實景三維城市建設(shè)的探索與應(yīng)用

李國柱

（徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇徐州 221000）

1 徐州市三維城市建設(shè)概況

徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺建設(shè)分為兩部分：一是系統(tǒng)建設(shè)。該項工作從2008 年開始，主要完成了徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)和徐州市綜合地下管線三維信息管理系統(tǒng)的建設(shè)。二是數(shù)據(jù)建設(shè)。分為兩個階段，第一階段已于2012年6 月結(jié)束，主要完成了市中心區(qū)20 km2和新城區(qū)近60 km2的精細三維模型制作及主要景點、公園、道路的全要素精細建模，其成果由專家組進行了驗收，專家組一致認為該成果達到了國內(nèi)先進水平。隨著城市框架不斷拉大，為了更好地服務(wù)于城市規(guī)劃、建設(shè)和管理，為其提供良好的數(shù)據(jù)支撐，2012 年10月開始，徐州市勘察測繪研究院決定在一期和新城區(qū)已有數(shù)據(jù)建設(shè)的基礎(chǔ)上完成徐州市中心城區(qū)約111 km2的DEM、DOM 制作，93 km2（包含一期）真正射影像及三維模型生產(chǎn)，全市450 km2內(nèi)長度約為6 615 km 的綜合地下管線三維模型生成、三維數(shù)據(jù)入庫及所有場景的整合與發(fā)布任務(wù)。

2 徐州市城市空間三維信息模型系統(tǒng)

項目主要工作內(nèi)容包括：制作數(shù)字高程模型（DEM）、數(shù)字正射影像圖（DOM）、真正射影像圖、城市三維建模、道路制作、管線三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)以及對一期城市中心區(qū)19 km2的重點模型數(shù)據(jù)效果優(yōu)化。

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計

現(xiàn)階段，徐州市三維實景城市建設(shè)的空間模型主體框架主要包括對數(shù)據(jù)、服務(wù)、應(yīng)用以及主體支持4 層設(shè)計，其中數(shù)據(jù)層設(shè)計主要包括徐州市基礎(chǔ)地理信息庫數(shù)據(jù)以及其相對應(yīng)的業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù)和三維實景專題數(shù)據(jù)組成，在運行的過程中數(shù)據(jù)層主要為系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。同時，基于三維實景信息平臺功能設(shè)計，工程技術(shù)人員以徐州市城市三維數(shù)據(jù)為依據(jù)，實現(xiàn)了三維平臺服務(wù)層的創(chuàng)建，其主要應(yīng)用于對城市三維數(shù)據(jù)及相對應(yīng)空間模型的分析，科學實現(xiàn)了城市范圍空間數(shù)據(jù)的有效管控。應(yīng)用層設(shè)計是在服務(wù)層功能的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)對徐州市城市三維數(shù)據(jù)在查詢、設(shè)計、聯(lián)通、管控方面的應(yīng)用，為更多社會群體應(yīng)用此功能提供了相應(yīng)的功能模塊。最后，主體框架中支持層的設(shè)計，主要是由主體系統(tǒng)運行過程中的服務(wù)器、存儲基礎(chǔ)、GIS 平臺、三維數(shù)據(jù)庫等相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施組成。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合,搭建實景三維“一張圖”

工程技術(shù)人員依據(jù)三維數(shù)據(jù)的融合研發(fā)，打造了基于主體框架之上的多維數(shù)據(jù)管控系統(tǒng)，其原理是通過各類三維數(shù)據(jù)的融合，結(jié)合其一體化的管理理念和空間化、可視化的技術(shù)，實現(xiàn)對三維數(shù)據(jù)的模擬化，通過圖像形式的呈現(xiàn)，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、圖像及實景空間的多維一體化創(chuàng)設(shè)，通過這種立體三維實景模型的模式，廣泛應(yīng)用于城市建設(shè)諸多場景之中。

2.2.1 三維建筑模型數(shù)據(jù)

第一，覆蓋范圍廣。本次三維建筑模型數(shù)據(jù)的采集覆蓋了徐州市大面積范圍的城區(qū)和建成區(qū)，工程技術(shù)人員采用無人機傾斜攝影技術(shù)和激光點云技術(shù)，實現(xiàn)了全自動化的三維數(shù)據(jù)建模生產(chǎn)，同時運用相應(yīng)的三維數(shù)據(jù)算法，高效生成了精準度高且運算精準的三維數(shù)據(jù)，與此同時，技術(shù)人員注重對沿街建筑在平面和高程方面的精度數(shù)據(jù)采集，以此來規(guī)避后續(xù)模型可能發(fā)生的建筑紋理缺失現(xiàn)象，保障數(shù)據(jù)及后續(xù)模型的精準性，同時，針對紋理缺失問題，工程技術(shù)人員會通過地面采集的方式及時進行數(shù)據(jù)的更新和補充。另外，針對建筑紋理、高程等方面的數(shù)據(jù)采集，工程技術(shù)人員通常通過人工形式進行數(shù)據(jù)收集，再將收集到的數(shù)據(jù)進行分析，從而生成三維建模模型，在模型最終成型之前，工程技術(shù)人員會針對相應(yīng)的參數(shù)，對模型數(shù)據(jù)進行精改和更新，讓最終呈現(xiàn)出的模型效果更為逼真和符合現(xiàn)實情況。現(xiàn)階段，徐州市實景三維城市建設(shè)的簡模覆蓋市域約13 000 km2。通常情況下，技術(shù)人員會結(jié)合對實際的城市房屋矢量數(shù)據(jù)面的參數(shù)計算，實現(xiàn)其建模數(shù)據(jù)的收集和生成，在模型成像的過程中，技術(shù)人員會結(jié)合固定太陽照射角度的狀態(tài)，模擬建筑紋理的呈現(xiàn)，為模型圖像中不同層面和不同角度的墻面以不同的紋理和明暗度，實現(xiàn)三維創(chuàng)設(shè)場景中建筑物的明暗表達和呈現(xiàn)，進一步提升模型的可視化效果，提升城市三維模擬系統(tǒng)的功能。

第二，數(shù)據(jù)質(zhì)量高。隨著實景三維城市建模體量和內(nèi)容的不斷增長，技術(shù)人員針對其原始數(shù)據(jù)的采集及分析要求也愈發(fā)提高。結(jié)合徐州市實景三維城市建設(shè)的實際情況，工程技術(shù)人員對城市建模質(zhì)量的優(yōu)化方面進行了大量的探索研究，其中包括建筑紋理、面數(shù)、建筑物分棟呈現(xiàn)可視化效果、模型拓撲關(guān)系運算、建模紋理應(yīng)用率、建模分辨率等方面的探究，依據(jù)其實景三維城市建設(shè)相關(guān)建設(shè)質(zhì)量標準，進行了一系列的優(yōu)化及革新措施，從根本上提升了實景三維數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時，確保了實景三維數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值，保證了后續(xù)城市實景三維建設(shè)模型打造的整體效果，進一步滿足了工程設(shè)計人員對三維模型呈現(xiàn)效果的滿意度[1]。

2.2.2 其他基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)

現(xiàn)階段，已接入了高精度數(shù)字化高程模型影像數(shù)據(jù)，以及全市400 余萬條房屋面數(shù)據(jù)和上百余萬條的POI 數(shù)據(jù)。

2.2.3 地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)

徐州市境內(nèi)地下綜合管線及相應(yīng)的管線設(shè)備數(shù)據(jù)已經(jīng)得到全方位的規(guī)劃整合，其中包括給排水、燃氣、通信和電力供應(yīng)方面的管線布置以及相應(yīng)的管線數(shù)據(jù)，在實景三維城市建設(shè)體系中，地下管線數(shù)據(jù)的整合，對于三維實景數(shù)據(jù)一體化的管控及收集具有重要意義。

2.2.4 自然資源相關(guān)數(shù)據(jù)

徐州市城市區(qū)域內(nèi)的國土資源分布規(guī)劃以及其空間規(guī)劃數(shù)據(jù)、社區(qū)房產(chǎn)減災(zāi)數(shù)據(jù)、礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)、地質(zhì)情況數(shù)據(jù)等現(xiàn)已實現(xiàn)了一體化的數(shù)據(jù)整合，為后續(xù)的自然資源相關(guān)數(shù)據(jù)的綜合管控和三維化提供了依據(jù)[2]。

2.2.5 其他行業(yè)專項數(shù)據(jù)

其他行業(yè)的專項數(shù)據(jù)整合包括了醫(yī)療、教育、公共設(shè)施等相關(guān)專題數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員通過對此類專題數(shù)據(jù)與IOT 數(shù)據(jù)的聯(lián)合接入，進一步充實并滿足了實景三維數(shù)據(jù)體系的發(fā)展需求。

2.3 系統(tǒng)功能

2.3.1 基礎(chǔ)功能

現(xiàn)階段，徐州市打造的實景三維系統(tǒng)平臺支持數(shù)據(jù)成像、三維測量、圖像測繪、數(shù)據(jù)查詢、場景轉(zhuǎn)換等方面的基礎(chǔ)功能，工程技術(shù)人員通過對三維平臺前端GPU 的運行建設(shè)，進一步研發(fā)出了三維數(shù)據(jù)平臺在坡度坡向、建筑淹沒、建筑挖填、建筑盒子裁剪等方面的三維數(shù)據(jù)功能。

2.3.2 空間分析功能

一是坡度坡向分析。工程技術(shù)人員基于實景三維中的DEM 數(shù)據(jù)，繪制出一個專門的系統(tǒng)空間區(qū)域，并依據(jù)此區(qū)域計算出三維場景中相關(guān)地形的坡度和坡向。

二是建筑淹沒分析。工程技術(shù)人員基于建筑物繪制三維模擬場景，并進行相關(guān)建筑的模擬分析。通過動態(tài)模擬技術(shù)模擬三維空間內(nèi)相應(yīng)水位的高程漲幅，及其最大高程淹沒情況，再通過數(shù)據(jù)分析，依據(jù)三維模擬圖像，計算出實際建筑場景中區(qū)域水位上漲時可能出現(xiàn)的淹沒情況。

三是建筑填挖方分析。同樣，基于三維模擬場景中的DEM 數(shù)據(jù)，工程技術(shù)人員首先對相應(yīng)的場景進行三維數(shù)據(jù)分析，并繪制出相應(yīng)的建筑填挖方分析圖，并依據(jù)其相應(yīng)的參數(shù)，打造建筑填挖方動態(tài)模型，通過模型計量，測算出工程挖方量及填方量等。

四是建筑盒子裁剪。所謂建筑盒子裁剪，是指工程技術(shù)人員會首先在建筑三維模型空間中繪制出一個裁剪盒子，然后通過比對盒子的長、寬、高以及相對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度等參數(shù)，加之裁剪分析，得出不同角度相應(yīng)建筑模型在不同視角下的呈現(xiàn)情況[3]。

2.3.3 應(yīng)用探索功能

工程技術(shù)人員運用“多測合一”的數(shù)據(jù)思維，進一步創(chuàng)新徐州市實景三維城市建設(shè)在模型建構(gòu)方面的高效運算法則，現(xiàn)階段所打造的實景三維數(shù)據(jù)平臺不僅可以高效生成精確的三維數(shù)據(jù)，且通過相應(yīng)數(shù)據(jù)得到的三維模擬成像可支持各類數(shù)據(jù)的掛接運用，其中的數(shù)據(jù)庫技術(shù)可實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的分層處理及存儲，同時工程技術(shù)人員還可以將數(shù)據(jù)端口關(guān)聯(lián)相應(yīng)的單位平臺，幫助個體實現(xiàn)其對應(yīng)的功能用途，例如，查詢、注冊等功能模塊，另外，工程技術(shù)人員通過城市POI 等多類別數(shù)據(jù)的運用，可進一步完善建筑三維數(shù)據(jù)的精細化管控。同時，工程技術(shù)人員還可以通過GIS 插件技術(shù)，將實景三維數(shù)據(jù)服務(wù)端口接入相應(yīng)的功能引擎，這種方法多適用于三維環(huán)境創(chuàng)設(shè)美化方面，通過GIS 技術(shù)接入相應(yīng)的引擎進一步提升三維場景的美觀度，使三維場景的呈現(xiàn)效果更加完善。

3 多場景應(yīng)用實踐

3.1 支持規(guī)劃與自然資源管理業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.1.1 規(guī)劃專題展示

現(xiàn)階段，在徐州市城市實景三維建設(shè)的過程中，結(jié)合各類國土空間規(guī)劃標準和專項數(shù)據(jù)分析可知，其中的專題展示主要包括對城市空間指標在宏觀及微觀層面的展示分析。例如，通過實景三維技術(shù)，可更為便捷地查詢到城市區(qū)域內(nèi)相關(guān)地塊的蘊含信息，其包括地鐵線路、人文景觀、城市經(jīng)濟指標、自然資源及礦產(chǎn)、防震救災(zāi)等相關(guān)專題的信息等，通過實景三維技術(shù)，可以為后續(xù)城市相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持[4]。

3.1.2 三維管網(wǎng)展示

所謂三維管線展示，是指通過實景三維技術(shù)實現(xiàn)對徐州市區(qū)內(nèi)整體管線的三維化管控。其中包括對管網(wǎng)的查詢定位、分布及距離設(shè)置等，工程技術(shù)人員可通過三維模擬技術(shù)繪制出指定三維空間區(qū)域內(nèi)對應(yīng)實際管線的開挖量，并對其數(shù)據(jù)進行分析整合，依據(jù)實際管線的類型、材質(zhì)、分布等參數(shù)，按照其實際情況進行統(tǒng)籌運算，并通過運算結(jié)果進行模擬展示[5]。

3.1.3 礦產(chǎn)資源管理

通過城市區(qū)域內(nèi)礦產(chǎn)資源的實際分布情況，工程人員結(jié)合其相應(yīng)的參數(shù)，可實現(xiàn)對三維模擬圖像的呈現(xiàn)。同時，將所呈現(xiàn)出的數(shù)據(jù)整合到實景三維城市建設(shè)系統(tǒng)平臺中，通過其與實際建筑物模型的比對重疊分析，形成相對應(yīng)的三維地質(zhì)體數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的運算操作，技術(shù)人員可針對礦產(chǎn)資源在爆破、開挖、采集、鉆孔等方面的施工作業(yè)進行模擬。

3.2 支持其他行業(yè)管理業(yè)務(wù)應(yīng)用

3.2.1 城市形象展示及城市治理應(yīng)用

通過實景三維技術(shù)直觀化、立體化和可視化的成像效果，可以整體呈現(xiàn)徐州市獨具內(nèi)涵的城市形象。同時，技術(shù)人員可以實景三維模擬技術(shù)為依據(jù)，結(jié)合城市治理管控相關(guān)業(yè)務(wù)，將兩者之間建立數(shù)據(jù)聯(lián)系，通過強大的三維實景數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)城市管控整體的智慧化[6]。

3.2.2 助力智慧化市建設(shè)

技術(shù)人員首先可通過GIS 技術(shù)手段，結(jié)合實景三維場景模擬技術(shù)，實現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)效果，同時，通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可分層處理各類數(shù)據(jù)信息，提升城市公共信息的共享效率，通過各類功能模塊的設(shè)置，可滿足不同用戶對于不同功能的需求，提升城市整體的智慧化建設(shè)水平。

4 結(jié)語

綜上所述，實景三維城市建設(shè)順應(yīng)未來城市的發(fā)展趨勢，相關(guān)技術(shù)人員要做好實景三維城市建設(shè)的探索及應(yīng)用技術(shù)的研發(fā)，助力后續(xù)實景三維城市對社會經(jīng)濟發(fā)展做出的貢獻，推進我國實景三維行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展。