三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃林周，王鐵軍

（1.武漢大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院航空航天測(cè)繪研究所，湖北 武漢 430079；2.自然資源部重慶測(cè)繪院，重慶 401120）

三維實(shí)景技術(shù)能實(shí)現(xiàn)將一系列二維相片或一組傾斜影像向高分辨率、帶有紋理和地理位置信息的三維模型轉(zhuǎn)換[1]，這為用戶可視化利用時(shí)空數(shù)據(jù)提供了可能，也在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域?yàn)檎鞑块T(mén)、各公司單位提供了更便捷和精準(zhǔn)的地理信息服務(wù)[2]。為了對(duì)西藏自治區(qū)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，建立三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)是必要環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)西藏地區(qū)基礎(chǔ)測(cè)繪數(shù)據(jù)、地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)、城市框架數(shù)據(jù)、國(guó)土調(diào)查數(shù)據(jù)等各種自然資源數(shù)據(jù)的有效集成，為探清西藏地區(qū)自然資源情況提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)自然資源數(shù)據(jù)管理、展示瀏覽、空間分析、查詢統(tǒng)計(jì)等功能[3]，為自然資源精細(xì)化管理提供基礎(chǔ)支撐，這不僅是新時(shí)代下新型基礎(chǔ)測(cè)繪的主要任務(wù)之一[4-5]，也是我國(guó)信息化基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分[6]。

1 任務(wù)區(qū)數(shù)據(jù)

1）第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查影像數(shù)據(jù)，包括任務(wù)區(qū)優(yōu)于1 m分辨率的第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查DOM數(shù)據(jù)和覆蓋市級(jí)政府所在地區(qū)0.2 m分辨率的DOM數(shù)據(jù)，作為項(xiàng)目任務(wù)區(qū)影像底圖使用。

2）天地圖數(shù)據(jù)，包括2019年天地圖融合更新后的矢量數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括交通、水系、居民地及附屬設(shè)施、行政區(qū)劃、地名地址等，作為核心矢量要素補(bǔ)充采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用。

3）地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)，包括任務(wù)區(qū)地理國(guó)情普查矢量數(shù)據(jù)和10 m格網(wǎng)DEM數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括道路、水系、地理單元等，作為核心矢量要素補(bǔ)充采集的參考資料使用。

4）1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)，包括各市級(jí)5 m格網(wǎng)的1∶10 000 DEM數(shù)據(jù)，作為項(xiàng)目任務(wù)區(qū)三維地形基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用。

5）城市空間框架數(shù)據(jù)，包括各市級(jí)城市空間框架數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括道路及附屬設(shè)施、政區(qū)境界、河流、居民地、城市綠地、地名地址等，作為核心矢量采集的補(bǔ)充數(shù)據(jù)使用。

6）1∶50 000基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括道路及附屬設(shè)施、水系、居民地及附屬設(shè)施、地名、行政區(qū)劃等，作為系列內(nèi)部用圖制作的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)使用。

7）2018年春季導(dǎo)航矢量數(shù)據(jù)，內(nèi)容包括交通、地名地址和興趣點(diǎn)等，作為核心矢量要素補(bǔ)充采集的參考數(shù)據(jù)。

2 項(xiàng)目總體架構(gòu)

項(xiàng)目包括三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)及其管理平臺(tái)，三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)自然資源二、三維實(shí)景數(shù)據(jù)的集成和管理[7]；三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)支持基礎(chǔ)地理信息、影像等二維數(shù)據(jù)以及三維地形數(shù)據(jù)、房屋單體化模型、精細(xì)化模型、分層分戶模型等三維數(shù)據(jù)的管理和展示[8]。平臺(tái)采用B/S架構(gòu)模式，主要由基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、可視化層等4個(gè)層次構(gòu)成，總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)總體架構(gòu)

基礎(chǔ)層為系統(tǒng)建設(shè)時(shí)期所需的硬件設(shè)施，負(fù)責(zé)構(gòu)建涉密平臺(tái)的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境。數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)自然資源三維實(shí)景基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、入庫(kù)、管理和服務(wù)發(fā)布，為服務(wù)層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[9]；并提供三維實(shí)景數(shù)據(jù)建庫(kù)、數(shù)據(jù)更新維護(hù)、歷史數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布等管理功能。服務(wù)層提供三維實(shí)景數(shù)據(jù)管理平臺(tái)運(yùn)行所需的數(shù)據(jù)服務(wù)和三維分析服務(wù)。可視化層可實(shí)現(xiàn)自然資源三維實(shí)景數(shù)據(jù)多模式瀏覽、數(shù)據(jù)集成瀏覽、量測(cè)分析、查詢?yōu)g覽、多屏對(duì)比、統(tǒng)計(jì)分析、空間分析、場(chǎng)景標(biāo)繪、漫游管理等功能，為服務(wù)層提供三維可視化渲染和數(shù)據(jù)管理服務(wù)。

3 三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)

3.1 數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)的技術(shù)路線

將待入庫(kù)的三維實(shí)景數(shù)據(jù)按照一定的目錄結(jié)構(gòu)組織整理，根據(jù)三維實(shí)景數(shù)據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)，根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)要求對(duì)三維實(shí)景數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并將整理后的數(shù)據(jù)入庫(kù)，建立三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。建庫(kù)總體工作流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)庫(kù)總體建設(shè)工作流程圖

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

3.2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)概念設(shè)計(jì)

三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容包括DOM數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)、專(zhuān)題數(shù)據(jù)等5大類(lèi)，其中DOM數(shù)據(jù)由任務(wù)區(qū)優(yōu)于1 m分辨率、4個(gè)地級(jí)市城區(qū)0.2 m分辨率、三維實(shí)景核心區(qū)0.03 m分辨率3個(gè)層次的DOM組成；地形數(shù)據(jù)主要由10 m格網(wǎng)、5 m格網(wǎng)DEM和三維實(shí)景核心區(qū)0.2 m格網(wǎng)DSM組成；三維模型數(shù)據(jù)由項(xiàng)目任務(wù)區(qū)三維地形模型、核心區(qū)傾斜模型、房屋單體化模型、標(biāo)志性建（構(gòu)）筑物精細(xì)化模型和分層分戶模型等組成；矢量數(shù)據(jù)由天地圖矢量數(shù)據(jù)和核心區(qū)核心要素組成；專(zhuān)題數(shù)據(jù)主要由國(guó)土空間規(guī)劃、不動(dòng)產(chǎn)、地質(zhì)災(zāi)害等專(zhuān)題數(shù)據(jù)組成。

3.2.2 數(shù)據(jù)庫(kù)邏輯設(shè)計(jì)

三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境下的Geodatabase模型進(jìn)行邏輯設(shè)計(jì)，所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一在CGCS2000國(guó)家大地坐標(biāo)系下建庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中按矢量數(shù)據(jù)、柵格數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)、專(zhuān)題數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等進(jìn)行組織管理，其中矢量數(shù)據(jù)包括道路、水系、居民地及附屬設(shè)施、城市綠地等數(shù)據(jù)集；柵格數(shù)據(jù)包括DOM、DEM、DSM等數(shù)據(jù)；三維模型數(shù)據(jù)包括傾斜三維模型、房屋單體化模型、精細(xì)化模型、分層分戶模型等；專(zhuān)題數(shù)據(jù)包括國(guó)土空間規(guī)劃專(zhuān)題數(shù)據(jù)、不動(dòng)產(chǎn)專(zhuān)題數(shù)據(jù)等；歷史數(shù)據(jù)包括歷史版本的影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等。

4 管理平臺(tái)開(kāi)發(fā)

4.1 平臺(tái)接口設(shè)計(jì)

平臺(tái)設(shè)計(jì)的應(yīng)用接口及其功能如表1所示。

表1 應(yīng)用接口及其功能

4.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

平臺(tái)主要包括多源數(shù)據(jù)融合瀏覽、數(shù)據(jù)疊加瀏覽、三維場(chǎng)景標(biāo)繪、三維通用分析、三維實(shí)景數(shù)據(jù)管理、平臺(tái)系統(tǒng)管理等模塊，功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)圖

4.2.1 多源數(shù)據(jù)融合瀏覽模塊

該模塊支持高分辨率DOM、高精度DSM、傾斜模型、房屋單體化模型、矢量等多源數(shù)據(jù)的三維場(chǎng)景無(wú)縫融合展示，三維實(shí)景呈現(xiàn)地勢(shì)、地貌以及城區(qū)紋理；提供地圖基礎(chǔ)瀏覽、自定義飛行瀏覽、坐標(biāo)與高程信息動(dòng)態(tài)瀏覽等功能。

1）自定義飛行瀏覽可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下自定義飛行路線的添加、編輯、播放、暫停、刪除等功能，用戶可隨自定義路線自由瀏覽三維實(shí)景，如圖4所示。

圖4 自定義飛行瀏覽界面

2）多時(shí)相數(shù)據(jù)對(duì)比瀏覽可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下同一區(qū)域多個(gè)時(shí)相數(shù)據(jù)的對(duì)比展示瀏覽，查看同一地區(qū)的歷史變化情況，如圖5所示。

圖5 多時(shí)相對(duì)比和卷簾對(duì)比瀏覽界面

4.2.2 三維場(chǎng)景標(biāo)繪模塊

該模塊可在當(dāng)前三維場(chǎng)景下添加幾何圖形、特定圖標(biāo)、態(tài)勢(shì)圖形等標(biāo)繪信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)注區(qū)域的解讀和管理，如圖6所示。

圖6 幾何標(biāo)繪與態(tài)勢(shì)標(biāo)繪界面

4.2.3 三維通用分析模塊

該模塊提供三維量測(cè)、三維定位、坡度坡向分析、視域分析、日照分析等功能：①三維量測(cè)可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下的高度測(cè)量、平面面積測(cè)量、地形面積測(cè)量等功能，如圖7所示；②三維定位可實(shí)現(xiàn)行政區(qū)劃、坐標(biāo)、地理書(shū)簽等三維場(chǎng)景快速定位，如圖8所示；③坡度坡向分析可實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的坡度坡向分析以及分級(jí)渲染展示，如圖9所示；④視域分析可實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景下對(duì)指定點(diǎn)的三維可視區(qū)域范圍展示，如圖10所示；⑤日照分析可實(shí)現(xiàn)對(duì)建（構(gòu)）筑物的日照分析，展示一定時(shí)間段內(nèi)陰影覆蓋范圍，如圖11所示。

圖7 空間量測(cè)界面

圖8 行政區(qū)劃定位界面

圖9 坡度坡向分析界面

圖11 日照分析界面

5 結(jié)語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)西藏地區(qū)自然資源情況的全面管理，并為其規(guī)劃和建設(shè)提供地理信息基礎(chǔ)，本文利用傾斜攝影測(cè)量和三維建模技術(shù)獲取高分辨率三維模型，基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)Geodatabase模型建立了三維實(shí)景時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了管理平臺(tái)，為用戶提供了數(shù)據(jù)管理、展示瀏覽、空間分析、查詢統(tǒng)計(jì)等功能。