重慶三維數字城市項目創新與實踐

薛梅，李鋒，何興富

(重慶市勘測院，重慶 400021)

1 引言

數字城市是把地理信息和其他有關信息結合并存儲在計算機網絡上，讓城市內外空間連在一起的虛擬空間［1］。西方國家的數字城市建設經歷了網絡基礎設施建設階段、城市政府與企業內部信息化建設階段、城市政府與企業之間的互聯網連接階段以及智能應用建設階段。我國的數字城市和現實城市建設同步進行、互動補充，以政府投入、政府應用為主的數字城市建設運營模式導致企業和公眾參與積極性缺乏、資金來源單一，阻礙了數字城市的健康、可持續發展。

本文在總結國內外數字城市研究現狀及問題基礎上，針對重慶大庫區、大城市、大鄉村、大山區實際情況，歸納出建設運營重慶三維數字城市的挑戰和思路，從建設運營模式、數據整合框架、軟件體系方面開展探索和實踐，形成了豐富的技術和應用成果。

2 研究背景

2.1 國內外研究現狀

迄今為止，全世界尚未實現完整、成熟的數字城市，但以美國為代表的發達國家和城市已開展大量相關基礎性工作［1～3］。在我國已有100多個城市不同程度地開展數字城市建設工作，武漢［4］、蘇州［5］、天津、寧波等城市啟動了三維數字城市建設并應用于城市規劃、建設、管理等領域。

我國數字城市建設雖然在技術和應用上取得顯著的成績，但相對于發達國家仍具有較大的差距，其建設運營具有以下特點:①主要采用政府出資、統一建設、分步應用的模式，數字城市的持續更新和運營需要政府持續投入資金，否則難以實現可持續發展。②表達載體上以二維為主，三維為輔，展示效果不夠直觀。③應用示范以政府管理為主，企業應用相對較少，企業對數字城市的訴求難以體現。④技術選型以NewMap、SuperMap、ArcGIS等商業軟件為主，靈活性受到限制。

2.2 主要問題與解決思路

重慶是我國著名的山城，其依山而建，地勢高低起伏，建筑錯落有致。在重慶開展三維數字城市建設，面臨比平原城市更加巨大的挑戰。①基于數字高程模型建立的地形模型難以準確反映山地城市地形和建構筑物的空間關系，必須進行微觀地形三維建模，地形建模和動態更新維護工作量大;②城區建設用地緊張，高樓密集，建筑建模工作量大，數據采集處理成本高;③地形復雜、建筑密集導致單位面積的三維模型數據量是平原城市的數倍，對軟硬件技術提出了更高要求。

項目從建設模式、技術路線、應用推廣方式等方面著手解決以上問題。①多渠道籌措經費，項目前期由重慶市勘測院自行籌措，通過項目方式不斷引入其他資金渠道;②基于自主研發的三維基礎軟件搭建三維數字城市平臺，三維仿真與三維GIS融合的技術路線既充分體現山地城市地形、地貌、建構筑物的仿真特點，又可開展空間分析;③遵循總體設計、急用先行的原則，以城市規劃建設領域為重要突破，率先開展應用，后期再逐步深化拓展。

3 技術框架

在借鑒國內外先進研究成果和經驗基礎上，項目形成具有特色的三維數字城市研究路線，如圖1所示。高精度山地城市三維地理空間數據構建整合研究解決地上、地下一體化的海量三維空間數據集成、組織、整合、建庫管理問題;集景三維數字城市公共平臺實現二三維地理信息與三維模型數據的一體化展示與分析應用，實現海量空間數據的分布式訪問和高效渲染;開放式應用服務體系基于公共平臺為應用系統的快速構建提供良好支持;城市三維協同規劃設計平臺實現了三維地理環境環境下規劃方案的草繪、設計、模擬、評估、反饋及優化，為規劃設計企業提供了新的技術工具。

圖1 總體技術路線

3.1 建設運營模式研究

三維數字城市產業具有基礎性、戰略性、高投入性、高風險性和高關聯性等特點，應當改變傳統的政府出資、政府維護、政府管理、政府應用的建設運營模式，通過政府引導，充分發揮市場機制作用和功能，合理優化配置數字城市資源，開展數字化建設運營。

本文探索一種以企業為主體的三維數字城市建設模式，政府的主要作用是機制保障和政策引導，企業和公眾在三維數字城市中占主導作用，其主要內容包括:①改變投資模式，在重慶建設內陸開放高地的建設進程中，多渠道引入外來投資企業、開發建設投資集團等的投資資金，解決三維空間數據庫基礎覆蓋問題;②加強政策引導，通過規劃竣工核實階段引入三維建模，實現三維模型動態更新。重慶市規劃局發布文件《重慶市規劃局關于在主城區試行三維仿真系統輔助建筑規劃管理的通知 渝規發【2012】19號》，文件規定由負責建筑工程竣工三維模型的制作，解決三維數字城市空間數據的動態更新問題;③以企業為主體負責三維數字城市的建設和運營工作，發揮其在規劃竣工核實業務、空間信息技術、多專業人才團隊上的積累優勢，實現長期、穩定、可持續的三維數字化建設團隊支撐;④大力促進三維數字城市在企業和公眾的應用，特別是面向空間信息技術緊密關聯的城市勘察、測繪、規劃設計、房地產開發、投資建設集團等企業的應用需求，開發系列應用軟件，推動以上行業的技術革新，尋求三維數字城市的贏利點。

3.2 數據整合框架研究

針對山地城市地形起伏大、地質地貌復雜、多霧、用地集約、高樓密集等地點，發展適應這些特點的高新數據獲取技術，建立以無人機低空數字攝影測量、地面激光三維掃描、車載移動測量系統為主導的三維空間數據獲取、處理、融合體系;形成涵蓋地上、地表、地下三維空間數據的完整數據框架，建立地下管線、地質、地下空間、地表實景影像、地面三維模型、三維地形一體化的數據集成處理框架;研究三維地下空間模型數據庫的組織方式以及一體化管理技術，實現海量多元異構地下空間數據的高效管理。三維空間數據統一建模框架如圖2所示。

3.3 軟件體系研究

(1)三維數字城市基礎平臺軟件

項目針對三維數據更新維護困難、場景表達效果不夠逼真、應用拓展有限等問題，利用多核處理器、多通道顯示器等現代硬件環境，融合地理信息系統和現代圖形學的技術特點，自主研發兼具三維仿真效果和地理信息分析功能的平臺軟件，解決海量三維數據組織、動態渲染與分布式應用等瓶頸問題，實現高仿真虛擬環境下二三維地理信息與三維模型的一體化展示與應用。具有以下特點:①單機和網絡一體化。以靈活可擴展的架構，同時支持單機和網絡環境下本地數據集、網絡數據集的價值，實現高效率的數據調用，為大場景三維數據加載提供基礎。②三維模型集成建庫全流程化。為三維精細模型、地形模型提供檢查、格式轉換、集成、入庫、動態更新等工具。③高性能的核心渲染引擎。綜合采用模型LOD、GPU渲染繪制、高性能緩存、分塊場景組織、動態調度和內存控制等技術，實現了在較低內存占用情況下，高幀率的流暢網絡化加載和渲染效果。④模塊化SDK和插件集架構。基于COM架構實現接口定義，支持跨語言、跨平臺二次開發。

圖2 三維空間數據統一建模框架

(2)開放式應用體系研究項目從平臺開放性、數據開放性和應用開放性三方面著手，建立插件式的開放應用體系，使應用系統的開發更加高效。除了開展公安、市政等三維數字城市常見的示范應用外，大力推進三維數字城市在城市勘察、規劃、設計、招商、宣傳等企業級應用。該應用體系具有以下特征:①基于面向服務架構，解決當前三維仿真平臺交互性弱的問題，提高平臺開放性。②數據的建設和更新采用建設企業為主，應用企業為輔的方式，即數據建設企業建立大范圍的數據覆蓋和更新機制。應用企業通過API的方式整合業務數據。③向相關領域合作伙伴開放API，具有特定權限的相關企業通過API獲取平臺資源，實現對三維數據的訪問、對系統分析API的調用等。

(3)城市三維協同規劃設計應用研究

結合重慶山地城市實際，將城市規劃設計過程和三維地理環境模擬、評估緊密結合起來，解決了規劃設計數據整合集成、參數化驅動的建構筑物三維建模、漸進式規劃設計流程、多專業規劃設計協同等關鍵技術問題，在此基礎上開展了應用實踐，為復雜環境下多專業規劃設計提供新的工具和方法。并具備以下功能和特性:①支持分布式、多源、多尺度的地理空間數據、規劃設計方案數據的疊加集成展示，利用虛擬地理環境的逼真展示功能，直觀模擬設計方案及周邊環境的景觀效果;②支持在三維虛擬地理環境下的交互式設計，通過草繪、輸入參數、導入已有設計等方式，形成各類專業設計方案;③支持設計方案的評估，從安全因素、景觀因素、成本因素綜合進行設計方案的比較評估，并以此為依據不斷調整、改進設計方案;④支持道路、管線、場地、建筑等相關專業的在線協同設計并形成依賴關系。一個方案變化，其他相關專業設計方案的參數提示變化;⑤支持設計意圖的直觀展示和交互，提供交流平臺。

4 應用實踐

項目基于以上解決方案，在政府管理、規劃設計、勘察服務、公眾應用等方面開展了大量實踐，取得豐富的成果。

(1)搭建了基于政務網的“三維城市政務平臺”。采用分布式共享的方式，發布重慶都市區 3 000 km2地形三維模型、建成區 550 km2精細三維模型。平臺實現二三維空間數據一體化集成，為城鄉規劃管理的方案審批、竣工規劃核實工作提供了科學支撐，提供了面向環保、公安、市政行業三維地理空間服務;通過建設江津、長壽、開縣、墊江、永川、合川等區縣級三維數字城市平臺，實現了區縣地下、地上三維地理空間數據的集成管理，并面向規劃管理、招商引資、城市宣傳、管線管理開展了應用，成為區縣政府部門的綜合管理決策支撐平臺。

(2)面向開發投資集團、開發園區管委會、房地產開發商、勘察設計單位等企業提供三維城市規劃設計軟件及服務，開展道路、場地、管線、建筑設計及優化工作。基于直觀、準確的三維地理設計進行城市規劃設計，不但可實現設計方案的交互式調整、模擬與評估，提高了規劃設計的效率，還可集成區域內規劃設計方案，實現多項設計成果的整合。

(3)針對軌道、橋梁、隧道、公共設施等重大基礎設施的選址、設計、應急搶險，提供基于地下、地上一體化的可視化管理平臺，實現勘察、測繪、設計等多專業一體化的業務咨詢，創新了多專業融合的服務新模式，為重慶的重大基礎設施施工、運營提供綜合性服務。

(4)將三維地理空間數據渲染后發布到互聯網，建設“重慶三維地理信息公眾服務平臺”，并動態疊加軌道交通、公租房等熱點信息，為社會公眾的生活提供便利，得到社會各界的廣泛關注和好評。

(5)靈活應用多種智能終端，將渲染后三維地理空間數據發布到手機、平板電腦等智能終端，為領導、機關用圖提供新穎的載體，改變傳統紙質地圖不易攜帶、厚重的問題。

5 總結與展望

重慶三維數字城市的建設和運營，充分體現了重慶大城市、大農村、大庫區、大山地的特色。項目建立了政府主導，以企業為主體的三維數字城市建設運營模式，通過政策引導，保證了三維數字城市的更新機制;通過多源多尺度、地上地下一體化的海量地理空間數據集成處理，使三維地理空間信息資源得到了有效的整合和統一;通過建立開放的軟件體系，為各級政府管理決策、企業應用、產業發展提供了有力的三維地理空間數據保障和先進的技術實現手段。項目后續還需進一步依托政策機制，推進三維數字城市在企業的應用，促進三維地理空間信息的標準化。

［1］李宗華．數字城市空間數據基礎設施的建設與應用研究［D］．武漢:武漢大學，2005．

［2］ 江綿康．“數字城市”的理論與實踐［D］．上海:華東師范大學，2006．

［3］ 仇保興．我國數字城市發展的挑戰和對策［J］．城市發展研究，2010，17(12):1 ～6．

［4］ 盛洪濤．武漢市三維數字地圖系統建設及其應用［J］．城市發展研究，2009(11):102～106．

［5］ 潘吉．三維“數字蘇州”建設與應用前景［J］．中國建設信息，2009(14):38～41．