礦區城市“數字化”三維地理信息系統構建

王曉莉

(山西省煤炭工業廳煤炭資源地質局 地理信息中心，山西 太原030045)

0 引言

要加快“數字中國”的建設步伐，重點是加快“數字城市”建設步伐，全面完成全國地級城市以及有條件的縣級城市的“數字城市”建設，為構建“智慧中國”奠定基礎。近年來，國內一些高校、科研機構開始著手數字城市的理論研究和系統開發工作，并取得一定進展。

汾西礦業集團公司為滿足自身的經濟建設及發展，開展了汾西礦業集團公司介休地區基礎航空攝影，獲取了基礎地理信息的遙感資料，測制了國家基本比例尺地圖、影像圖和數字化產品，建立了新時代背景下的介休地區“數字化”三維地理信息系統，實現了航空攝影—測繪產品—三維地理信息系統一站式的新時代測繪產業鏈模式。其中，測繪為數字城市提供基礎數據集，數字城市則高效、全方位地充分利用了測繪數據并在測繪數據的基礎上結合其他地理屬性信息。

1 技術路線

1.1 總體技術路線

首先完成礦區E 級GPS 控制網建立，再以低空無人機航空攝影方式獲取礦區全要素數字地形圖(DLG)、數字正射影像(DOM)、數字地形模型(DEM)、城市三維景觀模型等空間定位的基本信息數據，利用Visual Studio. Net 作為開發工具、C#作為開發語言，對當前最先進的虛擬現實三維GIS 平臺Skyline進行二次開發，建立介休地區“數字化”三維地理信息系統平臺。總的技術路線流程如圖1 所示。

圖1 總體技術路線流程圖

1.2 技術依據

平面坐標系統采用1980 西安坐標系。高程基準采用1985國家高程基準。為了保證汾西礦業集團公司介休地區“數字化”三維地理信息系統構建工程建立在國家統一的測繪基準和測繪系統上，其成果符合國家測繪產品標準化、規范化的要求，生產作業執行的有關國家技術標準和規范主要有:《數字城市地理空間信息公共平臺技術規范》(CH/Z 9001 -2007);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影規范》(GB/T 6962 -2005);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量外業規范》(GB/T 7931 -2008);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量內業規范》(GB/T 7930 -2008);《城市基礎地理信息系統技術規范》(CJJ 100);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖圖式》(GB/T 20257.1 -2007);《1 ∶5 000、1 ∶10 000 地形圖圖式》(GB/T 20257.2 -2006);《全球定位系統(GPS)測量規范》(GB/T 18314 -2009);《城市三維建模技術規范》(CJJ_預標準)。

2 關鍵技術

2.1 基礎地理信息數據獲取

近些年來，低空無人機測繪航空攝影系統實現了低空航空攝影所獲取高分辨率影像數據，經眾多科技人員和生產單位的研究與生產實踐［5-7］，證實這種技術方式能滿足區域大比例尺DOM、DEM、DLG 數字產品快速生產的需求。采用無人機低空航攝系統進行區域基礎地理信息數據獲取時，應注意以下幾個方面。

1)航空攝影影像應清晰、層次豐富、反差適中、彩色色調柔和鮮艷、均勻，相同地物的色彩基本一致。太陽高度角的選擇應保證陰影不大于2 倍。

2)航攝像片平面控制點和平高控制點相對鄰近基礎控制點的平面位置中誤差應不超過地物點平面位置中誤差的1/5;高程控制點和平高控制點相對鄰近基礎控制點的高程中誤差應不大于1/10 等高距。

3)外業調繪采用先室內判讀、立體測圖，后野外檢核和調查，再室內修改和補充調繪的方法。嚴格依據實際地形地貌地物，走到、看到、量到、問清、繪準，判讀準確，描繪清楚，符號運用恰當，各種注記準確無誤。

2.2 三維建模技術

三維建模采用的軟件是美國歐特克公司的三維建模軟件3ds max 2012，建模方式為建筑物外表面的幾何結構建模，用模型和貼圖表現大量的實體幾何結構。

根據測區1 ∶1 000 地形圖和1 ∶5 000 地形圖進行模型大小及位置定位，將CAD 電子圖導入3ds max ，在線劃圖的基礎上對建筑物、道路、街塊等重新描繪，最后再利用描好的輪廓線立體建模。

三維模型包括地形模型、建筑模型、交通設施模型、綠化模型以及其他模型等，各類模型按照表現細節的不同可分為LOD1、LOD2、LOD3、LOD4 四個細節層次，按照表1 的規定確定。

表1 模型分類與細節層次

其中，對不同細節層次地形模型的規定如下:①地形模型LOD1 應為反映地形起伏特征的幾何模型。②地形模型LOD2應為反映地形起伏特征和地表影像的模型。③地形模型LOD3應為反映地形起伏特征、地表形態及其影像的模型。④地形模型LOD4 應為逼真反映地形起伏特征和地表形態的模型。

3 成果評價

3.1 三維模型評價

建筑模型均為精細模型，其基底輪廓線使用1 ∶1 000 比例尺地形圖中建筑物的基底輪廓線直接生成，并與地形圖保持一致。其立體屋頂、凹凸的陽臺、一樓突出門廳等幾何結構均用幾何實體表現，能精確反映建筑的立面、屋頂結構形式等細節。

精細模型使用的紋理材質均與建筑外觀保持一致，可實際反映出紋理的實際圖案、顏色、透明度等，可區別出磚、木頭、玻璃等不同質地。紋理中沒有包含建模物體以外的物體。

標準模型中使用的紋理的圖案、顏色等均與建筑外觀一致。可準確表現建筑物的幾何實體結構，部分實體結構被忽略但不影響建筑物的真實性。小區居民樓一些小的角頂、凹凸的陽臺，一樓突出的門廳等幾何結構采用貼圖表現。

3.2 三維地理信息系統評價

介休地區“數字化”三維地理信息系統采用網頁形式打開，經測試該系統在IE8 或IE9 瀏覽器中均可正常打開。系統采用流處理方式加載場景模型，經過反復測試，場景模型的塊流出寬度為1 200 m 左右，在視點小于3 500 m 時顯示場景模型，模型由遠到近時顯示不同精度的紋理，當視點小于100 m 時顯示最清晰的紋理。

系統可實現360°全方位自由漫游，可通過鼠標滾輪實現前進后退和旋轉視角，也可通過鍵盤快捷鍵來控制漫游。系統在正常使用時會占用大量電腦資源，但不會有系統崩潰等內存溢出問題，可正常持久運行。

系統界面及部分場景如圖2、圖3 所示。

圖2 介休地區“數字化”三維地理信息系統界面

4 結語

數字化是一種先進的生產力，如“數字北京”“數字太原”“數字奧運”等都會提升整體的城市形象及國家形象，汾西礦業集團公司介休地區數字化標志著汾西礦業集團公司新時代的形象，標志著汾西礦業集團公司的精神文明和物質文明的建設走在了信息化時代的前端。在當前階段所實現的介休地區“數字化”三維地理信息系統，可作為企業內員工和社會各界人士對汾西礦業集團公司進行了解的平臺和汾西礦業集團公司對外的企業名片，為企業的管理和發展提供了革命性的手段。

圖3 介休地區三維地理信息系統部分場景

但是，現有成果仍然有很多不足之處，應做更進一步的研究工作，具體如下。

1)在現有成果的基礎上，加入各種地面監控等硬件設備的實時信息，建立一個完善的三維地面監管系統。

2)并入煤炭集團下屬各煤礦企業的地面、地下三維系統，最終建立一個包括地面信息、煤層、巷道、井下運輸、供電、通風、防塵、避災路線、抗災路線、生產調度、監測監控、安全管理、設備管理等信息層的三維空間信息管理平臺。

3)結合地下管線、規劃、土地、綠化、道路、環境、經濟、開發、房地產、人口、商業、工礦企業、電訊、電力等所關心的信息，建立數據庫，進而建立各種信息管理系統和監控與決策系統，如綜合市情系統，企業規劃系統、配電管理系統、土地管理系統等等。

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