三維時空一張圖應用與探索

丁燕杰

(1. 北京市測繪設計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

隨著自然資源工作的不斷深入,二維平臺已經不能滿足業務需要,需要持續深度挖掘二三維一體化平臺技術,應用于自然資源管理,提升決策效果[1-2]。本文充分利用挖掘數據內涵,以石景山區為例,利用三維傾斜攝影技術,建成基于三維的時空一體化空間地理信息數據中心。融合多源數據,形成基于時間跨度的多維人口、用地、建筑、公共服務、交通、環境一張圖,實現歷史、現狀、規劃的綜合對比分析、實現城市時空歷史動態演變。開發的綜合分析平臺,提供了自然資源業務的“三維管理視圖”,實用性強,為區域建設提供全面的數據、業務和技術支撐。

1 一張圖數據整合

本文以石景山區為例探索了“時空一張圖數據整合”實施路徑,全面整合全區基礎地理數據、遙感影像、二維數據、三維模型、管理數據,形成“時空一張圖”空間數據中心。面向現狀人口、用地、建筑、公共服務、交通、環境等專題,完成了13中類、228小類的多源地理信息資源建設,更全面地反映了區域建設實施現狀,并根據研究內容需要,進行了多源數據融合、整合了模型和算法,完成多種專題數據的綜合與關聯,統一多源數據的空間和拓撲關系,實現歷史、現狀、規劃的綜合對比分析,提高了應用成效[3-5]。

1.1 人口一張圖

城市問題日益凸顯,城市常住人口分布問題成為最主要的影響因素,精細尺度上的城市常住人口分布是解決城市規劃與管理、預警等問題的關鍵。通過梳理實現區、街道、社區、居住小區各級別常住人口及人口年齡結構情況,形成了精細尺度上的人口一張圖,支撐城市公共服務設施的需求評估、供給、質量等方面規劃。

1.2 用地一張圖

通過整合、利用國土空間規劃專題數據,包括國有集體用地使用情況、分區規劃、控制性詳細規劃、規劃意見書、建設用地規劃許可證、建設工程規劃許可證等,形成了多維用地一張圖。實現了用地綜合查詢統計分析、逐年控制性詳細規劃的動態維護、可利用土地動態管理和項目選址等功能,實現了及時動態的可建設用地監管,提高土地資源管理和利用水平,增強規劃決策的科學性。

1.3 建筑一張圖

綜合對比地形圖、地理國情普查、三維傾斜模型、影像圖,進行建筑一張圖數據融合,形成多時空建筑空間演變對比,并結合保障房、商品房、居住小區等管理數據,形成建筑一張圖,支撐重點功能區、低效產業用地等評估。

1.4 公共服務一張圖

整合各級各類教育設施、商業設施、文化設施、體育設施、醫療設施、養老機構、社區服務設施現狀情況,及各類公共服務設施專項規劃。實現公共服務設施一張圖,為統籌協調、均衡配置各類公共服務設施空間布局提供支撐。

1.5 交通一張圖

實現各級道路、道路規劃實施情況、出行流量、職住關系、軌道交通服務、公共交通服務、自行車服務、公共停車、加油站服務一張圖,輔助進行交通服務能力評估,推進交通服務規劃實施。

1.6 環境一張圖

實現城市綠地、水域、公園、風景名勝、重點污染源一張圖管理,支撐生態環境管理。

2 多源時空數據融合應用——以建筑為例

2.1 綜合梳理對比不同來源數據成果,研究差異存在成因

綜合對比了地形圖、地理國情普查等建筑規模梳理方法,此前各類現狀建筑基礎地理信息數據生產時所遵循的行業標準不同,滿足質量檢查和各項目工作需求,但是各類數據成果從建筑表現形式、屬性定義、空間分辨率、數據格式方面均存在不一致。沒有權威統一的符合建筑規模測算需求的一張圖,導致存在建筑規模數據不一致、數據范圍不全、數據沒有延續性等問題,需要對各類數據進行清洗、加工、轉換、分類、融合[6]。

2.2 利用多源數據,提出現狀建筑規模融合技術方法

利用三維傾斜攝影技術,結合地形圖、地理國情普查、航空影像數據,提出現狀建筑規模統計技術方法,明確每一棟單體建筑的具體大小、建筑形狀、地上建筑面積,包含三維傾斜模型上可見的建筑物附屬設施、建筑物頂部結構、臨時建筑,對屬于同一棟建筑物的不同層數的部分進行劃分,杜絕地上樓層數不清、解決異型建筑的建筑規模不易確定的問題,使建筑規模計算更加精準,如圖1所示。研究成果可用于與規劃許可、竣工驗收對比,輔助識別存量違法建設。

圖1 異型房屋建筑規模計算

2.3 對接規劃用地性質標準,進行建筑使用性質分類

依據航空影像、國情監測、三維傾斜模型基礎,對接分區規劃中用地性質分類標準,設計了住宅建筑、公共建筑、工業倉儲、農業建筑、其他建筑等各級建筑使用性質分類技術方法,梳理了各單體建筑使用性質。同時能用于重點功能區、低效產業用地情況分析,為街區指引編制提供基礎。

2.4 利用多源數據,開展建筑規模預測分析

利用已規劃審批的擬建房屋,結合最新上位規劃批復,提出基于時間跨度的建筑規模統計方法,實現了歷史、現狀、規劃的綜合對比分析。綜合考慮了現存房屋建筑規模數據、擬建房屋建筑規模數據、以及規劃房屋建筑規模數據。

建筑規模預測分析方法為以下三部分內容相加:現存房屋建筑規模+擬建房屋建筑規模+規劃房屋建筑規模。優先級為:規劃>擬建>現存房屋建筑規模,無重疊區域計算。在此基礎上,實現了現狀與未來規劃實施后各階段建筑規模的綜合對比分析,如表1所示。

表1 各階段建筑規模預測數據來源

(1)現存房屋建筑規模:現狀存在建筑的建筑規模。

(2)近期(擬建)房屋建筑規模:已經規劃審批建筑工程許可證的建筑規模。

(3)遠期(規劃)房屋建筑規模:已經審批上位規劃方案、還未批建筑工程許可證的建筑規模。

2.5 基于時空跨度,實現建筑規模自動統計

基于時間軸和層次序列技術,利用街景與影像圖、二維電子地圖、三維模型等相結合,將人、地、房等專題基礎地理信息資源要素疊加,實現城市時空歷史動態演變。根據上文算法開發的異型房屋建筑量智能統計分析工具(圖2)，可以更加直觀地查詢土地動態演變規律、建筑規模預期成果,實現建筑規模的自動化計算,計算結果精度高、實用性強,大幅提高了工作效率。在區域建設時序管控、可利用地分析、項目選址等方面提供支撐。

圖2 自定義區域房屋建筑規模統計計算

3 三維時空一張圖在規劃管理中的應用

綜合分析平臺對全區時空數據進行了統一管理,提供了自然資源業務的“三維管理視圖”,全面提升了區域精細化管理水平。平臺采用Postgresql數據庫、ArcGIS server二維引擎、Stamp Server三維引擎,前端技術應用Vue.js、HTML、CSS,后臺技術應用Spring、SrpringMVC、Mybaties Java。平臺除了線路導航、測量、查詢、統計等二三維通用功能外,還提供了包括天際線分析、視域分析、日照分析、街景對比、規劃方案審核、BIM項目管理等三維綜合應用,實現了專題查詢、區域查詢、周邊查詢等三維分析服務,整體兼顧了三維展示效果與二維查詢分析能力,實現二三維一體化,提升了區域自然資源空間治理水平[7-9]。

3.1 輔助規劃設計

利用三維模型的高精度、高真實性的特點,結合單體化三維模型,將擬建項目三維模型與現狀三維模型進行結合,進行日照、高度、通視等分析工作,輔助規劃設計。

(1)天際線是指圖像中天空與非天空的分界線,把以天空為背景的圖像分割成天空與非天空(如山脈、建筑、江河、大地等)區域。通過在區域三維模型,識別立面中的天際線并進行勾繪,分析天際線現狀。

(2)視域分析功能用于分析從觀察點出發的視域范圍內建筑物的遮擋情況,分析視域范圍內可見與不可見區域范圍。

(3)日照分析用于模擬選定建筑一天中不同時間和一年中重要節氣的陰影情況,為建筑物之間的陰影遮擋影響提供參考。

3.2 輔助方案審核

通過導入不同的城市設計方案,對同一地塊的土地開發利用狀況、國土空間規劃管控指標進行分析,如容積率、綠地率、建筑密度、建筑規模、建筑高度管控要求等。對不同的規劃設計方案可進行雙屏或四屏對比、實時切換比較建筑造型、立面風格、色彩材質、天際輪廓線等內容,提供了三維立體的交互式規劃審核方式,更加直觀，如圖3～4所示。

圖3 輔助規劃方案審核流程

3.3 輔助規劃管理

對于重點項目,以BIM時空信息模型為依托,實現城市規劃、建設、管理全生命周期數據融合與精細化管理。

圖4 三維規劃方案對比分析

4 結束語

本文探索了基于三維的時空一張圖建設路徑和應用方向,構建時空一張圖數據信息資源庫,搭建了二三維一體化綜合分析平臺,建設成果為城市管理提供了新的工作思路。對后續工作開展提出以下工作建議:

(1)形成三維方案審核機制

方案審核需要在行政審批階段提交統一格式要求的三維城市設計模型,目前并沒有全面推行。今后可以考慮根據管理部門三維審批層次深度,制定完善的三維方案模型標準、數據交換工作流程機制,并在重點區域試行。

(2)形成動態更新的自然資源三維立體時空數據中心

未來需要基于三維空間框架,整合“山、水、林、田、湖、草”等自然資源調查監測數據,構建自然資源三維立體時空數據模型,準確表達地上、地表、地下各類自然資源空間關系及屬性信息,及時掌握自然資源基礎數據及變化情況,支撐自然資源空間分布及變化的科學表達、精準測定和高效分析,有效支撐國土空間規劃和自然資源各項管理的業務需求[10]。

(3)實現國土空間動態監測預警機制

面向國土空間規劃監測評估工作,針對剛性約束指標構建監測預警模型,統籌存量資源開發利用、建設施工、竣工驗收的情況、實現國土空間動態監測、對存在問題及時預警、快速處置、持續跟蹤、發揮自然資源管理工作的主動性。