面向規(guī)劃管理的重慶都市區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)

王昌翰

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400020)

一、引 言

三維模型數(shù)據(jù)作為描述空間地理信息的又一重要數(shù)據(jù)資源，與傳統(tǒng)測(cè)繪4D產(chǎn)品相比具有信息量大、直觀生動(dòng)的特點(diǎn)。以三維模型數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)建立的城市三維仿真系統(tǒng)在城市規(guī)劃、應(yīng)急指揮、房地產(chǎn)開發(fā)、展覽展示等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。重慶市勘測(cè)院在城市三維建模、仿真系統(tǒng)研發(fā)、市場(chǎng)培育及應(yīng)用推廣方面進(jìn)行了10多年的實(shí)踐，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，為全面推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)：

1) 人才技術(shù)基礎(chǔ)。培養(yǎng)了一批從事數(shù)據(jù)獲取、三維建模、系統(tǒng)開發(fā)與集成的骨干技術(shù)力量；編制了適合重慶山地城市特點(diǎn)的地方標(biāo)準(zhǔn)《重慶市城市三維建模技術(shù)規(guī)范》；基于開源三維平臺(tái)OSG開發(fā)了“山地城市三維仿真系統(tǒng)”，成功解決了海量三維數(shù)據(jù)組織、快速索引查詢、實(shí)時(shí)瀏覽、二三維集成、行業(yè)應(yīng)用等關(guān)鍵技術(shù)問題。

2) 數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。1∶500比例尺地形圖覆蓋主城規(guī)劃區(qū)1000 km2，1∶2000數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖覆蓋都市區(qū)6000 km2，這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是建立都市區(qū)三維模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；同時(shí)，已建立主城核心區(qū)約400 km2建筑物和地形的精細(xì)三維模型。

3) 市場(chǎng)及政策基礎(chǔ)。充分發(fā)掘三維技術(shù)優(yōu)勢(shì)，根據(jù)重慶山地城市特點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)。經(jīng)過多年的市場(chǎng)培育和應(yīng)用推廣，三維仿真技術(shù)逐步被工程咨詢、城市規(guī)劃、城市建設(shè)管理、城市展覽展示及房地產(chǎn)開發(fā)等行業(yè)部門所接受，也得到各級(jí)政府領(lǐng)導(dǎo)的重視。2012年3月，重慶市規(guī)劃局下發(fā)《重慶市規(guī)劃局關(guān)于在主城區(qū)試行三維仿真系統(tǒng)輔助建筑規(guī)劃管理的通知》(渝規(guī)發(fā)[2012]19號(hào))，通知要求，自2012年4月1日起，主城區(qū)范圍內(nèi)的建設(shè)項(xiàng)目納入三維仿真系統(tǒng)輔助規(guī)劃管理。文件對(duì)規(guī)劃決策、建管、竣工規(guī)劃核實(shí)等環(huán)節(jié)如何運(yùn)用三維仿真做出了要求，該通知的出臺(tái)對(duì)推動(dòng)三維仿真技術(shù)在更大范圍的進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)揮了重要作用[1]。

二、建設(shè)目標(biāo)及內(nèi)容

1. 建立都市區(qū)三維模型庫(kù)

三維模型庫(kù)是建立三維仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)。三維模型庫(kù)覆蓋重慶都市區(qū)6000 km2，其中主城區(qū)面積為1100 km2，郊區(qū)面積為4900 km2。三維模型數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀模型和規(guī)劃模型兩種類型，每一類型包括三維數(shù)字地面模型、三維建筑模型、三維路網(wǎng)模型、三維景觀模型等。現(xiàn)狀三維模型是城市地形地貌及建筑物的現(xiàn)勢(shì)反映，規(guī)劃模型是城市設(shè)計(jì)、建設(shè)項(xiàng)目設(shè)計(jì)成果的三維反映。

2. 搭建基于網(wǎng)絡(luò)的城市級(jí)三維仿真平臺(tái)

平臺(tái)提供基于網(wǎng)絡(luò)的三維可視化功能，使領(lǐng)導(dǎo)及各政府部門在辦公室可隨時(shí)進(jìn)入三維虛擬環(huán)境，實(shí)時(shí)了解重慶都市區(qū)的地形地貌及規(guī)劃建設(shè)情況，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上辦公、查詢、統(tǒng)計(jì)分析；通過網(wǎng)絡(luò)化的環(huán)境實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新維護(hù)和成果應(yīng)用發(fā)布等分布式管理。

3. 實(shí)現(xiàn)城市三維仿真平臺(tái)與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)集成

已建立的城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)、規(guī)劃管理系統(tǒng)等具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理功能和信息查詢功能，較好地滿足了城市規(guī)劃及管理工作的信息化需要。將三維仿真系統(tǒng)與現(xiàn)有基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)、規(guī)劃成果庫(kù)有機(jī)銜接與相互聯(lián)動(dòng)，能使三維仿真平臺(tái)成為集成各類信息的綜合管理平臺(tái)。既發(fā)揮了城市三維仿真系統(tǒng)的三維表現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，又充分發(fā)揮了已有系統(tǒng)的功能，減少了重復(fù)建設(shè)。

4. 實(shí)現(xiàn)三維規(guī)劃輔助決策與規(guī)劃申批

以三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，結(jié)合山地城市規(guī)劃管理的特點(diǎn)和需要，從詳細(xì)規(guī)劃設(shè)計(jì)、項(xiàng)目選址、規(guī)劃報(bào)建與審批、建后評(píng)價(jià)等環(huán)節(jié)，建立具有城市輔助規(guī)劃設(shè)計(jì)與規(guī)劃審批、規(guī)劃業(yè)務(wù)管理功能的規(guī)劃管理與決策系統(tǒng)，在滿足規(guī)劃管理業(yè)務(wù)需要的同時(shí)，也為重慶市委、市政府進(jìn)行重大項(xiàng)目論證和決策提供翔實(shí)、準(zhǔn)確的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和優(yōu)化方案，為重大項(xiàng)目的論證和重要問題的決策提供輔助決策支持，從而提高城市規(guī)劃管理和決策的科學(xué)性，提高辦事效率。

三、數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的總體架構(gòu)基于面向服務(wù)的分層架構(gòu)設(shè)計(jì)思想，按數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理、服務(wù)、應(yīng)用相分離的原則，由運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)層包括三維模型元數(shù)據(jù)庫(kù)、三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)、二維基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)庫(kù)和規(guī)劃管理數(shù)據(jù)庫(kù)，它是在分服務(wù)、分圖層的三維模型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，根據(jù)在線瀏覽、規(guī)劃方案審批需求，按照統(tǒng)一技術(shù)規(guī)范進(jìn)行整合處理，采用分布式的存儲(chǔ)和管理模式搭建形成的數(shù)據(jù)中心；服務(wù)層主要提供二、三維集成聯(lián)動(dòng)的服務(wù)，滿足規(guī)劃局各業(yè)務(wù)處室的應(yīng)用需求；運(yùn)行支撐層主要包括服務(wù)器和存儲(chǔ)備份設(shè)備系統(tǒng)、安全保密系統(tǒng)、數(shù)據(jù)集成工具集等硬環(huán)境，以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范與管理辦法等軟環(huán)境。

四、建設(shè)技術(shù)路線

1. 模型建庫(kù)流程

三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)建庫(kù)工作包括生產(chǎn)、模型檢查、渲染、集成預(yù)處理、模型建庫(kù)5個(gè)環(huán)節(jié)。

1) 模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。三維模型制作和生產(chǎn)嚴(yán)格遵守重慶市地方標(biāo)準(zhǔn)《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》(DB50/T 393—2011)，包括采用DEM+DOM模式建立的地形模型和采用DLG+現(xiàn)場(chǎng)照片模式建立的精細(xì)場(chǎng)景模型兩種。其中采用DEM+DOM模式建立的地形模型按照1∶2000標(biāo)準(zhǔn)分幅組織，原始文件為FLT格式；DLG+現(xiàn)場(chǎng)照片模式建立的精細(xì)場(chǎng)景模型包括精細(xì)地形、道路、建筑、植被、附屬設(shè)施和其他等類別，其模型文件和紋理文件按照控規(guī)組團(tuán)進(jìn)行編碼組織。

2) 模型檢查。內(nèi)容包括從模型的完整性和準(zhǔn)確性、紋理的正確性、單元接邊的正確性、模型及紋理命名的規(guī)范性等方面進(jìn)行詳細(xì)檢查。

3) 模型渲染。利用3ds Max軟件進(jìn)行場(chǎng)景燈光設(shè)置，形成模型渲染貼圖，通過光照、陰影效果提升模型的真實(shí)感，利用OsgExp插件，將渲染后的模型和紋理數(shù)據(jù)導(dǎo)出為OSG格式。

4) 集成預(yù)處理。利用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)集成工具集處理導(dǎo)出的模型和紋理數(shù)據(jù)。首先根據(jù)模型所在的控規(guī)組團(tuán)及分區(qū)，自動(dòng)將模型存放到相應(yīng)的文件夾；然后批量為模型紋理增加水印，并導(dǎo)出為DDS文件格式。

5) 模型建庫(kù)。集成零散的模型文件，并再次檢查模型場(chǎng)景瀏覽效果，將零散的模型文件打包成場(chǎng)景數(shù)據(jù)文件并入庫(kù)，然后按類別聚類，建立模型的三維RTree空間索引。

2. 三維模型數(shù)據(jù)建庫(kù)建設(shè)及更新的體制機(jī)制

重慶地形地貌復(fù)雜，高樓密集，無論是地形建模還是建筑物建模，相對(duì)平原城市技術(shù)更復(fù)雜、難度更高。因此，建立重慶都市區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)是一項(xiàng)十分復(fù)雜、艱巨的工作，資金投入大，生產(chǎn)周期長(zhǎng)。經(jīng)過多年的市場(chǎng)推廣及應(yīng)用實(shí)踐，在資金投入方面逐步形成了單位自籌資金、政府投資和建設(shè)單位出資相結(jié)合的資金保障機(jī)制。重慶市勘測(cè)院通過自籌資金方式，開展了三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及平臺(tái)搭建的科技攻關(guān)、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)加工、標(biāo)準(zhǔn)制定、市場(chǎng)推廣等方面的工作；市規(guī)劃局及區(qū)政府主要對(duì)城市規(guī)劃區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)提供資金支持，實(shí)現(xiàn)城市三維模型數(shù)據(jù)的全面覆蓋；工程項(xiàng)目建設(shè)單位則負(fù)責(zé)建設(shè)區(qū)及周邊三維模型更新的費(fèi)用，保證三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)動(dòng)態(tài)更新。

規(guī)劃行政主管部門對(duì)建設(shè)項(xiàng)目管理主要通過頒發(fā)“一書三證”實(shí)現(xiàn)，一書是指《建設(shè)項(xiàng)目選址意見書》，三證指《建設(shè)用地規(guī)劃許可證》、《建設(shè)工程規(guī)劃許可證》、《建設(shè)工程竣工規(guī)劃驗(yàn)收合格證》。“一書三證”在規(guī)劃管理工作程序上分別對(duì)應(yīng)建筑工程選址規(guī)劃管理、建設(shè)工程用地規(guī)劃管理、建設(shè)工程規(guī)劃管理、建設(shè)工程竣工核實(shí)管理4個(gè)環(huán)節(jié)。基于三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的三維仿真平臺(tái)以這4個(gè)環(huán)節(jié)的應(yīng)用需求為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行功能開發(fā)，使規(guī)劃管理業(yè)務(wù)流程與三維仿真平臺(tái)有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了三維可視化項(xiàng)目選址及用地管理、工程項(xiàng)目建設(shè)方案三維審批和工程項(xiàng)目竣工后三維規(guī)劃核實(shí)管理。

基于三維仿真平臺(tái)的規(guī)劃行政管理業(yè)務(wù)流程如圖2所示。

圖2 基于三維仿真平臺(tái)的規(guī)劃行政管理業(yè)務(wù)流程

3. 模型細(xì)節(jié)程度劃分及覆蓋策略

現(xiàn)實(shí)世界復(fù)雜多樣，虛擬現(xiàn)實(shí)是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界一定程度的抽象，不可能完全模擬現(xiàn)實(shí)世界。因此，人們只能從現(xiàn)有技術(shù)條件和應(yīng)用需求出發(fā)，定義三維模型數(shù)據(jù)的內(nèi)容及其抽象程度。地形模型按兩個(gè)精度級(jí)別表示。中心城區(qū)及規(guī)劃新區(qū)地形采用3ds Max或Creator建模軟件，從1∶500地形圖提取高程點(diǎn)、房屋邊線、水涯線、道路邊線、斜坡坡頂線、斜坡坡腳線、上堡坎線、下堡坎線等數(shù)據(jù)，全人工構(gòu)建精細(xì)路網(wǎng)、橋梁、臺(tái)地、陡坎等地形三維模型。中梁山、銅鑼山及郊區(qū)建筑物相對(duì)較少，以DEM(2 m×2 m)+DOM(0.2 m分辨率)建立地形三維。建筑物模型按精細(xì)模型、一般模型和粗模型3個(gè)精度級(jí)別建模。歷史文化建筑、雕塑、標(biāo)志性建筑、別墅、干道兩邊重要建筑、城市重要地段的公共建筑、高度大于100 m的超高層建筑等精細(xì)建模，準(zhǔn)確測(cè)量，并反映建筑主體外輪廓、女兒墻、陽(yáng)臺(tái)、門、窗、屋檐、樓頂造型等；普通建筑、背街等一般建筑按一般模型建模,其陽(yáng)臺(tái)、門、窗、屋檐等用紋理表示，樓頂造型概要建模；郊區(qū)建筑用體塊模型表示，用算法實(shí)現(xiàn)批量建立體塊模型。

4. 模型分層

在二維地理信息中，地物要素應(yīng)進(jìn)行分層管理，如水系、道路、房屋、注記等。同樣，三維仿真模型在分塊的基礎(chǔ)上也需要按層來管理，一是便于模型數(shù)據(jù)查詢和分析，二是便于場(chǎng)景的調(diào)度和管理，實(shí)現(xiàn)分層加載。數(shù)據(jù)分層見表1。

表1 三維模型數(shù)據(jù)分層

5. 算法建立體塊模型

重慶都市區(qū)農(nóng)村范圍大，房屋分布散亂，采用人工逐一建模勢(shì)必費(fèi)工費(fèi)時(shí)，從應(yīng)用需求和生產(chǎn)效率角度出發(fā)，采用算法批量建粗模型是比較合理的選擇。因此，筆者在Visual C++ 6.0 開發(fā)平臺(tái)上，基于MFC 框架和三維建模軟件Creator的二次開發(fā)包OpenFlightAPI，批量讀取房屋位置及高程信息，快速構(gòu)建帶紋理的OpenFlight三維房屋模型。

通過讀取地形圖數(shù)據(jù)中房屋點(diǎn)序列數(shù)據(jù)和有關(guān)房屋結(jié)構(gòu)及樓層數(shù)注記，獲取房屋建模所需的底面、結(jié)構(gòu)及樓高，并根據(jù)房屋結(jié)構(gòu)性質(zhì)，選用合適的房頂形狀和貼圖。基于算法建立的體塊模型如圖3所示。

圖3 基于算法建立的體塊模型

6. 模型數(shù)據(jù)的組織

三維模型數(shù)據(jù)通過場(chǎng)景的方式進(jìn)行組織，為保證三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的高效訪問和快速更新，必須對(duì)重慶市主城區(qū)三維模型進(jìn)行分割，形成多個(gè)獨(dú)立的、小于3 GB的獨(dú)立子場(chǎng)景。分割原則為：控制性詳細(xì)規(guī)劃覆蓋的區(qū)域，按照控規(guī)范圍進(jìn)行場(chǎng)景分割；控規(guī)未覆蓋的區(qū)域，按照主城九區(qū)行政區(qū)劃進(jìn)行場(chǎng)景分割；涉及跨組團(tuán)和區(qū)劃的長(zhǎng)江、嘉陵江和橋梁，單獨(dú)建立一個(gè)場(chǎng)景[2]。

重慶主城區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)共切割為32個(gè)場(chǎng)景，包括22個(gè)組團(tuán)場(chǎng)景、9個(gè)區(qū)劃場(chǎng)景和1個(gè)跨區(qū)劃的江河橋梁場(chǎng)景。三維仿真平臺(tái)在調(diào)用三維模型時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際需要，有選擇地加載一個(gè)、多個(gè)或者全部三維場(chǎng)景。

每個(gè)組團(tuán)包括了多個(gè)分區(qū)。對(duì)應(yīng)的每個(gè)組團(tuán)模型場(chǎng)景中，包含地形、房屋及附屬設(shè)施、水系及附屬設(shè)施、道路及附屬設(shè)施、城市附屬設(shè)施5個(gè)圖層。

對(duì)于跨組團(tuán)和區(qū)劃的長(zhǎng)江、嘉陵江和橋梁，單獨(dú)建立一個(gè)場(chǎng)景進(jìn)行管理。該場(chǎng)景包括兩個(gè)圖層：江河和橋梁。

組團(tuán)分區(qū)數(shù)據(jù)組織如圖4所示。

圖4 組團(tuán)分區(qū)數(shù)據(jù)組織

7. 三維引擎開發(fā)

三維引擎是三維仿真平臺(tái)的核心，采用基于開源渲染引擎OpenSceneGraph設(shè)計(jì)，主要涵蓋圖層管理、動(dòng)態(tài)加載、紋理LOD和空間索引、空間分析等功能。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)采用大型數(shù)據(jù)庫(kù)Oracle9.0，通過Esri公司的ArcSDE技術(shù)直接訪問，開發(fā)環(huán)境是Vistual Studio 2005。三維仿真引擎的主要實(shí)現(xiàn)功能有顯示場(chǎng)景分塊、場(chǎng)景動(dòng)態(tài)加載、多級(jí)紋理、空間索引等[3]。

重慶渝中半島三維模型集成效果如圖5所示。

圖5 重慶渝中半島三維模型集成效果

五、結(jié)束語(yǔ)

三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)是建立三維仿真平臺(tái)的基礎(chǔ)。經(jīng)過多年理論研究和應(yīng)用實(shí)踐，重慶已建立了覆蓋都市區(qū)400 km2的三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)，并在此基礎(chǔ)上建立了重慶三維仿真基礎(chǔ)平臺(tái)。平臺(tái)在城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、規(guī)劃管理、方案審批、工程建設(shè)咨詢、招商引資和形象宣傳方面發(fā)揮了十分重要的作用，得到業(yè)務(wù)人員及各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。目前，重慶三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及基于三維模型數(shù)據(jù)庫(kù)的三維仿真平臺(tái)建設(shè)進(jìn)入良性發(fā)展的時(shí)期，應(yīng)用前景十分廣闊。首先在管理方面，重慶已將大范圍三維模型數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)的一部分納入常態(tài)化的生產(chǎn)、建庫(kù)和更新，形成了比較穩(wěn)定的投入機(jī)制；其次，較好地解決了三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)、建庫(kù)、平臺(tái)搭建及應(yīng)用的眾多關(guān)鍵技術(shù)，為平臺(tái)的可持續(xù)發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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