鄭州市三維地圖建設(shè)與應(yīng)用研究

楊存吉，羅先學(xué)，趙自力

(鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450052)

鄭州市三維地圖建設(shè)與應(yīng)用研究

楊存吉?，羅先學(xué)，趙自力

(鄭州市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南鄭州 450052)

城市三維地圖建設(shè)以實(shí)用為出發(fā)點(diǎn)，側(cè)重?cái)?shù)據(jù)應(yīng)用、服務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)以及后期三維地圖數(shù)據(jù)服務(wù)體系的搭建，打造跨行業(yè)、多技術(shù)支撐、信息資源多元化的新型城市地理信息載體；文中分析了基于城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了城市規(guī)劃、建設(shè)CAD數(shù)據(jù)到三維地圖快速建模的技術(shù)流程，采用空間數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理影像、矢量、紋理和三維模型等海量數(shù)據(jù)，完成三維環(huán)境瀏覽、查詢(xún)定位、城市規(guī)劃方案評(píng)審、空間分析等功能，為城市規(guī)劃、建設(shè)等工作提供有效的服務(wù)與保障，推進(jìn)城市信息化進(jìn)程。

三維地圖；空間數(shù)據(jù)庫(kù)；地理信息

1 前 言

建立“數(shù)字城市”已被國(guó)內(nèi)許多大中城市列為中、長(zhǎng)期目標(biāo)，城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，催化了對(duì)城市信息化需求的迅猛增長(zhǎng)，地理信息資源的規(guī)模、品種和服務(wù)水平已經(jīng)成為衡量一個(gè)城市信息化水平的重要標(biāo)志。城市三維地圖的建立不僅能全方位展示城市的各種真實(shí)場(chǎng)景，而且具有空間數(shù)據(jù)管理和分析應(yīng)用能力，在城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、輔助決策和公共安全等方面開(kāi)創(chuàng)了新型的地理信息應(yīng)用模式，對(duì)深化城市規(guī)劃管理、構(gòu)建信息化城市勘測(cè)體系具有重要意義。

城市三維地圖建設(shè)是城市勘測(cè)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。國(guó)內(nèi)很多城市已經(jīng)建立了三維城市仿真、三維城市模型和城市管理三維化等系統(tǒng)，為城市三維地圖建設(shè)奠定了良好的技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)也遇到了不少困難，主要體現(xiàn)在:一方面，城市三維模型三維信息量大、建設(shè)周期長(zhǎng)、生產(chǎn)投入代價(jià)高；另一方面，城市三維模型的建設(shè)根據(jù)應(yīng)用所采用的數(shù)據(jù)獲取方式、建模方法、技術(shù)方案各異，可借鑒性差。那么，探索城市三維地圖建設(shè)產(chǎn)業(yè)化模式，迫切需要技術(shù)創(chuàng)新，通過(guò)引入高科技手段，建立精度高、效率高、成本低的數(shù)據(jù)建模方法，建立大批量數(shù)字模型生產(chǎn)流程，尋求數(shù)字模型建設(shè)的新思路、新方法。

2 技術(shù)現(xiàn)狀

城市三維空間信息的獲取方式很多，市場(chǎng)上可用的城市三維模型軟件日益豐富，技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案也不盡相同:通常基于OpenGL底層開(kāi)發(fā)，采用COM構(gòu)架的三維地理信息系統(tǒng)軟件平臺(tái)，它提供了對(duì)三維場(chǎng)景空間上和邏輯上的管理以及對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理能力，最大技術(shù)特點(diǎn)是具有組件開(kāi)放式系統(tǒng)架構(gòu)、較完整的空間數(shù)據(jù)描述體系、海量地形數(shù)據(jù)支持和高級(jí)視景仿真，同時(shí)在可視化美觀程度及軟件運(yùn)行速度方面具有一定的優(yōu)勢(shì)；目前較多的應(yīng)用需求是在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中發(fā)布海量空間數(shù)據(jù)，采用WebService技術(shù)構(gòu)建中間件，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)度、發(fā)布、加密、授權(quán)、集成計(jì)算、事務(wù)處理等，采用ActiveX等組件技術(shù)構(gòu)建客戶(hù)端控件，內(nèi)置交互引擎、繪制引擎和業(yè)務(wù)引擎，其中交互引擎負(fù)責(zé)完成人機(jī)交互和物體編輯功能，如漫游、平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等，繪制引擎負(fù)責(zé)空間數(shù)據(jù)、幾何信息和紋理信息的快速可視化，業(yè)務(wù)引擎負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)不同行業(yè)的特定需求，實(shí)現(xiàn)2.5D固定角度渲染仿真圖像、3D三維互動(dòng)模式無(wú)縫集成瀏覽、海量數(shù)據(jù)發(fā)布等應(yīng)用。

3 三維地圖建設(shè)中的若干問(wèn)題

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展和城市勘測(cè)行業(yè)的信息化成果為建立城市三維地圖提供了堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)，城市三維地圖建設(shè)以城市二維地理信息數(shù)據(jù)資源為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用遙感、地理信息、三維仿真、數(shù)據(jù)庫(kù)、網(wǎng)絡(luò)及多媒體等技術(shù)，建立三維立體空間數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理及輔助決策支持提供專(zhuān)業(yè)服務(wù)的應(yīng)用系統(tǒng)，建立城市三維地圖的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):

3.1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系的建立

從國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，城市三維地圖的發(fā)展需要三類(lèi)關(guān)鍵技術(shù)的保障，即:通用的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、高效的數(shù)據(jù)組織與存取方法、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)保障技術(shù)。城市三維地圖對(duì)數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)性、準(zhǔn)確性和一致性要求較高，涉及諸多技術(shù)環(huán)節(jié)，也涉及不同專(zhuān)業(yè)部門(mén)，并且要求來(lái)自不同數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)能夠集成為一個(gè)完整的數(shù)據(jù)產(chǎn)品，因此城市三維地圖的生產(chǎn)必須嚴(yán)格遵循統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，比如三維地圖模型精度標(biāo)準(zhǔn)、三維模型質(zhì)量檢查規(guī)范、三維地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程(如圖1)和紋理采集制作規(guī)范等。

城市三維地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、覆蓋面廣等特點(diǎn)，具有不同詳細(xì)程度、不同綜合程度、不同抽象程度的信息，要素之間的各種關(guān)系異常復(fù)雜，必須依賴(lài)高效的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)建立項(xiàng)目數(shù)據(jù)組織層級(jí)結(jié)構(gòu)，如圖2所示；城市三維地圖及應(yīng)用系統(tǒng)技術(shù)含量極高，生產(chǎn)技術(shù)復(fù)雜，需要較大規(guī)模投資，從國(guó)內(nèi)城市建設(shè)先例來(lái)看，數(shù)據(jù)生產(chǎn)和服務(wù)體系搭建初期只有投入而沒(méi)有經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，它涉及多個(gè)專(zhuān)業(yè)、產(chǎn)業(yè)之間的協(xié)作，必須有宏觀指導(dǎo)與協(xié)調(diào)規(guī)范，因而，城市三維地圖的生產(chǎn)必須走規(guī)模化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的道路。

圖1 三維地圖數(shù)據(jù)生產(chǎn)流程

圖2 項(xiàng)目數(shù)據(jù)組織層級(jí)結(jié)構(gòu)

3.2 鄭州市三維地圖瀏覽系統(tǒng)功能與實(shí)現(xiàn)

建立城市三維地圖管理系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要用于數(shù)據(jù)的后臺(tái)管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)字高程模型(DEM)、影像(DOM)、二維矢量數(shù)據(jù)(DLG)、三維模型(DM)等數(shù)據(jù)的集成、管理、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布和應(yīng)用。系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能如下:

(1)擁有數(shù)據(jù)生產(chǎn)、維護(hù)、更新系列工具，支持二次開(kāi)發(fā)、可進(jìn)行三維空間信息的擴(kuò)展應(yīng)用；

(2)平臺(tái)需支持基于關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)的海量數(shù)據(jù)組織方式，可進(jìn)行無(wú)損數(shù)據(jù)壓縮，實(shí)現(xiàn)海量地形、影像、三維模型異步載入功能；

(3)支持所見(jiàn)即所得的瀏覽與編輯實(shí)時(shí)交互性，如圖3所示，可以通過(guò)瀏覽工具的按鈕來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的瀏覽，也可以在三維場(chǎng)景中使用鼠標(biāo)進(jìn)行瀏覽，同時(shí)可以控制瀏覽的高度、方向、俯仰角等。

圖3 三維地圖瀏覽系統(tǒng)界面

(4)數(shù)據(jù)發(fā)布方式安全可靠，同時(shí)支持本地和網(wǎng)絡(luò)方式的數(shù)據(jù)訪問(wèn)，支持2.5維、三維數(shù)據(jù)、三維空間4D數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)布、網(wǎng)上瀏覽功能；

(5)快速建模:系統(tǒng)支持根據(jù)城市大比例尺地形圖數(shù)據(jù)快速建立模型的功能，可以設(shè)置其材質(zhì)、紋理等，可與其二維屬性掛接；同時(shí)支持根據(jù)用戶(hù)自定義底部建筑輪廓，設(shè)置其高度、紋理、女兒墻等參數(shù)，快速建立三維模型的功能。

(6)支持多數(shù)據(jù)源入庫(kù)(DEM、DOM、DLG、DM、DRG)，支持成果數(shù)據(jù)輸出(動(dòng)畫(huà)編輯、成果快速出圖)；

(7)歷史變遷:基于時(shí)間軸，了解某一地區(qū)的歷史景觀、現(xiàn)狀和規(guī)劃方案；

(8)日照光影分析:通過(guò)對(duì)日照參數(shù)的動(dòng)態(tài)計(jì)算，以三維方式展示日照光影的效果，并可演示一天當(dāng)中建筑陰影的變化，直觀看到新建建筑對(duì)周邊建筑的日照影響。

(9)支持方案對(duì)比:對(duì)同一位置的多個(gè)建筑方案可進(jìn)行雙屏或多屏的可設(shè)置的動(dòng)態(tài)效果比較，對(duì)于多屏的數(shù)量用戶(hù)能夠根據(jù)實(shí)際的使用環(huán)境自定義選定。

(10)規(guī)劃指標(biāo)自動(dòng)計(jì)算:在規(guī)劃用地上規(guī)劃建筑模型，系統(tǒng)可以自動(dòng)計(jì)算規(guī)劃建設(shè)用地面積、建筑物占地面積、綠地面積、容積率、綠地率、建筑密度、平均層數(shù)、最高建筑高度等。

(11)空間分析:系統(tǒng)可讀取任意點(diǎn)三維坐標(biāo)，量算任意點(diǎn)之間的水平距離和空間距離，任意多邊形的投影面積；實(shí)現(xiàn)視域分析、通視分析、控高分析、斷面分析等功能。

3.3 數(shù)據(jù)建設(shè)

(1)數(shù)據(jù)組成

系統(tǒng)數(shù)據(jù)主要包括 1∶1 000的DOM數(shù)據(jù)，根據(jù)1∶1 000DLG地形圖提取等高線并進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理生成的DEM，1∶1 000的DLG數(shù)據(jù)；建筑物三維模型數(shù)據(jù)(包括快速建模和精細(xì)建模模型)，部分道路精細(xì)三維模型以及地名標(biāo)注數(shù)據(jù)，專(zhuān)題數(shù)據(jù)(如規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、規(guī)劃控制線數(shù)據(jù)等)，系統(tǒng)要求各個(gè)類(lèi)型數(shù)據(jù)源均做好相關(guān)地理信息匹配工作。

(2)數(shù)據(jù)處理

地貌模型數(shù)據(jù):首先驗(yàn)證DOM數(shù)據(jù)精度，并進(jìn)行幾何校正，使控制點(diǎn)和檢查點(diǎn)的誤差調(diào)整到理論誤差范圍以?xún)?nèi)，然后通過(guò)DEM數(shù)據(jù)建立真彩色三維地面場(chǎng)景，反映城市真實(shí)面貌；對(duì)于精品街、迎賓大道等重點(diǎn)街道采用三維精細(xì)模型表現(xiàn)，真實(shí)的反映交通警示標(biāo)記、道路行車(chē)線和道路指示等信息，為市政交通設(shè)計(jì)、評(píng)審提供參考。

三維建模數(shù)據(jù)處理:三維建模分兩種方式實(shí)現(xiàn):精細(xì)建模和快速建模；精細(xì)建模采用Creator制作三維模型并處理紋理信息，烘焙、渲染處理主要采用3DMax等工具；快速建模則由1∶1 000的DLG數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)自主研發(fā)的轉(zhuǎn)換工具將CAD面閉合并轉(zhuǎn)換成Shape面，然后根據(jù)建筑物樓層信息采用快速建模工具自動(dòng)拉伸、貼紋理；三維建模制作流程如圖4所示，首先將大比例尺地形圖、規(guī)劃成果CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Shape數(shù)據(jù)，然后采用快速建模工具獲取三維地圖基礎(chǔ)模型，并將精細(xì)模型和快速建模成果合并，最后完成基于空間數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的影像、三維模型和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，對(duì)于植被、路燈等小品根據(jù)DLG數(shù)據(jù)建立，快速建模大大緩解了三維地圖建模周期長(zhǎng)、生產(chǎn)投入代價(jià)高的問(wèn)題。

圖4 三維地圖快速建模流程

紋理數(shù)據(jù):主要通過(guò)外業(yè)照片采集的方法獲取紋理，由于實(shí)際拍攝的紋理照片受光線、角度、時(shí)間的限制，需要利用Photoshop等圖像處理軟件進(jìn)行色彩飽和度、亮度和幾何形變等處理，才能滿(mǎn)足三維模型紋理建庫(kù)的要求；其次是采用正射影像圖數(shù)據(jù)處理獲取，由于不存在遮擋、信息量足，對(duì)建筑物頂部紋理可采用正射影像圖處理得到。

其他業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)處理:主要是三維地圖應(yīng)用相關(guān)的專(zhuān)題數(shù)據(jù)的處理，比如規(guī)劃指標(biāo)數(shù)據(jù)、城市環(huán)境指標(biāo)信息、道路交通流量等數(shù)據(jù)，建立專(zhuān)題數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，與城市三維地圖應(yīng)用銜接，打造跨行業(yè)、多技術(shù)支撐、信息資源多元化的新型城市地理信息載體。

4 鄭州市三維地圖建設(shè)預(yù)期成果及展望

鄭州市三維地圖可為城市規(guī)劃、建設(shè)與管理提供可視化的方法，如圖5所示，已建成的鄭州市精品街現(xiàn)狀三維地圖和鄭州市三維規(guī)劃評(píng)估系統(tǒng)。在城市規(guī)劃應(yīng)用方面，系統(tǒng)可以通過(guò)顯示不同建筑方案同周邊建筑群體的相互關(guān)系，真實(shí)再現(xiàn)規(guī)劃建筑和現(xiàn)狀建筑的空間關(guān)系，并能適時(shí)修改高度、方向、體量、色彩等，使得規(guī)劃評(píng)審專(zhuān)家和決策者可以從多個(gè)觀察角度直觀的對(duì)比多個(gè)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，幫助規(guī)劃決策者更加清楚、直觀地確認(rèn)合理方案，進(jìn)一步提高規(guī)劃決策和管理水平，提高規(guī)劃評(píng)審質(zhì)量，提升評(píng)審決策的科學(xué)性，使規(guī)劃管理更合理、更科學(xué)、更透明。系統(tǒng)還可以用來(lái)研究城市空間形態(tài)規(guī)劃，為城市設(shè)計(jì)、建筑高度控制規(guī)劃提供更直觀、更科學(xué)的技術(shù)支撐手段。

圖5 鄭州市三維地圖建設(shè)初步成果

關(guān)于城市規(guī)劃成果陽(yáng)光公示的應(yīng)用服務(wù)展望:城市建設(shè)的成敗不僅僅以專(zhuān)家的眼光來(lái)判斷，長(zhǎng)期生活在城市的公眾有著不同的見(jiàn)解，因此，對(duì)于城市重點(diǎn)區(qū)域改造或建設(shè)、重要的標(biāo)志性建筑以及公眾極為關(guān)注的城市設(shè)計(jì)，都需要有一種更為直觀、更利于普通民眾理解和通過(guò)網(wǎng)絡(luò)投票參與的手段，實(shí)現(xiàn)與公眾的信息交流，這也是當(dāng)前我國(guó)各級(jí)政府部門(mén)正在貫徹落實(shí)的信息公開(kāi)制度，是實(shí)現(xiàn)陽(yáng)光規(guī)劃、陽(yáng)光執(zhí)政的必要途徑，基于互聯(lián)網(wǎng)的三維規(guī)劃成果發(fā)布是方便公眾，提升城市服務(wù)能力的新穎技術(shù)，也是城市三維地圖的典型應(yīng)用需求。

5 結(jié) 語(yǔ)

城市三維地圖的興起是城市勘測(cè)行業(yè)自身發(fā)展和深化城市規(guī)劃、建設(shè)管理要求的必然，系統(tǒng)建成后將廣泛應(yīng)用于城市規(guī)劃、公共安全、環(huán)境監(jiān)測(cè)、旅游交通和消防安全等領(lǐng)域，為城市各行業(yè)的信息綜合運(yùn)用提供了三維基礎(chǔ)框架，同時(shí)為城市建設(shè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供空間信息服務(wù)，完善城市信息化勘測(cè)體系，推進(jìn)城市信息化進(jìn)程。

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Construction and Application Research for Three－Dimensional Map of Zhengzhou

Yang CunJi，Luo XianXue，Zhao ZiLi
(Zhengzhou Urban Planning Design＆Survey Research Institute，Zhengzhou 450052，China)

The construction for three－dimension map of city take practical as a strarting point，focusing on application of data and research for service system，as well as struction for later period service system of three－dimension map，building cross－industry、multi－technology support and mulriple information resources for new－style urban geographic information carrier；This paper analyzed the key technology problem of building three－dimensional model based on urban large－scale topographical map，implementing the technology method of building fleetly three－dimensional map modeling based on CAD data about urban planning and construction，managing mass data such as three－dimensional model、vector data and texture by spatial database system，finally achieving browse of three－dimensional environment，querying and locating，spatial analysis，urban planning project evaluation and other functions.The new－style map will provide an effective service and guarantee for urban planning and construction works，and promote city information－based process.

three－dimensional map；Spatial Database；GIS

1672－8262(2010)05－18－04

P208，P283

A

2010—03—03

楊存吉(1962—)，男，正高職高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事城市勘測(cè)技術(shù)、3S技術(shù)應(yīng)用研究與行政管理工作。