三維智慧園區建設研究與實踐

羅夢佳

(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

智慧城市是城市全面數字化基礎之上建立的可視化和可量測的智能化城市管理和運營,包括城市信息、數據基礎設施以及在此基礎上建立網絡化的城市信息管理平臺與綜合決策支撐平臺[1]。產業園區是由政府或企業為實現產業發展目標而創立的特殊區位環境,隨著我國經濟增長方式的轉變、產業結構的升級,園區的發展呈現出了新的趨勢：注重生產、生活、生態的協調發展;高新技術企業增多,科技創新,注重高附加值;園區管理模式向數字化、智能化轉變[2-4]。作為城市在區域范圍內的縮影,智慧園區的建設與智慧城市類似,通過智慧園區的建設,實現對人、地、事、物、組織等園區運行管理全要素的智能感知、實時傳輸、動態管理、高效應用。

隨著測繪地理信息、物聯網、云計算、人工智能、5G等新興技術的發展,以三維手段對現實世界進行描述和管理已經成為可能。本文在大量三維地理信息系統(geographic information system,GIS)系統建設案例的基礎上,構建園區三維模型,融合業務管理數據,搭建二三維時空數據庫,對比目前主流的三維GIS平臺的優劣勢,選擇適用于園區尺度的三維GIS平臺,設計并開發三維智慧園區系統,實現園區空間信息資源和業務資源的融合、園區設施的精細化管理、企業發展情況的監測、產業布局的智能分析、領導決策的信息支撐,實現智慧園區的三維規劃、建設、運營全過程管理。

1 三維智慧園區方案設計

三維智慧園區系統的設計需要遵循先進性、實用性、可靠性、開放性、可維護性、可擴充性、標準化以及高效安全的原則。建設過程中堅持數據、管理、服務、應用相分離,在保持靈活性和擴展性的前提下,實現空間數據和業務數據的整合、管理和共享;綜合考慮模型效果、渲染效率等因素,選擇合適的三維GIS平臺,滿足園區智慧化管理的不同應用場景。

1.1 總體技術路線

三維智慧園區的邏輯架構如圖1所示,包括支撐層、數據層、服務層、表現層以及標準規范政策機制。

圖1 三維智慧園區架構

支撐層包括服務器、網絡設施、數據庫軟件、操作系統、二三維GIS軟件等軟硬件設施,為平臺運行提供軟硬件基礎設施。

數據層包括二三維GIS數據庫、業務數據庫。數據源包括二維地理信息數據、三維模型數據和業務數據,數據源中的數據經過抽取、轉換存儲到數據庫中。

服務層包括地理信息服務接口和BI服務接口,為整個平臺的橋梁和中介,負責為應用場景提供數據服務和功能服務。

應用層搭建智慧園區管理所需的各類應用場景,包括園區規劃、智慧工地、招商引資、精細化管理、產業分析等,涵蓋園區規劃、建設、運營全流程。

1.2 三維GIS平臺選型

三維GIS平臺是三維模型應用的重要載體,合適的平臺能夠實現高效展示、穩定訪問、便捷開發,真正實現三維的價值。考慮到智慧園區數據的共享需求以及應用的迭代周期,本文主要對B/S架構進行考量,探討三種目前主流的方案的優劣勢。

1.2.1 基于瀏覽器三維控件的技術方案

這種技術方案是在瀏覽器端安裝第三方控件，通過控件實現三維數據的加載、渲染。這種方案的優勢在于擴展了瀏覽器對計算機底層資源的調用能力，通過直接調用開放圖形庫(OpenGL)、三維繪圖編程接口(Direct3D)極大地提高了三維運行的效率，使本來不具備三維渲染能力的瀏覽器能夠較為流暢地運行三維程序。國內應用比較多的偉景行、睿城傳奇、超圖等早期都是采用該種技術方案。但是，基于該類引擎開發的三維應用系統僅限于IE瀏覽器范圍，對于非IE內核的瀏覽器無法兼容，并且在應用過程中，首先需要安裝運行環境，檢測運行環境，過程繁復，對用戶體驗造成極大困擾[5]。同時，受制于瀏覽器的權限，這類方案又無法達到本地程序運行的效率，當三維數據較為復雜或數據量較大時就出現性能瓶頸，且這一瓶頸是無法通過程序進行優化的。

1.2.2 基于WebGL的技術方案

網絡圖形庫 (web graphics library，WebGL)是面向三維的繪圖協議，在任何兼容的Web瀏覽器中呈現交互式二三維圖形，而無須使用插件。WebGL為網頁上下文提供硬件三維加速渲染，依托終端圖形處理器(GPU)實現瀏覽器端三維場景和模型的流暢展示[5-6]。

WebGL的出現使得在現代瀏覽器上渲染三維系統成為可能，由于無須插件或對瀏覽器進行擴展，使得系統具有很好的跨平臺性和可維護性。隨著用戶對系統便捷化、友好化訪問要求的提高，該種技術方案的引擎被越來越廣泛應用，但由于WebGL技術架構本身的限制，無法達到本地應用的性能，下一代網絡圖形接口(WebGPU)的出現可能會有質的飛躍。

1.2.3 基于流媒體的技術方案

基于流媒體的技術方案是由云游戲演化而來的。云游戲是以云計算為基礎的游戲方式,本質上為交互性的在線視頻流,在云游戲的運行模式下,游戲在云端服務器上運行,并將渲染完畢后的游戲畫面或指令壓縮后通過網絡傳送給用戶。該技術方案的本質是將傳統本地三維應用通過流媒體的技術傳輸到前端展示,從而繞過了操作系統、瀏覽器等諸多限制。由于其本地應用的特性,可以無限制調用本地計算機資源,充分提高了三維渲染的效率。但這一解決方案的劣勢在于其硬件要求較高,需要大量高配置顯卡搭建云或集群才能滿足多用戶的并發。同時客戶端渲染的流暢和清晰度還會受到網絡延遲的影響,造成客戶端交互的不穩定性。

1.2.4 三種引擎的比較

通過較長時間的使用對比,從模型的展示效果、渲染效率、對硬件要求等方面對三種技術方案的三維引擎進行比較分析,結果如表1所示。

表1 三種引擎對比

可以看出這三種技術方案各有優劣，沒有一種有絕對性的優勢，需要結合不用的用戶需求和應用場景，選擇相對合適的方案。總的來說，基于瀏覽器三維控件的方案適用于大中場景，表達精模、傾斜攝影網格模型(Mesh)效果較好。WebGL技術方案適用于宏觀統計數據展示和微觀數據展示，數據能支持少量Mesh和三維模型瓦片(3Dtiles)。流媒體技術方案近似于本地方案，可以支持較大場景但建設成本較高。

產業園區通常在幾至幾十平方公里,屬于中小場景。智慧園區的應用涵蓋園區規劃、建設、管理全生命周期,對GIS業務和應用的快速迭代有較高的需求;用戶涉及各類園區運行各環節的管理人員,需要支持多用戶訪問。因此目前階段,基于WebGL技術方案的三維GIS平臺比較適用于三維智慧園區的建設。

2 三維智慧園區實現

2.1 標準規范建設

智慧園區的建設,標準規范需要先行。在測繪與地理信息標準體系框架下,引用現有國家、地區以及行業標準,制定相應的技術規范,包括數據規范、服務規范、應用規范等等。數據規范明確規定二維GIS數據的加工和表達要求,三維模型數據的加工標準,以及后續數據維護更新的方式等;服務規范規定描述各類地理信息服務的信息模型以及各類服務接口的瀏覽器端應用開發接口規范;應用規范提供系統介紹,方便用戶合理使用系統。

2.2 數據資源建設

2.2.1 二維GIS數據

二維GIS數據包括線劃電子地圖、影像電子地圖、地名地址數據以及地塊、道路、樓宇、基礎設施等各類園區管理專題數據。

在地形圖的基礎上,經過數據提取、整理、符號化及保密處理等形成各類圖層,然后在ArcMap軟件中制作符號庫、配置制圖模版,將數據庫與配圖模版掛接形成配圖數據,分塊分區域對圖面注記、要素等進行處理,形成符合標準的二維GIS數據。

2.2.2 三維模型數據

按照開放數據模型(CityGML 2.0)標準，依據模型的層次細節(levels of detail,LOD)，三維模型可分為LOD0、LOD1、LOD2、LOD3、LOD4等級別。

(1)LOD0。三維地形模型，通常由正射影像和數字高程模型生成，反應地形起伏變化。

(2)LOD1。灰模,沒有屋頂結構的“樓塊模型”,通常以二維矢量數據為基礎,按照樓高自下而上拉升。

(3)LOD2。三維一般模型,是包含貼圖和樓頂結構的粗模。

(4)LOD3。三維精細模型，可以采用傾斜攝影等技術自動化生成實景三維模型,再后期精修解決局部精細化程度不夠的問題。也可基于平面圖紙和照片,采用手工建模方式生成。

(5)LOD4。室內模型,可“步行進入”的建筑模型。在LOD3的基礎上,基于室內圖紙和照片生成的分層分戶模型或室內精細化模型。

針對智慧園區建設,可以結合不同應用場景綜合運用不同等級模型,發揮其各自的效用。本文基于傾斜攝影技術生成LOD3和LOD4模型,其工藝流程如圖2所示。

圖2 三維模型工藝流程

在明確需求的基礎上,制定三維建模方案,選擇合適的航攝儀、設計航線。利用無人機或大飛機搭載航攝儀通過多個角度拍攝獲取影像,將影像經過相機檢校、定位定姿系統(position and orientation system,POS)數據解算、影像預處理、空中三角測量、外業像控、三角格網模型構建以及映射紋理等處理過程,完成實景三維的全自動建模[7-9],形成Mesh模型。基于Mesh模型,結合激光雷達(light detection and ranging,LiDAR)點云數據進行建筑物模型單體化制作,使用傾斜影像對建筑物進行貼圖,使建構筑物變為一個個可單獨處理、編輯的個體,并附著相應的屬性信息[10],實現三維模型從看到用的轉變。利用影像疊加數字高程模型數據制作道路地面模型,最終形成園區范圍內完整的三維模型場景。

2.2.3 業務數據

包括園區管理中需要的規劃指標、入駐企業、經濟規模、能耗、環境監測以及視頻攝像頭等各類業務數據,對多源異構業務數據進行標準化、空間化,和地理要素建立關聯關系。

2.2.4 數據庫建設

結合實際需要,對上述數據資源進行分庫存儲,包括基礎數據庫、二維GIS數據庫、三維模型數據庫以及業務數據庫,每個大庫內根據數據類型建立相應的子庫,并且建立對應的目錄與元數據庫,為數據的高效檢索提供保障。

2.3 系統功能實現

整合園區內二、三維地理信息數據和業務管理數據,實現地上地下三維立體表達、室內室外信息統一管理，二、三維一體化展示,打造所見即所得的數字孿生園區。從園區規劃、建設、運營等應用場景出發,建設真正服務于園區管理的三維信息化系統,反演過去,掌握現在,模擬未來,實現園區的全生命周期管理和決策。

2.3.1 園區規劃

基于實景三維模型,將規劃指標可視化管理與展示,判斷現狀建筑和規劃指標的符合度。在對園區進行規劃、設計、更新的過程中,將規劃設計方案三維立體化,并在實景三維場景中呈現,直觀展示對周邊交通、環境、住房等各項指標的影響,科學評估方案的效果和可行性。

2.3.2 園區建設

在園區建設階段，基于三維、建筑信息模型、視頻融合等技術，對工程建設進度、建設計劃進行協同管理，全面掌握園區項目建設情況。

2.3.3 園區管理

2.3.3.1 產業經濟

將經濟數據空間化,實現企業、樓宇、地塊以及園區的關聯分析,及時掌握園區產業經濟發展動態,優化產業布局。利用二、三維數據生成空間聚類圖、三維屬性渲染場景,實現抽象數據的實景表達。

2.3.3.2 精細化管理

基于三維場景,對園區部件、管線、能耗、環境監測等數據進行可視化管理,全面掌握園區產業、經濟、生態環境數據指標。

2.3.3.3 園區變遷

以園區建筑數據為基礎,分析建筑的建成年代和滅失年代,基于LOD1或LOD3模型,依據時間序列,以可視化的方式展示園區的發展建設過程。

2.3.3.4 應急安防

在三維場景中融合監控視頻,實現三維模型與實時攝像頭的聯動,對重點出入口、重點活動進行監控,實現園區監控感知浸入化、實景化。模擬突發事件,提前準備搶險、疏散應急預案,提升園區應急響應與應急處置能力。

2.3.3.5 招商宣傳

對園區規劃、要素供給、產業鏈、資源配套、建設成果、重點項目、重點技術產品進行綜合呈現,成為園區對外宣傳、招商的可視化載體。

3 討論與分析

近年來,GIS技術在智慧園區的建設中發揮了重要作用：

(1)要素的準確定位。GIS對空間位置信息的精準表達可以有效地掌握園區中不同要素的位置以及用于解決與位置相關的分析和計算[11]。

(2)信息的可視化展示。在空間實體準確定位、可視化展示的基礎上,通過不同符號、顏色、形狀等表達方式,展示空間信息的同時也能反映屬性信息。

本文討論的三維智慧園區建設方案將傳統的二維平面管理模式轉化成三維立體管理模式。在三維模型中對整個園區內的建筑位置、建筑色彩、地上地下基礎設施布局等都能有全面、直觀的展示,并將業務管理、工程項目、視頻監控、招商成果等數據融合到一個三維可視化平臺,為園區規劃、建設、管理、決策提供可視化支撐。但是,受限于園區管理方對園區數據的管理權限,目前平臺中數據大部分還是靜態數據,缺少物聯網感知、能耗、人口、交通等實時動態數據,未來伴隨更多源數據的共享融合,希望可以推動園區全域全時動態感知與智能分析,提升園區的仿真預測和虛實融合互動能力[12]。

4 結束語

當前,智慧城市、孿生城市、城市大腦建設工作開展得如火如荼,園區作為城市的組成部分,其管理更應向精細化、智慧化方向發展。國家對實景三維中國、城市信息模型(city information modeling,CIM)平臺的推進也說明,依托三維虛擬世界,立體的思考和管理世界是國家治理體系和治理能力現代化的應有之義。三維GIS技術作為一項日趨成熟的技術,在智慧園區的建設中大有可為。本文對三維智慧園區建設中適用的三維模型和三維引擎進行了探討,展示了已經開展的三維智慧園區應用。三維智慧園區的建設不僅僅是輔助園區管理,更是革新園區管理模式,實現文字想象到直觀可視,二維平面到三維立體,定點定時到全域全時的全方位管理,推動園區管理體系和管理水平的現代化。

數據是根本,今后,在園區發展過程中,三維模型等數據的更新問題是要點。研究高效的數據采集、更新手段,實現現實園區和數字園區的同步發展、孿生呈現,是智慧園區發揮效用的關鍵。