武漢市實景三維城市建設的實踐和思考

肖建華，李鵬鵬，彭清山，李海亭

(武漢市測繪研究院，湖北 武漢 430022)

1 引 言

實景三維建設是新型基礎(chǔ)測繪建設的主攻方向，是黨中央、國務院和自然資源部對測繪工作在新時期的新要求、新部署，是為國家戰(zhàn)略的實施、自然資源“兩統(tǒng)一”管理服務的必要舉措，也是測繪業(yè)界轉(zhuǎn)型創(chuàng)新的一個共識。

武漢市自2000年前后開始生產(chǎn)和應用三維模型，包括模型三維、傾斜三維、全景三維、點云三維等成果，形式豐富，覆蓋面大，在武漢市城市規(guī)劃、城市治理、大型活動保障[1]和生態(tài)文明建設中發(fā)揮了重要作用。

2019年1月21日，自然資源部批復武漢市為全國首個新型基礎(chǔ)測繪建設試點城市，5月24日，試點項目正式啟動[2]。經(jīng)過一年的試點建設，作為新型基礎(chǔ)測繪主攻方向的實景三維建設，進入了探索和實踐的關(guān)鍵期。

2 實景三維的內(nèi)涵與特征

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展、應用需求的不斷增加和自然資源精細化管理的要求越來越高，各界對實景三維的建設愈發(fā)迫切，實景三維建設面臨著新的形勢。

2.1 為什么要建實景三維

一是文明進步的趨勢：從甲骨文到《山海經(jīng)》，從徐光啟到利瑪竇，從《皇輿全覽圖》到數(shù)字地球，古今中外，測繪發(fā)展與人類文明進步緊密相扣，人類對世界維度的理解和認知更加深刻。

二是技術(shù)發(fā)展的必然：從以繩、表、尺、規(guī)、矩為主要工具的簡單測量到水準儀、經(jīng)緯儀、全站儀，再到衛(wèi)星、飛行器、移動測量車等空天地一體化的精密、全息測量，從文字記載、信鴿傳書的印象時代到萬物互聯(lián)的現(xiàn)代化網(wǎng)絡時代，可用好用的技術(shù)支撐手段越來越豐富、高效，測繪對世界的刻畫更加多樣化。

三是信息時代的剛需：實景三維是現(xiàn)實世界的真實映射，是時空信息最直接的、最有效的載體，是數(shù)字化管理的重要組成部分，已應用到社會生產(chǎn)生活的每一個角落。

四是現(xiàn)代化建設的要求：豐富的多維可視化時空信息和屬性信息是實景三維的優(yōu)勢，是高質(zhì)量發(fā)展、國家現(xiàn)代化治理體系和治理能力建設的要求和重要基礎(chǔ)[3]。

2.2 實景三維發(fā)展的基礎(chǔ)

20世紀60年代開始研究的三維線框模型，被認為是近現(xiàn)代三維模型建設的雛形和開端；計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，三維模型建設的軟件和硬件支撐能力突飛猛進，數(shù)據(jù)獲取和處理的技術(shù)手段越來越多、越來越成熟；三維數(shù)據(jù)的需求膨脹，賦能三維產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，在智慧城市建設、城市精細化治理等方面登上舞臺并發(fā)揮重要作用。

2.3 實景三維城市建設的演進

二維數(shù)據(jù)一直以來都是測繪的重要產(chǎn)品，在國家發(fā)展中發(fā)揮了基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性的作用，但也存在高程信息不直觀、語義信息不足、層次化表達缺乏、空間關(guān)系粗略的缺陷。武漢市從2000年開始，運用基于二維數(shù)據(jù)生產(chǎn)的模型三維在城市設計、規(guī)劃方案比選等方面開展應用，為武漢市規(guī)劃建設起到了重要的積極作用。但模型三維也存在生產(chǎn)成本高、“偶像派”展示、場數(shù)據(jù)表達弱等問題。

隨著技術(shù)的發(fā)展，實景三維的建設具備了條件：

(1)空天地海一體化的采集方法、地質(zhì)調(diào)查[4]手段等的成熟，為實景三維數(shù)據(jù)的快速采集提供支撐；

(2)數(shù)據(jù)處理能力大幅提升，為實景三維數(shù)據(jù)的快速處理和共享給予了保障；

(3)基于“4D”數(shù)據(jù)的三維模型[5]和全景地圖成果[6]，為實景三維建設的應用提供了范例。

2.4 實景三維的內(nèi)涵

實景三維具有單體化、實體化、結(jié)構(gòu)化、語義化以及生產(chǎn)應用上的自動化、輕量化特點，能夠高精度、非尺度、全要素表達空間關(guān)系，語義豐盈，是新型基礎(chǔ)測繪的一種典型產(chǎn)品[7]。

2.5 實景三維城市建設的特征

實景三維城市的建設是實景三維中國建設的一個樣本，主要有以下特征：

(1)產(chǎn)品形式多樣，實景三維城市的產(chǎn)品更加直觀、可量、可算，兼具量化和具象特征；

(2)成果信息豐富，蘊含的信息能夠達到“能看得清、能看得準、能看得對、能看得及時”的要求；

(3)應用服務更廣，廣泛在城市更新、專項城市規(guī)劃及個性化應用等方面發(fā)揮作用；

(4)投資主體多元，是公益性與商業(yè)性相結(jié)合的，政府投入與市場參與并重的。

3 武漢三維建設的實踐

武漢市經(jīng)過多年的探索實踐，生產(chǎn)了一系列豐富的三維成果產(chǎn)品，在武漢市規(guī)劃建設發(fā)展中開展了相當?shù)膽媒?jīng)驗。

3.1 三維地形建設

三維地形是通過DOM與DEM疊加，反映高低起伏的地表形態(tài)的一種連續(xù)性表面模型。

武漢市通過基礎(chǔ)測繪建設，計劃性、周期性采集和獲取、生產(chǎn)數(shù)字表面模型、數(shù)字正射影像，目前已實現(xiàn)了全市域 8 569 km2全覆蓋的地形實景三維，現(xiàn)階段三維地形的影像分辨率優(yōu)于 10 cm，每5年至少更新一次。

3.2 模型三維建設

模型三維是以DEM、DLG、DOM等二維數(shù)據(jù)和紋理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用3ds Max等軟件，將立方體、球體等幾何元素通過平移、旋轉(zhuǎn)、拉伸及布爾運算等幾何操作，構(gòu)建城市幾何場景的一種數(shù)據(jù)。

模型三維建設上，經(jīng)過近二十年的努力，武漢市基于 1∶500、1∶2 000地形圖、遙感影像、街景地圖等基礎(chǔ)地理空間框架數(shù)據(jù)，應用專業(yè)建模軟件，共計完成了 1 000多平方公里模型三維的建設，實現(xiàn)了中心城區(qū)房屋建筑、道路(軌道交通)、地下建(構(gòu))筑物、地質(zhì)地層的全覆蓋，并制定了城市三維模型建設的相關(guān)標準和規(guī)范。

3.3 傾斜三維建設

傾斜三維是利用飛行平臺、傾斜相機等專業(yè)設備采集的序列傾斜影像，通過傾斜影像建模處理軟件生成的三維模型數(shù)據(jù)。

傾斜三維建設上，武漢市運用有人機、無人機、專業(yè)傾斜相機等設備以及傾斜攝影三維建模軟件，結(jié)合城市規(guī)劃建設、城市治理需求，開展城市傾斜三維模型生產(chǎn)和應用，目前已建設了 306.7 km2的傾斜三維模型，覆蓋長江主軸、長江新城核心區(qū)，分辨率優(yōu)于 5 cm。

3.4 全景三維建設

全景三維是一種利用全景照片(視頻)與激光點云數(shù)據(jù)配準融合后能提供全視角、可量測的實景三維數(shù)據(jù)。

全景三維建設上，在第七屆世界軍人運動會籌備期間，武漢市采集了25條重點保障線路 840 km全景視頻流數(shù)據(jù)，共采集了4次；另外基于移動推掃設備的室內(nèi)彩色點云和全景，目前已覆蓋武漢市40.9萬平方米地下建(構(gòu))筑物和已投入運營的184個地鐵站點。

3.5 實景三維建設

實景三維是客觀真實反映現(xiàn)實世界的三維模型，具有單體化、實體化、結(jié)構(gòu)化、語義化的特點，通過融合模型三維、傾斜三維、全景三維，形成可空間量算和綜合分析的模型，是一種泛三維，集多種模型優(yōu)點于一體的三維數(shù)據(jù)成果。

實景三維建設上，武漢市目前正在結(jié)合新型基礎(chǔ)測繪項目試點開展建設工作，試驗的核心區(qū)面積 28.29 km2，分辨率優(yōu)于 3 cm。

3.6 三維成果應用

武漢市目前建設的三維成果廣泛應用于城市規(guī)劃與城市設計、地下空間調(diào)查與設計、歷史風貌街區(qū)和建筑保護、城市環(huán)境整治提升、城市更新、交通運行管理、重大活動管理、耕地保護和監(jiān)控、生態(tài)修復的評價、礦山治理、地質(zhì)災害評估和模擬等方面，為武漢市經(jīng)濟社會發(fā)展發(fā)揮了重要的作用。

3.7 實景三維建設規(guī)劃

武漢市實景三維建設已列入《武漢市基礎(chǔ)測繪十四五規(guī)劃》，計劃投入近億元，按照“實景三維中國”建設總體目標，結(jié)合發(fā)展需求，發(fā)揮傾斜攝影與LiDAR等新型測繪技術(shù)在空、天、地一體化方面的技術(shù)優(yōu)勢，提升全市三維覆蓋能力水平和效能，分類、分級、分區(qū)開展城市三維模型建設與更新。

4 城市實景三維建設的思考

4.1 關(guān)于建設的層級

實景三維中國的建設根據(jù)適用尺度、精度粒度、應用服務等特點，可分為地形級、框架級、單體級三個層級。

地形級主要適用于宏觀層面的區(qū)域可視化表達和空間分析，面向大尺度、相對低精度要求(此精度指“五精度”，即幾何、紋理、時間、屬性、類別精度)、政府財政投入的公益性應用服務，如宏觀規(guī)劃等，展現(xiàn)山川河流等地貌形態(tài)及城市、村鎮(zhèn)的分布與形態(tài)，主要產(chǎn)品形式是DOM與DEM疊加生產(chǎn)的地形數(shù)據(jù)。

框架級是立足于中觀層面的城市級別，構(gòu)建城市視角的實景三維，有針對性和選擇性地對重要道路、建(構(gòu))筑物等進行單體化、語義化、三維化乃至實體化處理，為城市規(guī)劃設計、城市治理等方面提供支持，產(chǎn)品形式有傾斜三維、模型三維、點云三維等等。

單體級主要適用于中觀和微觀層面的空間實體精細化表達和統(tǒng)計分析，精度要求較高，以單體化、實體化和語義化為主要特征，產(chǎn)品形式多樣，包括模型三維、傾斜三維、全景三維、點云三維、BIM等，公益性和商業(yè)性投入并行，在城市更新、專項規(guī)劃、城市治理等方面廣泛應用。

4.2 關(guān)于建設的內(nèi)容

從生產(chǎn)方式、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、精度控制、數(shù)據(jù)更新和表現(xiàn)力上對比目前主要的4種三維數(shù)據(jù)[8]，如表1所示：

幾種三維數(shù)據(jù)的對比 表1

通過對比，能夠發(fā)現(xiàn)，一方面，城市實景三維建設的產(chǎn)品形式是豐富多樣的：

(1)各類產(chǎn)品在不同階段、背景和場景下各有優(yōu)勢，不可偏廢；

(2)各類產(chǎn)品成果在現(xiàn)實應用上也是相互融合的，相得益彰。

另一方面，城市實景三維建設是多領(lǐng)域融合發(fā)展的，是BIM、CIM建設在深度、廣度上的融合發(fā)展：

(1)BIM是城市實景三維在空間和應用顆粒度上的細化和深入；

(2)城市實景三維是支撐CIM最重要的底板，是數(shù)字孿生城市建設的關(guān)鍵基礎(chǔ)。

4.3 關(guān)于建設的指標

城市實景三維建設評價的指標與“生產(chǎn)、生活、生態(tài)”有機結(jié)合，總體上應滿足“四看”“五精度”的要求：

(1)看得清，即紋理精度，可清晰獲取實體形象特征、要件形態(tài)特征；

(2)看得準，即幾何精度，能準確進行空間位置判定和空間形態(tài)認定；

(3)看得對，即類別和屬性精度，能精確讀取實體品類、門類等類別信息，以及性質(zhì)、關(guān)系等屬性語義信息；

(4)看得及時，即時間精度，能滿足應用需求的時間分辨率。

4.4 關(guān)于建設的路徑

城市實景三維是關(guān)系國防安防、城市規(guī)劃、智能交通、生態(tài)環(huán)保、人工智能等諸多產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要應用技術(shù)，現(xiàn)階段具備了充分的技術(shù)儲備和市場需求，但是也面臨缺少行業(yè)標準體系和全國范圍內(nèi)的頂層設計的風險，建議按照“聚焦職責、統(tǒng)籌謀劃、以用促建、試點先行”的原則，在規(guī)劃引領(lǐng)、資源調(diào)配和時間計劃上，謀求城市實景三維乃至國家實景三維建設高質(zhì)量、高標準、高效率地開展和推進，如圖1所示：

圖1 實景三維中國建設路徑

(1)聚焦職責

聚焦自然資源“兩統(tǒng)一”職責，支撐自然資源管理，服務生態(tài)文明建設，支撐各行業(yè)需求，服務經(jīng)濟社會發(fā)展，開展城市實景三維建設。在基本農(nóng)田保護、建設用地管制、自然資源調(diào)查、清查、普查、生態(tài)空間修復、城市規(guī)劃等方面開展具體研究應用，履行城市更新、城市治理、城市管控的工作職責。

(2)統(tǒng)籌謀劃

加強頂層設計，合理分級分工。國家層面上，利用遙感數(shù)據(jù)，建設全球地形級實景三維框架，著力形成宏觀尺度的成果，同時對重點區(qū)域如長江經(jīng)濟帶、黃河生態(tài)保護區(qū)及西部地區(qū)如拉薩、青海等地開展單體級實景三維建設；省級層面上，建設省級地形級實景三維，結(jié)合省級重點功能發(fā)展區(qū)，開展單體級實景三維建設；市級層面上，主要面向單體級實景三維城市的建設，針對重點區(qū)域，融合BIM、CIM建設，開展城市更新、規(guī)劃建設服務。

(3)以用促建

在實景三維中國的推進過程中，邊建邊用。關(guān)鍵技術(shù)上，利用傾斜攝影、激光雷達、移動測量新型測繪技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)融合的優(yōu)勢，提升技術(shù)支撐能力；標準制定上，制定分類、精度、采集、處理、應用等標準規(guī)范，強化標準指引的作用；組織管理上，政府與市場并重，多方參與，縱向上厘清國家、省、市縣權(quán)利義務，橫向上與生態(tài)環(huán)境、農(nóng)業(yè)等部門加強交流應用，發(fā)揮實景三維中國的作用；信息共享上，創(chuàng)新數(shù)據(jù)組織和聯(lián)通共享方式，打破信息孤島。

(4)試點先行

以生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展理念為導向，探索實景三維中國高質(zhì)量發(fā)展的新路子，在一帶一路建設、海洋強國、生態(tài)文明建設等國家重大戰(zhàn)略實施區(qū)域，先行開展試點建設，探索產(chǎn)品形式、技術(shù)路線、組織管理機制、應用模式、標準規(guī)范體系，形成示范效應和帶動作用，形成實景三維中國建設與區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展整體聯(lián)動、協(xié)同前進局面。

5 結(jié) 語

實景三維中國是落實黨中央、國務院對測繪工作在新時期的新要求、新部署、新技術(shù)，是黨中央的決策部署、國家的戰(zhàn)略實施、自然資源“兩統(tǒng)一”管理的有力保障和重要服務，也是測繪工作轉(zhuǎn)型升級的新目標、新舉措，是國家新型基礎(chǔ)測繪建設的主攻方向。

在實景三維中國的建設的思路上，要充分認識到新時期測繪工作“三駕馬車”-新型基礎(chǔ)測繪、實景三維中國和時空大數(shù)據(jù)云平臺三者的關(guān)系：新型基礎(chǔ)測繪是能力基礎(chǔ)，實景三維中國是數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，時空大數(shù)據(jù)平臺是服務基礎(chǔ)。實景三維中國的建設需要全體測繪從業(yè)者以新時代測繪工作“兩支撐兩服務”為指引，共同探索和創(chuàng)新，通過不斷奮斗和努力，共同譜寫實景三維中國建設的新篇章。