實(shí)景三維城市建設(shè)的探索與應(yīng)用

李國(guó)柱

（徐州市勘察測(cè)繪研究院有限公司，江蘇徐州 221000）

1 徐州市三維城市建設(shè)概況

徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)分為兩部分：一是系統(tǒng)建設(shè)。該項(xiàng)工作從2008 年開(kāi)始，主要完成了徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)和徐州市綜合地下管線三維信息管理系統(tǒng)的建設(shè)。二是數(shù)據(jù)建設(shè)。分為兩個(gè)階段，第一階段已于2012年6 月結(jié)束，主要完成了市中心區(qū)20 km2和新城區(qū)近60 km2的精細(xì)三維模型制作及主要景點(diǎn)、公園、道路的全要素精細(xì)建模，其成果由專(zhuān)家組進(jìn)行了驗(yàn)收，專(zhuān)家組一致認(rèn)為該成果達(dá)到了國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。隨著城市框架不斷拉大，為了更好地服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理，為其提供良好的數(shù)據(jù)支撐，2012 年10月開(kāi)始，徐州市勘察測(cè)繪研究院決定在一期和新城區(qū)已有數(shù)據(jù)建設(shè)的基礎(chǔ)上完成徐州市中心城區(qū)約111 km2的DEM、DOM 制作，93 km2（包含一期）真正射影像及三維模型生產(chǎn)，全市450 km2內(nèi)長(zhǎng)度約為6 615 km 的綜合地下管線三維模型生成、三維數(shù)據(jù)入庫(kù)及所有場(chǎng)景的整合與發(fā)布任務(wù)。

2 徐州市城市空間三維信息模型系統(tǒng)

項(xiàng)目主要工作內(nèi)容包括：制作數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）、真正射影像圖、城市三維建模、道路制作、管線三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)以及對(duì)一期城市中心區(qū)19 km2的重點(diǎn)模型數(shù)據(jù)效果優(yōu)化。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段，徐州市三維實(shí)景城市建設(shè)的空間模型主體框架主要包括對(duì)數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用以及主體支持4 層設(shè)計(jì)，其中數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)主要包括徐州市基礎(chǔ)地理信息庫(kù)數(shù)據(jù)以及其相對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)和三維實(shí)景專(zhuān)題數(shù)據(jù)組成，在運(yùn)行的過(guò)程中數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，基于三維實(shí)景信息平臺(tái)功能設(shè)計(jì)，工程技術(shù)人員以徐州市城市三維數(shù)據(jù)為依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了三維平臺(tái)服務(wù)層的創(chuàng)建，其主要應(yīng)用于對(duì)城市三維數(shù)據(jù)及相對(duì)應(yīng)空間模型的分析，科學(xué)實(shí)現(xiàn)了城市范圍空間數(shù)據(jù)的有效管控。應(yīng)用層設(shè)計(jì)是在服務(wù)層功能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)徐州市城市三維數(shù)據(jù)在查詢、設(shè)計(jì)、聯(lián)通、管控方面的應(yīng)用，為更多社會(huì)群體應(yīng)用此功能提供了相應(yīng)的功能模塊。最后，主體框架中支持層的設(shè)計(jì)，主要是由主體系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的服務(wù)器、存儲(chǔ)基礎(chǔ)、GIS 平臺(tái)、三維數(shù)據(jù)庫(kù)等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施組成。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合,搭建實(shí)景三維“一張圖”

工程技術(shù)人員依據(jù)三維數(shù)據(jù)的融合研發(fā)，打造了基于主體框架之上的多維數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)，其原理是通過(guò)各類(lèi)三維數(shù)據(jù)的融合，結(jié)合其一體化的管理理念和空間化、可視化的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維數(shù)據(jù)的模擬化，通過(guò)圖像形式的呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、圖像及實(shí)景空間的多維一體化創(chuàng)設(shè)，通過(guò)這種立體三維實(shí)景模型的模式，廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)諸多場(chǎng)景之中。

2.2.1 三維建筑模型數(shù)據(jù)

第一，覆蓋范圍廣。本次三維建筑模型數(shù)據(jù)的采集覆蓋了徐州市大面積范圍的城區(qū)和建成區(qū)，工程技術(shù)人員采用無(wú)人機(jī)傾斜攝影技術(shù)和激光點(diǎn)云技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化的三維數(shù)據(jù)建模生產(chǎn)，同時(shí)運(yùn)用相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)算法，高效生成了精準(zhǔn)度高且運(yùn)算精準(zhǔn)的三維數(shù)據(jù)，與此同時(shí)，技術(shù)人員注重對(duì)沿街建筑在平面和高程方面的精度數(shù)據(jù)采集，以此來(lái)規(guī)避后續(xù)模型可能發(fā)生的建筑紋理缺失現(xiàn)象，保障數(shù)據(jù)及后續(xù)模型的精準(zhǔn)性，同時(shí)，針對(duì)紋理缺失問(wèn)題，工程技術(shù)人員會(huì)通過(guò)地面采集的方式及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的更新和補(bǔ)充。另外，針對(duì)建筑紋理、高程等方面的數(shù)據(jù)采集，工程技術(shù)人員通常通過(guò)人工形式進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，再將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而生成三維建模模型，在模型最終成型之前，工程技術(shù)人員會(huì)針對(duì)相應(yīng)的參數(shù)，對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行精改和更新，讓最終呈現(xiàn)出的模型效果更為逼真和符合現(xiàn)實(shí)情況。現(xiàn)階段，徐州市實(shí)景三維城市建設(shè)的簡(jiǎn)模覆蓋市域約13 000 km2。通常情況下，技術(shù)人員會(huì)結(jié)合對(duì)實(shí)際的城市房屋矢量數(shù)據(jù)面的參數(shù)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)其建模數(shù)據(jù)的收集和生成，在模型成像的過(guò)程中，技術(shù)人員會(huì)結(jié)合固定太陽(yáng)照射角度的狀態(tài)，模擬建筑紋理的呈現(xiàn)，為模型圖像中不同層面和不同角度的墻面以不同的紋理和明暗度，實(shí)現(xiàn)三維創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景中建筑物的明暗表達(dá)和呈現(xiàn)，進(jìn)一步提升模型的可視化效果，提升城市三維模擬系統(tǒng)的功能。

第二，數(shù)據(jù)質(zhì)量高。隨著實(shí)景三維城市建模體量和內(nèi)容的不斷增長(zhǎng)，技術(shù)人員針對(duì)其原始數(shù)據(jù)的采集及分析要求也愈發(fā)提高。結(jié)合徐州市實(shí)景三維城市建設(shè)的實(shí)際情況，工程技術(shù)人員對(duì)城市建模質(zhì)量的優(yōu)化方面進(jìn)行了大量的探索研究，其中包括建筑紋理、面數(shù)、建筑物分棟呈現(xiàn)可視化效果、模型拓?fù)潢P(guān)系運(yùn)算、建模紋理應(yīng)用率、建模分辨率等方面的探究，依據(jù)其實(shí)景三維城市建設(shè)相關(guān)建設(shè)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了一系列的優(yōu)化及革新措施，從根本上提升了實(shí)景三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時(shí)，確保了實(shí)景三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值，保證了后續(xù)城市實(shí)景三維建設(shè)模型打造的整體效果，進(jìn)一步滿足了工程設(shè)計(jì)人員對(duì)三維模型呈現(xiàn)效果的滿意度[1]。

2.2.2 其他基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)

現(xiàn)階段，已接入了高精度數(shù)字化高程模型影像數(shù)據(jù)，以及全市400 余萬(wàn)條房屋面數(shù)據(jù)和上百余萬(wàn)條的POI 數(shù)據(jù)。

2.2.3 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)

徐州市境內(nèi)地下綜合管線及相應(yīng)的管線設(shè)備數(shù)據(jù)已經(jīng)得到全方位的規(guī)劃整合，其中包括給排水、燃?xì)狻⑼ㄐ藕碗娏?yīng)方面的管線布置以及相應(yīng)的管線數(shù)據(jù)，在實(shí)景三維城市建設(shè)體系中，地下管線數(shù)據(jù)的整合，對(duì)于三維實(shí)景數(shù)據(jù)一體化的管控及收集具有重要意義。

2.2.4 自然資源相關(guān)數(shù)據(jù)

徐州市城市區(qū)域內(nèi)的國(guó)土資源分布規(guī)劃以及其空間規(guī)劃數(shù)據(jù)、社區(qū)房產(chǎn)減災(zāi)數(shù)據(jù)、礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況數(shù)據(jù)等現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了一體化的數(shù)據(jù)整合，為后續(xù)的自然資源相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合管控和三維化提供了依據(jù)[2]。

2.2.5 其他行業(yè)專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)

其他行業(yè)的專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)整合包括了醫(yī)療、教育、公共設(shè)施等相關(guān)專(zhuān)題數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)此類(lèi)專(zhuān)題數(shù)據(jù)與IOT 數(shù)據(jù)的聯(lián)合接入，進(jìn)一步充實(shí)并滿足了實(shí)景三維數(shù)據(jù)體系的發(fā)展需求。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 基礎(chǔ)功能

現(xiàn)階段，徐州市打造的實(shí)景三維系統(tǒng)平臺(tái)支持?jǐn)?shù)據(jù)成像、三維測(cè)量、圖像測(cè)繪、數(shù)據(jù)查詢、場(chǎng)景轉(zhuǎn)換等方面的基礎(chǔ)功能，工程技術(shù)人員通過(guò)對(duì)三維平臺(tái)前端GPU 的運(yùn)行建設(shè)，進(jìn)一步研發(fā)出了三維數(shù)據(jù)平臺(tái)在坡度坡向、建筑淹沒(méi)、建筑挖填、建筑盒子裁剪等方面的三維數(shù)據(jù)功能。

2.3.2 空間分析功能

一是坡度坡向分析。工程技術(shù)人員基于實(shí)景三維中的DEM 數(shù)據(jù)，繪制出一個(gè)專(zhuān)門(mén)的系統(tǒng)空間區(qū)域，并依據(jù)此區(qū)域計(jì)算出三維場(chǎng)景中相關(guān)地形的坡度和坡向。

二是建筑淹沒(méi)分析。工程技術(shù)人員基于建筑物繪制三維模擬場(chǎng)景，并進(jìn)行相關(guān)建筑的模擬分析。通過(guò)動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)模擬三維空間內(nèi)相應(yīng)水位的高程漲幅，及其最大高程淹沒(méi)情況，再通過(guò)數(shù)據(jù)分析，依據(jù)三維模擬圖像，計(jì)算出實(shí)際建筑場(chǎng)景中區(qū)域水位上漲時(shí)可能出現(xiàn)的淹沒(méi)情況。

三是建筑填挖方分析。同樣，基于三維模擬場(chǎng)景中的DEM 數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員首先對(duì)相應(yīng)的場(chǎng)景進(jìn)行三維數(shù)據(jù)分析，并繪制出相應(yīng)的建筑填挖方分析圖，并依據(jù)其相應(yīng)的參數(shù)，打造建筑填挖方動(dòng)態(tài)模型，通過(guò)模型計(jì)量，測(cè)算出工程挖方量及填方量等。

四是建筑盒子裁剪。所謂建筑盒子裁剪，是指工程技術(shù)人員會(huì)首先在建筑三維模型空間中繪制出一個(gè)裁剪盒子，然后通過(guò)比對(duì)盒子的長(zhǎng)、寬、高以及相對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，加之裁剪分析，得出不同角度相應(yīng)建筑模型在不同視角下的呈現(xiàn)情況[3]。

2.3.3 應(yīng)用探索功能

工程技術(shù)人員運(yùn)用“多測(cè)合一”的數(shù)據(jù)思維，進(jìn)一步創(chuàng)新徐州市實(shí)景三維城市建設(shè)在模型建構(gòu)方面的高效運(yùn)算法則，現(xiàn)階段所打造的實(shí)景三維數(shù)據(jù)平臺(tái)不僅可以高效生成精確的三維數(shù)據(jù)，且通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)得到的三維模擬成像可支持各類(lèi)數(shù)據(jù)的掛接運(yùn)用，其中的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)各類(lèi)數(shù)據(jù)的分層處理及存儲(chǔ)，同時(shí)工程技術(shù)人員還可以將數(shù)據(jù)端口關(guān)聯(lián)相應(yīng)的單位平臺(tái)，幫助個(gè)體實(shí)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的功能用途，例如，查詢、注冊(cè)等功能模塊，另外，工程技術(shù)人員通過(guò)城市POI 等多類(lèi)別數(shù)據(jù)的運(yùn)用，可進(jìn)一步完善建筑三維數(shù)據(jù)的精細(xì)化管控。同時(shí)，工程技術(shù)人員還可以通過(guò)GIS 插件技術(shù)，將實(shí)景三維數(shù)據(jù)服務(wù)端口接入相應(yīng)的功能引擎，這種方法多適用于三維環(huán)境創(chuàng)設(shè)美化方面，通過(guò)GIS 技術(shù)接入相應(yīng)的引擎進(jìn)一步提升三維場(chǎng)景的美觀度，使三維場(chǎng)景的呈現(xiàn)效果更加完善。

3 多場(chǎng)景應(yīng)用實(shí)踐

3.1 支持規(guī)劃與自然資源管理業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1.1 規(guī)劃專(zhuān)題展示

現(xiàn)階段，在徐州市城市實(shí)景三維建設(shè)的過(guò)程中，結(jié)合各類(lèi)國(guó)土空間規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)和專(zhuān)項(xiàng)數(shù)據(jù)分析可知，其中的專(zhuān)題展示主要包括對(duì)城市空間指標(biāo)在宏觀及微觀層面的展示分析。例如，通過(guò)實(shí)景三維技術(shù)，可更為便捷地查詢到城市區(qū)域內(nèi)相關(guān)地塊的蘊(yùn)含信息，其包括地鐵線路、人文景觀、城市經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、自然資源及礦產(chǎn)、防震救災(zāi)等相關(guān)專(zhuān)題的信息等，通過(guò)實(shí)景三維技術(shù)，可以為后續(xù)城市相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持[4]。

3.1.2 三維管網(wǎng)展示

所謂三維管線展示，是指通過(guò)實(shí)景三維技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)徐州市區(qū)內(nèi)整體管線的三維化管控。其中包括對(duì)管網(wǎng)的查詢定位、分布及距離設(shè)置等，工程技術(shù)人員可通過(guò)三維模擬技術(shù)繪制出指定三維空間區(qū)域內(nèi)對(duì)應(yīng)實(shí)際管線的開(kāi)挖量，并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，依據(jù)實(shí)際管線的類(lèi)型、材質(zhì)、分布等參數(shù)，按照其實(shí)際情況進(jìn)行統(tǒng)籌運(yùn)算，并通過(guò)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行模擬展示[5]。

3.1.3 礦產(chǎn)資源管理

通過(guò)城市區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源的實(shí)際分布情況，工程人員結(jié)合其相應(yīng)的參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)三維模擬圖像的呈現(xiàn)。同時(shí)，將所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)整合到實(shí)景三維城市建設(shè)系統(tǒng)平臺(tái)中，通過(guò)其與實(shí)際建筑物模型的比對(duì)重疊分析，形成相對(duì)應(yīng)的三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的運(yùn)算操作，技術(shù)人員可針對(duì)礦產(chǎn)資源在爆破、開(kāi)挖、采集、鉆孔等方面的施工作業(yè)進(jìn)行模擬。

3.2 支持其他行業(yè)管理業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.2.1 城市形象展示及城市治理應(yīng)用

通過(guò)實(shí)景三維技術(shù)直觀化、立體化和可視化的成像效果，可以整體呈現(xiàn)徐州市獨(dú)具內(nèi)涵的城市形象。同時(shí)，技術(shù)人員可以實(shí)景三維模擬技術(shù)為依據(jù)，結(jié)合城市治理管控相關(guān)業(yè)務(wù)，將兩者之間建立數(shù)據(jù)聯(lián)系，通過(guò)強(qiáng)大的三維實(shí)景數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)城市管控整體的智慧化[6]。

3.2.2 助力智慧化市建設(shè)

技術(shù)人員首先可通過(guò)GIS 技術(shù)手段，結(jié)合實(shí)景三維場(chǎng)景模擬技術(shù)，實(shí)現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果，同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，可分層處理各類(lèi)數(shù)據(jù)信息，提升城市公共信息的共享效率，通過(guò)各類(lèi)功能模塊的設(shè)置，可滿足不同用戶對(duì)于不同功能的需求，提升城市整體的智慧化建設(shè)水平。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，實(shí)景三維城市建設(shè)順應(yīng)未來(lái)城市的發(fā)展趨勢(shì)，相關(guān)技術(shù)人員要做好實(shí)景三維城市建設(shè)的探索及應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，助力后續(xù)實(shí)景三維城市對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出的貢獻(xiàn)，推進(jìn)我國(guó)實(shí)景三維行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。