四維數(shù)字城管的建立與應(yīng)用

劉全海,冉慧敏,李　樓

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

LIU Quanhai,RAN Huimin,LI Lou

四維數(shù)字城管的建立與應(yīng)用

劉全海1,2,冉慧敏2,李樓2

(1. 武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北 武漢 430072； 2. 常州市測繪院，江蘇 常州 213002)

The Establishment and Application of Four-dimensional Digital Urban Management

LIU Quanhai,RAN Huimin,LI Lou

摘要：數(shù)字城市部件管理的持續(xù)更新效率與深入集成應(yīng)用是制約其服務(wù)能力的重要因素，而變化信息的有效發(fā)掘與應(yīng)用是目前數(shù)字城市管理應(yīng)用的新課題。本文結(jié)合四維的概念,通過對四維數(shù)字城管時(shí)空變化、數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)組織的分析，提出了在三維數(shù)字城市管理的基礎(chǔ)之上構(gòu)建四維數(shù)字城管的模型。通過實(shí)踐，建立了四維數(shù)字城管的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理與應(yīng)用的體系，通過城市級別的生產(chǎn)及應(yīng)用結(jié)果表明本文所提的四維數(shù)字城管的有效性和適用性。

引文格式： 劉全海,冉慧敏,李樓. 四維數(shù)字城管的建立與應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2015(9)：102-106.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0291

關(guān)鍵詞：數(shù)字城管；四維；數(shù)據(jù)模型；快速制作

中圖分類號：P208

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：0494-0911(2015)09-0102-05

收稿日期：2015-01-01

作者簡介：劉全海(1972—)，男，研究員級高工，主要研究方向?yàn)閿?shù)字城市。E-mail: 672810610@qq.com

一、引言

近幾年，隨著數(shù)字城管信息化水平的不斷提高，以4S為代表的現(xiàn)代測繪技術(shù)推動(dòng)了數(shù)字城市管理工作的快速發(fā)展，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等高新技術(shù)開始融入并應(yīng)用到城市管理工作中，城市管理正在向精細(xì)化、三維化、智能化發(fā)展。

隨著城市形態(tài)的日益多樣化、城市結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜化及城市管理的日趨精細(xì)化，傳統(tǒng)的二維信息管理系統(tǒng)已無法滿足日益增長的城市部件信息集成基礎(chǔ)的應(yīng)用需求，存在很多管理“死角”，數(shù)字城管信息化正在逐步實(shí)現(xiàn)三維化。此外，城市管理是一個(gè)持續(xù)的過程，應(yīng)通過地理數(shù)據(jù)的生產(chǎn)和管理手段實(shí)現(xiàn)城管部件的歷史數(shù)據(jù)溯源管理，實(shí)現(xiàn)對城管部件的產(chǎn)生、變化、消亡的全過程持續(xù)跟蹤管理[1-3]。因此，在當(dāng)前解決數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性問題的基礎(chǔ)上，應(yīng)著力解決城管部件時(shí)空數(shù)據(jù)的采集集成、持續(xù)更新和跟蹤管理等問題，并在三維的基礎(chǔ)上進(jìn)一步考慮時(shí)間維度。

近年來，三維數(shù)據(jù)模型開始向四維發(fā)展。國內(nèi)外針對四維的概念已有不少，如四維地籍[4]是對三維地籍加入時(shí)間與空間的聯(lián)系剖分，構(gòu)建時(shí)空邊界，最終構(gòu)建四維地籍。在空間目標(biāo)的變化分類方法方面也多有研究[5-6]，如Hornsby等在單個(gè)空間對象的3種狀態(tài)基礎(chǔ)上推演出9種變化類型[7]；Renolen提出了創(chuàng)建、改變、穩(wěn)定、再現(xiàn)、合并和分裂幾種基本變化類型[8]；Raza等則將面目標(biāo)變化類型分為出現(xiàn)、大小變化、形狀變化、移動(dòng)、消失、變換、合并和分裂[9]。

本文從三維數(shù)字城市部件的管理入手，研究三維數(shù)字城管的快速生產(chǎn)理論，分析其時(shí)間與空間的關(guān)系，在四維數(shù)字城管的概念、特點(diǎn)、數(shù)據(jù)模型及應(yīng)用體系方面展開深入研究。

二、四維數(shù)字城管基本概念

1. 數(shù)字城管概念

城市作為一種復(fù)雜的社會(huì)經(jīng)濟(jì)綜合體，不可能是在某一天突然出現(xiàn)，而是有一個(gè)逐漸的演進(jìn)過程，必須經(jīng)過一段漫長的歷史發(fā)展時(shí)期。數(shù)字城管又叫“數(shù)字化城市管理”，是指用信息化手段和移動(dòng)通信技術(shù)來處理、分析和管理整個(gè)城市的所有城管部件和城管事件信息,促進(jìn)城市管理現(xiàn)代化的信息化措施。數(shù)字城管首先涉及城市網(wǎng)格化管理。城市網(wǎng)格化管理是指在城市綜合管理中采用數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、可視化和其他信息技術(shù)來提高管理的信息化水平。城市網(wǎng)格化管理模式意味著萬米的單元網(wǎng)格管理法和城市部件管理應(yīng)用相結(jié)合的信息化城市管理系統(tǒng)，是一種創(chuàng)新的城市管理系統(tǒng)和城市獨(dú)立監(jiān)督的管理系統(tǒng)，是主動(dòng)、準(zhǔn)確、靈活、高效且有效的城市管理新模式。

三維數(shù)字城管是指通過3D GIS技術(shù)建立三維數(shù)字城管信息系統(tǒng)，真實(shí)再現(xiàn)城市各種部件，并與現(xiàn)有二維GIS系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成，使數(shù)字城管從二維平滑升級到三維，從而滿足城市管理在垂直方向上的需求，如路燈高度論證、廣告牌的位置論證、投訴事件定位難等問題。同時(shí)，輔助城市管理者進(jìn)行決策分析，如公共設(shè)施選址分析、應(yīng)急預(yù)案模擬，從而提高城市管理的效率和質(zhì)量。通過三維數(shù)字城管建立一個(gè)信息共享平臺，打破了城市管理過程中專業(yè)和非專業(yè)人士之間的溝通障礙，使政府各部門、各企事業(yè)單位、社會(huì)公眾能高效率、全天候進(jìn)行直觀的交流，加快社會(huì)經(jīng)濟(jì)事務(wù)處理效率，促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。

2. 四維數(shù)字城管的概念及其特點(diǎn)

四維數(shù)字城管部件模型需要考慮三維空間維度與時(shí)間維度之間的關(guān)系。時(shí)空四維則是對四維空間的連續(xù)覆蓋，通過在三維數(shù)字城管數(shù)據(jù)集上建立一個(gè)關(guān)聯(lián)時(shí)間與時(shí)間關(guān)系的數(shù)字城市管理模型，打破原有數(shù)字城管單純的空間與屬性的內(nèi)容。

四維城市部件種類眾多，數(shù)據(jù)量巨大，存在以下數(shù)據(jù)特點(diǎn)：①聚集性：密集分布在城市的公共區(qū)域，如道路、廣場及地下車站等；②種類多：城市部件涉及公用設(shè)施類、道路交通類、市容環(huán)境類、園林綠化類、房屋土地類、其他設(shè)施類及擴(kuò)展部件類，種類繁多；③動(dòng)態(tài)性：城市建設(shè)及人為與自然因素導(dǎo)致城市部件的更新加快，一般應(yīng)每隔一年或半年更新一次，事件具有流動(dòng)性和繁雜性；④重復(fù)性：在同一個(gè)位置可能有多個(gè)城市部件存在，如在一根電線桿上可能有路燈、變壓器、探頭、通信交接箱等，它們的空間坐標(biāo)就完全相同；⑤權(quán)屬單位多：存在著單一、多頭管理，涉及的所屬單位也多，如市政部門、園林綠化部門、環(huán)衛(wèi)部門等；⑥立體化：從地下、地面及地上的城市部件的立體表達(dá)；⑦時(shí)空特性：城市部件的生命周期及城市管理的事件處理具有顯著的時(shí)間特性等。

三、數(shù)據(jù)模型與組織

1. 數(shù)字城管的時(shí)空變化研究

對于每個(gè)城管部件而言，其生命周期主要經(jīng)過如下演化：產(chǎn)生、變化、消失。產(chǎn)生即一個(gè)新的城管部件創(chuàng)建，變化包括屬性、空間形態(tài)的變化，消亡為部件的廢棄或拆除等。其中最為重要的是變化，包括空間與屬性的變化，其與空間相關(guān)的變化主要包含位置移動(dòng)、變形、更換，與屬性相關(guān)的變化主要包括養(yǎng)護(hù)單位及使用狀態(tài)等變化。

根據(jù)前文對四維數(shù)字城管的定義，其空間變化對應(yīng)為三維城管部件模型的位移、變形及所對應(yīng)三維模型庫的更換；屬性的變化應(yīng)與時(shí)間相對應(yīng)。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，一般可采用雙時(shí)間模式與單一時(shí)間模式。通過研究城管部件的變化過程，其不僅僅是單一的變化記錄，更多的是城管部件在某段時(shí)間處于某個(gè)狀態(tài)。在本文的研究過程中，采用雙時(shí)間模式，可以清晰地將城管部件的時(shí)空狀態(tài)及變化事件表示出來。如圖1所示。數(shù)字城市管理事件完整處理環(huán)節(jié)應(yīng)包括事件產(chǎn)生、案卷建立、任務(wù)派遣、任務(wù)處理、處理反饋、核實(shí)結(jié)案、綜合評價(jià)等環(huán)節(jié)，形成城市管理“閉環(huán)”。在本文中，這些環(huán)節(jié)形成事件的記錄節(jié)點(diǎn)。

圖1　從產(chǎn)生到消亡過程的演變圖

2. 數(shù)字城管的時(shí)間表示

對于城管部件的時(shí)間表達(dá)，采取兩種不同的時(shí)間，一個(gè)是事務(wù)時(shí)間，另一個(gè)是有效時(shí)間。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，在某一時(shí)間點(diǎn)(T0)發(fā)生一個(gè)事件，這個(gè)事件在有效時(shí)間(數(shù)據(jù)庫字段)內(nèi)對應(yīng)一個(gè)記錄，記錄發(fā)生了某個(gè)事情，如路燈故障；經(jīng)過一段時(shí)間后開始進(jìn)行處理(T1)，開始時(shí)間對應(yīng)一條事務(wù)的開始，在事務(wù)時(shí)間上產(chǎn)生一條記錄；再經(jīng)過一段時(shí)間后事務(wù)處理完成(T2)，則T0到T2這段時(shí)間內(nèi)對應(yīng)該部件的一種維修狀態(tài)。再經(jīng)過一段時(shí)間，在T3時(shí)刻，該城管部件會(huì)發(fā)生另外的事件2，那么T2到T3之間路燈狀態(tài)為正常，以此延續(xù)直至該路燈消亡,如圖2所示。

圖2　四維數(shù)字城管的時(shí)間表示圖

3. 數(shù)據(jù)模型研究

(1) 幾何模型設(shè)計(jì)

從城市部件空間形態(tài)上，將其抽象地劃分為4類：點(diǎn)、線、面、體，實(shí)際上點(diǎn)、線、面為二維數(shù)字城管中城管部件主要存在形式，而在四維數(shù)字城管中，這些對象均以實(shí)體對象的形式存在，即以體的形式，在四維城管部件中，把它們分別稱為點(diǎn)體、面體、線體。點(diǎn)體城市部件是指在二維空間上可以用坐標(biāo)點(diǎn)來表示的城市部件。城市部件中大部分都屬于這種類型，如垃圾箱、電力設(shè)施及各類井蓋等。線體城市部件是指在二維空間上可以用線條來表示的城市部件。一些在空間上呈現(xiàn)狹長形的部件多屬此類，如水域護(hù)欄、交通護(hù)欄、綠地護(hù)欄、存車支架等。面狀城市部件是指在二維空間上可以用面塊來表示的城市部件，如綠地、工地等。

通過上述對四維數(shù)字城管對象的分析可知，其概念模型應(yīng)包括城管部件體,即三維數(shù)字城管部件的對象類型的設(shè)計(jì)，相關(guān)的屬性、事件及內(nèi)容的設(shè)計(jì)，以及其與時(shí)間相互關(guān)系的設(shè)計(jì)。如圖3所示。

邏輯模型的設(shè)計(jì)師在概念模型的基礎(chǔ)上，基于城管部件的現(xiàn)實(shí)存在情況，解決其相關(guān)事件的管理。在現(xiàn)實(shí)世界中，往往在同一個(gè)位置可能有多個(gè)城市部件存在，如在一根電線桿上可能有廣告、變壓器、通信交接箱等，它們的空間坐標(biāo)完全相同，此時(shí)就需設(shè)計(jì)復(fù)合模型，進(jìn)行復(fù)合表達(dá)。

圖3　四維數(shù)字城管幾何模型設(shè)計(jì)

(2) 屬性與事件模型設(shè)計(jì)

確定現(xiàn)實(shí)世界中地物模型的邏輯組織方案，即在概念模型基礎(chǔ)上解決現(xiàn)實(shí)現(xiàn)象的管理問題。李成名等提出了面向?qū)嶓w的三維空間數(shù)據(jù)模型[10]。建立三維GIS的目的是要求三維模型可視化和空間查詢分析運(yùn)行速度快，而可視化和空間查詢分析的基礎(chǔ)是各種空間數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和地物模型的建立，其空間坐標(biāo)(x,y,z)都參加圖形顯示的運(yùn)算。因此，其空間數(shù)據(jù)采集、空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、拓?fù)潢P(guān)系、空間數(shù)據(jù)顯示、空間分析都比二維GIS復(fù)雜得多，空間數(shù)據(jù)的獲取和空間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組織與建模是試驗(yàn)的關(guān)鍵。三維模型的構(gòu)建是3D GIS的一個(gè)核心問題，它需要真三維的空間數(shù)據(jù)(包含實(shí)體的平面地理位置、實(shí)體的高程數(shù)據(jù))、實(shí)體的真實(shí)紋理貼圖數(shù)據(jù)和實(shí)體的高程模型等，進(jìn)行空間信息查詢時(shí)還需要與實(shí)體相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)。在這方面，國內(nèi)外許多研究人員已經(jīng)提出了很多方法，如線框表示法、邊界表示法、矢量—邊界表示法、單元分解法、空間位置枚舉法、四面體格網(wǎng)、非均勻有理B樣條、函數(shù)一邊界表示法、掃描表示法、基本體素引用法及混合表示方法等。不同類型的數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)獲取時(shí)的方法也不一樣，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。數(shù)據(jù)獲取后針對實(shí)體建立模型，這是關(guān)鍵所在。試驗(yàn)建立的三維城市空間數(shù)據(jù)模型主要實(shí)現(xiàn)三維可視化的功能，以及快速的載入、運(yùn)行和屬性與模型關(guān)系的構(gòu)建。

時(shí)空三維城市部件需要關(guān)注的信息有兩類：屬性類，如權(quán)屬屬性、主管部門與其他屬性等；空間類，即其在三維場景中的相關(guān)內(nèi)容，如位置、朝向、大小、紋理等信息。對于四維數(shù)字城市管理的模型需要建立兩者與時(shí)間的關(guān)系，屬性主要事件為其狀態(tài)、主管部門、養(yǎng)護(hù)部門的變更內(nèi)容等，而空間類主要有新增、變化、刪除等。

四維數(shù)字城管部件模型需要考慮三維空間維度與時(shí)間維度之間的關(guān)系。時(shí)空四維則是對四維空間的連續(xù)覆蓋，空間上，其相關(guān)的內(nèi)容主要有紋理變化、幾何變化。時(shí)間上的時(shí)間主要包括事件-事件、事件-狀態(tài)、狀態(tài)-狀態(tài)間。

4. 四維數(shù)字城管數(shù)據(jù)組織

此次四維城市管理部件模型建立將三維模型的信息作為屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將其作為標(biāo)簽進(jìn)行鏈接，其實(shí)現(xiàn)方法主要包括混合式與完全式。

混合式是在現(xiàn)有的數(shù)字城市管理的框架下，將數(shù)字城市管理部件的幾何形體的描述附加到二維城市管理中去，所記錄的三維幾何實(shí)體附加到二維數(shù)據(jù)上。這種方式中，三維數(shù)字城市管理部件僅僅作為可視化與空間分析的作用，并不包含實(shí)際相關(guān)屬性信息。

完全式是在三維模型建立的同時(shí)，依托三維平臺，建立三維模型與二維屬性完全掛接的方式，以及三維數(shù)據(jù)的拓?fù)洹１疚恼遣捎么祟惙椒?，建立?dú)立的三維平臺，與二維進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，將變動(dòng)信息寫入三維數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，實(shí)現(xiàn)真正的四維數(shù)字城管，如圖4所示。

圖4　面向?qū)ο蟮乃木S數(shù)字城管部件數(shù)據(jù)模型

四、實(shí)踐與應(yīng)用

四維數(shù)字城管體系的建設(shè)基礎(chǔ)為三維數(shù)字城管，其具有三維化、仿真化、精確化的特點(diǎn)，通過基于城市事件發(fā)生場景模擬計(jì)算生成事故后果影響區(qū)域圖，能夠全面分析事故嚴(yán)重程度、事故現(xiàn)場和周邊狀況、附近可調(diào)配的救災(zāi)資源等各類信息和資源，提前建立三維應(yīng)急預(yù)案，能夠有效加強(qiáng)城市事件預(yù)防效果，加快對城市事件反應(yīng)的速度，提高城市事件管理處置效率。

1. 數(shù)字城管部件三維模型的快速制作

在城管部件三維可視化流程中，工作流程主要分為二維數(shù)據(jù)生產(chǎn)、二維數(shù)據(jù)預(yù)處理、三維模型庫制作、三維匹配方式的數(shù)據(jù)生產(chǎn)、三維數(shù)據(jù)入庫等主要流程。其中關(guān)鍵技術(shù)為三維模型庫的建立與三維匹配數(shù)據(jù)生產(chǎn)。

(1) 三維數(shù)字城市管理部件的采集

對于每個(gè)城市而言，數(shù)字城市管理部件的普查與更新已不是新的議題。隋銘明等提出了利用GPS、GIS、PDA進(jìn)行城市部件一體化信息采集的手段[11]。利用先進(jìn)的GPS網(wǎng)絡(luò)RTK定位技術(shù)為部件提供準(zhǔn)確的位置，并使用便攜式的PDA，其中搭載嵌入式GIS平臺，利用這種方式實(shí)時(shí)輸入部件的屬性，保證了部件與屬性信息的一致性。李德仁提出的移動(dòng)道路測量系統(tǒng)(MMS)在GIS數(shù)據(jù)采集與更新、智能交通(ITS)建設(shè)、3D城市建設(shè)得以廣泛應(yīng)用[12]，采用MMS、航測遙感、RTK、全站儀結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，可以全面解決城市部件采集的效率與效果問題?？傮w來說二維城市部件采集與更新技術(shù)已經(jīng)成熟且在國內(nèi)多個(gè)城市高效運(yùn)行。

(2) 二維數(shù)據(jù)預(yù)處理

在將三維城市部件符號庫結(jié)合二維城市部件成果數(shù)據(jù)(*.shp、*.dbf)實(shí)例化為城市部件時(shí)，需要建立三維城市部件實(shí)例化信息，包括高程值、模型方向角、匹配方式信息。本文采用的方式為高程值自動(dòng)與三維模型中的高程進(jìn)行直接匹配獲取。模型方向角度通過與道路中心線的關(guān)聯(lián)自動(dòng)計(jì)算，計(jì)算模型正立面與正北方向的夾角，順時(shí)針為正，逆時(shí)針為負(fù)，單位為度，取值為0~360。

(3) 三維數(shù)字城市管理部件模型庫

針對二維數(shù)據(jù)難以表達(dá)細(xì)節(jié)，而通常手工制作三維模型存在效率低下的問題，本文建立詳細(xì)的三維模型庫，以模型匹配的方式進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的制作。

采用與二維數(shù)字城管相同的體系制作三維數(shù)字城市管理部件，通過航測方式采集城管部件的高度信息，通過街景制作市政設(shè)施的紋理信息，采用3ds Max或Creator制作模型庫，利用街景信息制作所對應(yīng)的模型。

(4) 三維數(shù)字城管部件的快速生成

通過與二維數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與匹配，將二維的數(shù)字城市管理部件快速三維化，從二維的點(diǎn)、線、面直接形成點(diǎn)體、線體、面體。

2. 四維數(shù)字城管城市化應(yīng)用

通過將二維數(shù)字城市管理三維化，利用三維平臺二維數(shù)據(jù)難以表達(dá)細(xì)節(jié)的特點(diǎn)，并通過四維數(shù)字城管模型的建立，集成了三維場景的交互操作、數(shù)字城市管理的日常辦公、數(shù)字城管部件的事件管理、部件追根溯源、城市部件的規(guī)劃管理功能，極大豐富了目前城市管理的方式與方法，在大數(shù)據(jù)時(shí)代來臨之時(shí)起到了良好的理論與技術(shù)支撐作用。其主要功能如下：

1) 三維空間定位。通過三維數(shù)字城管的空間表達(dá)，將現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行三維仿真后在電腦里重現(xiàn)，提供多樣化的地圖，如二維、街景，且集成豐富的已有屬性信息，更精確快速，如圖5所示。

2) 數(shù)字城市精細(xì)化管理。通過建立四維數(shù)字城市管理模型，在三維數(shù)字城市管理的基礎(chǔ)上建立事件的溯源、過程化管理，為工地的施工過程等城市管理的難題提供技術(shù)支撐。如通過傳感器將實(shí)施過程中的工地進(jìn)行噪音管理，對于噪聲超標(biāo)的點(diǎn)位進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警，如圖6所示。

圖5　三維與實(shí)景瀏覽

3) 數(shù)字城市管理規(guī)劃。四維數(shù)字城管場景使用平面距離、垂直距離、空間距離、平面面積量算等功能，與規(guī)劃的數(shù)字城管部件進(jìn)行結(jié)合，可為決策者提供直接的規(guī)劃決策依據(jù)，如圖7所示。

圖6　工地施工實(shí)時(shí)噪音分析

圖7　規(guī)劃廣告牌量測

五、結(jié)束語

本文從技術(shù)角度出發(fā)，研究了四維數(shù)字城市管理的內(nèi)涵，提出了時(shí)空三維數(shù)字城市管理的概念；在這種理論的支撐下，提出了相應(yīng)的三維數(shù)字城管快速生成體系，實(shí)現(xiàn)了四維的數(shù)字城市管理相關(guān)的精細(xì)化管理的地理信息平臺，在城市管理中發(fā)揮著追根溯源、管理細(xì)化的作用，同時(shí)為四維數(shù)字城市的制作提供了良好的案例。

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