重慶市“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)與新時代基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型實踐

曹春華

(重慶市規(guī)劃局，重慶 401121)

基礎(chǔ)測繪是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和國防建設(shè)的基礎(chǔ)型工作，是測繪地理信息立業(yè)之基[1]。經(jīng)過幾十年的建設(shè)和發(fā)展，基礎(chǔ)測繪工作已經(jīng)取得了非常豐富的重要成果，支撐和保障了國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會發(fā)展和信息化對測繪地理信息的應(yīng)用需求[2]。隨著經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)入新常態(tài)，各方面對基礎(chǔ)測繪的應(yīng)用需求日益旺盛，對基礎(chǔ)測繪提出了新的要求。《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》明確了新型基礎(chǔ)測繪的發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)，迫切需要突破傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)采集、更新和服務(wù)局限，創(chuàng)新技術(shù)和產(chǎn)品形式，為新時代測繪地理信息事業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、轉(zhuǎn)型升級探索新的路徑，更好地服務(wù)大局、服務(wù)社會、服務(wù)民生。

本文擬以“3D+”全息空間數(shù)據(jù)研發(fā)為切入點，以重慶為樣本，探索了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)建設(shè)及應(yīng)用示范。通過建設(shè)全息、精細(xì)、動態(tài)的三維空間數(shù)據(jù)體系，打造開放、簡潔和可移動的服務(wù)平臺，為新型智慧城市建設(shè)、智慧社會建設(shè)提供“3D+”全息空間定位疊加，推進(jìn)行業(yè)信息的深度融合，探索了新時代基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型升級之路。

1 “3D+”全息空間數(shù)據(jù)的概念與內(nèi)涵

1.1 “3D+”全息空間數(shù)據(jù)是對傳統(tǒng)測繪產(chǎn)品的重構(gòu)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等空間技術(shù)和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，我國測繪現(xiàn)代化和信息化發(fā)展正在進(jìn)入一個新的階段。《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015—2030年)》提出要“完善地理信息公共服務(wù)體系，創(chuàng)新產(chǎn)品形式、服務(wù)方式，拓寬服務(wù)領(lǐng)域”。可以說，三維空間信息技術(shù)是新時代測繪地理信息發(fā)展的標(biāo)志性內(nèi)容之一，它突破了空間信息在二維地圖平面中單調(diào)表現(xiàn)的束縛，將進(jìn)一步提升時空大數(shù)據(jù)的匯聚管理、分析處理、知識發(fā)現(xiàn)和決策支持能力[3]。以三維空間信息技術(shù)為基礎(chǔ)的“3D+”全息空間數(shù)據(jù)體系建設(shè)將突破傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)資源體系的范疇，將空間尺度擴(kuò)展到了微觀和宏觀空間，將空間數(shù)據(jù)擴(kuò)展為多維時空大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對室內(nèi)室外、地上地下、水上水下空間的無縫覆蓋，并以位置為紐帶動態(tài)關(guān)聯(lián)事物或事件的多時態(tài)、多主題、多層次、多粒度的信息，提供個性化的位置及與位置相關(guān)的智能服務(wù)。

1.2 “3D+”全息空間數(shù)據(jù)的全息化、精細(xì)化、動態(tài)化特征

“3D+”全息空間數(shù)據(jù)代表了現(xiàn)實世界地理實體或現(xiàn)象在信息世界的映射，是對復(fù)雜地理事物和現(xiàn)象進(jìn)行簡化抽象后所得結(jié)果，具有全息化、精細(xì)化、動態(tài)化的特征。全息，意即完全的信息，包括城市空間形態(tài)和城市運行中的各種現(xiàn)象、規(guī)律，采用信息化技術(shù)以離散的手段對各類信息進(jìn)行記錄。移動測量、傳感網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和智能移動終端技術(shù)的飛速發(fā)展，極大地豐富了獲取信息的手段和內(nèi)容，使任何人在任何地方都能通過泛在網(wǎng)絡(luò)獲取需要的任何信息，即泛在信息[4]。“3D+”以三維空間位置和時態(tài)為紐帶串聯(lián)泛在時空大數(shù)據(jù)，形成全息化的信息承載。

全息化的信息同時也具有精細(xì)化特征，如“3D+”集成的建筑信息模型(BIM)[5]數(shù)據(jù)能夠?qū)κ覂?nèi)空間的每一個要素對象進(jìn)行精細(xì)地刻畫表達(dá)，包括墻壁、門窗、桌椅，甚至每條管道和電線的空間位置、拓?fù)潢P(guān)系及隸屬情況，可實現(xiàn)對建(構(gòu))筑物施工過程、運營能耗、商業(yè)服務(wù)、人員事務(wù)等方面的精細(xì)化管理。

除了空間上的精細(xì)化特征，高頻度的“3D+”數(shù)據(jù)更新機(jī)制體現(xiàn)了時態(tài)的精細(xì)化，即動態(tài)化特征。通過精確記錄城市在不同時態(tài)的發(fā)展變化狀態(tài)或以監(jiān)控視頻的形式記錄實時的城市場景，“3D+”全息空間數(shù)據(jù)實現(xiàn)對鮮活城市的數(shù)字化再現(xiàn)，基于多時態(tài)數(shù)據(jù)的積累和分析，還可以實現(xiàn)動態(tài)化的回溯分析和事件預(yù)測模擬，滿足智能化城市管理服務(wù)的需要。

1.3 “3D+”全息空間數(shù)據(jù)的全空間融合、虛實融合、動靜融合能力

“3D+”全息空間數(shù)據(jù)是面向新時代基礎(chǔ)測繪轉(zhuǎn)型的空間數(shù)據(jù)框架和技術(shù)體系，以多源異構(gòu)的測繪地理信息數(shù)據(jù)資源(如三維數(shù)字地形、實景三維模型、建筑信息模型、三維仿真模型、地下空間、地下管線、1∶500地形圖等)為對象，依托國家測繪地理信息和公共信息資源整合數(shù)據(jù)分類標(biāo)準(zhǔn)[6]，形成地上、地下、室內(nèi)、室外數(shù)據(jù)的“全空間融合”能力。以全空間[7]數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，“3D+”全息空間數(shù)據(jù)將融合城市實時的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)，并同步渲染可視化，實現(xiàn)靜態(tài)三維場景和實時場景動態(tài)的虛實融合能力，通過虛實融合場景的量測和空間分析功能，提升應(yīng)急和事件的在線處置能力。面向“3D+”全息空間數(shù)據(jù)中的語義化地理實體對象，聯(lián)合高精度二維地理實體要素數(shù)據(jù)和地名地址數(shù)據(jù)，為每個地理實體建立唯一的編碼，可實現(xiàn)行業(yè)數(shù)據(jù)、傳感數(shù)據(jù)與虛擬城市空間的全息關(guān)聯(lián)與管理，形成動靜融合能力。

2 構(gòu)建“3D+”全息空間數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

在新型基礎(chǔ)測繪背景下制定全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，是為了規(guī)范城市空間數(shù)據(jù)的分類、內(nèi)容、生產(chǎn)及集成要求，指導(dǎo)城市空間數(shù)據(jù)的生產(chǎn)、加工、管理、更新與應(yīng)用服務(wù)，提高城市空間數(shù)據(jù)的保障能力和服務(wù)水平。全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)是在國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化。全空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)面向城市區(qū)域，以應(yīng)用為向?qū)Ы⒔y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對空間基準(zhǔn)、數(shù)據(jù)分類體系、紋理及紋理庫、模型庫、數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系、集成建庫體系[8]、對象編碼、數(shù)據(jù)服務(wù)體系、屬性數(shù)據(jù)、工具支撐體系等方面作出具體規(guī)范。數(shù)據(jù)分類體系對數(shù)據(jù)框架、分類作出具體規(guī)范，數(shù)據(jù)生產(chǎn)體系對居民地與設(shè)施、交通、水系、管線、地貌、土地與植被等要素生產(chǎn)作出規(guī)范，數(shù)據(jù)集成建庫體系對模型整理、模型渲染、數(shù)據(jù)集成作出規(guī)范，屬性數(shù)據(jù)對基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)作出規(guī)范。

2.2 全息空間數(shù)據(jù)體系

以多源異構(gòu)的測繪地理信息數(shù)據(jù)資源(三維數(shù)字地形、實景三維模型、建筑信息模型、三維仿真模型、地下空間、地下管線、矢量數(shù)據(jù)等)為對象，依據(jù)全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，將多源異構(gòu)、多尺度的空間數(shù)據(jù)整合集成，通過唯一地理實體編碼實現(xiàn)對二維地理實體要素和地名地址數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)管理，深度融合行業(yè)部門的數(shù)據(jù)，構(gòu)建多精度、多尺度、多時態(tài)、多屬性的“3D+”全息空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)體系(如圖1所示)，為充分發(fā)揮和挖掘空間數(shù)據(jù)價值提供基礎(chǔ)。

圖1 全息空間數(shù)據(jù)體系

2.2.1 多源、多尺度空間數(shù)據(jù)整合集成

以現(xiàn)有三維數(shù)字城市標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，進(jìn)行城市空間對象的統(tǒng)一管理和自定義擴(kuò)展(包括對象幾何和語義擴(kuò)展)，建立多尺度三維模型數(shù)據(jù)融合模型(包括建筑模型、道路模型、管線模型和地質(zhì)模型)，實現(xiàn)對地上地下和室內(nèi)室外多粒度對象的統(tǒng)一表達(dá)。針對建筑室內(nèi)空間結(jié)構(gòu)的語義關(guān)系進(jìn)行空間層次劃分，基于“部分-組成”的語義關(guān)系表達(dá)建筑物的內(nèi)部邏輯構(gòu)成，建立多細(xì)節(jié)層級(levels of detail,LOD)[9]空間模型獨立存儲、不同尺度數(shù)據(jù)集的空間和語義關(guān)系。

高效的時空索引是對海量城市空間數(shù)據(jù)進(jìn)行快速查詢、檢索和調(diào)取等操作的基礎(chǔ)，由于城市三維空間實體分布不均、幾何結(jié)構(gòu)和關(guān)系復(fù)雜，為設(shè)計空間索引增加了難度。本研究建立了一種多級時空索引技術(shù)，分別從空間和時間維度構(gòu)建索引，空間維度索引采用“格網(wǎng)[10]+空間R樹[11]”結(jié)合方式建立多尺度空間索引，通過將原始模型數(shù)據(jù)組織為序列化的空間索引數(shù)據(jù)，提高不同層級和類別的空間模型的檢索效率。在空間索引基礎(chǔ)上，基于模型數(shù)據(jù)時間標(biāo)簽快速檢索某一時間切片下的對象模型。

2.2.2 唯一實體編碼方法

基于二維地理實體要素數(shù)據(jù)和現(xiàn)有的地名地址數(shù)據(jù)建立城市實體對象清單，使用唯一實體編碼進(jìn)行統(tǒng)一關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)對象模型數(shù)據(jù)的語義化、對象化管理，實現(xiàn)對多維度空間數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)(如圖2所示)。使用唯一實體編碼可以建立不同數(shù)據(jù)源中統(tǒng)一對象的映射關(guān)系[12]，使用擴(kuò)展編碼將多專業(yè)數(shù)據(jù)互通互聯(lián)，實現(xiàn)與行業(yè)數(shù)據(jù)的融合。

圖2 實體模型使用唯一實體編碼與行業(yè)數(shù)據(jù)融合

2.3 面向多應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡化方法

城市空間數(shù)據(jù)資源日益厚重、空間應(yīng)用日趨復(fù)雜，社會對空間資源需求與日俱增。面向不同應(yīng)用場景，需要建設(shè)簡潔化、移動化、開放化的服務(wù)平臺，研發(fā)面向多應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡化方法，提供簡潔化空間數(shù)據(jù)服務(wù)，簡化操作過程、輕量化客戶端數(shù)據(jù)資源，最大限度地提升服務(wù)效率。面向多應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡化是對數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選、清洗、簡化或降維等輕量化處理，包括基于三維空間信息生成720°全景圖、創(chuàng)建模型線框模型、簡化三角面、紋理圖片簡化壓縮等途徑(如圖3所示)，實現(xiàn)移動端快速、高效的數(shù)據(jù)傳輸，提高客戶端瀏覽效率。

圖3 全息空間數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡化

3 “3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫的重慶實踐

重慶整合現(xiàn)有市級地理空間信息資源，制定了三維模型覆蓋更新機(jī)制，實現(xiàn)建成區(qū)精細(xì)三維模型、地下空間、地下管線集成入庫，結(jié)合竣工規(guī)劃核實機(jī)制實現(xiàn)新建建筑室內(nèi)外三維數(shù)據(jù)的動態(tài)更新。在此基礎(chǔ)上形成了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫，包括基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)、三維地理信息數(shù)據(jù)、專題地理信息數(shù)據(jù)等， 涵蓋地理空間信息中的二三維、地上地下、水上水下、室內(nèi)室外、動靜數(shù)據(jù)類型(如圖5所示)，基于“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫搭建的地理信息公共服務(wù)云平臺為各個層級的用戶提供網(wǎng)絡(luò)化、多時態(tài)、可定制的數(shù)據(jù)服務(wù)，并與行業(yè)應(yīng)用需求結(jié)合，在三維空間創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)模式。目前已服務(wù)城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計與施工建設(shè)，支撐城市監(jiān)測與運行評估，為城市提升工程提供全方位空間數(shù)據(jù)資源服務(wù)。

3.1 “3D+”規(guī)劃設(shè)計

基于“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫開展規(guī)劃設(shè)計，實現(xiàn)平面規(guī)劃設(shè)計到三維設(shè)計、從單一工程策劃到整體優(yōu)化打造的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)片區(qū)規(guī)劃落地，提升規(guī)劃設(shè)計科學(xué)性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。如圖5所示，在蔡家半島豎向優(yōu)化設(shè)計中采用航空攝影、三維仿真及道路BIM等高新技術(shù)，輔助對蔡家半島片區(qū)(蔡家組團(tuán)J、K、L、R標(biāo)準(zhǔn)分區(qū)部分用地)13 km2內(nèi)約80 km路網(wǎng)、51處水體、430個地塊進(jìn)行了豎向優(yōu)化設(shè)計及三維城市形態(tài)設(shè)計，實現(xiàn)了道路、場地、水體整體協(xié)調(diào)，完成了片區(qū)從原始地貌到最終城市形態(tài)的整體打造，帶來了整體經(jīng)濟(jì)效益約19億元。該豎向優(yōu)化成果已經(jīng)納入片區(qū)控制性詳細(xì)規(guī)劃修編方案，于2017年9月通過了重慶市政府批復(fù)。

圖4 原始地形

圖5 “3D+”規(guī)劃設(shè)計

3.2 “3D+”城市運行監(jiān)測與評估

基于“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫的城市運行監(jiān)測與評估平臺，匯聚城市不同層級、維度、粒度的數(shù)據(jù)，監(jiān)測城市運行狀態(tài)。以渝中區(qū)為示范，通過整合集成地下管網(wǎng)、地下空間、工程地質(zhì)、地形、地表建筑、市政設(shè)施與道路等地理信息，構(gòu)建三維地理信息數(shù)據(jù)庫，搭建渝中區(qū)三維地理信息公共平臺，實現(xiàn)人口、樓宇經(jīng)濟(jì)、街道、交通等信息的匯聚，輔助完成規(guī)劃決策、市政管理等，切實提供了區(qū)內(nèi)地下空間開發(fā)、立體交通管理、城市建筑風(fēng)貌營造等管理工作效率,如圖6、圖7所示。

圖6 渝中半島經(jīng)濟(jì)運行監(jiān)測

圖7 城市交通流量運行監(jiān)測

3.3 “3D+”城市提升

如圖8所示，重慶主城“一島、兩江、三谷、四脈”的自然山水格局形成眾多旅游資源，借助“3D+”全息空間數(shù)據(jù)庫體系，記錄重要歷史文化要素、挖掘旅游文化資源，結(jié)合兩江四岸的自然和人文因素打造彰顯重慶特色的風(fēng)貌街區(qū)、建筑和公共空間，統(tǒng)籌山水林田湖草系統(tǒng)治理，實現(xiàn)城市與自然和諧共生。在渝中半島歷史風(fēng)貌管理中，利用低空傾斜攝影測量技術(shù)、實景攝影測量、地面三維激光掃描、三維地理信息、BIM等技術(shù)，提供高精度的三維地理空間數(shù)據(jù)支持，建立形象、逼真、直觀的三維渝中半島歷史風(fēng)貌文化虛擬地理場景，為開展規(guī)劃研究、方案評審、宣傳展示等提供重要支持。在巴南區(qū)違法建筑排查管理中，利用無人機(jī)影像、衛(wèi)星影像建庫，采集違法建筑信息，在規(guī)劃城鎮(zhèn)建設(shè)用地區(qū)域用無人機(jī)排查約108 km2、儲備用地范圍內(nèi)衛(wèi)星影像排查約100 km2。

4 總 結(jié)

本文通過“3D+”全息空間數(shù)據(jù)體系建設(shè)及示范應(yīng)用，探索了新型基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)路徑，提出了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)的概念及全息空間數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。通過建筑室內(nèi)自動三維建模及大規(guī)模集成，大規(guī)模多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的自適應(yīng)調(diào)度與融合，基于地理實體的要素唯一編碼與關(guān)聯(lián)研究及面向多應(yīng)用場景的數(shù)據(jù)自適應(yīng)簡化方法，構(gòu)建了全息、精細(xì)、動態(tài)的三維空間數(shù)據(jù)體系，實現(xiàn)了“3D+”全息空間數(shù)據(jù)的全空間融合、虛實融合以及動靜融合。

進(jìn)一步，將依托電子政務(wù)云和公共服務(wù)云的高性能計算和存儲資源池，搭建開放、簡潔和可移動的服務(wù)平臺，提供數(shù)據(jù)動態(tài)簡化處理與可移動服務(wù)，實現(xiàn)整合公共資源，創(chuàng)新空間信息服務(wù)模式。以重慶為應(yīng)用示范，重慶市測繪地理信息局將在規(guī)劃設(shè)計、運行監(jiān)測與評估、 社區(qū)治理等方面開展深入應(yīng)用探索，面向政府部門、企業(yè)及公眾的直接需求，提供新型基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)與服務(wù)。

圖8 “3D+”提升城市