面向規劃管理的重慶都市區三維模型數據庫建設

王昌翰

(重慶市勘測院，重慶 400020)

一、引 言

三維模型數據作為描述空間地理信息的又一重要數據資源，與傳統測繪4D產品相比具有信息量大、直觀生動的特點。以三維模型數據為基礎建立的城市三維仿真系統在城市規劃、應急指揮、房地產開發、展覽展示等領域有著廣泛的應用。重慶市勘測院在城市三維建模、仿真系統研發、市場培育及應用推廣方面進行了10多年的實踐，積累了豐富的經驗，為全面推廣應用打下了基礎：

1) 人才技術基礎。培養了一批從事數據獲取、三維建模、系統開發與集成的骨干技術力量；編制了適合重慶山地城市特點的地方標準《重慶市城市三維建模技術規范》；基于開源三維平臺OSG開發了“山地城市三維仿真系統”，成功解決了海量三維數據組織、快速索引查詢、實時瀏覽、二三維集成、行業應用等關鍵技術問題。

2) 數據基礎。1∶500比例尺地形圖覆蓋主城規劃區1000 km2，1∶2000數字線劃圖、數字高程模型、數字正射影像圖覆蓋都市區6000 km2，這些基礎數據是建立都市區三維模型的基礎數據；同時，已建立主城核心區約400 km2建筑物和地形的精細三維模型。

3) 市場及政策基礎。充分發掘三維技術優勢，根據重慶山地城市特點進行應用開發。經過多年的市場培育和應用推廣，三維仿真技術逐步被工程咨詢、城市規劃、城市建設管理、城市展覽展示及房地產開發等行業部門所接受，也得到各級政府領導的重視。2012年3月，重慶市規劃局下發《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)，通知要求，自2012年4月1日起，主城區范圍內的建設項目納入三維仿真系統輔助規劃管理。文件對規劃決策、建管、竣工規劃核實等環節如何運用三維仿真做出了要求，該通知的出臺對推動三維仿真技術在更大范圍的進一步應用發揮了重要作用[1]。

二、建設目標及內容

1. 建立都市區三維模型庫

三維模型庫是建立三維仿真平臺的基礎。三維模型庫覆蓋重慶都市區6000 km2，其中主城區面積為1100 km2，郊區面積為4900 km2。三維模型數據包括現狀模型和規劃模型兩種類型，每一類型包括三維數字地面模型、三維建筑模型、三維路網模型、三維景觀模型等。現狀三維模型是城市地形地貌及建筑物的現勢反映，規劃模型是城市設計、建設項目設計成果的三維反映。

2. 搭建基于網絡的城市級三維仿真平臺

平臺提供基于網絡的三維可視化功能，使領導及各政府部門在辦公室可隨時進入三維虛擬環境，實時了解重慶都市區的地形地貌及規劃建設情況，實現網上辦公、查詢、統計分析；通過網絡化的環境實現三維模型數據生產、更新維護和成果應用發布等分布式管理。

3. 實現城市三維仿真平臺與現有數據庫管理系統集成

已建立的城市基礎地理信息系統、規劃管理系統等具有強大的數據管理功能和信息查詢功能，較好地滿足了城市規劃及管理工作的信息化需要。將三維仿真系統與現有基礎空間數據庫、規劃成果庫有機銜接與相互聯動，能使三維仿真平臺成為集成各類信息的綜合管理平臺。既發揮了城市三維仿真系統的三維表現優勢，又充分發揮了已有系統的功能，減少了重復建設。

4. 實現三維規劃輔助決策與規劃申批

以三維模型數據庫為基礎，結合山地城市規劃管理的特點和需要，從詳細規劃設計、項目選址、規劃報建與審批、建后評價等環節，建立具有城市輔助規劃設計與規劃審批、規劃業務管理功能的規劃管理與決策系統，在滿足規劃管理業務需要的同時，也為重慶市委、市政府進行重大項目論證和決策提供翔實、準確的基礎數據、分析數據和優化方案，為重大項目的論證和重要問題的決策提供輔助決策支持，從而提高城市規劃管理和決策的科學性，提高辦事效率。

三、數據庫結構

三維模型數據庫的總體架構基于面向服務的分層架構設計思想，按數據生產、管理、服務、應用相分離的原則，由運行支撐層、數據層、服務層等組成，其結構如圖1所示。

圖1 三維模型數據庫結構

數據層包括三維模型元數據庫、三維模型數據庫、二維基礎空間數據庫和規劃管理數據庫，它是在分服務、分圖層的三維模型數據基礎上，根據在線瀏覽、規劃方案審批需求，按照統一技術規范進行整合處理，采用分布式的存儲和管理模式搭建形成的數據中心；服務層主要提供二、三維集成聯動的服務，滿足規劃局各業務處室的應用需求；運行支撐層主要包括服務器和存儲備份設備系統、安全保密系統、數據集成工具集等硬環境，以及標準規范與管理辦法等軟環境。

四、建設技術路線

1. 模型建庫流程

三維模型數據庫建庫工作包括生產、模型檢查、渲染、集成預處理、模型建庫5個環節。

1) 模型數據生產。三維模型制作和生產嚴格遵守重慶市地方標準《城市三維建模技術規范》(DB50/T 393—2011)，包括采用DEM+DOM模式建立的地形模型和采用DLG+現場照片模式建立的精細場景模型兩種。其中采用DEM+DOM模式建立的地形模型按照1∶2000標準分幅組織，原始文件為FLT格式；DLG+現場照片模式建立的精細場景模型包括精細地形、道路、建筑、植被、附屬設施和其他等類別，其模型文件和紋理文件按照控規組團進行編碼組織。

2) 模型檢查。內容包括從模型的完整性和準確性、紋理的正確性、單元接邊的正確性、模型及紋理命名的規范性等方面進行詳細檢查。

3) 模型渲染。利用3ds Max軟件進行場景燈光設置，形成模型渲染貼圖，通過光照、陰影效果提升模型的真實感，利用OsgExp插件，將渲染后的模型和紋理數據導出為OSG格式。

4) 集成預處理。利用自主開發的數據集成工具集處理導出的模型和紋理數據。首先根據模型所在的控規組團及分區，自動將模型存放到相應的文件夾；然后批量為模型紋理增加水印，并導出為DDS文件格式。

5) 模型建庫。集成零散的模型文件，并再次檢查模型場景瀏覽效果，將零散的模型文件打包成場景數據文件并入庫，然后按類別聚類，建立模型的三維RTree空間索引。

2. 三維模型數據建庫建設及更新的體制機制

重慶地形地貌復雜，高樓密集，無論是地形建模還是建筑物建模，相對平原城市技術更復雜、難度更高。因此，建立重慶都市區三維模型數據庫是一項十分復雜、艱巨的工作，資金投入大，生產周期長。經過多年的市場推廣及應用實踐，在資金投入方面逐步形成了單位自籌資金、政府投資和建設單位出資相結合的資金保障機制。重慶市勘測院通過自籌資金方式，開展了三維模型數據庫建設及平臺搭建的科技攻關、軟件開發、數據加工、標準制定、市場推廣等方面的工作；市規劃局及區政府主要對城市規劃區三維模型數據庫提供資金支持，實現城市三維模型數據的全面覆蓋；工程項目建設單位則負責建設區及周邊三維模型更新的費用，保證三維模型數據庫動態更新。

規劃行政主管部門對建設項目管理主要通過頒發“一書三證”實現，一書是指《建設項目選址意見書》，三證指《建設用地規劃許可證》、《建設工程規劃許可證》、《建設工程竣工規劃驗收合格證》。“一書三證”在規劃管理工作程序上分別對應建筑工程選址規劃管理、建設工程用地規劃管理、建設工程規劃管理、建設工程竣工核實管理4個環節。基于三維模型數據庫的三維仿真平臺以這4個環節的應用需求為出發點進行功能開發，使規劃管理業務流程與三維仿真平臺有機融合，實現了三維可視化項目選址及用地管理、工程項目建設方案三維審批和工程項目竣工后三維規劃核實管理。

基于三維仿真平臺的規劃行政管理業務流程如圖2所示。

圖2 基于三維仿真平臺的規劃行政管理業務流程

3. 模型細節程度劃分及覆蓋策略

現實世界復雜多樣，虛擬現實是對現實世界一定程度的抽象，不可能完全模擬現實世界。因此，人們只能從現有技術條件和應用需求出發，定義三維模型數據的內容及其抽象程度。地形模型按兩個精度級別表示。中心城區及規劃新區地形采用3ds Max或Creator建模軟件，從1∶500地形圖提取高程點、房屋邊線、水涯線、道路邊線、斜坡坡頂線、斜坡坡腳線、上堡坎線、下堡坎線等數據，全人工構建精細路網、橋梁、臺地、陡坎等地形三維模型。中梁山、銅鑼山及郊區建筑物相對較少，以DEM(2 m×2 m)+DOM(0.2 m分辨率)建立地形三維。建筑物模型按精細模型、一般模型和粗模型3個精度級別建模。歷史文化建筑、雕塑、標志性建筑、別墅、干道兩邊重要建筑、城市重要地段的公共建筑、高度大于100 m的超高層建筑等精細建模，準確測量，并反映建筑主體外輪廓、女兒墻、陽臺、門、窗、屋檐、樓頂造型等；普通建筑、背街等一般建筑按一般模型建模,其陽臺、門、窗、屋檐等用紋理表示，樓頂造型概要建模；郊區建筑用體塊模型表示，用算法實現批量建立體塊模型。

4. 模型分層

在二維地理信息中，地物要素應進行分層管理，如水系、道路、房屋、注記等。同樣，三維仿真模型在分塊的基礎上也需要按層來管理，一是便于模型數據查詢和分析，二是便于場景的調度和管理，實現分層加載。數據分層見表1。

表1 三維模型數據分層

5. 算法建立體塊模型

重慶都市區農村范圍大，房屋分布散亂，采用人工逐一建模勢必費工費時，從應用需求和生產效率角度出發，采用算法批量建粗模型是比較合理的選擇。因此，筆者在Visual C++ 6.0 開發平臺上，基于MFC 框架和三維建模軟件Creator的二次開發包OpenFlightAPI，批量讀取房屋位置及高程信息，快速構建帶紋理的OpenFlight三維房屋模型。

通過讀取地形圖數據中房屋點序列數據和有關房屋結構及樓層數注記，獲取房屋建模所需的底面、結構及樓高，并根據房屋結構性質，選用合適的房頂形狀和貼圖。基于算法建立的體塊模型如圖3所示。

圖3 基于算法建立的體塊模型

6. 模型數據的組織

三維模型數據通過場景的方式進行組織，為保證三維模型數據庫的高效訪問和快速更新，必須對重慶市主城區三維模型進行分割，形成多個獨立的、小于3 GB的獨立子場景。分割原則為：控制性詳細規劃覆蓋的區域，按照控規范圍進行場景分割；控規未覆蓋的區域，按照主城九區行政區劃進行場景分割；涉及跨組團和區劃的長江、嘉陵江和橋梁，單獨建立一個場景[2]。

重慶主城區三維模型數據庫共切割為32個場景，包括22個組團場景、9個區劃場景和1個跨區劃的江河橋梁場景。三維仿真平臺在調用三維模型時，可以根據實際需要，有選擇地加載一個、多個或者全部三維場景。

每個組團包括了多個分區。對應的每個組團模型場景中，包含地形、房屋及附屬設施、水系及附屬設施、道路及附屬設施、城市附屬設施5個圖層。

對于跨組團和區劃的長江、嘉陵江和橋梁，單獨建立一個場景進行管理。該場景包括兩個圖層：江河和橋梁。

組團分區數據組織如圖4所示。

圖4 組團分區數據組織

7. 三維引擎開發

三維引擎是三維仿真平臺的核心，采用基于開源渲染引擎OpenSceneGraph設計，主要涵蓋圖層管理、動態加載、紋理LOD和空間索引、空間分析等功能。基礎數據庫采用大型數據庫Oracle9.0，通過Esri公司的ArcSDE技術直接訪問，開發環境是Vistual Studio 2005。三維仿真引擎的主要實現功能有顯示場景分塊、場景動態加載、多級紋理、空間索引等[3]。

重慶渝中半島三維模型集成效果如圖5所示。

圖5 重慶渝中半島三維模型集成效果

五、結束語

三維模型數據庫是建立三維仿真平臺的基礎。經過多年理論研究和應用實踐，重慶已建立了覆蓋都市區400 km2的三維模型數據庫，并在此基礎上建立了重慶三維仿真基礎平臺。平臺在城鄉規劃設計、規劃管理、方案審批、工程建設咨詢、招商引資和形象宣傳方面發揮了十分重要的作用，得到業務人員及各級領導的認可。目前，重慶三維模型數據庫建設及基于三維模型數據庫的三維仿真平臺建設進入良性發展的時期，應用前景十分廣闊。首先在管理方面，重慶已將大范圍三維模型數據作為基礎空間數據的一部分納入常態化的生產、建庫和更新，形成了比較穩定的投入機制；其次，較好地解決了三維模型數據生產、建庫、平臺搭建及應用的眾多關鍵技術，為平臺的可持續發展打下了堅實的基礎。

參考文獻：

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