服務(wù)于智慧城市的城市三維GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究

萬金紫

摘? 要：城市三維建模是城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展信息化以及實(shí)現(xiàn)城市智慧化管理的基礎(chǔ)性工作。城市三維模型數(shù)據(jù)是城市規(guī)劃、建設(shè)與管理的重要基礎(chǔ)資料。該文提出了由運(yùn)行支持層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層、平臺層、應(yīng)用層等組成的城市三維地理信息共享服務(wù)平臺，探討了平臺圍繞智慧城市運(yùn)營的應(yīng)用邏輯。在此基礎(chǔ)上，對平臺進(jìn)行了功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，展示了三維平臺視覺效果，建立了形象、逼真、直觀的三維城市仿真場景。

關(guān)鍵詞：智慧城市? 三維? GIS? 展示

中圖分類號：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（a）-0030-04

Research on the Design and Implementation of Urban 3D GIS for Smart City

WAN Jinzi

（Beijing Xinxing Huanyu Information Technology Co.， Ltd.， Beijing， 102308? China）

Abstract： Urban 3D modeling is the basic work of urban economic construction and social development informatization and urban intelligent management. Urban 3D model data is an important basic data for urban planning， construction and management. This paper proposes an urban 3D geographic information sharing service platform composed of operation support layer， data layer， foundation layer， platform layer and application layer， and discusses the application logic of the platform around the operation of smart city. On this basis， the function of the platform is designed and realized， the visual effect of the 3D platform is displayed， and an image， realistic and intuitive 3D urban simulation scene is established.

Key Words： Smart City; 3D; GIS; Display

三維城市作為一個(gè)全新的基礎(chǔ)地理空間基礎(chǔ)設(shè)施與承載體，以特有的時(shí)空觀規(guī)劃與管理整個(gè)城市的運(yùn)維信息，可以惠及城市建設(shè)的各行各業(yè)、社會(huì)生活中的方方面面，應(yīng)用前景巨大[1]。

城市精細(xì)化管理最終目的是要實(shí)現(xiàn)城市的智慧運(yùn)營，涉及到城市規(guī)劃與管理的各個(gè)方面，如對城市規(guī)劃的精準(zhǔn)控制、對人員車輛流動(dòng)情況的全程把控、對設(shè)施部件的統(tǒng)一維護(hù)等。隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，為政府、各行各業(yè)、社會(huì)大眾提供基于網(wǎng)絡(luò)的天地一體化、時(shí)空一體化、二三維一體化、云端一體化的空間地理信息服務(wù)是未來發(fā)展方向。

1? 平臺架構(gòu)

城市3D地理信息共享服務(wù)平臺由運(yùn)營支持層、數(shù)據(jù)層、基礎(chǔ)層、平臺層和應(yīng)用層組成。其中，支持層是確保數(shù)據(jù)庫和平臺平穩(wěn)運(yùn)行的各種硬件環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)[2]。

數(shù)據(jù)層包括了二維、三維以及各類屬性數(shù)據(jù)庫：（1）三維精細(xì)建模模型數(shù)據(jù)。三維精細(xì)建模模型是對城市形態(tài)的三維表達(dá)，它反映形態(tài)、景觀對象的主要特征，并包含從多個(gè)方向觀察景觀對象的必要信息。城市三維模型數(shù)據(jù)主要由三維建（構(gòu)）筑模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像圖數(shù)據(jù)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)等組合而成。（2）三維地形模型數(shù)據(jù)。三維地形模型是基于金字塔四叉樹構(gòu)建的多層級地形瓦片數(shù)據(jù)集，按照DEM疊加DOM的方式，按照金字塔級別進(jìn)行地形高程和地形表面細(xì)節(jié)特征的重采樣，從而形成各級地形瓦片模型，然后由地形引擎動(dòng)態(tài)加載并進(jìn)行地形實(shí)時(shí)無縫渲染。（3）城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)全面反映了城市的地形地貌，參與各種空間疊加及分析，使用頻率高。此部分?jǐn)?shù)據(jù)包括建筑、道路、植被、水系、城垣、圍墻、柵欄等二維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。（4）城市地名地址數(shù)據(jù)。該部分?jǐn)?shù)據(jù)主要包括行政區(qū)域地名、街巷名、標(biāo)志物名以及興趣點(diǎn)名。（5）規(guī)劃成果空間數(shù)據(jù)。規(guī)劃成果空間數(shù)據(jù)包括總體規(guī)劃、分區(qū)規(guī)劃、專項(xiàng)規(guī)劃、控制性規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃。

基礎(chǔ)層是支持系統(tǒng)操作的專用軟件平臺和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，包括二維基礎(chǔ)地理空間平臺和三維基礎(chǔ)地理空間信息平臺。

平臺層則是面向精細(xì)化城市規(guī)劃管理的三維地理信息共享服務(wù)平臺，應(yīng)用層匯聚了面向城市規(guī)劃、管理方面的各類共享應(yīng)用，通過政務(wù)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)向公共事業(yè)單位、企業(yè)和個(gè)人提供地理空間信息服務(wù)。城市三維信息共享服務(wù)平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

2? 平臺應(yīng)用邏輯

從應(yīng)用邏輯架構(gòu)上來說，平臺包括以下幾個(gè)部分。

2.1 一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與機(jī)制

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和機(jī)制是保障信息化建設(shè)順利開展、運(yùn)行維護(hù)必要保障，決定了各營業(yè)系統(tǒng)的應(yīng)用前景、后續(xù)拓展及兼容性。在該項(xiàng)目建設(shè)過程中，需要結(jié)合現(xiàn)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源現(xiàn)狀與應(yīng)用需求，建立一套符合地方的三維技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，包括各項(xiàng)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)建庫標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)、平臺建設(shè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等。無論從項(xiàng)目組織，還是平臺構(gòu)建或運(yùn)維管理，都需要一套有效的機(jī)制保障數(shù)據(jù)中心的高效可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。

2.2 一個(gè)數(shù)據(jù)中心

在統(tǒng)一制定的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范基礎(chǔ)上，建立西安市三維數(shù)字城市數(shù)據(jù)中心框架，為多部門共同參與的協(xié)同應(yīng)用提供資源支撐，在遵循業(yè)內(nèi)已有數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范的基礎(chǔ)上，充分考慮現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源狀況，兼顧信息資源的多元化共享和數(shù)據(jù)交換服務(wù)、基于數(shù)據(jù)中心框架，將各類地形圖、傾斜攝影測量、高程點(diǎn)燈數(shù)據(jù)資源進(jìn)行匯集、分類、整理、質(zhì)檢、轉(zhuǎn)換、入庫，最終融合成一個(gè)有機(jī)的、統(tǒng)一的三維模型庫，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理與更新維護(hù)[4]。

2.3 一個(gè)服務(wù)共享平臺

采用IT主流技術(shù)，遵循IT/GIS開放性標(biāo)準(zhǔn)，引入面向服務(wù)架構(gòu)和應(yīng)用集成技術(shù)，構(gòu)建統(tǒng)一的服務(wù)共享平臺，面向政府、企業(yè)和公眾提供三維GIS數(shù)據(jù)信息服務(wù)與空間服務(wù)。服務(wù)共享平臺建設(shè)包括基礎(chǔ)設(shè)施和共享系統(tǒng)建設(shè)。從軟件設(shè)施、硬件設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施方面入手，滿足數(shù)據(jù)中心對于數(shù)據(jù)存儲管理、分發(fā)交換、計(jì)算分析等各方面的基本需求。共享系統(tǒng)則從資源門戶、數(shù)據(jù)安全管理、用戶權(quán)限管理、服務(wù)運(yùn)維管理、數(shù)據(jù)交換共享管理以及應(yīng)用接入管理等方面為數(shù)據(jù)中心提供強(qiáng)大的共享引擎[5]。

2.4 一套應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)

基于數(shù)據(jù)系統(tǒng)中心和服務(wù)共享平臺，以國土規(guī)劃信息聯(lián)動(dòng)管理、地理市情民情精準(zhǔn)掌控、旅游資源深度挖掘等應(yīng)用服務(wù)為支點(diǎn)，打造一系列實(shí)用性強(qiáng)、性能較優(yōu)、人機(jī)交互體驗(yàn)佳、兼容性良好、可擴(kuò)展、可移植的應(yīng)用服務(wù)示范系統(tǒng)，真正解決目前智慧城市密切關(guān)注的問題，提升部門內(nèi)部、部門之間的工作效能，提升對外服務(wù)水平，提升公眾滿意度[6]。

3? 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該系統(tǒng)基于C/S架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)三維地理信息數(shù)據(jù)展示、三維規(guī)劃方案對比、日照分析、可視分析、測量距離、測量面積、規(guī)劃資料指標(biāo)查詢及顯示等功能。后續(xù)依據(jù)城市規(guī)劃實(shí)際需求，完善三維輔助規(guī)劃評審系統(tǒng)功能（包括紅線分析、日照定量分析統(tǒng)計(jì)報(bào)表等）系統(tǒng)主要功能。

3.1 漫游瀏覽

漫游瀏覽功能包括多種3D場景漫游方法，例如飛行、駕駛、步行、按路線行走以及自定義方法。鍵盤也可以控制視圖，通過連接鍵盤和鼠標(biāo)，可以獲得更好的查看效果。例如：在測量視圖時(shí)，由于鼠標(biāo)會(huì)對測量功能做出反應(yīng)，因此無法同時(shí)拖動(dòng)視圖。此時(shí)，需要對其進(jìn)行測量。如果看不到某些內(nèi)容，則可以使用鍵盤上的箭頭鍵調(diào)整視圖，或使用鍵盤上的AWSD鍵旋轉(zhuǎn)視圖。

三維視圖的更改主要由鍵盤或鼠標(biāo)控制，鍵盤和鼠標(biāo)也可以用于協(xié)同工作，力求實(shí)現(xiàn)簡單方便的工作，并簡化復(fù)雜的工作。其使用戶可以快速入門并運(yùn)行良好，這與用戶的一般計(jì)算機(jī)操作習(xí)慣是一致的。

漫游瀏覽功能主要包括3個(gè)部分：視圖操作、視圖模式和地圖導(dǎo)航。視圖操縱是指相機(jī)鏡頭操縱方法，如平移、拖移、搖移、上下左右旋轉(zhuǎn)和縮放等。視圖模式指的是視圖的展示模式，如快速平視、快速俯視等。人行模式即為在地面行走時(shí)的方式，飛行模式即為在高空模仿飛機(jī)時(shí)的方式。

3.2 空間查詢

支持直觀地在場景中選擇建筑物來查看其屬性數(shù)據(jù);支持選擇位置點(diǎn)并設(shè)置影響范圍來進(jìn)行緩沖區(qū)查詢，獲得相對于該位置處于影響范圍內(nèi)的“樓房” “單位”“道路”等信息;支持按多種條件進(jìn)行自定義的高級查詢。

3.3 空間分析

空間分析包括高度分析、日光分析和視野分析。3.3.1 高度分析

場景的高度檢測由藍(lán)色平面指示，藍(lán)色平面的表示高于該高度，反之亦然。所有功能的平面高度之間的關(guān)系一目了然。

3.3.2 日光分析

要分析場景中特定建筑物或多棟建筑物的日光陰影，此函數(shù)可以對太陽的軌跡進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，以準(zhǔn)確地計(jì)算太陽的位置和每時(shí)每刻的太陽的位置。該建筑物可以準(zhǔn)確地分析日照情況。

3.3.3 視野分析

為了確定建筑物的遮擋情況，對現(xiàn)場建筑物進(jìn)行了全面的視野分析。

3.4 空間量算

量算分析為測量空間數(shù)據(jù)，如點(diǎn)坐標(biāo)測量、高度測量、長度測量、面積測量等。為控制測量的準(zhǔn)確性，使用頂點(diǎn)捕捉工具來對物體進(jìn)行精確測量。

3.5 三維物體操作

物體操作分為移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放，其中物體縮放見圖2。為了方便操作，要使用坐標(biāo)系進(jìn)行配合，坐標(biāo)系分為世界坐標(biāo)、局部坐標(biāo)、自由坐標(biāo)。并且，物體操作時(shí)，可還原為初始狀態(tài)。

3.6 規(guī)劃方案分屏對比及展示

三維平臺為設(shè)計(jì)單位提供了分屏對比的可視化方式，將設(shè)計(jì)效果定位于現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，人們可以運(yùn)用多種方式（步行、驅(qū)車、飛行等），從不同角度審視建筑設(shè)計(jì)景觀，空間形態(tài)、交通組織、建筑物布局、造型、高度、體量、色彩配置、環(huán)境設(shè)施等。這種身臨其境的直觀的交互形式較容易發(fā)現(xiàn)某些考慮不周的地方并及時(shí)修改（見圖3）。該功能可以對設(shè)計(jì)單位完成的城市設(shè)計(jì)成果進(jìn)行展示，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，也可以運(yùn)用城市設(shè)計(jì)的成果擴(kuò)大開發(fā)區(qū)招商引資的力度。

4? 結(jié)語

該文構(gòu)建了城市三維地理信息共享服務(wù)平臺框架，實(shí)現(xiàn)了對二、三維地理信息數(shù)據(jù)的展示、更新和管理，展示了三維平臺視覺效果，建立了形象、逼真、直觀的三維城市仿真場景，并能通過網(wǎng)絡(luò)（政務(wù)網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)二、三維地理信息數(shù)據(jù)的訪問，實(shí)現(xiàn)了三維城市地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋繼哲.基于地理實(shí)體的城市三維數(shù)據(jù)組織方法研究[D].北京：北京建筑大學(xué)，2020.

[2] 杜煒，李倩.城市虛擬地理場景非定標(biāo)三維重建算法仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2021，38（3）：327-330.

[3] 張福存，薛晉宇，賈國煥，等.基于實(shí)景三維模型的城市1：500地形圖測繪[J].地理空間信息，2021，19（2）：36-39.

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[6] 孫松梅，黃天進(jìn)，孫穎.城市高精度實(shí)景三維單體模型建設(shè)及應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2021（1）：108-111.