城市三維房屋住宅管理平臺開發的關鍵技術

俞 政

(湘潭市勘測設計院, 湖南 湘潭 411100)

0 引言

近年來,隨著城市化進程加快,房地產業發展迅猛,房屋住宅區建設日益增多,如何高效進行房屋住宅區管理則是房管部門一項重要工作[1]。目前房管部門采用傳統二維房屋住宅區管理平臺,能夠較好地管理房屋住宅區的相關信息,但隨著房屋結構、形狀和空間分布也日益復雜、房屋管理不斷向立體化和規模化發展,傳統二維房屋住宅區管理平臺由于缺少維度信息,無法真實反映房屋的全部信息[2],而三維地理信息系統(three-Dimensional Geographic Information System,3DGIS)可以為房屋住宅提供全要素信息,利用城市三維模型進行房屋住宅管理,成為應用熱點之一。傳統上利用地形圖或者點云數據進行三維建模,建設的模型雖然精細和美觀,但是存在建設和更新周期長、模型不真實、費用高和模型單體化困難等缺點[3],因此,三維數據在房屋住宅管理中應用程度一直不高。現在隨著傾斜攝影技術的發展,它顛覆了傳統正射影像只能垂直拍攝的局限,可以從四個不同角度獲取地物影像,能夠快速、大范圍、高精度地進行城市三維模型建模,獲得能夠真實反映地物、建模自動化程度高、周期較短的城市三維實景模型[4]。論文結合實際情況,旨在解決如下問題:一是房屋住宅二三維一體化管理;二是輔助領導進行科學決策分析;三是輔助房管部門相關科室業務管理,如房屋權屬管理、老舊小區綜合治理以及房屋住宅安全管理等;四是房管部門其他信息平臺一體化集成。

1 平臺設計思路

城市三維房屋住宅管理平臺(以下簡稱平臺)采用CityMaker作為三維開發平臺,構建一個由空間數據庫系統集成,利用傾斜攝影技術進行三維建模,實現在同一個三維空間中,對影像數據、地形圖數據以及房屋住宅數據等融合疊加,能夠快速瀏覽大面積的城市三維實景模型、數字高程模型等[5],并能夠以城市三維模型的方式形象、直觀地展示房屋住宅的各種空間形狀和空間關系。平臺融合了現狀地形、地名地址、道路、房屋住宅專題數據等,形成了一個基于三維空間、虛擬現實的城市三維房屋住宅管理平臺,在平臺中,可以實現查看房屋小區、棟、層的權屬信息,老舊小區改造前后的效果以及房屋征拆遷場景等。

1.1 平臺結構

平臺結構采用瀏覽器/服務器模式(Browser/Server,B/S)和服務器/客戶機(Client/Server,C/S)混合搭建的模式,充分利用了B/S模式下的分布式、易擴展的優點以及C/S模式下數據處理能力強的優點[6]。這種模式實現了城市三維模型和其他信息資源存儲于服務器中,并提供統一的數據服務,每個客戶端可以根據自身需求進行調用。平臺運行時,利用客戶端程序存儲服務器中的數據,在服務器中集中進行運算,減少數據傳輸量,增強客戶端機器的數據表述能力,提高數據的處理效率。

1.2 平臺總體框架

平臺總體框架設計包括四層:基礎設施層、數據層、服務層和應用層。平臺三維數據的全要素和全紋理的優勢與房屋住宅的專題數據融合,大大提升城市房屋住宅的管理能力,平臺總體框架設計如圖1所示。

注：LOD為多細節層次

基礎設施層包括支持城市大面積城市三維實景建模的航空攝影及集群計算,軟件環境包括專業軟件和系統軟件,基礎硬件環境包括安全環境、網絡環境和存儲環境等[7]。

數據層包括基礎數據的獲取、數據處理、數據管理和數據入庫,數據主要通過基礎設施層航飛獲得,房管部門自身也有部分數據。數據處理一方面是對高清的航片進行加工和建模,另一方面是對房屋住宅數據進行整合和處理。數據管理實現了對城市三維模型和房屋住宅數據等管理,如基礎地理信息管理、數據入庫管理、數據分發與服務等。數據庫建設是對數字高程數據、城市三維實景數據和其他數據進行入庫。

服務層包括二維服務和三維服務。二維服務包括平臺傳統的瓦片服務、業務數據服務、矢量數據服務等;三維服務利用城市三維實景模型進行三維實景模型展示服務、房屋專題數據查詢統計服務、房屋業務數據查詢統計服務。

應用層是平臺的核心功能,包括三維實景模型展示管理、房屋住宅權屬管理、房屋老舊小區綜合整治和房屋安全管理等。

2 平臺的關鍵技術

2.1 基于無人機傾斜攝影技術的城市三維實景模型構建

目前城市三維實景模型數據建模主流的方式有三種:一是傾斜攝影人工干預建模的方法;二是傾斜攝影+機載激光掃描進行三維建模的方法;三是利用無人機傾斜攝影技術進行自動化三維建模的方法[8]。本文根據實際需求,采用無人機傾斜攝影技術,利用Smart3D軟件進行自動化三維建模,城市三維建模流程圖如圖2所示。其核心工作包括兩部分:一部分是無人機傾斜攝影,這里主要工作有無人機航飛準備工作、無人機航飛、像控點測量、傾斜攝影影像獲取和質檢等;另一方面是利用Smart3D軟件,對傾斜攝影影像成果進行自動化三維建模,并對自動化三維建模的數據進行修飾和質量檢查,最終獲得城市三維實景模型成果數據。

注：IMU為慣性測量單元，GPS為全球定位系統，TIN為不規則三角網

2.2 基于二三維一體化的房屋住宅整合關聯入庫

房屋住宅數據整合關聯入庫步驟主要包括:模型單體化處理、房屋住宅數據處理、二三維數據關聯以及數據質檢入庫。具體流程如下：

(1)模型單體化處理,城市三維實景模型成果是成片的,無法單獨選擇某個房屋建筑進行屬性賦值和屬性查詢等功能,因此需對城市三維實景模型單體化。本文采用的是動態單體化法,它是直接將二維矢量底面通過空間關系套合到模型表面,然后利用建筑物的高度自動生成體框模型,并掛接對應的房屋住宅數據,實現二維和三維的融合。

(2)房屋住宅處理,首先對房屋住宅數據進行梳理[9],如統一空間基準、規范數據類型等;其次是房屋住宅數據完善,如房屋住宅空間數據通過外業測繪和核實對遺漏和錯誤數據進行完善,房屋權屬數據通過手動和掛接錄入兩種方式補充完善;最后是標準化,包括空間數據和屬性數據兩方面規范化處理,如:數據沖突和錯誤檢查等。

(3)二三維數據關聯,包括兩方面工作,一方面是二維空間數據和屬性數據的關聯,另一方面是二維數據與城市三維實景模型關聯。

(4)對數據進行質檢,確保數據符合入庫標準;最后對房屋住宅數據進行入庫。

數據處理入庫流程如圖3所示。

圖3 數據處理入庫流程示意圖

2.3 基于多層次動態海量城市三維實景模型高效加載

城市三維實景模型數據量大,三維模型數據加載和傳輸時,需要大量的寬帶資源且傳輸效率較低,展示效果存在卡頓和顯示不流暢等問題。為解決此問題,文本采用多層次城市三維實景模型動態加載技術,利用多細節層次技術(Levels of Detail,LOD)和基于二次誤差測度(Quadric Error Metric,QEM)算法[10],對城市三維實景模型數據,根據包圍盒來計算模型對象大小尺度和最大可視距離,實現三維模型數據和紋理數據按照精細程度分類進行多級壓縮處理。具體流程如圖4所示。

圖4 城市三維實景模型高效加載流程示意圖

2.4 基于房屋住宅管理的信息共享安全機制

根據房管不同部門的職責,分配不同的權限,利用集中認證服務(Central Authentication Service,CAS)、對稱加密算法(Des Symmetric Encryption,DES)以及角色訪問控制(Role-Based Access Control,RBAC)實現了房屋住宅管理的有效控制。平臺利用CAS功能實現平臺的統一單點登錄,實現流程如圖5所示。利用DES功能,實現數據的單向加密。利用RBAC功能,實現權限與角色的關聯,平臺通過運維管理為每個用戶提供不同的角色,以滿足其功能需求。

圖5 CAS實現流程示意圖

3 平臺實現

平臺基于面向服務的架構(Service-Oriented Architecture,SOA),在CityMaker基礎平臺基礎上,以VS 2010為集成開發環境,以C#語言為開發語言,進行平臺搭建。平臺包括四大核心功能:城市三維實景模型的展示、房屋住宅權屬管理、房屋老舊小區綜合治理和房屋安全管理。

3.1 城市三維實景數據展示

平臺提供用戶三種城市三維實景展示的途徑,主要包括鼠標和鍵盤瀏覽三維場景、特定場景制作和動畫導航[9]。鼠標和鍵盤瀏覽三維場景是通過鼠標和鍵盤自定義視點位置、方向、高度和俯仰角大小進行三維場景展示,如前進、后退、左移、右移、左轉和右轉等。特定場景制作是用戶快速定制某一特定場景以組的形式收藏起來,通過雙擊該特定場景,視角會跳轉到相應位置,場景自動顯示視圖。動畫導航是平臺將同組的場景視圖串聯成動畫進行播放和錄制,并支持avi格式輸出。

3.2 房屋住宅權屬管理

房屋住宅權屬管理實現對權屬信息的查詢、統計和分析功能,并以圖和表等多種方式展示。由于房屋住宅的權屬信息與三維實景模型掛接,點擊三維實景模型可以清楚地展示該樓房的編號、產權人、小區名、建成時間、建筑面積、房屋平面圖以及相關附件信息。權屬信息統計結果與三維實景模型關聯,點擊統計表中的區域名稱,統計表將自動切換成該區域的統計信息,三維實景模型也隨即定位至該區域,從而方便管理者從不同層面全方位掌握房屋住宅區的信息。城市三維房屋住宅管理平臺界面如圖6所示。

圖6 城市三維房屋住宅管理平臺界面示意圖

3.3 房屋住宅老舊小區綜合治理

為了優化城市的服務設施,改善人民的生活環境,開展房屋住宅老舊小區綜合治理工作。原先老舊小區綜合治理采用電子文件的方式進行管理,沒有進行空間化,無法直觀地對老舊小區項目進行展示。該平臺上線之后,通過房屋住宅老舊小區綜合治理功能模塊,對老舊小區綜合治理項目空間化,并上傳項目的各類圖件、文本和照片,最后與三維實景模型進行掛接,點選老舊小區綜合治理項目可以直觀查看項目的所有信息。平臺還增加過去的三維數據,進行三維實景數據的多屏對比。房屋住宅老舊小區綜合治理多屏對比如圖7所示。通過2014和2019年城市三維實景模型數據,可以清楚看到綜合治理后的小區外墻加裝了電梯、道路兩側增加了停車位,商戶的商家牌匾得到了統一“升級”,小區內的綠色也進行了治理。

圖7 房屋住宅老舊小區綜合治理多屏對比示意圖

3.4 房屋安全管理

房屋安全管理實現了房屋危房管理、房屋安全預警管理以及房屋安全綜合評價。房屋危房管理通過業主主體、社區巡查,網格管理的方式,建立危房住宅的檔案,開展日常巡查,確保房屋安全。房屋安全預警管理,是對超出使用年限的房屋、超出修繕周期的房屋、墻體有嚴重破損的房屋,在房屋墻角、屋頂等區域安裝傳感器,當房屋出現下層或者傾斜跡象的時候,將監測信息返回平臺,并報警。房屋安全綜合評價是根據房屋使用安全評價模型或者評價方法實現對房屋安全進行評價的功能。

4 結束語

本文根據房管部門的新需求,結合新興的傾斜攝影測量技術,構建了城市三維房屋住宅管理平臺,通過城市三維實景模型與房屋住宅數據的掛接,真正為房屋住宅管理來了新的數據支撐,切實解決了原有二維平臺展示不足的缺點。但是,平臺還是存在明顯不足,由于航飛拍攝死角和河流的建模上常出現變形和空洞,雖經過了模型的修飾,但是城市三維實景模型放大后,局部細節展示效果不佳。當然,隨著技術的進步,這些問題都會得以解決,這種建模和展示方式擁有巨大的前景。