城市三維基礎地理信息系統設計與實現
——徐州市三維基礎地理信息系統建設

周偉，王軍，田鵬，李娜

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221002)

城市三維基礎地理信息系統設計與實現
——徐州市三維基礎地理信息系統建設

周偉?，王軍，田鵬，李娜

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇徐州 221002)

三維地理信息系統的建立，是當前地理信息系統技術研究的熱點之一。本文以徐州市的三維基礎地理信息系統建設為例，較為詳細地介紹了基于數字攝影測量技術的高精度、低成本、周期短的海量城市精細三維模型生產方法及可視化能力強大、分析效率高、擴展性能強的三維地理信息平臺。討論了三維基礎地理信息系統在城市規劃管理中的應用。

數字城市；三維基礎地理信息系統；三維模型；城市規劃

1 背 景

隨著現代城市的不斷拓展延伸，城市空間多層次、立體模式管理逐漸成為城市規劃管理的發展趨勢，實現城市空間信息管理模式從二維到三維的轉變，建立城市三維基礎地理信息系統，已經成為人們關注和研究的熱點。三維地理信息系統具有多維信息處理、表達和分析的特點，在空間信息的社會化服務中，基于三維地理信息系統的應用有著越來越明顯的優越性和不可替代性。

城市三維基礎地理信息系統是應用測繪、地理信息系統(GIS)、全球定位系統(GPS)、遙感(RS)、計算機仿真和網絡等技術，以數字正射影像圖、數字高程模型、城市三維精細模型為基礎信息數據，結合規劃、土地、地下管線、交通等行業信息，建立起來的地理信息系統。城市三維基礎地理信息系統應當具有高精度空間地理信息、城市級海量三維數據處理能力、視覺效果突出、瀏覽速度快、可擴展性強等特點，才能為其在各行各業的廣泛應用打下基礎。

2 系統總體框架

徐州市三維基礎地理信息系統以0.072 m高分辨率DMC數字航空影像為數據源，WGS－84坐標系為基準，Uniscope三維可視化軟件為基礎平臺。系統通過設計與研發，集成了高分辨率真正射影像(消除建筑物投影差的正射影像)、高精度DEM、高仿真三維城市模型、各類屬性矢量信息等多源數據，采用了數字攝影測量技術、真正射影像制作技術及先進的計算機網絡技術，同時實現基于ArcGIS、MapGIS等的二維GIS數據庫與三維數據的聯動。

系統的總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

2.1 系統組織結構

(1)系統支撐平臺

系統采用國內自主知識產權的Uniscope三維可視化平臺，采用面向服務(SOA)架構，分布式體系結構，服務端基于Linux系統，面向網絡應用環境，支持數據分布式部署和服務分布式部署。該平臺的海量三維數據處理能力強，三維場景視覺效果突出、瀏覽速度快、可擴展性強，它可開發出各行業的基于GIS的三維專業應用系統。

(2)數據層

系統的數據分為四個層次:

①主城區0.072 m分辨率真正射影像、全市0.6 m分辨率快鳥正射影像與高精度DEM疊加生成的三維影像。

②城市建筑物、城市部件及部分建筑物內部的精細三維模型。

③三維模型屬性信息和用于查詢定位的矢量數據。

④可供系統連接調入使用的徐州市基礎地理信息系統數據庫(包含1∶1萬、1∶1 000、1∶500的DLG)和徐州市綜合管線數據庫。

(3)服務層

系統服務層主要由以下服務構成:

①數據服務:提供客戶端瀏覽顯示的所有數據服務。包括DEM、DOM、Model、POI、Vector、Billboard和Annotation等數據；

②分析服務:提供客戶端分析用的所有服務，包括空間距離量測、水平距離量測、垂直距離量測、地表面積量算、挖填方分析、通視分析、水淹分析、最佳路徑分析、日照分析、定點觀察、控高分析、雙屏對比等；

③Search服務:提供興趣點(POI)和模型的關鍵詞搜索和空間搜索服務；

④交互服務:提供多人在線的登陸注冊與交互服務，用戶可控制人、車、飛機等物體在系統任意地點進行漫游；

⑤ArcSDE擴展服務:提供通過ArcSDE從Oracle數據庫中獲取二維GIS數據的服務；

⑥氣泡內容服務:提供客戶端氣泡HTML網頁顯示內容的服務；

⑦Web服務:提供客戶端網頁發布服務。

(4)數據編譯發布

系統通過數據預處理程序進行基礎地理數據(DEM、DOM、DLG、3Dmodel)的快速預處理編譯和發布，最終數據以統一的坐標系統在服務端分目錄存儲。

(5)系統擴展與共享

系統將各個基礎服務封裝成單獨的接口，同時提供JavaScript API和COM二次開發接口，支持JavaS-cript、C＃、VB、VC等語言，可以通過桌面訪問、Web訪問、嵌入式訪問方式進行擴展，無縫聚合第三方服務。

2.2 系統關鍵技術

(1)面向服務架構(SOA)體系

采用面向服務架構(SOA)體系，HTTP作為傳輸訪問協議，以XML作為信息交換格式，將數據服務、搜索服務、分析服務等基礎服務封裝成單獨的接口，可以真正實現跨平臺，很好地適應基于Internet計算要求的松散性，實現互聯網環境下的分布式應用。

(2)海量三維模型數據可視化技術

針對城市級三維模型數據量大的特點，在傳統三維模型數據可視化技術基礎上進行了流程和算法優化，包括基于視點的數據裁剪技術、數據動態裝載、多細節層次(LOD)模型的漸進繪制技術。

(3)基于網絡速率的三維數據傳輸技術

系統對ActiveX插件技術、漸進傳輸技術、數據組織與壓縮技術、下載平衡技術等多種三維數據傳輸技術進行了優化，采用緊湊靈活的數據表示方式及高效的網絡傳輸策略。

(4)海量三維數據存儲與管理技術

采用獨特的數據存儲、調度技術將不同尺度、不同類型城市級三維數據(矢量數據、遙感影像數據、DEM數據、POI數據和多媒體數據等)實行一體化存儲、管理和調度。包括將數據管理功能獨立成數據管理功能層，實現空間數據存取的設備無關性和位置無關性，遙感影像數據和DEM數據采用影像金字塔技術和JPEG進行數據組織和壓縮存儲。

(5)三維數據快速編譯與更新技術

傳統的三維數據編譯方式，時間長而且更新不方便，為提高系統可維護性，綜合采用多分辨率影像實時融合、多任務并發處理、斷點續編、任意范圍更新技術來解決這些問題。

3 系統數據生產

隨著研究與應用的不斷深入發展，三維城市空間數據生產手段日益先進和種類增多，而且數據內容、規范與標準也日益完善。按照對數據的精度要求以及如何有效的規劃和表達城市建筑物模型的不規則幾何體及其相應的表面屬性如紋理圖像等的多細節層次，項目研究出一套基于數字攝影測量技術的三維空間數據生產工藝與質量控制方案，以低成本、短時間、高質量地完成大范圍城市精細模型生產。技術路線如圖2所示。

圖2 數據生產流程圖

3.1 數據源獲取

項目采用DMC(Digital Mapping Camera)全數字航空攝影測量系統獲取徐州市840 km2航攝比例尺為1∶6 000的真彩色數字航空影像資料作為數據源，地面像元分辨率為0.072 m。DMC的高清晰、色彩真實程度高的影像為進一步的數據生產提供支撐。

3.2 外業控制測量

航空攝影外業控制測量是徐州市1∶1 000正射影像及數字高程模型生產的一項基礎工作，為數字攝影測量內業成圖提供必需的像片平面和高程控制成果。

3.3 真正射影像(DOM)、數字高程模型(DEM)和簡單三維模型生產

項目采用數字攝影測量技術和數字微分糾正技術生產1∶1000真正射影像圖、高精度DEM和大范圍建筑(構筑)物簡單三維模型數據。

(1)真正射影像(DOM)和DEM生產

真正射影像利用數字微分糾正技術，改正原始影像的幾何變形，對影像進行重采樣，使影像視角被糾正為垂直視角而形成的影像圖。真正射影像消除了建筑物投影差，避免了高大建筑的傾斜對其他地物的遮擋，使疊加三維模型的場景更加逼真。DEM采樣間隔為2 m，高程數據取位至0.1 m。

(2)簡單三維模型生產

空三加密后的數據在VirtuoZo 3.5中自動創建立體模型，并檢查相對定向、絕對定向精度，生成模型的核線，在立體環境下按照對建筑物分類及模型合并標準的要求，對建筑物房頂及橋梁進行對應的平面、幾何高程數據的采集，生成矢量的三維模型數據。進一步采用專業軟件進行建模和屋頂紋理提取，由于真正射影像已經消除了建筑物投影差，可以對影像頂部紋理信息進行準確裁切，并自動提取，附著在建筑物三維模型數據上。按要求對原始影像進行色調處理，達到合格色調，利用原始影像與基礎三維模型進行同名點匹配，提取建筑物頂部紋理。

3.4 精細三維模型生產

項目采用實地拍攝影像紋理的方法采集建筑物側面紋理、底部商鋪，立面廣告及道路部件等信息，根據項目標準化體系中的紋理貼圖技術規范，對簡單三維模型在3ds Max中進行精細處理，通過一定的生產流程控制達到流水線式數據生產，使數據生產達到模型精度高、低成本、快速、真實逼真的目的。

外業紋理采集生產流程如圖3所示。

圖3 紋理采集生產流程

3.5 標準化體系

根據徐州市規劃建設管理的需要，參照相應的國家標準，制定一系列數據生產的相關標準規范，形成三維數據有關技術規范、數據管理與維護等的實施細則和工作要求，具體包括:

(1)DMC全數字航空攝影執行的標準及相應的航攝技術要求。

(2)真正射影像生產執行的標準及技術規范。其中包括系統數據坐標系的選擇、設備和產品要求、外業控制測量技術要求、空中三角測量技術要求、數字高程模型(DEM)技術要求、數字正射影像圖生產技術要求、真正射影像技術要求。

(3)三維模型數據標準及技術規范。建立建筑物分類、模型分級、模型合并標準，各類建筑物、構筑物建模指標，模型命名編碼規則，模型結構制作技術要求，模型質量控制和檢查技術要求。

(4)建筑物紋理采集規范以及紋理貼圖技術規范。具體包括建筑物紋理采集編碼規則、采集數據存儲規則、素材采集規范、采集記錄規范、側面紋理貼圖規范。

3.6 系統最終效果

圖4 徐州市三維基礎地理信息系統

圖5 徐州市三維基礎地理信息系統

4 系統性能與數據精度分析

4.1 系統性能

系統采用Linux服務器搭建系統服務端，中低端性能的普通PC作為客戶端。多臺客戶端同時運行，客戶端的三維場景調入和渲染速度快速、流暢，穩定，實現瀏覽無角度限制、骨骼動畫、普通動畫、全場景碰撞、支持抗鋸齒、各向異性過濾，渲染效率可以達到25幀/秒，搜索效率毫秒級，實現二、三維一體化，平面分析與三維場景結合顯示。

4.2 數據精度分析

三維地理信息系統數據的精度決定著系統的使用范圍，特別是對于城市規劃等相關行業，對數據的準確性有很高的要求。通過采用GPS－RTK和全站儀進行外業采集明顯檢測點坐標的方法，對正射影像圖的平面位置精度、建筑物模型平面位置與高度精度、建筑物長寬及間距等相對關系的精度進行檢測和精度分析，得出如下結果:

正射影像圖地物點平面位置中誤差為:±0.204 m。

建筑模型平面位置中誤差為:±0.365 m。

建筑模型高度中誤差為:±0.337 m。

地物點水平距離中誤差為:±0.289 m。

空間距離中誤差為:±0.358 m。

對三維模型的外觀、側面貼圖與所采集照片進行對比檢查，一致度達到95%。

建筑模型平面位置精度檢測統計表 表1

5 三維基礎地理信息系統在城市規劃管理中的應用

城市規劃研究城市的未來發展、城市的合理布局和綜合安排城市各項工程建設的部署。它要預見并合理地確定城市的發展方向、規模和布局，作好環境預測和評價，協調各方面在發展中的關系，統籌安排各項建設。三維基礎地理信息系統不但能夠對各種城市空間信息進行有效的管理與集成，而且能夠以動態的、真實直觀的、多視角的、多層次的方式為城市研究、城市設計和城市管理提供決策支持信息，改變傳統城市規劃模式、促進城市合理規劃，實現城市可持續發展。

根據各階段需要解決的問題及對三維地理信息系統的需求，結合具體規劃業務，進一步的二次開發，可實現以下三維規劃輔助決策:

5.1 規劃設計三維輔助決策

規劃設計者依據控規全覆蓋編制規劃條件和測算方案，根據具體的審批要點，采用三維地理信息系統實現以下輔助決策:導入CAD數據生成三維樓塊、樓塊實時調整(包括位置、高度、材質、色彩、屋頂形態、拆分合并)、測算方案比選、規劃線與建筑物空間關系輔助判斷、用地紅線控制、建筑間距量測(樓外立面)、實現規劃指標的動態實時計算(包括建筑面積計算、容積率計算、建筑密度計算、綠地率)等。

5.2 規劃方案審批三維輔助決策

首先，規劃管理者需要確定工程的以下信息:周邊建筑現狀、山體、水體、場地拆遷情況，高壓線、微波通道、視覺通廊、水域、涵道、場地標高與周邊高差、與周邊有無矛盾，采用三維地理信息系統，可實現多視角三維可視化瀏覽，并通過各種三維分析功能，方便的幫助規劃管理者確定以上需要了解的信息。其次，通過報審方案的符合規范的三維模型與現實三維城市融合表現和雙屏對比功能，在規劃方案評審會上，決策者能夠直觀的判斷方案的合理性以及選擇最佳設計方案，可直觀的同時通過三維地理信息系統的功能，實時調整建筑的高度、材質、色彩等等，使新的建設方案融入城市現狀，得到最終方案，從而提高城市整體美感和規劃的科學性。

5.3 多種三維分析功能為規劃各階段提供三維輔助決策

三維地理信息系統具有的空間、水平、垂直距離量測，面積量算、控高分析、日照分析、定點觀察、通視分析、挖填方分析、拆遷分析等功能在規劃的各個階段都為決策者提供了二維GIS難以提供的分析結果。

6 結 語

長久以來，海量城市三維數據生產、可視化以及瀏覽和分析效率等問題沒有得到很好的解決制約著三維基礎地理信息系統的廣泛應用。通過徐州市三維基礎地理信息系統的建設，基本完成了以高分辨率的航空影像為基礎，創建具有高精度空間地理信息、真實仿真、分析效率高、擴展性強、人機交互方便的三維地理信息基礎平臺。以該系統為基礎，可進行更大范圍的三維場景建設，可更廣泛地應用于城市數字化管理的諸多領域，促進城市基礎空間信息的共享和利用。將三維基礎地理信息系統與各行業專業系統進行擴展和融合，推進更深層次的應用是我們今后努力的方向。

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Design and Implementation of City Three－dimensional Fundamental Geographic Information System——Construction of XuZhou Three－dimensional Fundamental Geographic Information System

Zhou Wei，Wang Jun，Tian Peng，Li Na
(XuZhou Investigation＆Research Institute，XuZhou，221002)

The foundation of 3D(three－dimensional)Geographic Information System is a hot topic in the research of Geographic Information System technique.This article take XuZhou 3D Fundamental Geographic Information System for example，introduce the production method of huge amount fine 3D city model which is based on digital photogrammetry technique with high precision，low cost and short construction period，and the 3D Geographic Information platform which has powerful visualization ability，with efficient analyzation，and is easy to expand.Combining with planning operation. This article discuss the application of 3D Geographic Information System in urban planning.

Digital City；3D Fundamental Geographic Information System；3D model；Urban Planning

1672－8262(2011)01－20－05

P208

B

2010—07—15

周偉(1977—)，男，工程師，主要從事城市測繪及地理信息系統的研究與管理工作。