包頭三維數字城市發(fā)展研究

薛飛

摘 要： 本文簡要介紹了包頭市三維數字城市的建設發(fā)展情況，總結了關鍵性技術，分析了當前存在的問題，研究提出了解決的思路和辦法，對包頭市三維數字城市進一步的發(fā)展具有一定的現實意義。

關鍵詞： 三維城市模型； 三維數字包頭

1. 引言

隨著“數字城市”建設的推進，傳統(tǒng)的二維數字地圖已不能滿足城市三維空間管理的需要。建立三維數字城市成為城市規(guī)劃、建設、管理部門在空間信息社會化服務中共同追求的目標。

“三維數字城市”是通過對城市地形、建筑及其它人工設施進行三維地理建模，形成覆蓋全市的數字城市立體場景，同時結合虛擬仿真等技術，實現城市的三維可視化管理，是提高城市規(guī)劃編制技術水平，實現科學規(guī)劃的有效手段，是推進“數字包頭”建設，實現公共事務可視化管理的基礎保障，可以促進經濟社會的全面可持續(xù)發(fā)展。

包頭市于2011年啟動了三維數字城市建設工作。經過幾年的不斷努力，建成了一套數據，二個系統(tǒng)，三個規(guī)范，取得了豐碩的成果。

2. 發(fā)展情況

包頭市三維數字城市建設以虛擬現實技術、三維GIS技術和信息管理技術等為核心，以計算機網絡和軟硬件平臺為依托，以相關國家政策、法規(guī)和行業(yè)標準等為保障，通過Internet/Intranet等方式真實、直觀、充分地展現包頭市的城市空間框架，實現城市三維空間信息數據的全方位共享與交換，形成對行政管理和社會的應用與服務。

2.1 一套數據

一套數據是指利用三維仿真技術建成包頭市中心城區(qū)約150km2的三維精細模型，實現城市景觀的三維虛擬重建，精細、生動地反映了城市的整體風貌。主要分為二個層次，第一層是地形地貌模型庫，第二層是城市三維模型庫。

地形地貌模型庫主要利用數字高程模型和數字正射影像生成，采用1∶2000比例尺DEM和DOM數據，平面坐標系采用包頭市獨立坐標系，高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準，地形地貌數據庫可以展現真實的三維地理環(huán)境。

城市三維模型庫主要對城市建筑、道路、水系等進行精細建模，能夠真實再現城市景觀。首先通過外業(yè)實地采集建筑、景觀的立面照片，作為三維模型的側面貼圖來源。利用VirtuoZo，在立體環(huán)境下采集建筑物頂部三維矢量數據。利用采集的建筑物矢量線通過CCModel軟件自動生成建筑物三維體塊模型。由于正射影像已經消除了建筑物投影差，使得矢量信息與影像信息能夠完美疊加，由此可以對影像頂部紋理信息進行準確裁切，并自動提取，附著在建筑物三維模型數據上。根據外業(yè)實景照片，制作側面紋理貼圖。

2.2 二個系統(tǒng)

二個系統(tǒng)是指建成三維數據管理系統(tǒng)和三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)。三維數據管理系統(tǒng)可將各種傳統(tǒng)的二維矢量數據、航測遙感數據、數字高程模型、三維精細建筑模型無縫集成，實現海量三維模型數據的瀏覽和管理。三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)以規(guī)劃專業(yè)應用為基礎，具有空間量測、多方案比較、日照模擬、通視分析等專業(yè)分析功能，可以應用于輔助規(guī)劃編制和城市管理。

2.3 三個規(guī)范

三個規(guī)范是指針對包頭市的實際情況，建設相應的三維數字地圖標準體系，包括：《三維數字地圖技術規(guī)程》、《三維數字地圖質量檢查與驗收規(guī)程》和《建設項目建筑（規(guī)劃）設計方案三維仿真輔助審查數據要求》，作為項目建設和三維技術進一步發(fā)展與應用的保障和依據。

2.4 推廣與應用

在三維數字城市的應用方面，首先推廣了三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)在規(guī)劃評審中的應用。通過三維建模技術，建立起擬建項目及周邊的三維仿真環(huán)境，使人足不出戶就可以領略真實的城市面貌，從而對擬建項目與周邊環(huán)境關系有直觀的認識和把握，為規(guī)劃管理提供了決策依據。其次拓寬了三維技術的應用載體，將僅限電腦終端使用，推廣至ipad移動終端，大大提高了使用的便捷性，為城市形象推廣、領導決策提供了便利的工具。

3. 關鍵性技術

3.1 多源多尺度模型的融合及海量數據管理

與傳統(tǒng)的二維數據相比，三維地理信息數據具有數據復雜、數據量龐大的特點，其數據建庫組織是一個非常重要的技術和策略問題。主要包括：

（1）數據組織方法。在三維數字城市建設過程中涉及二維和三維數據，對于二維數據可采用傳統(tǒng)的數據組織方法，對于三維數據主要采用不規(guī)則網格組織模型數據，充分發(fā)揮各種數據組織方法的優(yōu)勢：同時，考慮三維模型數據與二維數據的對應，以實現二維數據和三維數據的統(tǒng)一管理。

（2）數據壓縮方法。對規(guī)則格網的柵格數據（如DEM、DOM數據），建立金字塔數據結構并進行壓縮；模型數據則采用LOD方法進行壓縮。

（3）空間索引建立。對于海量數據的三維場景，必須建立適當的空間索引以加速三維模型數據的定位與訪問，提高數據訪問和存儲的效率。

3.2 三維建模技術

三維數字城市的三維建模就是重建城市真實地理環(huán)境，即以真實的地理空間位置再現城市現狀景觀（包括地形地貌、城市建筑與道路設施等）。要在計算機中模擬現實世界，就必須建出在多維尺度下外形、光照、質感等各方面都與真實對象相似的對象模型。需要解決以下問題：

（1）建模區(qū)域劃分。城市包括了建成區(qū)、郊區(qū)等，建成區(qū)包括了新建地區(qū)、待改造地區(qū)等，首先要對建模區(qū)域進行規(guī)劃，合理劃分建模工作片區(qū)（格網劃分、街區(qū)劃分），對每個區(qū)片設定建模級別，是建模之前首先要開展的工作。

（2）多源數據的整合利用。三維城市模型建設涉及DEM數據、DOM數據、地形圖、實拍照片、規(guī)劃圖紙等多種數據源，需要有效整合這些原始數據，并按應用要求，對原始數據進行流程化處理，滿足三維模型在幾何、細節(jié)上的要求。

（3）大范圍三維場景模型的快速建立。對于大區(qū)域的三維模型的建立，要有一個快速建模的技術和方法，提高模型建立的自動化水平，同時保證模型的質量。

（4）制定建模技術規(guī)范技術標準。三維數字城市建模范圍大、模型種類多樣，統(tǒng)一的建模標準和規(guī)范非常重要，它不僅可保證模型建設的質量和效率，使建模工作順利進行，還可推動和實現三維數據的共享。

4. 存在的問題

4.1 更新速度滯后

三維數字城市的現勢性直接關系到其使用價值的優(yōu)劣，可以說是三維數字城市的生命，只有始終保持其現勢性，跟上城市建設發(fā)展的步伐，才能及時有效的為城市規(guī)劃建設管理服務，提供真實可靠的決策依據，才能使三維數字城市在國民經濟和社會發(fā)展中發(fā)揮應有的作用。

目前我市三維數字城市建設已歷經六年時間，由于城市建設發(fā)展迅速，城市景觀發(fā)生了很大變化，現有三維數字城市的部分區(qū)域已經與現實情況不符，需要及時進行更新。然而，現有每年只能完成3平方公里區(qū)域的更新，更新的速度遠遠滯后于城市建設發(fā)展的步伐。

4.2 應用的深度與廣度不夠

在應用的深度方面，我們的應用仍主要集中在三維城市景觀的全景瀏覽方面，缺乏更深層次的開發(fā)應用。

在應用的廣度方面，我們的應用仍主要集中在城市規(guī)劃領域，如資源管理、災害防范、事故應急處理、環(huán)境影響評價等領域的應用仍未涉足。

4.3 人才技術力量薄弱

三維數字城市建設是一項專業(yè)技術性很強的工作，三維技術發(fā)展也十分迅速，但是我們現有專業(yè)技術人員數量卻嚴重不足，技術水平與先進地區(qū)差距巨大，人才技術力量的缺乏，勢必影響我市三維數字城市建設的可持續(xù)發(fā)展。

5. 解決的思路

5.1 建立有效的更新機制

為保障三維數字城市的有效利用，必須切實建立三維數字城市更新機制，建設快速更新的技術保障體系，從更新方法、更新周期、更新工作的機構、人員和經費等方面落到實處。為此，我們需要借鑒先進地區(qū)的好方法、好經驗，結合我們的實際，摸索出一條符合我市實際的快速有效的好方法。

傾斜攝影測量技術是當前國際測繪領域一項新興、熱門的技術。它顛覆了傳統(tǒng)航空攝影技術，融合了正射和傾斜影像，通過在飛行平臺上搭載多臺航攝儀（或傳感器）同時從垂直、傾斜等多個不同角度的拍攝將用戶引入真實世界。通過對傾斜攝影測量技術的研究可以得知，該技術是大規(guī)模城市三維模型建設更新的可行方法。下一步應繼續(xù)深入研究如何利用傾斜攝影測量技術實際開展工作，同時研究如何解決地面低處模型欠佳的問題，為大規(guī)模三維模型更新打好基礎。

5.2 積極推廣應用

積極開拓三維地圖制作、三維輔助分析等更深層次的應用。積極開拓資源管理、災害防范、事故應急處理、環(huán)境影響評價、城市形象展示等領域的應用。

5.3 加強人才隊伍建設

三維數字城市建設是提高我市城市管理現代化水平的一項前期性、基礎性、公益性的工作，其作用只能加強，不能削弱，這就要求要有一支人員結構合理、業(yè)務水平精通的人才隊伍。建議引進更多專業(yè)技術人才，同時多提供培訓深造機會，為三維數字城市建設的可持續(xù)發(fā)展做好人力資源保障。

6. 結語

經過多年的努力，包頭三維數字城市建設已經取得一定的成績，在輔助城市規(guī)劃決策管理、城市形象宣傳推廣方面做出了一定的貢獻。但是在發(fā)展過程中，仍存在一些問題和不足，筆者提出了解決思路和建議，希望能夠為下一步的發(fā)展提供一些幫助。