武漢市實景三維城市建設的實踐和思考

肖建華，李鵬鵬，彭清山，李海亭

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

實景三維建設是新型基礎測繪建設的主攻方向，是黨中央、國務院和自然資源部對測繪工作在新時期的新要求、新部署，是為國家戰略的實施、自然資源“兩統一”管理服務的必要舉措，也是測繪業界轉型創新的一個共識。

武漢市自2000年前后開始生產和應用三維模型，包括模型三維、傾斜三維、全景三維、點云三維等成果，形式豐富，覆蓋面大，在武漢市城市規劃、城市治理、大型活動保障[1]和生態文明建設中發揮了重要作用。

2019年1月21日，自然資源部批復武漢市為全國首個新型基礎測繪建設試點城市，5月24日，試點項目正式啟動[2]。經過一年的試點建設，作為新型基礎測繪主攻方向的實景三維建設，進入了探索和實踐的關鍵期。

2 實景三維的內涵與特征

隨著科學技術的不斷發展、應用需求的不斷增加和自然資源精細化管理的要求越來越高，各界對實景三維的建設愈發迫切，實景三維建設面臨著新的形勢。

2.1 為什么要建實景三維

一是文明進步的趨勢：從甲骨文到《山海經》，從徐光啟到利瑪竇，從《皇輿全覽圖》到數字地球，古今中外，測繪發展與人類文明進步緊密相扣，人類對世界維度的理解和認知更加深刻。

二是技術發展的必然：從以繩、表、尺、規、矩為主要工具的簡單測量到水準儀、經緯儀、全站儀，再到衛星、飛行器、移動測量車等空天地一體化的精密、全息測量，從文字記載、信鴿傳書的印象時代到萬物互聯的現代化網絡時代，可用好用的技術支撐手段越來越豐富、高效，測繪對世界的刻畫更加多樣化。

三是信息時代的剛需：實景三維是現實世界的真實映射，是時空信息最直接的、最有效的載體，是數字化管理的重要組成部分，已應用到社會生產生活的每一個角落。

四是現代化建設的要求：豐富的多維可視化時空信息和屬性信息是實景三維的優勢，是高質量發展、國家現代化治理體系和治理能力建設的要求和重要基礎[3]。

2.2 實景三維發展的基礎

20世紀60年代開始研究的三維線框模型，被認為是近現代三維模型建設的雛形和開端；計算機技術的迅猛發展，三維模型建設的軟件和硬件支撐能力突飛猛進，數據獲取和處理的技術手段越來越多、越來越成熟；三維數據的需求膨脹，賦能三維產業的蓬勃發展，在智慧城市建設、城市精細化治理等方面登上舞臺并發揮重要作用。

2.3 實景三維城市建設的演進

二維數據一直以來都是測繪的重要產品，在國家發展中發揮了基礎性、戰略性的作用，但也存在高程信息不直觀、語義信息不足、層次化表達缺乏、空間關系粗略的缺陷。武漢市從2000年開始，運用基于二維數據生產的模型三維在城市設計、規劃方案比選等方面開展應用，為武漢市規劃建設起到了重要的積極作用。但模型三維也存在生產成本高、“偶像派”展示、場數據表達弱等問題。

隨著技術的發展，實景三維的建設具備了條件：

(1)空天地海一體化的采集方法、地質調查[4]手段等的成熟，為實景三維數據的快速采集提供支撐；

(2)數據處理能力大幅提升，為實景三維數據的快速處理和共享給予了保障；

(3)基于“4D”數據的三維模型[5]和全景地圖成果[6]，為實景三維建設的應用提供了范例。

2.4 實景三維的內涵

實景三維具有單體化、實體化、結構化、語義化以及生產應用上的自動化、輕量化特點，能夠高精度、非尺度、全要素表達空間關系，語義豐盈，是新型基礎測繪的一種典型產品[7]。

2.5 實景三維城市建設的特征

實景三維城市的建設是實景三維中國建設的一個樣本，主要有以下特征：

(1)產品形式多樣，實景三維城市的產品更加直觀、可量、可算，兼具量化和具象特征；

(2)成果信息豐富，蘊含的信息能夠達到“能看得清、能看得準、能看得對、能看得及時”的要求；

(3)應用服務更廣，廣泛在城市更新、專項城市規劃及個性化應用等方面發揮作用；

(4)投資主體多元，是公益性與商業性相結合的，政府投入與市場參與并重的。

3 武漢三維建設的實踐

武漢市經過多年的探索實踐，生產了一系列豐富的三維成果產品，在武漢市規劃建設發展中開展了相當的應用經驗。

3.1 三維地形建設

三維地形是通過DOM與DEM疊加，反映高低起伏的地表形態的一種連續性表面模型。

武漢市通過基礎測繪建設，計劃性、周期性采集和獲取、生產數字表面模型、數字正射影像，目前已實現了全市域 8 569 km2全覆蓋的地形實景三維，現階段三維地形的影像分辨率優于 10 cm，每5年至少更新一次。

3.2 模型三維建設

模型三維是以DEM、DLG、DOM等二維數據和紋理數據為基礎，采用3ds Max等軟件，將立方體、球體等幾何元素通過平移、旋轉、拉伸及布爾運算等幾何操作，構建城市幾何場景的一種數據。

模型三維建設上，經過近二十年的努力，武漢市基于 1∶500、1∶2 000地形圖、遙感影像、街景地圖等基礎地理空間框架數據，應用專業建模軟件，共計完成了 1 000多平方公里模型三維的建設，實現了中心城區房屋建筑、道路(軌道交通)、地下建(構)筑物、地質地層的全覆蓋，并制定了城市三維模型建設的相關標準和規范。

3.3 傾斜三維建設

傾斜三維是利用飛行平臺、傾斜相機等專業設備采集的序列傾斜影像，通過傾斜影像建模處理軟件生成的三維模型數據。

傾斜三維建設上，武漢市運用有人機、無人機、專業傾斜相機等設備以及傾斜攝影三維建模軟件，結合城市規劃建設、城市治理需求，開展城市傾斜三維模型生產和應用，目前已建設了 306.7 km2的傾斜三維模型，覆蓋長江主軸、長江新城核心區，分辨率優于 5 cm。

3.4 全景三維建設

全景三維是一種利用全景照片(視頻)與激光點云數據配準融合后能提供全視角、可量測的實景三維數據。

全景三維建設上，在第七屆世界軍人運動會籌備期間，武漢市采集了25條重點保障線路 840 km全景視頻流數據，共采集了4次；另外基于移動推掃設備的室內彩色點云和全景，目前已覆蓋武漢市40.9萬平方米地下建(構)筑物和已投入運營的184個地鐵站點。

3.5 實景三維建設

實景三維是客觀真實反映現實世界的三維模型，具有單體化、實體化、結構化、語義化的特點，通過融合模型三維、傾斜三維、全景三維，形成可空間量算和綜合分析的模型，是一種泛三維，集多種模型優點于一體的三維數據成果。

實景三維建設上，武漢市目前正在結合新型基礎測繪項目試點開展建設工作，試驗的核心區面積 28.29 km2，分辨率優于 3 cm。

3.6 三維成果應用

武漢市目前建設的三維成果廣泛應用于城市規劃與城市設計、地下空間調查與設計、歷史風貌街區和建筑保護、城市環境整治提升、城市更新、交通運行管理、重大活動管理、耕地保護和監控、生態修復的評價、礦山治理、地質災害評估和模擬等方面，為武漢市經濟社會發展發揮了重要的作用。

3.7 實景三維建設規劃

武漢市實景三維建設已列入《武漢市基礎測繪十四五規劃》，計劃投入近億元，按照“實景三維中國”建設總體目標，結合發展需求，發揮傾斜攝影與LiDAR等新型測繪技術在空、天、地一體化方面的技術優勢，提升全市三維覆蓋能力水平和效能，分類、分級、分區開展城市三維模型建設與更新。

4 城市實景三維建設的思考

4.1 關于建設的層級

實景三維中國的建設根據適用尺度、精度粒度、應用服務等特點，可分為地形級、框架級、單體級三個層級。

地形級主要適用于宏觀層面的區域可視化表達和空間分析，面向大尺度、相對低精度要求(此精度指“五精度”，即幾何、紋理、時間、屬性、類別精度)、政府財政投入的公益性應用服務，如宏觀規劃等，展現山川河流等地貌形態及城市、村鎮的分布與形態，主要產品形式是DOM與DEM疊加生產的地形數據。

框架級是立足于中觀層面的城市級別，構建城市視角的實景三維，有針對性和選擇性地對重要道路、建(構)筑物等進行單體化、語義化、三維化乃至實體化處理，為城市規劃設計、城市治理等方面提供支持，產品形式有傾斜三維、模型三維、點云三維等等。

單體級主要適用于中觀和微觀層面的空間實體精細化表達和統計分析，精度要求較高，以單體化、實體化和語義化為主要特征，產品形式多樣，包括模型三維、傾斜三維、全景三維、點云三維、BIM等，公益性和商業性投入并行，在城市更新、專項規劃、城市治理等方面廣泛應用。

4.2 關于建設的內容

從生產方式、數據結構、精度控制、數據更新和表現力上對比目前主要的4種三維數據[8]，如表1所示：

幾種三維數據的對比 表1

通過對比，能夠發現，一方面，城市實景三維建設的產品形式是豐富多樣的：

(1)各類產品在不同階段、背景和場景下各有優勢，不可偏廢；

(2)各類產品成果在現實應用上也是相互融合的，相得益彰。

另一方面，城市實景三維建設是多領域融合發展的，是BIM、CIM建設在深度、廣度上的融合發展：

(1)BIM是城市實景三維在空間和應用顆粒度上的細化和深入；

(2)城市實景三維是支撐CIM最重要的底板，是數字孿生城市建設的關鍵基礎。

4.3 關于建設的指標

城市實景三維建設評價的指標與“生產、生活、生態”有機結合，總體上應滿足“四看”“五精度”的要求：

(1)看得清，即紋理精度，可清晰獲取實體形象特征、要件形態特征；

(2)看得準，即幾何精度，能準確進行空間位置判定和空間形態認定；

(3)看得對，即類別和屬性精度，能精確讀取實體品類、門類等類別信息，以及性質、關系等屬性語義信息；

(4)看得及時，即時間精度，能滿足應用需求的時間分辨率。

4.4 關于建設的路徑

城市實景三維是關系國防安防、城市規劃、智能交通、生態環保、人工智能等諸多產業發展的重要應用技術，現階段具備了充分的技術儲備和市場需求，但是也面臨缺少行業標準體系和全國范圍內的頂層設計的風險，建議按照“聚焦職責、統籌謀劃、以用促建、試點先行”的原則，在規劃引領、資源調配和時間計劃上，謀求城市實景三維乃至國家實景三維建設高質量、高標準、高效率地開展和推進，如圖1所示：

圖1 實景三維中國建設路徑

(1)聚焦職責

聚焦自然資源“兩統一”職責，支撐自然資源管理，服務生態文明建設，支撐各行業需求，服務經濟社會發展，開展城市實景三維建設。在基本農田保護、建設用地管制、自然資源調查、清查、普查、生態空間修復、城市規劃等方面開展具體研究應用，履行城市更新、城市治理、城市管控的工作職責。

(2)統籌謀劃

加強頂層設計，合理分級分工。國家層面上，利用遙感數據，建設全球地形級實景三維框架，著力形成宏觀尺度的成果，同時對重點區域如長江經濟帶、黃河生態保護區及西部地區如拉薩、青海等地開展單體級實景三維建設；省級層面上，建設省級地形級實景三維，結合省級重點功能發展區，開展單體級實景三維建設；市級層面上，主要面向單體級實景三維城市的建設，針對重點區域，融合BIM、CIM建設，開展城市更新、規劃建設服務。

(3)以用促建

在實景三維中國的推進過程中，邊建邊用。關鍵技術上，利用傾斜攝影、激光雷達、移動測量新型測繪技術與物聯網、大數據、人工智能技術融合的優勢，提升技術支撐能力；標準制定上，制定分類、精度、采集、處理、應用等標準規范，強化標準指引的作用；組織管理上，政府與市場并重，多方參與，縱向上厘清國家、省、市縣權利義務，橫向上與生態環境、農業等部門加強交流應用，發揮實景三維中國的作用；信息共享上，創新數據組織和聯通共享方式，打破信息孤島。

(4)試點先行

以生態優先、綠色發展理念為導向，探索實景三維中國高質量發展的新路子，在一帶一路建設、海洋強國、生態文明建設等國家重大戰略實施區域，先行開展試點建設，探索產品形式、技術路線、組織管理機制、應用模式、標準規范體系，形成示范效應和帶動作用，形成實景三維中國建設與區域經濟社會發展整體聯動、協同前進局面。

5 結 語

實景三維中國是落實黨中央、國務院對測繪工作在新時期的新要求、新部署、新技術，是黨中央的決策部署、國家的戰略實施、自然資源“兩統一”管理的有力保障和重要服務，也是測繪工作轉型升級的新目標、新舉措，是國家新型基礎測繪建設的主攻方向。

在實景三維中國的建設的思路上，要充分認識到新時期測繪工作“三駕馬車”-新型基礎測繪、實景三維中國和時空大數據云平臺三者的關系：新型基礎測繪是能力基礎，實景三維中國是數據基礎，時空大數據平臺是服務基礎。實景三維中國的建設需要全體測繪從業者以新時代測繪工作“兩支撐兩服務”為指引，共同探索和創新，通過不斷奮斗和努力，共同譜寫實景三維中國建設的新篇章。