曹春華
(重慶市規(guī)劃局,重慶 401121)
基礎(chǔ)測(cè)繪是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)的基礎(chǔ)型工作,是測(cè)繪地理信息立業(yè)之基[1]。經(jīng)過(guò)幾十年的建設(shè)和發(fā)展,基礎(chǔ)測(cè)繪工作已經(jīng)取得了非常豐富的重要成果,支撐和保障了國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展和信息化對(duì)測(cè)繪地理信息的應(yīng)用需求[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展進(jìn)入新常態(tài),各方面對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪的應(yīng)用需求日益旺盛,對(duì)基礎(chǔ)測(cè)繪提出了新的要求。《全國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》明確了新型基礎(chǔ)測(cè)繪的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù),迫切需要突破傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)采集、更新和服務(wù)局限,創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品形式,為新時(shí)代測(cè)繪地理信息事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級(jí)探索新的路徑,更好地服務(wù)大局、服務(wù)社會(huì)、服務(wù)民生。
本文擬以“3D+”全息空間數(shù)據(jù)研發(fā)為切入點(diǎn),以重慶為樣本,探索了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)建設(shè)及應(yīng)用示范。通過(guò)建設(shè)全息、精細(xì)、動(dòng)態(tài)的三維空間數(shù)據(jù)體系,打造開(kāi)放、簡(jiǎn)潔和可移動(dòng)的服務(wù)平臺(tái),為新型智慧城市建設(shè)、智慧社會(huì)建設(shè)提供“3D+”全息空間定位疊加,推進(jìn)行業(yè)信息的深度融合,探索了新時(shí)代基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型升級(jí)之路。
隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等空間技術(shù)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步,我國(guó)測(cè)繪現(xiàn)代化和信息化發(fā)展正在進(jìn)入一個(gè)新的階段。《全國(guó)基礎(chǔ)測(cè)繪中長(zhǎng)期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》提出要“完善地理信息公共服務(wù)體系,創(chuàng)新產(chǎn)品形式、服務(wù)方式,拓寬服務(wù)領(lǐng)域”。可以說(shuō),三維空間信息技術(shù)是新時(shí)代測(cè)繪地理信息發(fā)展的標(biāo)志性?xún)?nèi)容之一,它突破了空間信息在二維地圖平面中單調(diào)表現(xiàn)的束縛,將進(jìn)一步提升時(shí)空大數(shù)據(jù)的匯聚管理、分析處理、知識(shí)發(fā)現(xiàn)和決策支持能力[3]。以三維空間信息技術(shù)為基礎(chǔ)的“3D+”全息空間數(shù)據(jù)體系建設(shè)將突破傳統(tǒng)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)資源體系的范疇,將空間尺度擴(kuò)展到了微觀和宏觀空間,將空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展為多維時(shí)空大數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)室外、地上地下、水上水下空間的無(wú)縫覆蓋,并以位置為紐帶動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)事物或事件的多時(shí)態(tài)、多主題、多層次、多粒度的信息,提供個(gè)性化的位置及與位置相關(guān)的智能服務(wù)。
“3D+”全息空間數(shù)據(jù)代表了現(xiàn)實(shí)世界地理實(shí)體或現(xiàn)象在信息世界的映射,是對(duì)復(fù)雜地理事物和現(xiàn)象進(jìn)行簡(jiǎn)化抽象后所得結(jié)果,具有全息化、精細(xì)化、動(dòng)態(tài)化的特征。全息,意即完全的信息,包括城市空間形態(tài)和城市運(yùn)行中的各種現(xiàn)象、規(guī)律,采用信息化技術(shù)以離散的手段對(duì)各類(lèi)信息進(jìn)行記錄。移動(dòng)測(cè)量、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和智能移動(dòng)終端技術(shù)的飛速發(fā)展,極大地豐富了獲取信息的手段和內(nèi)容,使任何人在任何地方都能通過(guò)泛在網(wǎng)絡(luò)獲取需要的任何信息,即泛在信息[4]。“3D+”以三維空間位置和時(shí)態(tài)為紐帶串聯(lián)泛在時(shí)空大數(shù)據(jù),形成全息化的信息承載。
全息化的信息同時(shí)也具有精細(xì)化特征,如“3D+”集成的建筑信息模型(BIM)[5]數(shù)據(jù)能夠?qū)κ覂?nèi)空間的每一個(gè)要素對(duì)象進(jìn)行精細(xì)地刻畫(huà)表達(dá),包括墻壁、門(mén)窗、桌椅,甚至每條管道和電線(xiàn)的空間位置、拓?fù)潢P(guān)系及隸屬情況,可實(shí)現(xiàn)對(duì)建(構(gòu))筑物施工過(guò)程、運(yùn)營(yíng)能耗、商業(yè)服務(wù)、人員事務(wù)等方面的精細(xì)化管理。
除了空間上的精細(xì)化特征,高頻度的“3D+”數(shù)據(jù)更新機(jī)制體現(xiàn)了時(shí)態(tài)的精細(xì)化,即動(dòng)態(tài)化特征。通過(guò)精確記錄城市在不同時(shí)態(tài)的發(fā)展變化狀態(tài)或以監(jiān)控視頻的形式記錄實(shí)時(shí)的城市場(chǎng)景,“3D+”全息空間數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)鮮活城市的數(shù)字化再現(xiàn),基于多時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)的積累和分析,還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)化的回溯分析和事件預(yù)測(cè)模擬,滿(mǎn)足智能化城市管理服務(wù)的需要。
“3D+”全息空間數(shù)據(jù)是面向新時(shí)代基礎(chǔ)測(cè)繪轉(zhuǎn)型的空間數(shù)據(jù)框架和技術(shù)體系,以多源異構(gòu)的測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)資源(如三維數(shù)字地形、實(shí)景三維模型、建筑信息模型、三維仿真模型、地下空間、地下管線(xiàn)、1∶500地形圖等)為對(duì)象,依托國(guó)家測(cè)繪地理信息和公共信息資源整合數(shù)據(jù)分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[6],形成地上、地下、室內(nèi)、室外數(shù)據(jù)的“全空間融合”能力。以全空間[7]數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),“3D+”全息空間數(shù)據(jù)將融合城市實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù),并同步渲染可視化,實(shí)現(xiàn)靜態(tài)三維場(chǎng)景和實(shí)時(shí)場(chǎng)景動(dòng)態(tài)的虛實(shí)融合能力,通過(guò)虛實(shí)融合場(chǎng)景的量測(cè)和空間分析功能,提升應(yīng)急和事件的在線(xiàn)處置能力。面向“3D+”全息空間數(shù)據(jù)中的語(yǔ)義化地理實(shí)體對(duì)象,聯(lián)合高精度二維地理實(shí)體要素?cái)?shù)據(jù)和地名地址數(shù)據(jù),為每個(gè)地理實(shí)體建立唯一的編碼,可實(shí)現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)與虛擬城市空間的全息關(guān)聯(lián)與管理,形成動(dòng)靜融合能力。
在新型基礎(chǔ)測(cè)繪背景下制定全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),是為了規(guī)范城市空間數(shù)據(jù)的分類(lèi)、內(nèi)容、生產(chǎn)及集成要求,指導(dǎo)城市空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、加工、管理、更新與應(yīng)用服務(wù),提高城市空間數(shù)據(jù)的保障能力和服務(wù)水平。全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化。全空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)面向城市區(qū)域,以應(yīng)用為向?qū)Ы⒔y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)空間基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分類(lèi)體系、紋理及紋理庫(kù)、模型庫(kù)、數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系、集成建庫(kù)體系[8]、對(duì)象編碼、數(shù)據(jù)服務(wù)體系、屬性數(shù)據(jù)、工具支撐體系等方面作出具體規(guī)范。數(shù)據(jù)分類(lèi)體系對(duì)數(shù)據(jù)框架、分類(lèi)作出具體規(guī)范,數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系對(duì)居民地與設(shè)施、交通、水系、管線(xiàn)、地貌、土地與植被等要素生產(chǎn)作出規(guī)范,數(shù)據(jù)集成建庫(kù)體系對(duì)模型整理、模型渲染、數(shù)據(jù)集成作出規(guī)范,屬性數(shù)據(jù)對(duì)基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)作出規(guī)范。
以多源異構(gòu)的測(cè)繪地理信息數(shù)據(jù)資源(三維數(shù)字地形、實(shí)景三維模型、建筑信息模型、三維仿真模型、地下空間、地下管線(xiàn)、矢量數(shù)據(jù)等)為對(duì)象,依據(jù)全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),將多源異構(gòu)、多尺度的空間數(shù)據(jù)整合集成,通過(guò)唯一地理實(shí)體編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)二維地理實(shí)體要素和地名地址數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理,深度融合行業(yè)部門(mén)的數(shù)據(jù),構(gòu)建多精度、多尺度、多時(shí)態(tài)、多屬性的“3D+”全息空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)體系(如圖1所示),為充分發(fā)揮和挖掘空間數(shù)據(jù)價(jià)值提供基礎(chǔ)。

圖1 全息空間數(shù)據(jù)體系
2.2.1 多源、多尺度空間數(shù)據(jù)整合集成
以現(xiàn)有三維數(shù)字城市標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ),進(jìn)行城市空間對(duì)象的統(tǒng)一管理和自定義擴(kuò)展(包括對(duì)象幾何和語(yǔ)義擴(kuò)展),建立多尺度三維模型數(shù)據(jù)融合模型(包括建筑模型、道路模型、管線(xiàn)模型和地質(zhì)模型),實(shí)現(xiàn)對(duì)地上地下和室內(nèi)室外多粒度對(duì)象的統(tǒng)一表達(dá)。針對(duì)建筑室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的語(yǔ)義關(guān)系進(jìn)行空間層次劃分,基于“部分-組成”的語(yǔ)義關(guān)系表達(dá)建筑物的內(nèi)部邏輯構(gòu)成,建立多細(xì)節(jié)層級(jí)(levels of detail,LOD)[9]空間模型獨(dú)立存儲(chǔ)、不同尺度數(shù)據(jù)集的空間和語(yǔ)義關(guān)系。
高效的時(shí)空索引是對(duì)海量城市空間數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢(xún)、檢索和調(diào)取等操作的基礎(chǔ),由于城市三維空間實(shí)體分布不均、幾何結(jié)構(gòu)和關(guān)系復(fù)雜,為設(shè)計(jì)空間索引增加了難度。本研究建立了一種多級(jí)時(shí)空索引技術(shù),分別從空間和時(shí)間維度構(gòu)建索引,空間維度索引采用“格網(wǎng)[10]+空間R樹(shù)[11]”結(jié)合方式建立多尺度空間索引,通過(guò)將原始模型數(shù)據(jù)組織為序列化的空間索引數(shù)據(jù),提高不同層級(jí)和類(lèi)別的空間模型的檢索效率。在空間索引基礎(chǔ)上,基于模型數(shù)據(jù)時(shí)間標(biāo)簽快速檢索某一時(shí)間切片下的對(duì)象模型。
2.2.2 唯一實(shí)體編碼方法
基于二維地理實(shí)體要素?cái)?shù)據(jù)和現(xiàn)有的地名地址數(shù)據(jù)建立城市實(shí)體對(duì)象清單,使用唯一實(shí)體編碼進(jìn)行統(tǒng)一關(guān)聯(lián),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)象模型數(shù)據(jù)的語(yǔ)義化、對(duì)象化管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)多維度空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)(如圖2所示)。使用唯一實(shí)體編碼可以建立不同數(shù)據(jù)源中統(tǒng)一對(duì)象的映射關(guān)系[12],使用擴(kuò)展編碼將多專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)互通互聯(lián),實(shí)現(xiàn)與行業(yè)數(shù)據(jù)的融合。

圖2 實(shí)體模型使用唯一實(shí)體編碼與行業(yè)數(shù)據(jù)融合
城市空間數(shù)據(jù)資源日益厚重、空間應(yīng)用日趨復(fù)雜,社會(huì)對(duì)空間資源需求與日俱增。面向不同應(yīng)用場(chǎng)景,需要建設(shè)簡(jiǎn)潔化、移動(dòng)化、開(kāi)放化的服務(wù)平臺(tái),研發(fā)面向多應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡(jiǎn)化方法,提供簡(jiǎn)潔化空間數(shù)據(jù)服務(wù),簡(jiǎn)化操作過(guò)程、輕量化客戶(hù)端數(shù)據(jù)資源,最大限度地提升服務(wù)效率。面向多應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡(jiǎn)化是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、清洗、簡(jiǎn)化或降維等輕量化處理,包括基于三維空間信息生成720°全景圖、創(chuàng)建模型線(xiàn)框模型、簡(jiǎn)化三角面、紋理圖片簡(jiǎn)化壓縮等途徑(如圖3所示),實(shí)現(xiàn)移動(dòng)端快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸,提高客戶(hù)端瀏覽效率。

圖3 全息空間數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡(jiǎn)化
重慶整合現(xiàn)有市級(jí)地理空間信息資源,制定了三維模型覆蓋更新機(jī)制,實(shí)現(xiàn)建成區(qū)精細(xì)三維模型、地下空間、地下管線(xiàn)集成入庫(kù),結(jié)合竣工規(guī)劃核實(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)新建建筑室內(nèi)外三維數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新。在此基礎(chǔ)上形成了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫(kù),包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、三維地理信息數(shù)據(jù)、專(zhuān)題地理信息數(shù)據(jù)等, 涵蓋地理空間信息中的二三維、地上地下、水上水下、室內(nèi)室外、動(dòng)靜數(shù)據(jù)類(lèi)型(如圖5所示),基于“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫(kù)搭建的地理信息公共服務(wù)云平臺(tái)為各個(gè)層級(jí)的用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)化、多時(shí)態(tài)、可定制的數(shù)據(jù)服務(wù),并與行業(yè)應(yīng)用需求結(jié)合,在三維空間創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)模式。目前已服務(wù)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與施工建設(shè),支撐城市監(jiān)測(cè)與運(yùn)行評(píng)估,為城市提升工程提供全方位空間數(shù)據(jù)資源服務(wù)。
基于“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展規(guī)劃設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)平面規(guī)劃設(shè)計(jì)到三維設(shè)計(jì)、從單一工程策劃到整體優(yōu)化打造的轉(zhuǎn)變,促進(jìn)片區(qū)規(guī)劃落地,提升規(guī)劃設(shè)計(jì)科學(xué)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。如圖5所示,在蔡家半島豎向優(yōu)化設(shè)計(jì)中采用航空攝影、三維仿真及道路BIM等高新技術(shù),輔助對(duì)蔡家半島片區(qū)(蔡家組團(tuán)J、K、L、R標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)部分用地)13 km2內(nèi)約80 km路網(wǎng)、51處水體、430個(gè)地塊進(jìn)行了豎向優(yōu)化設(shè)計(jì)及三維城市形態(tài)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了道路、場(chǎng)地、水體整體協(xié)調(diào),完成了片區(qū)從原始地貌到最終城市形態(tài)的整體打造,帶來(lái)了整體經(jīng)濟(jì)效益約19億元。該豎向優(yōu)化成果已經(jīng)納入片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃修編方案,于2017年9月通過(guò)了重慶市政府批復(fù)。

圖4 原始地形

圖5 “3D+”規(guī)劃設(shè)計(jì)
基于“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫(kù)的城市運(yùn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估平臺(tái),匯聚城市不同層級(jí)、維度、粒度的數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)城市運(yùn)行狀態(tài)。以渝中區(qū)為示范,通過(guò)整合集成地下管網(wǎng)、地下空間、工程地質(zhì)、地形、地表建筑、市政設(shè)施與道路等地理信息,構(gòu)建三維地理信息數(shù)據(jù)庫(kù),搭建渝中區(qū)三維地理信息公共平臺(tái),實(shí)現(xiàn)人口、樓宇經(jīng)濟(jì)、街道、交通等信息的匯聚,輔助完成規(guī)劃決策、市政管理等,切實(shí)提供了區(qū)內(nèi)地下空間開(kāi)發(fā)、立體交通管理、城市建筑風(fēng)貌營(yíng)造等管理工作效率,如圖6、圖7所示。

圖6 渝中半島經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)測(cè)

圖7 城市交通流量運(yùn)行監(jiān)測(cè)
如圖8所示,重慶主城“一島、兩江、三谷、四脈”的自然山水格局形成眾多旅游資源,借助“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫(kù)體系,記錄重要?dú)v史文化要素、挖掘旅游文化資源,結(jié)合兩江四岸的自然和人文因素打造彰顯重慶特色的風(fēng)貌街區(qū)、建筑和公共空間,統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理,實(shí)現(xiàn)城市與自然和諧共生。在渝中半島歷史風(fēng)貌管理中,利用低空傾斜攝影測(cè)量技術(shù)、實(shí)景攝影測(cè)量、地面三維激光掃描、三維地理信息、BIM等技術(shù),提供高精度的三維地理空間數(shù)據(jù)支持,建立形象、逼真、直觀的三維渝中半島歷史風(fēng)貌文化虛擬地理場(chǎng)景,為開(kāi)展規(guī)劃研究、方案評(píng)審、宣傳展示等提供重要支持。在巴南區(qū)違法建筑排查管理中,利用無(wú)人機(jī)影像、衛(wèi)星影像建庫(kù),采集違法建筑信息,在規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)域用無(wú)人機(jī)排查約108 km2、儲(chǔ)備用地范圍內(nèi)衛(wèi)星影像排查約100 km2。
本文通過(guò)“3D+”全息空間數(shù)據(jù)體系建設(shè)及示范應(yīng)用,探索了新型基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)路徑,提出了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)的概念及全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)建筑室內(nèi)自動(dòng)三維建模及大規(guī)模集成,大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)調(diào)度與融合,基于地理實(shí)體的要素唯一編碼與關(guān)聯(lián)研究及面向多應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡(jiǎn)化方法,構(gòu)建了全息、精細(xì)、動(dòng)態(tài)的三維空間數(shù)據(jù)體系,實(shí)現(xiàn)了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)的全空間融合、虛實(shí)融合以及動(dòng)靜融合。
進(jìn)一步,將依托電子政務(wù)云和公共服務(wù)云的高性能計(jì)算和存儲(chǔ)資源池,搭建開(kāi)放、簡(jiǎn)潔和可移動(dòng)的服務(wù)平臺(tái),提供數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化處理與可移動(dòng)服務(wù),實(shí)現(xiàn)整合公共資源,創(chuàng)新空間信息服務(wù)模式。以重慶為應(yīng)用示范,重慶市測(cè)繪地理信息局將在規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)與評(píng)估、 社區(qū)治理等方面開(kāi)展深入應(yīng)用探索,面向政府部門(mén)、企業(yè)及公眾的直接需求,提供新型基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)與服務(wù)。

圖8 “3D+”提升城市