實景三維時空數據庫建設及應用
——以南沙先行啟動區為例

高毓琳

廣州市規劃和自然資源自動化中心 廣東 廣州 510000

1 引言

為進一步貫徹落實《廣州南沙深化面向世界的粵港澳全面合作總體方案》，按照以點帶面、循序漸進的建設思路，選取了南沙先行啟動區（慶盛樞紐、南沙灣、南沙樞紐）和明珠灣片區共“3+1”片區為試點，構建地上地下海陸一體的二三維時空底座，以自然資源業務三維輔助決策為鏈條，搭建數字孿生應用示范平臺，為南沙智慧城市和數字城市建設提供空間數據支撐。

2 實景三維時空數據庫建設內容研究

2.1 建設難點

（1）多源異構數據難以整合[3]

不同的業務部門分管不同的領域，各部門產生的成果數據散落在不同部門的不同位置，同時數據的結構、版本、時空基準也都不一致。三維成果數據包括柵格影像數據（DOM）、矢量要素數據（DLG）、地形數據、地質層數據、傾斜攝影模型、激光點云數據、單體化模型等等[4]，數據之間空間基準、尺度以及數據格式都不盡相同，不同數據的同一對象之間缺乏語義關聯。面對海量、多源、異構、離散的二三維數據，如何將它們進行標準化處理，使得時空基準同一，從而能夠履行“兩統一”職責、數據統一管理、信息化建設等需求，進一步貫徹“兩支撐、一提升”戰略定位[5-7]，是實景三維時空數據庫建設初期的一大難點。

（2）共享通道不暢數據難以利用

實景三維時空數據庫的數據管理涉及到的業務類型繁復，形成的自然資源調查成果類型多樣。各個行政部門在多年的建設和規劃過程中，積攢了大量的基礎數據，但是彼此之間缺少共享平臺，已有信息化項目的建設成果難以重復利用。因此梳理各類自然資源數據并搭建一個可復用的共享可視化平臺是重難點工作。

（3）應用需求不同難以展示

實景三維時空數據庫在空間上囊括地上、地表、地下的數據，在內容上涵蓋現狀數據、規劃數據、管理數據、社會經濟數據、調查監測數據、物聯網數據等等。如何將超大數據量的三維數據、海量遙感影像數據以及多尺度的地形數據融合顯示，如何接入海量物聯網實時數據，如何實現在線實時計算分析都存在技術難點，要在保證可視化效果和渲染速度的前提下提供訂閱式的應用需求，實現難度大。

（4）實景三維數據難以支撐業務場景

實景三維數據采集需要花費大量的財力物力，在后續使用過程中很少開展實體化工作，未賦予屬性信息的三維數據，難以支撐業務場景的應用。

2.2 建設思路

按照自然資源部“實景三維中國”的建設要求，并響應自然資源部提出的構建自然資源三維立體“一張圖”的任務目標，以實景三維為抓手，面向自然資源多時態、全方位創新管理，構建地上地下、水域陸地、時間空間一體化的實景三維時空數據庫。充分利用已有數據成果，匯集更新全南沙區二三維數據成果，并融合自然資源專題數據、管理數據、規劃數據、經濟數據等，加強基礎測繪和各項自然資源業務工作融合，實現數據的“收、聚、追、用”全流程標準化管理。

2.3 技術路線

以南沙區三維模型為基底，匯聚海量多源二三維數據資源，整合覆蓋城市治理全領域的國土空間規劃、自然資源管理、不動產登記、企業經濟、執法監督、城市更新等109類業務數據，形成空間規劃和自然資源管理的二三維一張圖的瀏覽、查詢和展示。

總體技術架構圖如圖1所示，其中各環節的技術節點分述如下：

圖1 總體技術架構圖

圖2 駕駛艙模式-總體概況

圖3 實時巡查監測

（1）數據獲取

全面搜集各局委辦有關基礎測繪、自然資源相關的數據[8]，充分利用已有信息化項目的建設成果，并進行初步篩選和處理，未實景三維時空數據庫提供可靠的數據基礎。

（2）數據整合

按照“部指導、標準規范、地方特色、擴展三維”的思路，通過在線調用、數據匯交、數據購置等方式將離散、多源、異構的各類數據進行匯集、處理、檢查和規整，通過映射轉換、語義化等流程處理形成一套干凈、清晰、規范的自然資源行業全域、全要素、立體三維的數據，摸清數據肌理脈絡，梳理出南沙范式資源目錄。

（3）數據管理

對完成建庫的數據采用多源數據融合、分布式存儲等關鍵技術對數據進行統一管理，通過數據交換、輕量化、實時自動更新、數據產品按需組裝的智能化管理，實現二三維數據的分層分級組織與一體化集成管理。開展實景三維時空數據庫的全流程管理，包括海量多源異構的二三維數據快速存儲、預處理、核查、入庫及更新。對數據庫目錄、數據庫安全進行日常管理及數據備份，在提高數據保護能力和平臺容災能力的同時提供數據瀏覽、查詢、可視化、疊加分析、關聯分析等功能。

（4）數據應用

依托PC端、移動端、Web端等關鍵開發組件面向自然資源主管部門和有相關業務需求的政府部門搭建提供地圖服務、可視化服務、數據服務以及分析服務的實景三維時空數據應用服務平臺，支撐實景三維數據在國土空間規劃、自然資源管理、不動產登記、城市更新等多元場景下的深化應用。

2.4 關鍵技術

（1）基于分布式存儲的數據分析技術

根據實景三維時空數據庫中各類型數據量大且更新快的特點，采用分布式架構，按照“物理分散，邏輯集成”原則，基于Hadoop分布式環境進行部署，采用自主研發的GeoSpark并行計算引擎，提高分布式集群環境下的數據分析和數據挖掘能力。采用分布式混合存儲方式，不同類型的數據適配最優數據庫，提升整體訪問性能。

（2）高并發三維數據云渲染技術

如何將TB級的二三維模型數據更快的展示出來是一直以來的難題之一，隨著計算機技術的發展，通過云渲染的方式來完成渲染和編碼，該方式借助于服務器端的GPU算力來做到負載均衡，支持更多并發，同時解放本地資源，降低損耗。

（3）自然資源變化監測技術

通過無人機、衛星、視頻、物聯網等多源傳感設備采集的各類圖像信息開展基于人工智能算法的特征提取與變化監測識別。采用基于度量的方法通過比較雙時相數據的參數化距離來確定變化。提出利用Siamese全卷積網絡構建了深度學習網格，實現基于無人機和遙感影像的變化檢測。

（4）基于智能語義分割的單體化場景自動重建技術

基于深度學習輔助的復雜場景建/構筑物快速單體化技術，實現單體化建模中主要建/構筑物的頂部和主體部分的準確構建，并保持拓撲結構上的一致性。通過研究語義信息輔助的場景對象智能感知與目標識別技術，實現大范圍復雜場景的對象級重構；通過研究建/構筑物本體的自動化結構重建技術，引入多源語義信息約束的單體化模型層次化表征技術，自動生成可組合式的單體化模型。

3 應用實踐

在南沙先行啟動區實景三維時空數據庫建設的基礎上，根據各局委辦的業務需求，開展了應用探索。圍繞自然資源業務主體，以基礎測繪、AI建模、傾斜攝影、激光雷達等二三維數據采集成果為基礎，整合自然資源和規劃領域的各類空間和專題數據，同時關聯物聯網、社會經濟、無人機監測等數據，實現多源數據資源在南沙先行啟動區數字孿生世界的融合共享，并在三維立體場景中進行虛擬仿真，在數字孿生場景中對南沙先行啟動區“人、地、樓、業、境”進行了深度關聯，圍繞總體概況、空間規劃、業務管理、社會經濟4個核心維度準確呈現南沙先行啟動區的總體情況，并從工程規劃、建設和管理三大業務需求以及支撐智慧城市發展出發，為片區發展提供全鏈路應用支撐。

（1）駕駛艙總覽全局

①總體概況

通過展板可以清晰一覽先行區內經濟、產業、公眾服務的開發，讓片區“規建管”發展態勢一目了然。通過領導駕駛艙，能夠清晰瀏覽片區各類用地的占比情況，根據土地利用情況快速了解片區土地資源儲備與土地利用趨勢等信息，快速跟蹤片區重點項目建設情況。通過重點項目一覽，可以直接查看先行片區的重點項目分布、國家“十四五”、省市重點以及攻城拔寨項目情況，通過720度全景影像等逼真展現方式，直觀快速了解重大項目建設進展。

②空間規劃

圍繞城市規劃建設主題，結合片區內的國土空間規劃、城市總體規劃、控制性詳細規劃、土地利用規劃、村莊規劃、交通規劃等6大規劃編制數據，通過數字孿生場景的二三維圖層疊加，直觀展示片區各類規劃詳情。通過數字孿生三維引擎所帶來的復雜空間分析能力，如控規盒子等，能夠對城市規劃中常見的用地面積、用地性質、容積率等各項指標及空間合規性判定等規則的計算、分析、判定與執行效率實現明顯的提升。

③業務管理

圍繞自然資源與規劃的核心業務需求，對每個片區城市發展全周期的土地利用現狀、土地征收、用地證審批、不動產登記、城市更新進展、名城保護和名木古樹情況實現全面信息匯聚與統計分析展示，實現瀏覽各項城市管理業務總體態勢。通過數字孿生三維空間實現傳統二維場景尚未達到的能力，即將“人、戶、房、地、業”和經濟數據統一融合掛接，與數字世界的建筑空間位置一一對應。

④社會經濟

全面匯聚與社會經濟息息相關的四標四實、產業園區、社會企業數據形成的片區社會經濟“一張圖”，實現對各個片區的人口經濟、行業營收、行業稅收狀況的多維統計分析，包括企業數量、營收和稅收排名靠前的行業版塊分析，從宏觀態勢與客觀數據上為片區科技創新產業的規劃與發展提供參考依據。

（2）工程建設項目全流程輔助

在數字孿生三維場景下，實現對片區內重點項目“策劃生成-立項用地許可-工程建設許可-施工許可-竣工驗收-產權登記”的六大階段的規劃分析、現狀研判和歷史回溯，有效提升跨部門協同服務能力，便于及時掌握項目進度信息、提高項目審批效率。進而為南沙片區深化放管服改革、打造國際一流營商環境的目標，從信息化提質增效的方面賦能。

（3）城市更新

在城中村城市更新方面，通過征拆功能輔助計算南沙樞紐的城中村改造成本。通過劃定擬改造范圍，可以算出城市更新中的前期費用、征拆費用、復建費用、其他費用等的改造成本。

（4）現場監控指揮

利用對治理對象的全面、立體、可視、可識、可量、可分析、可統計等實景三維成果，結合實時物聯感知和無人機實施監控數據，融合地質災害隱患點、地質調查、災害普查、水文、人口等信息，通過立體化可視表達方式和空間分析決策輔助能力，有效提升應急反應能力、處置能力等相關城市治理能力。

4 總結和展望

根據自然資源部建設實景三維數據庫的要求，以基礎測繪、傾斜模型等二三維數據采集成果為基礎，整合廣州國土空間基礎信息平臺、智慧廣州時空大數據平臺的各類空間和專題數據，關聯物聯網、社會經濟、無人機等數據，為南沙區城市建設提供統一的三維時空底座以及配套的業務數據、管理模型，實現數據資源融合共享，為城市管理、領導決策等提供及時、高效、準確的管理數據支撐。

在實景三維模型的對現實世界高仿真還原直觀展示的同時，依托平臺動態、可調的特性，實現工程建設項目全流程信息的共享共用，提升跨部門協同服務能力，能夠有效加快審批信息流通、打破信息孤島，實現跨部門、跨事項數據互通共享，為事項審批提質增效提供支撐，進一步提高政務服務效能。