián)動技術(shù)

面向小區(qū)智慧化管理，系統(tǒng)采用二三維切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)二維與三維GIS 技術(shù)的無縫融合，提供室內(nèi)與室外、地上與地下、分層與分戶等二三維瀏覽展示功能。以三維場景為框架，建立統(tǒng)一的坐標(biāo)基礎(chǔ)，將二維GIS 技術(shù)與三維GIS 技術(shù)進(jìn)行集成，通過基于高精度算法的底層信息交互實(shí)現(xiàn)二三維聯(lián)動，構(gòu)建一種二維、三維信息銜接與互動機(jī)制，實(shí)現(xiàn)對多維、多類型數(shù)據(jù)的存儲、管理與分析，為智慧社區(qū)提供了更為豐富的GIS管理和輔助決策。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)以上述關(guān)鍵技術(shù)為理論基礎(chǔ)，基于SuperMap平臺，利用SDX+空間數(shù)據(jù)庫引擎和ArcGISEngine10.2SDK 進(jìn)行開發(fā)，通過C#語言對居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計。本文選擇鄭州市某居民小區(qū)進(jìn)行示范應(yīng)用，利用無人機(jī)傾斜攝影、管線探測、坐標(biāo)基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換、三維建模等關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)建了居民小區(qū)地上地下一體的三維模型，通過SuperMap iServer將電子地圖發(fā)布給地圖服務(wù)，對其進(jìn)行設(shè)置屬性、調(diào)用方法，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)二三維可視化、地理信息查詢、專題分析等豐富的GIS功能。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用

1）系統(tǒng)GIS基礎(chǔ)功能?；赟uperMap的居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)，加載小區(qū)居民樓、道路、綠化帶、車輛、游樂場、安防、業(yè)主、物業(yè)人員、水系、管網(wǎng)等數(shù)據(jù)，通過GIS系統(tǒng)基礎(chǔ)功能，實(shí)現(xiàn)小區(qū)場景漫游和展示、地圖的放大與縮小、空間查詢定位、統(tǒng)計分析與屬性編輯、空間距離量測、高度量測，以及面積量測等功能，為居民小區(qū)的管理、服務(wù)和維修提供基礎(chǔ)依據(jù)。

2）系統(tǒng)三維GIS空間分析功能。城市三維小區(qū)模型的建設(shè)作為居民小區(qū)最直觀的表現(xiàn)方式，不僅在社區(qū)規(guī)劃管理、確權(quán)登記、城市綜合治理等方面有廣闊的前景，而且在自然資源監(jiān)督監(jiān)管、國土空間規(guī)劃中有積極的現(xiàn)實(shí)意義。通過對城市居民小區(qū)地上下三維模型不同層次用戶的分析，可以對小區(qū)內(nèi)的三維城管部件進(jìn)行查詢和統(tǒng)計，并能在三維場景中瀏覽城管部件的現(xiàn)實(shí)狀態(tài)。系統(tǒng)可對模擬區(qū)域建筑物進(jìn)行通視、控高、光照、可視域等分析，輔助小區(qū)規(guī)劃設(shè)計。

利用居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)立體化可視表達(dá)方式，可對地下三維管網(wǎng)進(jìn)行開挖、拓?fù)?、流向、連通性、斷面、爆管等分析，服務(wù)于小區(qū)精細(xì)化管理。在小區(qū)維護(hù)和綠化過程中，因施工發(fā)生爆管，可通過系統(tǒng)迅速關(guān)閉閥門，減少搶修時間，降低損失，提高小區(qū)管網(wǎng)現(xiàn)代化管理水平。

4 結(jié) 語

本文基于SuperMap平臺構(gòu)建了城市居民小區(qū)三維管理分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對居民小區(qū)地上下的三維可視化和基本建筑物、游樂場、管線等設(shè)施的瀏覽、查詢、空間分析等功能，滿足了空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的互訪需求，解決了物業(yè)管理的實(shí)際問題，提升了物業(yè)綜合服務(wù)水平，推進(jìn)了社區(qū)的治理能力現(xiàn)代化，對智慧社區(qū)的建設(shè)有一定的實(shí)際意義。