GIS多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)在城市更新改造中的應(yīng)用研究

陳小歌 毛 川

（河南測(cè)繪職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450000）

0 引言

近年來(lái)，全國(guó)各地城市更新改造工作如火如荼地開(kāi)展,城中村基礎(chǔ)數(shù)據(jù)摸查測(cè)量是城市更新改造的基礎(chǔ)。該項(xiàng)工作面臨五大難點(diǎn)：

（1）范圍廣、建筑密度高、數(shù)據(jù)量大，工期緊，并且數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)姆绞捷^傳統(tǒng)單一、滯后，不再適用；

（2）基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)管理不完善，數(shù)據(jù)可利用率低且更新不及時(shí)；

（3）城中村違建、加建情況普遍；

（4）歷史文物、疑似文物線索應(yīng)重點(diǎn)保護(hù)；

（5）調(diào)查數(shù)據(jù)來(lái)源多，冗余度大，數(shù)據(jù)管理模式落后，亟需開(kāi)創(chuàng)信息化網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查新模式[4]。

本文通過(guò)廣州市白云區(qū)9條城中村的應(yīng)用實(shí)例，融合應(yīng)用先進(jìn)的低空無(wú)人機(jī)航攝、地面三維激光掃描、多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等，解決更新改造數(shù)據(jù)調(diào)查過(guò)程中比較突出的數(shù)據(jù)獲取、調(diào)查底圖的繪制、三維全景虛擬模型的建立、多源數(shù)據(jù)的管理及國(guó)規(guī)數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用、專題地圖的輸出與提交等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，探索研究基于GIS多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的“城中村”更新改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查體系。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查體系

該基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查體系主要由三大部分組成：

（1）數(shù)據(jù)采集與傳輸，包括基于Android系統(tǒng)的“實(shí)時(shí)信息化數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊”、低空無(wú)人機(jī)航攝技術(shù)、地面三維激光掃描技術(shù)；

（2）數(shù)據(jù)處理，包括基于分布式文件系統(tǒng)（DFS）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)融合及數(shù)據(jù)可視化；

（3）GIS多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)[5]。其技術(shù)流程如圖1。

圖1 技術(shù)流程圖

1.1 基于Android系統(tǒng)的實(shí)時(shí)智能化的數(shù)據(jù)收集與傳輸

“城中村”更新改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查體系的研究開(kāi)發(fā)了一款由Android系統(tǒng)支撐的“實(shí)時(shí)智能化數(shù)據(jù)收集與傳輸模塊”（見(jiàn)圖2、圖3），軟件可以使數(shù)據(jù)在服務(wù)端和移動(dòng)端之間實(shí)時(shí)流通、交互。服務(wù)端可實(shí)現(xiàn)對(duì)柵格圖像數(shù)據(jù)和矢量圖形數(shù)據(jù)的管理，可解決數(shù)據(jù)傳輸與查詢問(wèn)題。數(shù)據(jù)傳輸方式上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)土資源、規(guī)劃等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的整合傳輸；數(shù)據(jù)查詢方面，提供了在線云查詢等服務(wù)[7]。移動(dòng)端能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)在線查詢，可以同步瀏覽服務(wù)端數(shù)據(jù)，同時(shí)可對(duì)存在問(wèn)題的數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，刪減和增加，做到了內(nèi)外業(yè)一體化。在節(jié)省人力、時(shí)間的同時(shí)，極大地提高生產(chǎn)效率并且能有效保證數(shù)據(jù)的安全性。

圖3 主菜單界面

1.2 基于無(wú)人機(jī)技術(shù)的調(diào)查底圖測(cè)繪和三維建模

無(wú)人機(jī)是利用無(wú)線電遙控設(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機(jī)。無(wú)人機(jī)具有成本低、機(jī)動(dòng)靈活、高時(shí)效、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，不但能完成有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行的任務(wù)，更適用于有人飛機(jī)不宜執(zhí)行的任務(wù)，在地籍測(cè)量、土地利用變更調(diào)查和核查、土地執(zhí)法檢查、地質(zhì)災(zāi)害檢測(cè)等方面應(yīng)用越來(lái)越廣泛[1]。無(wú)人機(jī)的技術(shù)操作流程見(jiàn)圖4。

圖4 無(wú)人機(jī)的技術(shù)操作流程圖

本文采用ebee-rtk無(wú)人機(jī)測(cè)繪，對(duì)航空測(cè)攝影像經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)處理后，得到高分辨率、高精度的DOM（點(diǎn)位中誤差可達(dá)到0.52m，邊長(zhǎng)中誤差可達(dá)到0.29m，高程中誤差可達(dá)到0.38m）、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、DSM、全自動(dòng)全景三維虛擬模型。經(jīng)檢測(cè)，由ebee-rtk無(wú)人機(jī)拍攝得到的DOM點(diǎn)位中誤差介于-0.52~0.52m 之間，邊長(zhǎng)中誤差介于-0.29~0.29m，高程中誤差介于-0.38~038m之間，該精度可滿足1∶2000測(cè)圖比例尺以及1∶1000及1∶500更大比例尺測(cè)圖的部分需求。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)的不完善之處也可以借由高分辨率、高精度的DOM和1∶2000比例尺地形圖作為后續(xù)調(diào)查工作的底圖進(jìn)行增補(bǔ)，同時(shí)也為后續(xù)工作的部署和展開(kāi)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。全自動(dòng)三維虛擬模型的建立，配合向模型中添加相應(yīng)的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃建設(shè)、城市管理的立體化視覺(jué)效果，為廣州智慧化城市建設(shè)的開(kāi)展提供了最為直觀的城市模型。

對(duì)于數(shù)據(jù)方面，利用無(wú)人機(jī)獲取到建筑物的高程數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、分類、整理和入庫(kù)等一系列的處理，最終建立起該區(qū)域的高程數(shù)據(jù)網(wǎng)，形成了一個(gè)“空中”基準(zhǔn)模型。在三維模型和高程數(shù)據(jù)的有力支撐下，對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查涉及到的違章建筑的核查、整改及機(jī)場(chǎng)周邊建筑的高程控制提供了更為全面和可靠的依據(jù)，對(duì)政府更好地實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一規(guī)劃，健康發(fā)展廣州新老區(qū)的建設(shè)，平衡廣州總體經(jīng)濟(jì)起到至關(guān)重要的作用。

以試點(diǎn)區(qū)域?yàn)槔惨?guī)劃了12架次，每一架次約有15.7km長(zhǎng)，相對(duì)航高設(shè)定為500m；有效的航攝飛行時(shí)間設(shè)置為300min，最終獲取到有效相片共698張，航攝面積大概為20km2。根據(jù)相機(jī)內(nèi)外方位元素的檢校結(jié)果、飛行控制器以及機(jī)載DGPS，解算出航攝相片對(duì)應(yīng)的相機(jī)參數(shù)和POS參數(shù)。通過(guò)對(duì)航測(cè)數(shù)據(jù)的后處理，生成DOM和三維模型。

1.3 基于地面三維激光掃描技術(shù)的歷史文物數(shù)據(jù)調(diào)查

本文基于CORS和ICP算法的地面激光掃描技術(shù)，將GPS天線和掃描儀同軸相連，以車輛為載體靜態(tài)360°掃描，基于CORS采用GPS-RTK 同步測(cè)量方法，獲取掃描儀站心大地坐標(biāo)，快速精準(zhǔn)地構(gòu)建三維模型[3],如圖5、6所示。

圖5 基于CORS和ICP算法的地面激光掃描系統(tǒng)

圖6 歷史文物建筑點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖、建筑模型（示例）

1.4 GIS多源數(shù)據(jù)信息管理平臺(tái)的功能和結(jié)構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。開(kāi)發(fā)了基于分布式文件系統(tǒng)（DFS）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能效優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)去冗等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)建模與可視化。DFS的技術(shù)特點(diǎn)決定了它安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)采用嚴(yán)格的賬戶管理制度和保密措施，提供安全的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境，如圖7所示。

圖7 基于分布式文件系統(tǒng)（DFS）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

（2）數(shù)據(jù)融合功能。為提高數(shù)據(jù)利用率，研究采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，將國(guó)土數(shù)據(jù)和規(guī)劃數(shù)據(jù)、無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)和三維建模數(shù)據(jù)、建模數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)等進(jìn)行深度融合，并進(jìn)行可視化，建立了國(guó)規(guī)多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)。

（3）多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)。利用基于分布式文件系統(tǒng)（DFS）的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)，深度融合數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)可視化，開(kāi)發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)化信息化集成的多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)[2]，如圖8、9所示。

圖8 多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)框架

2 GIS多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)在廣州市白云區(qū)城中村更新改造中的應(yīng)用

本文選取白云區(qū)京溪村、金沙街、松洲街等9條城中村更新改造項(xiàng)目為例，涉及改造總面積6.403km2，改造建筑量964萬(wàn)m2，改造戶數(shù)12694戶。平臺(tái)通過(guò)利用數(shù)據(jù)集成化技術(shù)、數(shù)據(jù)分類技術(shù)和分類數(shù)據(jù)分析技術(shù)，對(duì)海量數(shù)據(jù)信息進(jìn)行篩選和重組，將數(shù)據(jù)信息提煉升華，最終在廣州市白云區(qū)9 條城中村更新改造實(shí)例中，實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）對(duì)更新改造中機(jī)場(chǎng)、風(fēng)景區(qū)等有限高要求的建筑進(jìn)行限高分析（見(jiàn)圖10、11）。

圖10 模型限高分析（示例）

（2）對(duì)歷史文物保護(hù)范圍進(jìn)行分析（見(jiàn)圖12）。

圖9 多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)

圖11 區(qū)域高程分析（示例）

圖12 歷史文保范圍分析（示例）

通過(guò)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)融合、篩選、分類、統(tǒng)計(jì)，對(duì)人口戶籍信息、土地利用信息、城中村集體經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)及城中村現(xiàn)狀房屋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析

（3）利用國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，快速生成各種國(guó)土規(guī)劃專題地圖，豐富了廣州市的國(guó)土和規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)土規(guī)劃數(shù)據(jù)大融合，是對(duì)廣州市政府“多規(guī)合一”、“國(guó)土規(guī)劃一張圖”政策的具體響應(yīng)，為政府決策提供更多更全面的數(shù)據(jù)支持[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文選取白云區(qū)9條城中村為廣州市更新改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)摸查試點(diǎn)，融合應(yīng)用先進(jìn)的地面三維激光掃描、低空無(wú)人機(jī)航攝、建筑群的自動(dòng)化面積計(jì)算、多源數(shù)據(jù)管理平臺(tái)等技術(shù)，解決了更新改造數(shù)據(jù)調(diào)查過(guò)程中數(shù)據(jù)獲取、底圖測(cè)繪、全景三維建模、多源數(shù)據(jù)管理及國(guó)規(guī)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用、專題地圖輸出提交等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，建立了基于GIS數(shù)據(jù)管理平臺(tái)的“城中村”更新改造基礎(chǔ)數(shù)據(jù)調(diào)查體系，對(duì)廣州市乃至全國(guó)的城市更新改造工作具有指導(dǎo)和借鑒意義。