基于開源技術的城市地理信息平臺構建方法研究

冷 爍，李孫偉，胡振中,

基于開源技術的城市地理信息平臺構建方法研究

冷 爍1，李孫偉2，胡振中1,2

(1. 清華大學土木工程系，北京 100084；2. 清華大學深圳國際研究生院，廣東 深圳 518005)

針對城市地理信息平臺構建過程中存在的數據獲取困難、研發成本較高等問題，引入開源技術，對基于開源數據、開源開發平臺與開源工具的城市地理信息平臺構建技術進行研究。所提出的城市地理信息平臺由數據模塊與可視化模塊2部分組成。為構建數據模塊，由開源地理信息項目(OSM)獲取了建筑與區劃數據，并設計了建筑合并算法以提升數據質量。建筑數據隨之基于行政區劃分級存儲，通過由ASP. NET構建的數據接口提供給具體應用。可視化模塊則基于開源地理信息系統(GIS)項目Cesium實現，并設計了完善的用戶界面。以北京市為例，完成了原型系統的開發與測試，證實了該技術體系的可行性，通過開源技術降低平臺研發成本，推進城市地理信息平臺的研究與應用。

城市地理信息平臺；開源；地理信息系統

隨著我國城市化進程的推進，新的建筑與基礎設施不斷建成，城市邊界日益擴張，海量的城市地理空間信息為城市管理提出了更高的要求。基于地理信息系統(geographic information system, GIS)的信息平臺是對城市地理空間信息管理的有效方法。GIS是基于計算機系統，對地理數據進行存儲、查詢與分析的技術，可實現對包含建筑在內的海量城市地理空間元素的有效組織。基于GIS的城市地理信息平臺，則可進一步實現城市地理數據的可視化與應用，為城市管理提供信息支撐。

地理信息平臺對城市管理向數字化、信息化方向轉型升級具有重要意義，已經得到了研究者與政府部門的重視。目前，許多城市地理信息平臺已構建。這些平臺基于GIS技術，是城市管理有效的信息工具。然而，目前城市地理信息平臺的構建仍面臨一定困難，具體表現在建模數據獲取困難、建模技術無法復用等方面，為平臺的研究與應用帶來了額外成本。2個關鍵問題為：

(1) 建模數據問題。城市地理信息平臺的建立需要足量且準確的三維建筑數據支撐。目前，三維建筑數據的來源包括BIM、二維平面圖紙生成及三維測繪數據等。然而，無論是BIM的建立、圖紙處理還是測繪數據的獲取，均需要大量的人工，由此帶來巨大成本。同時，由于數據壁壘的存在，建筑間的數據通常不互通，研發者無法輕易獲取整個城市范圍內的建筑信息，為平臺的建立帶來挑戰。

(2) 信息平臺問題。城市地理信息的管理需要GIS平臺的支撐。然而，目前主流的GIS軟件，如ArcGIS與Google Earth等，均由國外公司研發。隨著單邊主義日漸盛行，這些軟件存在著被政治因素利用，從而帶來技術瓶頸的風險。近年來，國內也在研發GIS產品，為GIS數據管理提供支持。然而，當下國內外主流的GIS產品均是商業軟件，適用于商務活動，但為教育與科研人員帶來額外成本，為平臺的研發與推廣帶來阻力，同時也不利于技術的交流與共享。

為解決上述問題，本文引入了開源技術。“開源”的概念起源于上世紀九十年代，其含義為資源向公眾開放、供人們公開訪問與共享。開源技術極大地降低了技術共享與人才培養的成本，促進了開發者社區的活躍與軟件產業的繁榮。本文基于開源數據、開源工具與開源框架，對城市地理信息平臺的構建方法進行研究，以降低模型構建成本，推進平臺的研究與應用。

1 國內外相關研究綜述

城市地理信息平臺以城市GIS數據為基礎，以地理空間數據可視化為媒介，實現城市地理信息的分析與應用。因此，國內外的相關研究也主要從數據管理、數據可視化、以及信息應用3方面展開。

城市級別的地理空間數據通常規模龐大，且來自BIM與GIS等多個數據源，如何實現海量異源地理信息的有效管理是首要解決的問題。為了實現不同地理數據源間的信息共享，張紅亮[1]提出了一種基于OpenGIS的空間數據共享模式，實現地理空間數據在系統內的透明訪問。對于獲取的BIM和GIS等數據，實現模型間的信息集成具有重要意義。目前，BIM與GIS集成的主要方式是為BIM與GIS的相似概念建立映射，而對于無法映射的概念，則需對BIM與GIS信息定義進行擴展。通過上述方式，EI-MEKAWY和?STMAN[2]實現了IFC與CityGML間的雙向轉換。而RUMOR等[3]設計了一種基于CityGML的虛擬三維城市模型，實現了CAD與BIM信息在GIS中的集成。面對海量的城市地理數據，向紅梅和郭明武[4]開發了地理空間數據管理系統，針對GIS和CAD兩類環境的地理時空數據，提供質量檢查、格式轉換、數據輸入輸出等功能。

地理空間數據的可視化同樣是平臺構建所需解決的關鍵問題。王珩瑋等[5]采用WebGL技術，實現了IFC格式三維建筑模型在Web端的可視化，并支持建筑模型選擇、模型信息查看等功能。BUYUKSALIH等[6]采用游戲引擎Unity，實現了伊斯坦布爾市三維城市模型的可視化。該研究將包含三維城市模型的CityGML數據轉換為Unity可接受的fbx格式，輸入Unity引擎并進行渲染，還用于研究建筑表面的太陽能利用問題。馬洪成等[7]則采用開源框架可視化Cesium，實現了城市建筑模型與數字高程模型的顯示。Cesium是基于WebGL的JavaScript項目，為海量地理空間數據在Web端的可視化提供支持。

隨著地理空間數據的管理與可視化研究的深入，一些集成的地理信息平臺已被開發。其中，ArcGIS[8]是影響力最大的地理信息平臺之一。其實現了高效的數據管理與可視化功能，使研究者不必從底層功能開始開發，而將更多精力投入之地理數據應用中。目前，已構建了許多基于ArcGIS的城市地理信息平臺，如城市供水信息平臺[9]及城市能耗分析平臺[10]等。除ArcGIS外，MapInfo[11]與超圖[12]等一些平臺，也已被開發與應用。研究者多采用二次開發的形式，以實現更高級的應用功能。

無論是通過對數據管理與可視化功能的實現，或是基于現有地理平臺的二次開發，所建立的城市地理信息平臺，目的是實現地理信息在城市管理中的應用。LV等[13]通過自主開發程序，建立了深圳市地理信息服務平臺。該平臺通過一個基于事件驅動的3D地理數據庫，實現海量信息的高效組織與更新，被應用于解決客流預測、邊坡分析等實際問題。YAO等[14]則設計了基于關系型數據庫的城市地理信息管理系統3DCityDB。其針對CityGML格式的三維城市模型，提供數據導入、管理、分析、可視化等功能。甘麟露[15]圍繞可視化項目Cesium開發了對應的數據管理模塊，實現大范圍傾斜攝影模型的可視化及興趣點查詢功能。龍慧萍[16]基于GIS平臺軟件ArcGIS與CityMaker，建立了城市地下管線信息系統，實現了管線數據的查詢、空間沖突分析、斷面分析等功能。龐曉峰[17]則基于超圖平臺進行二次開發，實現對城市規劃中空間信息的組織，并建立了用于西咸新區城市規劃管理的可視化平臺。

上述城市地理信息平臺實現了地理空間信息的集成與管理，提升了城市地理信息的應用水平。然而，目前的平臺開發大多以擁有充足地理數據為前提，開發過程中很少考慮到數據的獲取與采集部分。事實上，城市地理數據的采集需花費大量人力、物力，數據的欠缺是限制平臺推廣與普及的關鍵因素。對于自主開發的城市地理信息平臺，其具有程序可控、使用成本低的優勢，但同時也會帶來巨大的開發工作量。一些平臺則采用了現有的商業軟件，其優勢在于功能齊全、開發便利，但也存在軟件成本高、技術難以共享等問題。目前，已有研究嘗試采用開源技術融合二者的優勢，通過開源工具降低開發工作量與使用成本[14-15]。

本文與相關城市地理信息平臺構建研究的對比見表1。本文在參考先前研究尤其是開源技術應用的基礎上，提出基于開源技術構建城市地理信息平臺的完整流程。如圖1所示，針對數據采集、管理與可視化3個平臺構建的關鍵問題，本文提出基于開源技術的解決方案，由開源地理項目獲取數據，基于開源開發平臺管理數據，并使用開源工具實現數據可視化，最終構建城市地理信息平臺，實現地理信息的服務與應用。

表1 城市地理信息平臺相關研究對比

圖1 基于開源技術的平臺構建流程

2 基于開源項目的數據采集技術

2.1 開源數據采集技術

本文用于構建城市地理平臺的數據包括建筑數據與行政區劃數據2類。本文通過網絡中的公開數據集——開放街道地圖(open street map, OSM)[18]獲取這些信息，其是一個開源的地理信息共享項目，集成了建筑、街道、區劃與地圖影像等各項地理信息。OSM為開放數據庫許可(open database license, ODbL)方式。在該許可下，用戶可以自由地獲取、分享與修改OSM數據庫中的地理數據。

平臺所需的建筑數據來源于OSM下的子數據集OSM Buildings。該數據集存儲了世界范圍內的建筑數據，每棟建筑具有幾何輪廓、建筑類別與名稱等屬性。其數據以GeoJson格式，通過應用程序接口(application program interface, API)向公眾公開即

GET http(s)://data.osmbuildings.org/0.2/anonymous /tile/{}/{}/{}.json

該接口使用瓦片網絡地圖的形式確定請求建筑的區域范圍，需輸入,與3個參數。其中，為地圖的縮放等級，OSM Buildings提供縮放等級為15級以上的建筑數據；為瓦片的水平坐標；為瓦片的垂直坐標。瓦片網絡地圖以墨卡托投影的形式將世界地圖轉換為平鋪地圖，并采用2個瓦片對地圖進行等分。在OSM的瓦片網絡地圖體系中，墨卡托投影原點為北緯90°，西經180°。經緯度坐標(,)與瓦片坐標(,)的對應關系為

平臺所需的行政區劃數據則來源于OSM的另一個子數據集OSM-Boundaries。該數據集存儲了全球主要國家的省、市、縣/區、以及鄉鎮/街道等多級行政區劃數據。對每個區劃，OSM-Boundaries可提供其名稱、從屬關系以及邊界坐標等信息。OSM-Boundaries提供了API與用戶交互下載2種數據獲取方式。由于數據量不大，本文選擇通過用戶交互方式人工下載。

2.2 開源數據預處理技術

由OSM Buildings獲取的建筑數據中存儲了建筑的幾何(底面輪廓)和語義(包括名稱、類別、樓層數等)2部分信息。其中，建筑的底面輪廓存在著被錯誤切分的情況。如圖2所示，同一棟建筑可能會被錯誤地分割為多棟建筑，其底面輪廓也被切分為多個多邊形，使建筑信息出現混亂。因此，本文設計了對應的數據預處理算法，以合并屬于同一個建筑的多邊形，提高城市地理信息質量。

圖2 建筑錯誤切分示例

預處理算法包括2個步驟，①在所有建筑中找到需合并的建筑；②對建筑進行合并。待合并的建筑具有在空間上相鄰的特征。考慮到城市中建筑數量很多，兩兩匹配搜索待合并建筑將消耗大量時間，算法采用區域劃分技術加速搜索。如圖3所示，可將城市平面等分為×個區域，和與城市邊界的長寬成正比，從而使每個區域的面積基本不變。對每一棟建筑，算法需首先判斷其所屬區域；隨后，僅需在該建筑相鄰的九片區域中搜索待合并建筑。這是由于待合并建筑必定相鄰，若不相鄰，則其他區域中也不存在需合并的建筑。若平面內的建筑密度恒定，對每棟建筑而言，其待搜索區域內建筑數量也不變，該算法可在線性時間內完成全部建筑的搜索，優于遍歷搜索或動態規劃。

圖3 數據預處理算法

在找到待合并建筑后，算法將建筑合并問題轉換為多邊形取并集的問題，而一些開源的多邊形運算工具已經被開發。本文調用開源工具通用多邊形剪切器(general polygon clipper, GPC)[19]實現對多邊形的合并。對非商業應用，GPC可無需授權協議免費使用，而對商業應用，用戶需取得特定的GPC商業使用許可。

3 基于開源開發平臺的數據管理技術

3.1 數據集成與存儲

盡管一些高效組織地理空間信息的數據格式，如本文采用的可視化工具Cesium所定義的3D Tiles格式，已經被提出，但其主要面向幾何數據的傳輸與可視化過程，在需要頻繁查詢與寫入的場合效率較低，對建筑的語義信息也缺乏足夠支持。因此，本文仍采用傳統的數據文件形式組織建筑信息。由OSM Buildings獲取的原始數據包含了城市區域內所有建筑的信息，并統一存儲于一個Json文件中。城市內包含數量龐大的建筑信息，以單一文件存儲將降低數據查詢與處理的效率，也為數據可視化帶來挑戰。因此，提出一種將建筑信息與區劃信息集成的方法，實現對建筑文件的層次組織。對每棟建筑，該方法首先遍歷行政區劃中的縣/區層級，依據建筑位置以及行政區劃的邊界范圍，判斷建筑所屬的縣/區。隨后，重復上述步驟，并得到建筑所屬的鄉鎮/街道。判斷建筑是否位于區劃范圍內的方法采用了經典的射線算法。

在完成信息集成后，本文將建筑數據按照其所屬區劃進行分級存儲。如圖4所示，每個鄉鎮/街道層級的行政區間分別建立一個Json文件，區劃內的建筑被寫入對應的文件中。不同區劃的文件按照市、縣/區、鄉鎮/街道三級，分層組織為文件系統。數據文件則按照“市_縣/區_鄉鎮/街道”的編碼格式統一命名，以便拼接文件的統一資源定位符(uniform resource locator, URL)并進行訪問。鄉鎮/街道層級的文件中建筑數量一般以千為單位。按照其組織方式，在查詢特定建筑時，通過預先給定的行政區劃，搜索范圍可大幅縮小。

3.2 自動化信息服務

本文將數據文件部署于云端，并搭建了數據接口，以向城市地理信息平臺提供自動化信息服務。用于實現數據接口的框架選定為ASP. NET[20]。ASP. NET是基于.NET平臺的開源開發框架，對包括Web API在內的多項Web應用提供開發支持，其具有快速、可擴展與安全性等特征。ASP. NET的使用遵循微軟公共許可(Microsoft Public License, MS-PL)協議。

基于ASP. NET Web API，本文構建了Restful風格的數據接口。接口以URL傳值的形式接受參數。見表2，面向建筑信息管理與幾何數據可視化兩方面的需求，本文設計了多項數據接口，以向城市地理信息平臺提供數據支持。其中，接口以Json格式傳遞單體建筑與建筑群數據，而采用3D Tiles文件傳遞建筑幾何模型數據。

4 基于開源工具的數據可視化技術

4.1 三維模型建立技術

基于云端數據與信息服務，本文對城市地理信息平臺進行開發，為此需首先實現城市地理空間信息的可視化。如圖4所示，由OSM Buildings獲取的原始數據僅包含建筑物的二維平面坐標，難以支撐城市地理空間信息的顯示。因此，提出了基于建筑物平面幾何信息和語義信息，生成三維幾何模型的方法。三維模型的建立流程如圖5所示。本文首先由建筑物的語義信息獲取其高度。由于OSM Buildings的數據由用戶共享得到，并非所有建筑均擁有完整的屬性項。若建筑物無高度信息，則根據其樓層數，按每層3 m進行估算。隨后，根據建筑物平面坐標及高度，確定其三維空間中的頂點坐標，并由三維頂點確定建筑物的頂面與立面。對每一個平面進行三角面片化，以數個三角形的形式表示平面多邊形。基于多邊形生成三角面片的研究已較為成熟。本文采用開源工具Poly2Tri[21]實現這一步驟。該工具的使用遵循三句版伯克利軟件發行(Berkeley Software Distribution, BSD)許可協議(BSD 3-Clause “New” or “Revised” License)。本文采用幾何領域通用的OBJ格式文件對三角面片進行存儲，從而生成建筑物的三維幾何模型。

表2 基于ASP. NET的數據接口設計

圖5 三維模型的建立流程

值得說明的是，由于OSM Buildings提供的建筑幾何數據以經緯度為單位，而三維模型的可視化通常以米為單位，因此需要進行坐標轉換。如圖6所示，用戶選定區域后，以選定區域的中心點為原點，設其經緯度坐標為(0,0)，其轉換后的坐標被確定為(0, 0)。對待轉換區域中任意一點(1,1)，本文以WGS84坐標系為基準計算其轉換后坐標(,)

圖6 建筑物的坐標轉換

4.2 基于Web的可視化技術

本文基于開源項目Cesium[22]實現對建筑模型的可視化。Cesium是一個Web端的JavaScript項目，用于實現全球地理空間數據的分析與顯示。其使用遵循Apache 2.0許可。除程序代碼外，Cesium項目還包括一個開放數據標準3D Tiles，用于海量地理空間數據的傳輸。為了實現建筑模型向Cesium的導入，本文首先將存儲建筑幾何信息的OBJ文件轉換為3D Tiles格式。該過程由同樣遵循Apache 2.0許可的第三方開源工具objTo3d-tiles[23]完成。隨后，調用Cesium函數對3D Tiles文件進行讀取和解析，即可實現建筑模型的顯示。

由于在三維模型生成過程中，建筑由以經緯度為單位的全局坐標系轉換為以米為單位的局部坐標系，因此，還需實現建筑模型在全局的正確定位，以將地理空間元素與航拍底圖對齊。Cesium采用地心笛卡爾坐標系定義全局空間元素，并在3D Tiles文件中提供了轉換矩陣選項，用于將局部坐標映射至全局坐標。本文采用objTo3d-tiles[23]工具實現轉換矩陣計算，通過轉換區域中心點的經緯度與海拔高度(設定為0 m)得到矩陣，并寫入3D Tiles文件中以完成建筑模型的全局定位。

5 原型系統開發與測試

5.1 數據模塊開發

本文以北京市為例，通過上述技術流程構建城市地理信息平臺。北京市經度范圍為東經115.7°~117.4°，緯度范圍為北緯39.4°~41.6°。按式(1)和式(2)，在15級縮放下的瓦片網絡地圖中，其對應的瓦片橫坐標范圍為26915~27070，縱坐標范圍為12212~12476。本文構建了數據自動采集程序，通過OSM Buildings提供的數據接口，向OSM服務器發送HTTP GET請求，以獲取區間內的建筑信息。將不同瓦片內的數據合并后，共得到有效建筑信息73 591條，數據文件大小45.8 MB。同時，從OSM-Boundaries數據集，獲取了北京市、縣/區、鄉鎮/街道層級的行政區劃輪廓數據，文件大小為7.2 MB。

隨后，對北京市建筑與區劃信息進行集成，并將建筑數據文件按“城市-縣/區-鄉鎮/街道”的層級進行組織。經集成后，北京市16個區所含OSM建筑數量如圖7所示。可見，OSM Buildings所采集的建筑數據多位于東城、西城、朝陽、海淀等核心城區，而遠郊區的建筑數量則相對較少。此外，由于請求數據的范圍是北京市的外接矩形，而非嚴格的北京市區域，因此一些不屬于北京市的建筑也被獲取。本文所提出的集成方法將這些建筑一并濾出。在鄉鎮/街道一級，算法共建立了259個建筑文件，而截至2020年，北京市的鄉鎮/街道行政區劃共318個。經調查，缺失的區劃文件大多屬于遠郊城區，這與OSM數據在遠郊的缺失有關。而在北京市的核心城區，OSM Buildings提供的建筑數據較為完整。

圖7 建筑與區劃信息集成結果

將建筑信息按行政區劃組織有助于提高信息檢索效率。為了驗證這一效果，本文基于原始數據文件與層級組織后的數據文件，對城市地理信息平臺構建過程中的3項數據處理過程進行測試，其結果見表3。對3項信息處理方式，以行政區劃組織建筑文件均可提升信息處理的效率。對基于ID獲取建筑數據、以及錯誤分割建筑的合并過程，由于搜索算法對數據集規模較不敏感，因此2種數據組織方式的效率大致相當。而對由經緯度范圍獲取建筑群數據，由于采用遍歷搜索實現信息檢索，按行政區劃組織文件可帶來明顯的效率提升。

基于層級組織的數據文件，本文對錯誤分割的建筑進行搜索與拼接。搜索算法共查找到待合并的建筑6 466棟。經合并后，有效建筑總數為61 282棟。隨后，研究基于鄉鎮/街道一級的建筑文件，生成了3D Tiles格式的建筑幾何數據，并基于ASP. NET框架實現了數據接口，從而完成了數據模塊的開發。

5.2 可視化模塊開發

基于Cesium，本文對數據可視化模塊進行開發，從而構建起完整的城市地理信息平臺。如圖8所示，可視化模塊在讀入建筑幾何數據后，通過轉換矩陣將其映射至地心坐標系，并實現與地圖底圖的貼合。最終顯示效果為三維建筑模型與二維平面地圖的結合。經測算，平臺可實現兩萬枚三角面片的流暢顯示，支撐鄉鎮/街道層級建筑群的可視化。對于更大規模的模型，如縣/區一級的模型文件，其瀏覽將較為卡頓。這是由于Cesium是Web端的輕量化應用，僅提供了幾何圖形繪制功能，并未對大規模模型的顯示進行優化，在導入時需要較長處理時間，導致幀率降低。對此問題，可通過幾何模型簡化及引入細節層次(level of detail, LOD)技術加以解決。

基于可視化界面，平臺進一步對用戶接口(user interface，UI)進行設計，開發了具有良好用戶交互功能的平臺前端。如圖9所示，平臺前端實現了對行政區劃信息、建筑幾何信息和建筑語義信息的集成。用戶可通過左上角的導航菜單實現不同行政區劃的建筑模型切換。建筑的幾何信息則以三維模型的形式呈現在平臺中。用戶可選擇不同的建筑模型，并在右上角的表單中查看建筑的語義信息。除實現了基礎的信息顯示與查看功能外，平臺還為基于城市地理信息的高級應用預留了UI。開發者可便捷地根據平臺預留的數據接口與UI進行二次開發，從而實現城市地理信息的進一步應用。

表3 以行政區劃組織建筑信息的效果

圖8 平臺的顯示效果

圖9 平臺的用戶界面

5.3 討論

本文基于開源數據、開源工具與開發平臺，完成了城市地理信息平臺的開發。表4總結了本文在開發過程中涉及的各項開源技術。值得注意的是，這些技術遵循不同的開源許可協議，其使用范圍也受到協議的限制。本文所采用的開源技術均可應用于科研與教育等非商業活動中。因此，在經過聲明后，基于這些技術構建的城市地理信息平臺也可滿足科研與教育的需求。而對于商業應用，則需根據實際情況，對部分開源技術進行替換。

表4 平臺開發過程中涉及的開源技術

作為一項應用了諸多開源技術的開發項目，本文所提出的技術與方法也計劃進行開源。目前，案例研究中所構建的北京市地理信息平臺已對公眾開放(平臺部署網址為http://www.huzhenzhong.net: 14025)，用戶可通過訪問該網站獲取本文所使用的數據，包括來自OSM的原始數據以及本文生成的三維模型文件。平臺的前端源代碼也可在該網站下載。對于平臺的后端模塊，由于基于平臺的高級應用正在進行開發，程序代碼需頻繁進行變動。后端代碼將在程序穩定后一并進行開源。

本文以開源數據集OSM作為城市地理信息的來源。OSM是一個優秀的地理信息共享項目，可以以較低的成本獲取全球范圍內的城市GIS數據。然而，相對于通過測繪或設計得到的建筑數據，OSM所提供的數據質量仍相對較低。具體表現在城市遠郊地區的數據缺失、部分建筑被錯誤分割等方面。本文設計了數據預處理算法，以合并被錯誤分割的建筑，提高了OSM的數據質量。對數據缺失的問題，則可以通過多源數據合并的方式加以解決。即，以開源的OSM數據為基礎，融合由測繪、設計或其他數據源得到的建筑信息，最終形成較為完整的城市建筑數據，支撐地理信息平臺的搭建。

目前，平臺在顯示較大規模的建筑群模型時，仍有卡頓現象。此問題可通過建筑模型簡化、以及LOD技術加以解決。建筑模型簡化是指在保證模型外觀不失真的情況下，降低模型體量的技術。HU等[24]曾提出了針對MEP構件的幾何優化與顯示優化算法，有效降低了MEP模型所需顯示的三角面片數。對城市建筑模型同樣可設計對應算法，提高顯示效率。而LOD技術則可將建筑模型根據其詳細程度分為不同層級。隨著與攝像機距離的增加，加載模型的詳細程度逐漸降低，從而降低所需渲染的三角面片數量。Cesium也對LOD技術提供了支持。3D Tiles文件提供了HLOD (Hierarchy LOD)特性，可以樹結構組織不同LOD的建筑模型。利用這一特性，CHATURVEDI等[25]已實現了紐約市超過100萬棟建筑的無縫瀏覽。基于OSM數據與模型簡化技術，可以建立不同LOD的建筑模型，并隨著與攝像機的距離逐級加載，提高模型瀏覽效率。

6 結 論

針對城市地理信息平臺構建過程中存在的建模數據獲取困難、信息平臺研發成本高等問題，本文對基于開源技術的城市地理信息平臺構建方法進行研究，以降低平臺研發應用成本，促進技術的交流與共享。為了構建城市地理信息平臺，本文首先由開源數據集OSM獲取了城市建筑與區劃數據，并設計了建筑合并的預處理算法，以提高開源數據質量。隨后，提出了基于行政區劃層次組織建筑數據的方法，以實現信息的高效訪問，并設計了數據接口，完成數據模塊的構建。最后，對三維模型的建立技術進行研究，并基于開源項目Cesium構建了基于Web的可視化模塊，完成地理信息平臺的研發。以北京市為例，對本文所提出的技術流程進行驗證，成功構建了北京市地理信息平臺，證實了方法的可行性。本文方法可以較低成本構建地理信息平臺，技術易于共享與復現，為城市地理信息管理提供了開源的解決方案。

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Research on establishment of city geographic information platform based on open source technology

LENG Shuo1, LI Sun-wei2, HU Zhen-zhong1,2

(1. Department of Civil Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China; 2.Shenzhen International Graduate School, Tsinghua University, Shenzhen Guangdong 518005, China)

To solve the problems in the establishment of city geographic information platform including difficulty in data acquisition and high development cost, this paper introduced open source technologies, and proposed a platform establishment method based on open source data, open source tools and open source framework. The proposed platform consists of two parts, including the data module and the visualization module. In order to construct the data module, the open source geographic project open street map (OSM) was selected to obtain building and division data, and a building merging algorithm was designed to further improve data quality. The building data was then organized hierarchically based on administrative divisions and provided to specific applications through the data interface constructed by ASP. NET. The visualization module was implemented based on the open source geographic information system (GIS) project Cesium, and complete user interfaces were designed. Taking Beijing as an example, we carried out the development and testing of the prototype system, and confirmed the feasibility of the proposed technical route. The advantages of open source technologies were fully considered in this paper to reduce platform development costs and promote the research and application of city geographic information platform.

city geographic information platform; open source; geographic information system

TU 17

10.11996/JG.j.2095-302X.2020061001

A

2095-302X(2020)06-1001-11

2020-07-30；

2020-09-12

30 July，2020；

12 September，2020

國家重點研發計劃項目(2018YFD1100900)；國家自然科學基金項目(51778336)

National Key Research and Development Program of China (2018YFD110090501); National Natural Science Foundation of China (51778336)

冷 爍(1996-)，男，河南濮陽人，博士研究生。主要研究方向為建筑信息模型。E-mail：lengs18@mails.tsinghua.edu.cn

LENG Shuo (1996-), male, PhD candidate. His main research interest covers BIM. E-mail：lengs18@mails.tsinghua.edu.cn

胡振中(1983-)，男，廣東惠州人，副教授，博士。主要研究方向為土木與海洋工程信息技術。E-mail：huzhenzhong@tsinghua.edu.cn

HU Zhen-zhong (1983-), male, associate professor, Ph.D. His main research interests cover information technologies in civil and ocean engineering. E-mail：huzhenzhong@tsinghua.edu.cn