面向城市更新的實景三維平臺設計與實現

高 俊，柳春生，淦立琴，何 騫

（1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州 510060；2.廣州市資源規劃和海洋科技協同創新中心，廣東 廣州 510060；3.廣東省城市感知與監測預警企業重點實驗室，廣東 廣州 510060）

城市更新是推動城市高質量發展的重要環節[1]。近年來，城市更新摒棄推倒重來的簡單方式，逐步轉向精細化運營的更新方向[2]。構建基礎時空信息底板是實現智慧城市內部多源、異構、海量數據間的關聯與融合[3]，保障各類智慧應用正常運轉，實現城市精細化治理的前提[4]。在城市更新持續深化過程中，土地管制和開發的復雜程度將越來越高，土地成本與收益的計算和評估以及規劃改造方案的成果展示均需三維可視化表達與量算分析的支撐，以提升城市更新工作的有效性和精細程度。目前城市更新改造一般通過圖片、二維空間數據進行區位、現狀分析，而實景三維現狀模型可直觀感受、認識改造范圍的全貌，有利于全面掌握改造區域現狀，合理安排改造工作。因此，城市更新工作有必要充分結合傾斜攝影測量、BIM、物聯傳感、大數據等技術，積極響應城市治理體系和治理能力現代化的需要，低成本、高效快速構建全覆蓋的實景三維管理體系。本文以傾斜攝影模型為基礎，融合BIM、影像、點云、視頻、街景、基礎調查、土地權屬、建筑專題、空間規劃等二三維數據，形成二三維一體化的城市更新數據底板；并進行平臺總體框架與功能設計，實現二三維數據一體化綜合展示、全要素信息查詢、專題統計分析等功能，為廣州市番禺區城市更新精細化管理提供有力支撐。

1 平臺需求分析與設計

城市更新實景三維可視化平臺面向城市更新精細化管理需要，集成二三維GIS、BIM、物聯傳感等技術，構建二三維場景綜合展示、“一張圖”輔助決策管理、精細化經濟測算、現狀動態分析評價、規范性審查等模塊，為城市更新綜合管理提供二三維數據展示和分析解決方案。平臺基于B/S 模式，后端采用分布式數據庫部署，支撐統一標準的數據服務發布；前端集成開源的WebGL技術，實現二三維一體化的城市更新綜合展示平臺[5]。

1.1 需求分析

城市更新業務流程復雜，涉及基礎數據調查、方案編制與審批、項目監管、用地報批、供地與報建等各個階段。面向城市更新精細化管理的需要，對城市更新管理進行以下優化：①在數據管理方面，需提供在線管理平臺，實現二三維數據的集成管理，解決城市更新基礎數據管理上的痛點；②在數據展示方面，需提供在線可視化平臺，實現二三維數據的綜合展示，優化數據單機展示的不足；③在數據分析方面，需要限高分析、可視域分析等三維分析功能，降低業務人員決策成本；④在城市更新項目監管方面，接入在線視頻監控、全景照片等數據，探索一種全新的監管方式，提升監管效率。

1.2 總體框架設計

平臺總體框架設計遵循分層架構的思想，采用面向服務體系架構，建立平臺對外擴展和異構關聯機制，設計形成了包括基礎設施層、數據支撐層、服務管理層、平臺應用層的二三維一體可視化框架[6]。

1）基礎設施層將計算資源、存儲資源、網絡資源、物聯傳感設施等物理資源和安全環境、軟件環境等軟件資源進行整合，形成動態可擴展的高性能計算環境、大容量存儲環境、安全接入環境，滿足多源數據接入、海量數據存儲、多類型用戶并發應用和信息公開共享查詢的需要。

2）數據支撐層由基礎地理信息數據庫、實景三維數據庫、城市更新業務數據庫組成，其中基礎地理信息數據庫主要包括電子地圖、遙感影像、地形等測繪地理信息數據；實景三維數據庫主要包括傾斜攝影模型、BIM模型、物聯傳感等數據；城市更新業務數據庫主要包括城市更新普查數據、城市更新專項規劃數據、城市更新項目數據等業務數據。該層實現數據的統一組織、存儲和管理，為服務管理層各類服務提供重要的數據支撐。

3）服務管理層在基礎設施層和數據支撐層的基礎上，融合管理二維數據服務、三維數據服務、監控視頻服務、全景照片服務、業務分析查詢服務、規劃審查服務等服務接口，構成平臺數據共享開發與集成框架，實現平臺內數據的集成共享和關聯互動。

4）平臺應用層提供城市更新業務信息的查詢、統計、分析、展示、管理等功能，包括二三維場景綜合展示、“一張圖”輔助決策管理、精細化經濟測算、現狀動態分析評價、規范性審查等功能模塊，支撐城市更新工作向精細化管理方向發展。

1.3 功能設計

結合辦公室、統籌策劃科、項目審核科、土地整備和建設監督科等番禺區城市更新局下屬科室業務內容，需求調研要點集中在區策劃方案編制和審核、規劃調整和具體實施工作、劃定城市更新范圍的意見、城市更新項目跟蹤監管等方面；并以此為依據開展平臺功能設計，主要包括多源數據接入、數據處理入庫、三維場景展示、輔助決策分析、專題分析評價和平臺運維管理6個部分。

梳理各部門數據現狀，整合測繪地理信息、規劃、BIM、物聯傳感、全景照片等數據，采用統一的標準和規范，實現多源數據的接入、處理、入庫與管理；針對不同應用場景，采用一套技術框架實現實景三維地形場景、BIM場景、視頻、全景等多場景的集成與展示，支持多場景切換與漫游；在統一的可視化界面上，實現改造范圍疊加分析、改造項目聯動分析、城市更新數據查詢展示、多屏比對和限高分析等基礎分析功能，支撐城市更新業務決策分析；為滿足城市更新專題業務需要，開發精細化經濟測算、規范性審查、現狀分析評價等專題分析模塊，推動城市更新業務向智能化、便捷化方向發展；平臺運維管理主要側重于平臺安全運維、用戶管理和更新迭代等方面，保障平臺能在安全、穩定的環境中持續運行。

2 關鍵技術研究

2.1 二三維數據融合

城市全空間信息數據具有多尺度、多時空、多維動態等特征，實現多模態時空數據的集成管理是平臺搭建的關鍵。本文將在統一空間參考、統一數據編碼、統一數據分類等標準下[7]，對城市更新數據進行融合集成管理。

1）數據收集和整理。收集現有的遙感影像、電子地圖、地形圖、傾斜攝影模型、視頻等實景三維數據進行整理和分類，形成空間數據基礎；收集城市更新業務數據，并對數據進行空間落圖，實現業務數據空間化。

2）數據格式轉換。在統一時空基準下，對數據進行坐標轉換處理，采用格式轉換軟件對多源數據進行格式轉換，形成統一的數據組織形式，打破多源數據難以在同一場景展示的屏障，為數據的分級調用和可視化展示奠定基礎。

3）數據輕量化處理。對BIM 數據進行數模分離處理，分開存儲空間信息和非空間信息，并通過唯一ID關聯；通過參數化描述規則幾何，完成幾何體的繪制，減少存儲空間；通過簡化三角面、移除重復頂點和面、外殼提取等方式對三維模型進行輕量化處理，提高可視化渲染效率[8]。

4）數據編輯融合。通過數據編輯融合工具實現BIM、視頻與傾斜攝影模型的融合；通過模型編輯進行傾斜攝影模型壓平和BIM模型替換，并完成模型接邊和屬性掛接，實現BIM與實景三維場景的融合；通過監控攝像頭的位置和姿態信息，將監控視頻的實時畫面投射到實景三維場景，融合后的三維場景不會因傾斜、旋轉等操作而產生變形或錯位。

2.2 二三維數據可視化

本文基于WebGL技術在瀏覽器端進行二三維數據可視化展示，解決了海量二三維數據流暢加載、多場景融合渲染等問題。在數據組織調度方面，對于影像、地形等基礎地理信息數據，采用“均勻分塊+金字塔分層”的方式實現矢量、柵格數據的組織和調度[9]；對于傾斜攝影模型、BIM 等三維數據，顧及其結構復雜、紋理數據眾多等特征，通過數據輕量化處理減少單個對象的數據量，并結合幾何對象索引模式實現模型數據的高效存儲檢索和組織調度[10]。在場景融合渲染方面，基于符號渲染、物理渲染和圖形渲染等引擎對矢量、柵格、三維模型等數據進行渲染展示，實現燈光、日照、天氣等渲染特效，滿足場景漫游需要，實現視頻、全景與三維場景的融合渲染，并支持多場景切換展示，滿足不同業務需要。

2.3 精細化經濟測算

為提升城市更新智能化管理水平，依托人口、經濟、建筑、土地等城市更新基礎調查數據，根據城市更新業務需要，開發更新改造成本測算、產業建設量核查等計算模型。

1）更新改造成本測算。對改造范圍內更新改造各環節成本進行測算，包括前期費用、拆遷費用、復建費用、拆遷獎勵以及土地出讓金等成本測算。

2）產業建設量核查。依據《廣州市城市更新實現產城融合職住平衡的操作指引》進行產業建設量計算和圈層合規性審查，實現改造范圍與圈層空間范圍的疊合分析，測算產業建筑量，并對產業建設量規范性審查結果進行提示。

3 應用實踐

本文選取廣州市番禺區作為實驗區。近年來為促進城市更新工作的發展，廣州市政府多次出臺相關政策，番禺區政府也積極響應上級部門的要求，基于本區現狀推動城市更新工作往精細化、科學化方向發展。本文采用實景三維等新技術，以番禺區為試點，助力城市更新工作向智慧化方向發展。以番禺區2021年采集制作的數字真正射影像、數字高程模型、數字表面模型和傾斜攝影模型為基礎數據，搭建番禺區實景三維空間底板；通過圖層管理模塊實現二三維數據統一加載和圖層顯隱控制等功能，以滿足城市更新中查看改造范圍內基本情況的需求（圖1）。

圖1 二三維一體化數據展示

為提高城市更新工作的效率和科學決策能力，平臺提供審查分析功能，通過融合BIM 和實景三維場景，用戶可在規劃階段查看未建區域BIM模型三維場景，為規范性審查提供輔助決策支撐；用戶還可在已建成區域查看BIM模型三維場景，結合量算、壓平等基礎功能，輔助判斷城市更新改造是否按照規劃設計建設（圖2）。

圖2 BIM三維場景融合

城市更新項目跟蹤監管工作主要涉及用地報批進度跟蹤、拆遷進度跟蹤、建設進度跟蹤、固定資產投資進度跟蹤等方面，其中拆遷進度和建設進度跟蹤工作存在跟進難度大、跟蹤不及時等問題。平臺通過融合監控視頻與三維場景將城市更新改造場地的現場情況實時展示在三維場景中，便于工作人員實時查看城市更新項目進展，達到項目跟蹤監管的目的（圖3）。

圖3 視頻三維場景融合

平臺具備接入全景數據的能力，實現實景三維場景與全景數據的分屏聯動展示，可為用戶提供更全面的視角，并可根據需要切換場景，豐富了城市更新業務人員獲取現實環境信息的途徑（圖4）。

圖4 全景三維場景融合

4 結語

本文基于城市更新業務對實景三維技術的需要，從GIS、BIM、視頻等多源數據融合入手，結合二三維一體可視化技術，以廣州市番禺區為例，打造了一個面向城市更新業務的實景三維可視化平臺，并驗證了平臺的可行性與可靠性，為城市實景三維數據應用于城市更新業務提供了新思路。研究表明，城市實景三維技術能更加直觀地對城市立體空間內的物理環境、地物形態、事件動態進行連續、精細的表達，進而滿足城市更新日益增長的精細化管理需要。