淺談基于實(shí)景三維模型的城市三維地籍管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

任方園 王樂(lè) 陳良 劉斯琳

摘要：隨著社會(huì)快速發(fā)展，傳統(tǒng)的二維地籍管理模式漸漸難以滿(mǎn)足現(xiàn)代城市的管理需求，三維地籍管理因具有三維可視化的特點(diǎn)，能夠很好地解決這一難題。同時(shí)，隨著“實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)”工程的不斷推進(jìn)，逐漸積累的海量模型數(shù)據(jù)也為三維地籍管理系統(tǒng)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。本文以三維地籍業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，以地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)融合模型為基層數(shù)據(jù)底座，利用Unity3D引擎加載Cesium for Unity插件搭建三維可視化前端平臺(tái)，基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)搭建后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)，通過(guò)Visual Studio開(kāi)發(fā)工具開(kāi)發(fā)具體應(yīng)用程序。通過(guò)各種開(kāi)發(fā)工具的綜合運(yùn)用，以軟件開(kāi)發(fā)的方式，開(kāi)發(fā)出一種能夠滿(mǎn)足實(shí)際需求的城市三維地籍管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)；三維地籍；三維數(shù)據(jù)融合

引言

現(xiàn)代城市發(fā)展模式呈現(xiàn)出立體化和高密度化，產(chǎn)權(quán)管理更加復(fù)雜，傳統(tǒng)的二維地籍管理模式很難滿(mǎn)足現(xiàn)代城市地籍管理要求，迫切需要一種新技術(shù)、新思路[1]。三維地籍管理體系依托三維模型數(shù)據(jù)和專(zhuān)用管理系統(tǒng)，直觀、真實(shí)地實(shí)現(xiàn)空間承載和信息利用，以滿(mǎn)足新型城市地籍管理需求。隨著“實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)”在各地進(jìn)程不斷加快，逐漸積累的海量模型數(shù)據(jù)應(yīng)用問(wèn)題受到社會(huì)各界的重視[2]。三維地籍管理是“實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)”成果應(yīng)用的重要研究方向。2020年7月，國(guó)務(wù)院發(fā)布《關(guān)于做好自由貿(mào)易試驗(yàn)區(qū)第六批改革試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)復(fù)制推廣工作的通知》[3]，明確提出各地要建立以三維地籍為核心的土地立體化管理模式，將三維地籍管理理念和技術(shù)方法納入土地管理、開(kāi)發(fā)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理的全過(guò)程。

本文以“實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)”的數(shù)據(jù)成果為數(shù)據(jù)依托，通過(guò)各類(lèi)實(shí)景三維數(shù)據(jù)融合，結(jié)合三維地籍管理平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā)，構(gòu)建三維地籍管理體系，能夠有效滿(mǎn)足相關(guān)管理部門(mén)對(duì)立體地籍管理的迫切需求，具有巨大的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。

因城市快速發(fā)展，對(duì)地籍管理產(chǎn)生迫切的智能化、立體化需求，在收集、利用相關(guān)地籍信息的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用傾斜攝影測(cè)量等測(cè)繪新技術(shù)，融合地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)，將前端平臺(tái)研發(fā)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)研發(fā)有效銜接起來(lái)，研發(fā)出地上地下一體化、宗地房屋一體化、物理空間與產(chǎn)權(quán)空間一體化的城市實(shí)景三維可視化地籍管理系統(tǒng)。

1. 研究?jī)?nèi)容

本文主要任務(wù)為基于實(shí)景三維融合數(shù)據(jù)，通過(guò)軟件開(kāi)發(fā)的方式，開(kāi)發(fā)出一款城市三維地籍管理系統(tǒng)軟件，主要研究?jī)?nèi)容分為四個(gè)方面：

（1）地形級(jí)實(shí)景三維、城市級(jí)實(shí)景三維、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)融合。

（2）利用Unity3D引擎并加載Cesium for Unity插件，研發(fā)三維可視化前端管理平臺(tái)，為用戶(hù)開(kāi)展相應(yīng)業(yè)務(wù)提供有效的可視化交互系統(tǒng)[4]。

（3）基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)開(kāi)發(fā)，保障數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、分發(fā)等功能。

（4）通過(guò)C#語(yǔ)言和Visual Studio開(kāi)發(fā)工具進(jìn)行數(shù)據(jù)入庫(kù)、三維幾何信息查詢(xún)、三維不動(dòng)產(chǎn)管理、三維電子證件照管理、三維統(tǒng)計(jì)分析、土地全生命周期管理、三維瀏覽功能等應(yīng)用的開(kāi)發(fā)。

本文主要研究?jī)?nèi)容為以實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)為主體，同時(shí)融合地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)，作為空間數(shù)據(jù)底座，開(kāi)發(fā)一套城市實(shí)景三維可視化地籍管理系統(tǒng)，具體架構(gòu)如圖1所示。

1.1 實(shí)景三維數(shù)據(jù)生成及融合

本文計(jì)劃通過(guò)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)生成的實(shí)景三維模型作為基礎(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。三維地籍管理系統(tǒng)所需三維數(shù)據(jù)要滿(mǎn)足真實(shí)、清晰、精準(zhǔn)的要求，只靠某一類(lèi)型的數(shù)據(jù)難以滿(mǎn)足要求，必須進(jìn)行地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)融合。需要根據(jù)本文具體任務(wù)要求，研究相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)融合方法，將各級(jí)三維數(shù)據(jù)有機(jī)融合，取長(zhǎng)補(bǔ)短，充分發(fā)揮各類(lèi)數(shù)據(jù)優(yōu)勢(shì)。

1.2 前端可視化平臺(tái)開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目利用Unity3D開(kāi)發(fā)引擎并以Cesium for Unity插件為核心開(kāi)發(fā)工具，搭建前端城市三維地籍可視化平臺(tái)。在視覺(jué)表達(dá)方面，基于體素、LOD等技術(shù)，采用抽屜式交互、變形等綜合可視化變量方法，有效表達(dá)三維不動(dòng)產(chǎn)可見(jiàn)表面和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)可視化效果。在實(shí)際應(yīng)用方面，設(shè)計(jì)合理的UI功能界面，統(tǒng)籌謀劃各個(gè)功能模塊布局，有效降低用戶(hù)學(xué)習(xí)成本，提高用戶(hù)體驗(yàn)。

1.3 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本文屬于大規(guī)模軟件開(kāi)發(fā)的范疇，數(shù)據(jù)處理量大，需要一種高效的后臺(tái)數(shù)據(jù)管理技術(shù)才能保障系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。此外，需要設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，保障整個(gè)系統(tǒng)流暢運(yùn)行。同時(shí)，做好系統(tǒng)安全保障工作，針對(duì)不同用戶(hù)群體，設(shè)置合理用戶(hù)權(quán)限，規(guī)范數(shù)據(jù)使用及分發(fā)規(guī)則，本文預(yù)期成果用戶(hù)包含多個(gè)社會(huì)群體，必須根據(jù)不同用戶(hù)的不同需求設(shè)置合理的用戶(hù)權(quán)限[5]。本文預(yù)期用戶(hù)主要分為三類(lèi)：系統(tǒng)管理員、各級(jí)管理部門(mén)、社會(huì)公眾。系統(tǒng)管理員首先具備各級(jí)管理部門(mén)和社會(huì)公眾的所有權(quán)限，同時(shí)具有數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建權(quán)限等；各級(jí)管理部門(mén)主要是指自然資源局、不動(dòng)產(chǎn)登記中心等擁有具體職能的部門(mén)，這些部門(mén)擁有場(chǎng)景管理權(quán)限、數(shù)據(jù)查詢(xún)、修改管理等權(quán)限；社會(huì)公共角色擁有場(chǎng)景漫游及特定定位權(quán)限，還擁有自身信息查詢(xún)權(quán)限，但不具有修改、刪除、增加各類(lèi)數(shù)據(jù)等操作權(quán)限。

1.4 業(yè)務(wù)功能程序設(shè)計(jì)

業(yè)務(wù)功能程序是用于滿(mǎn)足各類(lèi)用戶(hù)需求的具體應(yīng)用程序，直接關(guān)系日常三維地籍管理工作的質(zhì)量，具體內(nèi)容包括：數(shù)據(jù)入庫(kù)、三維幾何信息查詢(xún)、三維不動(dòng)產(chǎn)管理、三維電子證件照管理、三維統(tǒng)計(jì)分析、土地全生命周期管理、三維瀏覽功能等。

2. 技術(shù)路線

2.1 研究思路與技術(shù)路線

本文以三維地籍業(yè)務(wù)需求為導(dǎo)向，將整個(gè)研究?jī)?nèi)容分四個(gè)方面：

（1）以城市實(shí)景三維模型為主體，探索地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)融合技術(shù)，為三維地籍的實(shí)際應(yīng)用提供有效的數(shù)據(jù)支撐；

（2）利用Unity3D引擎并加載Cesium for Unity插件，研發(fā)三維可視化前端管理平臺(tái)，為用戶(hù)開(kāi)展相應(yīng)業(yè)務(wù)提供有效的可視化交互系統(tǒng)；

（3）基于MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)和Visual Studio軟件，開(kāi)發(fā)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)和應(yīng)用程序；

（4）在前端平臺(tái)與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用C#編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足相應(yīng)業(yè)務(wù)需求的各項(xiàng)應(yīng)用程序。總體技術(shù)路線圖如圖2所示。

2.2 研究方案

2.2.1 實(shí)景三維數(shù)據(jù)生成及融合

本文中的“實(shí)景三維數(shù)據(jù)融合”，是指以地形實(shí)景三維模型、城市實(shí)景三維模型與通過(guò)相應(yīng)的制圖軟件制作的部件三維模型進(jìn)行有機(jī)疊加融合，共同組成本文的有效數(shù)據(jù)基底。

地形級(jí)實(shí)景三維模型與城市級(jí)實(shí)景三維模型通過(guò)傾斜攝影技術(shù)生成，部件級(jí)三維模型通過(guò)3Ds Max軟件制作。

地形級(jí)實(shí)景三維模型與城市級(jí)實(shí)景三維模型生成均基于傾斜攝影技術(shù)，但是地形級(jí)實(shí)景三維模型分辨率要求優(yōu)于2米，城市級(jí)三維模型分辨率要求優(yōu)于5厘米。

部件級(jí)三維模型通過(guò)3Ds Max軟件制作。

三維模型數(shù)據(jù)制作完畢后，需要將地形級(jí)、城市級(jí)、部件級(jí)三維數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，以達(dá)到立體地籍管理的數(shù)據(jù)要求。

2.2.2 前端可視化平臺(tái)開(kāi)發(fā)

項(xiàng)目通過(guò)Cesium開(kāi)源框架開(kāi)發(fā)的Cesium for Unity插件，利用Unity3D平臺(tái)搭建前端城市三維地籍可視化平臺(tái)。在Unity3D加載完畢Cesium for Unity插件后，利用插件工具加載相應(yīng)的模型，同時(shí)利用CesiumGeoreference中的Dynamic Camera等組件設(shè)置合理視角，借助UI組件設(shè)計(jì)合理的UI布局，通過(guò)Unity3D的Scene控件構(gòu)建各種需求下的應(yīng)用場(chǎng)景，如系統(tǒng)開(kāi)始界面場(chǎng)景、各個(gè)業(yè)務(wù)功能命令下對(duì)應(yīng)的特定場(chǎng)景。借助Unity3D的Visual Effect組件針對(duì)特定元素實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的粒子渲染效果，突出視覺(jué)效果。

2.2.3 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

本文研發(fā)的三維地籍管理系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類(lèi)型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，不同用戶(hù)群體需求多樣化，需開(kāi)發(fā)多種應(yīng)用和管理功能。根據(jù)任務(wù)需求，需構(gòu)建多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，需要快速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，以提高整體工作效率。該系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的安全性、可靠性要求較高，同時(shí)，根據(jù)需求要搭建相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用平臺(tái)。這些都需要高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。

三維地籍管理系統(tǒng)平臺(tái)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)建立和操作必須保障數(shù)據(jù)庫(kù)的安全。地籍信息中權(quán)利人身份信息屬于個(gè)人隱私，地理信息涉及國(guó)家安全問(wèn)題。因此，后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)在保障整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定和高效的同時(shí)，必須做好安全保障工作。

本文以MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)作為平臺(tái)的后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)三維地籍信息數(shù)據(jù)的輸入、存儲(chǔ)、分發(fā)、查詢(xún)、插入、刪除、修改以及數(shù)據(jù)安全保障等功能。MySQL為開(kāi)源項(xiàng)研發(fā)，支持多種編程語(yǔ)言，可以根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需求開(kāi)發(fā)相應(yīng)功能；支持多線程技術(shù)，具有多種數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)引擎，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)請(qǐng)求同時(shí)處理，并且響應(yīng)速度快；數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)容量大，表空間的最大容量為64TB，支持大型數(shù)據(jù)庫(kù)，可以處理大型數(shù)據(jù)庫(kù)；具有很高的穩(wěn)定性和可靠性，具備自動(dòng)錯(cuò)誤檢測(cè)和恢復(fù)功能，能夠保證數(shù)據(jù)的完整性和一致性；具備較高的安全性，支持密碼加密功能，能夠有效保護(hù)用戶(hù)數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，因此能夠滿(mǎn)足項(xiàng)目要求。

2.2.4 業(yè)務(wù)功能程序設(shè)計(jì)

根據(jù)方案設(shè)計(jì)，本文預(yù)期業(yè)務(wù)功能為數(shù)據(jù)入庫(kù)、三維幾何信息查詢(xún)、三維不動(dòng)產(chǎn)管理、三維電子證件照管理、三維統(tǒng)計(jì)分析、土地全生命周期管理、三維瀏覽功能等模塊開(kāi)發(fā)。城市三維地籍管理的功能模塊具體設(shè)計(jì)方案包括七個(gè)功能模塊。

（1）數(shù)據(jù)入庫(kù)功能模塊。將城市實(shí)景三維模型及相應(yīng)融合數(shù)據(jù)、地籍信息數(shù)據(jù)等按照既定規(guī)則導(dǎo)入后臺(tái)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中，作為基礎(chǔ)支撐數(shù)據(jù)。

（2）三維幾何信息查詢(xún)功能模塊。主要是完成城市地籍界址坐標(biāo)、邊長(zhǎng)、宗地和房產(chǎn)面積等幾何量算及結(jié)果輸出等。

（3）三維不動(dòng)產(chǎn)管理功能模塊。主要涉及城市地籍實(shí)體部件構(gòu)建、空間數(shù)據(jù)和屬性錄入、資料輸出以及業(yè)務(wù)辦理等功能。

（4）三維電子證件照管理功能模塊。根據(jù)查詢(xún)的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)某一宗地或者某一幢建筑物及其權(quán)屬信息獨(dú)顯功能。

（5）三維統(tǒng)計(jì)分析功能模塊?？梢栽谒_定緩沖范圍內(nèi)，根據(jù)目標(biāo)需求，統(tǒng)計(jì)匯總各用地類(lèi)型面積、建筑容積率、建筑密度等信息。

（6）土地全生命周期管理功能模塊。通過(guò)構(gòu)建土地單元唯一識(shí)別碼，模塊通過(guò)該標(biāo)識(shí)碼的土地歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)采用分屏或時(shí)間軸的方式進(jìn)行顯示，追溯識(shí)別三維地籍變更歷史軌跡，以實(shí)現(xiàn)三維地籍全生命周期管理。

（7）三維瀏覽功能模塊。基于該功能在平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互操作，為用戶(hù)提供查看三維模型的手段，使用戶(hù)可以從不同視角查看模型，可以對(duì)三維模型進(jìn)行前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)、平移、放縮、恢復(fù)原位置以及路徑規(guī)劃等操作，實(shí)現(xiàn)任意方向的場(chǎng)景漫游。

結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著三維建模技術(shù)的快速發(fā)展，實(shí)景三維模型逐漸取代傳統(tǒng)的二維圖形，各項(xiàng)三維數(shù)字城市建設(shè)需求應(yīng)運(yùn)而生，引導(dǎo)測(cè)繪地理產(chǎn)業(yè)向三維數(shù)字城市方向不斷發(fā)展。三維地籍管理作為數(shù)字城市的重要內(nèi)容，一直都是地理信息行業(yè)的研究重點(diǎn)。本文所開(kāi)發(fā)的城市三維地籍管理應(yīng)用系統(tǒng)能夠有效滿(mǎn)足相關(guān)管理部門(mén)對(duì)立體地籍管理的迫切需求，具有良好的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的市場(chǎng)前景。但是，三維地籍管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理量大，如何將系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，使其能夠更加高效、穩(wěn)定地運(yùn)行，將是下一步的工作重點(diǎn)。

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作者簡(jiǎn)介：任方園，本科，工程師，研究方向：地理信息技術(shù)研究及軟件開(kāi)發(fā)。