焦作市城區實景三維數據平臺建設研究

古慧敏

（焦作市基礎地理信息中心，河南 焦作 454150）

1 引言

按照《關于推進數字城市向智慧城市轉型升級有關工作的通知》（國測國發〔2015〕11號）要求，要做好城市時空數據內容的豐富、范圍的擴充，著力開展歷史、實時、動態、地下、室內、三維、多維地理信息獲取與分析處理，并不斷提升獲取能力和分析處理水平。

通過總結“數字焦作”數據成果的使用經驗，二維數據在對“智慧城市”提供基礎數據服務時，存在空間數據單一、抽象性較大、專業性要求高等問題。隨著三維數據模型建設技術的發展，城市三維模型數據的推廣使用逐漸與城市管理緊密結合[1]，并將發揮更大作用。

2 城市實景三維模型建設面臨的問題

以焦作市為代表的城市正處于發展上升期，城市功能區日漸完善，中心城區規劃范圍逐漸擴大，三維數據建模需要明確經費，確定實景三維模型的清晰度和建設內容，在數據生產和推廣時，存在生產周期長、數據量大等問題。建設實景三維數據模型時，高精度的清晰模型造價高，大范圍建設需要耗費大量財力；低精度的實景模型會造成中心城區發達區域內建筑模型不清晰，對實景三維數據的推廣使用造成較大障礙[2]。

在三維數據生產時，必須考慮三維數據的整體展示效果和城市發展的變化速度。如果數據采集的時間過長，超出一個季度，整個城市的影像數據色彩及地物不是一個季度的景象，致使影像數據在時間軸上無法形成統一整體；三維模型建設的周期過長，城市的發展變化會造成三維數據成果與城市現狀不符，降低實景三維數據成果的實用性。此外，三維數據量大，推廣使用時對服務器和計算機要求較高，因此，需要穩定可靠的平臺來搭載三維數據，展示定制功能及其他關聯數據。

3 實景三維模型建設方案

3.1 三維數據生產技術

對焦作市實景三維數據建模前，首先在焦作市城區選取幾個小區域進行三維數據建模實驗，分別采用人工三維建模、基于傾斜攝影測量和基于航空攝影測量提高重疊率的實景三維數據生產三種方式。

通過對比實驗成果發現，人工三維建模的模型精細、場景美觀，建筑信息能根據需要重點展示，但與實地場景存在較大色差，不能直觀展示實地狀況。實景三維可真實、直觀反映實地狀況，建筑模型尺寸與實物相符，能根據不同數據精度完成精模和簡模兩種數據模型，但對有特殊要求的局部無法達到定制需求。在獲取實景三維數據的方法中，傾斜攝影與正射影像大重疊的方法制作的三維數據模型區別不大，但基于航空攝影測量提高重疊率的方法在數據采集效率上更有優勢[3]，在應用上，兩種數據成果各有特點，應用領域各有所長。

3.2 城市現狀分析

城市中心城區人口集中，商業發達，城市建設完善且更新速度慢，但城市管理壓力大。建設三維數據模型時需采用精細模型，滿足城市管理工作對基礎數據的需求；對于重要建筑和地標建筑采用人工建模輔助完善，使得從大場景到局部精細部件還原城市原貌。

城市規劃發展區域處于中心城區外圍，建筑密度低、低效用地較多、發展潛力巨大且更新速度快，對精細模型的需求不高。因此，在建設三維數據模型時，可采用簡易三維模型數據，讓城市規劃發展區域的數據成果與中心城區對接，不用浪費大量財力、物力。

3.3 建設方案選擇

通過小范圍實驗，以大范圍實景三維模型為基礎，在城市規劃區范圍內、主要建成區范圍外的250平方公里內，采用簡易模型；在主要建成區100平方公里內采用精細模型，同時挑選部分區域采用人工三維模型，重點展示需要的細部紋理，具體建設范圍如圖1所示，其中紅色為精細模型與簡易模型建設分界線。

3.4 數據維護方案

圖1 實景三維建設范圍圖

城市實景三維數據要與實地狀況相結合，能進行小范圍的數據更新，這就要求在三維數據建設時，每一個三維模型必須是獨立存在的個體，且具有單體編輯功能，為后期三維模型數據的更新維護做準備。

4 三維模型數據采集技術要求及完成內容

為保證三維建設范圍內的影像色彩效果及三維景象的視覺效果，確保三維數據能真實反映城市建設現狀，航空攝影數據采集時間不能超過一個月，三維模型從開始建設至投入使用不能超過半年。

（1）完成主建成區100平方公里精細MESH三維模型數據獲取，主要成果有正射影像、DOM模型和真三維實景模型。

精細模型的數據要求：建筑屋頂結構、房上房、屋脊、女兒墻、主體結構表現完整；建筑樓體、立面陽臺、窗戶、大型臺階主體結構表現完整；棚戶區、村中村、鄉鎮街道建筑只表現建筑主體結構，屋頂結構統一以平頂結構表現。所有幾何結構邊緣垂直直角化、無扭曲結構，建筑與地面直角鏈接、無褡褳；建筑與建筑間、建筑自身結構無褡褳、建筑無破面[2]；重點道路沿街商鋪紋理清晰，真實反映物體表面顏色，同一區域同種物體紋理應協調一致。實景三維精細模型效果如圖2所示。

（2）完成城市規劃區350平方公里（含100平方公里精細模型數據）簡易三維模型數據獲取，主要成果有正射影像、DOM模型和真三維實景模型。數據要求是：建筑結構表現完整，建筑和地面無破面、褡褳，建筑紋理無嚴重扭曲，河道、水域、湖泊水面要平整，重點橋梁道路表現完整，場景無懸浮物[2]。簡易模型效果如圖3所示。

圖2 實景三維精細模型效果圖

圖3 實景三維簡易模型效果圖

（3）主建成區范圍內10條主要街道沿街底商數據及10條道路兩側建筑采用人工建模，要求建筑紋理與現狀基本相符，建筑結構表現完整，每棟建筑都能夠獨立進行編輯，建筑精度能夠符合實景三維模型整體精度情況，沿街底部商業門面表現清晰、完整。

5 結束語

通過對焦作市實景三維建設過程與數據成果分析，城市大范圍實景三維數據模型的快速建設基本能夠實現。根據城市管理實際情況采用分區域、分級別的建設方案，在時間上實現實景三維模型與城市建設現狀基本相符，在空間上盡可能全部包含城市規劃范圍。同時，建筑模型的單體編輯可讓實景三維數據與城市發展變化同步，為數據成果的長期使用提供技術支持。