淺談城市三維地理信息系統(tǒng)的建立、維護(hù)更新與應(yīng)用

王曌龍 侯振華

摘要：本文旨在通過(guò)對(duì)城市三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）的建立、維護(hù)和更新過(guò)程及相關(guān)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)研究，以期為相關(guān)技術(shù)人員的實(shí)踐活動(dòng)提供理論借鑒。

關(guān)鍵詞：城市三維地理信息系統(tǒng);建立與維護(hù);更新

在現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展過(guò)程中，城市無(wú)論是在人口資源還是各類管理問(wèn)題上都發(fā)揮著越來(lái)越重要的協(xié)調(diào)和溝通作用。面對(duì)著城市社會(huì)管理的逐漸復(fù)雜化，在城市信息建設(shè)和維護(hù)的過(guò)程中就需要越來(lái)越完善的信息處理系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)支持。在這種隋況下，三維地理信息處理系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，它的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)對(duì)解決城市建設(shè)和管理問(wèn)題、提升決策效率具有關(guān)鍵意義，在很大程度上對(duì)城市空間信息科學(xué)發(fā)展產(chǎn)生不可小覷的推動(dòng)作用。

1城市三維地理信息系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

就目前城市三維地理信息系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看，3DGIS的發(fā)展方向和領(lǐng)域主要在三維模型數(shù)據(jù)管理應(yīng)用的可視化發(fā)展、相關(guān)空間模型和數(shù)據(jù)的規(guī)范化進(jìn)程等方面。Google earth、skyline等模型系統(tǒng)是當(dāng)前世界范圍內(nèi)三維模型體系建設(shè)的主要代表，國(guó)內(nèi)的相關(guān)科技研究也初步建設(shè)了相關(guān)地理信息系統(tǒng)的模型，比如靈圖公司、文瀾公司等。但是從地理信息系統(tǒng)的成熟度來(lái)看，目前國(guó)內(nèi)外還不存在一個(gè)相對(duì)系統(tǒng)的3DGIS，大部分的系統(tǒng)仍然集中在可視化領(lǐng)域。

2城市三維地理信息系統(tǒng)的建立和維護(hù)

2.1建立一套完善的三維空間標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)

三維空間數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化對(duì)于整體地理信息處理系統(tǒng)的發(fā)展具有十分關(guān)鍵的作用，主要內(nèi)容體現(xiàn)在：

（1）三維空間數(shù)據(jù)的尺度和產(chǎn)品形式在世界范圍內(nèi)進(jìn)行統(tǒng)一

（2）三維空間數(shù)據(jù)的內(nèi)容和分類標(biāo)準(zhǔn)不斷完善

（3）相關(guān)的空間數(shù)據(jù)采集以及質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)格

（4）三維空間數(shù)據(jù)的可視化標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善

（5）空間數(shù)據(jù)的安全和共享標(biāo)準(zhǔn)提升

（6）三維空間數(shù)據(jù)的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)上升到一定層次

2.2三維空間數(shù)據(jù)信息的采集和建模過(guò)程

首先我們要知道三維空間數(shù)據(jù)是城市地理信息系統(tǒng)的首要和核心要素，因此要想不斷推動(dòng)地理信息系統(tǒng)的進(jìn)步就要加強(qiáng)數(shù)據(jù)的采集和建模效率。一般來(lái)說(shuō)三維空間數(shù)據(jù)可以分為數(shù)字線劃數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、地面模型以及對(duì)象屬性數(shù)據(jù)等。

（1）數(shù)字線劃數(shù)據(jù)

數(shù)字線劃數(shù)據(jù)在大方面來(lái)說(shuō)指的是現(xiàn)實(shí)城市的建筑物數(shù)據(jù)，其中又可以分為平面和高度兩個(gè)緯度，在當(dāng)今城市三維地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，對(duì)線劃數(shù)據(jù)的采集主要采取的方法包括二維數(shù)據(jù)方法、全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法和激光雷達(dá)等測(cè)量方法。

首先我們來(lái)看當(dāng)前以各類數(shù)字線劃圖和眾多二維數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行三維建筑數(shù)據(jù)模型開(kāi)發(fā)的方法。這種方法利用樓層估算或者數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的手段，對(duì)相關(guān)的城市建筑物高度進(jìn)行有效觀測(cè)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)據(jù)獲取方式迅速、并且有利于二維和三維數(shù)據(jù)信息建立合理的聯(lián)系，從而為后續(xù)的信息更新和交換提供便利。但是也存在著使用范圍受限的缺陷，對(duì)復(fù)雜建筑的形狀不能進(jìn)行良好的反映。

關(guān)于全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法，它主要是利用數(shù)字航空攝影系統(tǒng)進(jìn)行三維信息的采集和處理，以此為基礎(chǔ)現(xiàn)代社會(huì)“4D”產(chǎn)品生產(chǎn)已經(jīng)逐漸成為國(guó)內(nèi)相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取的主要方式。在充分考慮到數(shù)據(jù)獲取成本和應(yīng)用的關(guān)系基礎(chǔ)之上對(duì)建筑物進(jìn)行系統(tǒng)建模，也成為相關(guān)學(xué)者研究的重點(diǎn)。

接下來(lái)是關(guān)于激光雷達(dá)等技術(shù)的應(yīng)用，它是伴隨著GPS和相關(guān)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)的成熟而逐漸受到大規(guī)模的歡迎，可以對(duì)相關(guān)的建筑物平面和高度數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確的獲取和應(yīng)用。合成孔徑雷達(dá)和Lidar等技術(shù)是其中的核心，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)建筑物高度采集精確度較高，并且可以迅速獲取離散的三維空間信息。在國(guó)內(nèi)外三維地理信息系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中，利用雷達(dá)等技術(shù)條件對(duì)建筑物表面重構(gòu)現(xiàn)象以及變化數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取已經(jīng)成為研究的方向和趨勢(shì)。該方法可以最大程度上提升數(shù)據(jù)獲取效率，并且精確表達(dá)復(fù)雜形狀的建筑物三維體系，但是一般情況下來(lái)說(shuō)該方法和技術(shù)需要大量的前期投入。

（2）數(shù)字地面模型

DEM（數(shù)字地面模型）的常用采集方法包括利用矢量數(shù)據(jù)構(gòu)建、激光掃描SAR獲取、全數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量方法生產(chǎn)等。在當(dāng)今城市化建設(shè)飛速發(fā)展的情況下，數(shù)字地面模型的成本和應(yīng)用市場(chǎng)變化，都使其逐漸適應(yīng)獲取大量建筑空間信息的應(yīng)用趨勢(shì)，數(shù)字地面模型也必然成為三維空間數(shù)據(jù)獲取的重要手段。

（3）影像和紋理數(shù)據(jù)

該項(xiàng)數(shù)據(jù)對(duì)于提升城市景觀的真實(shí)性具有重要作用，主要的采集方法包括模擬法，也就是通過(guò)相關(guān)技術(shù)對(duì)建筑物紋理和頂面進(jìn)行模擬處理的方法，可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)水平下對(duì)真實(shí)性要求不高的建筑復(fù)原。

其次可以結(jié)合空中和地面攝影相配合的方法對(duì)建筑紋理進(jìn)行獲取，充分利用近年來(lái)興起的無(wú)人機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)一些地面機(jī)械難以測(cè)控的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。頂部紋理可以同步雷達(dá)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。而側(cè)面紋理的獲取則需要較高的技術(shù)含量，主要方法是傾斜攝影，在這一過(guò)程中可以通過(guò)低空駕駛飛行器來(lái)進(jìn)行測(cè)量和采集。通過(guò)作者多年的工作經(jīng)驗(yàn)可以得知，這種方法可以保證更大程度上的數(shù)據(jù)獲取的逼真性，對(duì)于提升整體的匹配性能具有關(guān)鍵意義。

2.3三維空間數(shù)據(jù)的更新和維護(hù)過(guò)程

城市地理信息系統(tǒng)對(duì)空間數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性要求比較高，只有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確才能保證后續(xù)工序的有效完成。因此這就要求強(qiáng)大的數(shù)據(jù)的更新手段和效果，如何建立有效的動(dòng)態(tài)更新和維護(hù)系統(tǒng)就成為困擾相關(guān)技術(shù)人員的一大難題。目前技術(shù)發(fā)展水平下，一體化實(shí)現(xiàn)2DGIS和3DGIS的同步更新還不現(xiàn)實(shí)，主要利用可視化系統(tǒng)對(duì)相關(guān)建筑物進(jìn)行替換模型的方式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新。未來(lái)隨著技術(shù)發(fā)展，建立相應(yīng)的DEM、DOM數(shù)據(jù)處理庫(kù)就成為研究重點(diǎn)，可以為三維地理信息處理系統(tǒng)的維護(hù)和更新提供更大便利。

3結(jié)束語(yǔ)

三維地理信息系統(tǒng)在城市的整體建設(shè)管理過(guò)程中具有十分重要的作用，如何合理有效地對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)獲取和更新過(guò)程進(jìn)行控制，成為相關(guān)技術(shù)人員所要研究和功課的重點(diǎn)方向。Lidar數(shù)據(jù)后處理研究、三維模型的可視化接口研究等都成為熱門領(lǐng)域，值得每一個(gè)專業(yè)人才去重點(diǎn)關(guān)注。