服務于智慧城市的城市三維GIS設計與實現研究

萬金紫

摘? 要：城市三維建模是城市經濟建設和社會發展信息化以及實現城市智慧化管理的基礎性工作。城市三維模型數據是城市規劃、建設與管理的重要基礎資料。該文提出了由運行支持層、數據層、基礎層、平臺層、應用層等組成的城市三維地理信息共享服務平臺，探討了平臺圍繞智慧城市運營的應用邏輯。在此基礎上，對平臺進行了功能設計與實現，展示了三維平臺視覺效果，建立了形象、逼真、直觀的三維城市仿真場景。

關鍵詞：智慧城市? 三維? GIS? 展示

中圖分類號：P208? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A文章編號：1672-3791（2021）06（a）-0030-04

Research on the Design and Implementation of Urban 3D GIS for Smart City

WAN Jinzi

（Beijing Xinxing Huanyu Information Technology Co.， Ltd.， Beijing， 102308? China）

Abstract： Urban 3D modeling is the basic work of urban economic construction and social development informatization and urban intelligent management. Urban 3D model data is an important basic data for urban planning， construction and management. This paper proposes an urban 3D geographic information sharing service platform composed of operation support layer， data layer， foundation layer， platform layer and application layer， and discusses the application logic of the platform around the operation of smart city. On this basis， the function of the platform is designed and realized， the visual effect of the 3D platform is displayed， and an image， realistic and intuitive 3D urban simulation scene is established.

Key Words： Smart City; 3D; GIS; Display

三維城市作為一個全新的基礎地理空間基礎設施與承載體，以特有的時空觀規劃與管理整個城市的運維信息，可以惠及城市建設的各行各業、社會生活中的方方面面，應用前景巨大[1]。

城市精細化管理最終目的是要實現城市的智慧運營，涉及到城市規劃與管理的各個方面，如對城市規劃的精準控制、對人員車輛流動情況的全程把控、對設施部件的統一維護等。隨著物聯網、云計算等技術的發展，為政府、各行各業、社會大眾提供基于網絡的天地一體化、時空一體化、二三維一體化、云端一體化的空間地理信息服務是未來發展方向。

1? 平臺架構

城市3D地理信息共享服務平臺由運營支持層、數據層、基礎層、平臺層和應用層組成。其中，支持層是確保數據庫和平臺平穩運行的各種硬件環境，網絡安全系統和基礎結構[2]。

數據層包括了二維、三維以及各類屬性數據庫：（1）三維精細建模模型數據。三維精細建模模型是對城市形態的三維表達，它反映形態、景觀對象的主要特征，并包含從多個方向觀察景觀對象的必要信息。城市三維模型數據主要由三維建（構）筑模型數據、數字正射影像圖數據和數字高程模型數據等組合而成。（2）三維地形模型數據。三維地形模型是基于金字塔四叉樹構建的多層級地形瓦片數據集，按照DEM疊加DOM的方式，按照金字塔級別進行地形高程和地形表面細節特征的重采樣，從而形成各級地形瓦片模型，然后由地形引擎動態加載并進行地形實時無縫渲染。（3）城市基礎地理信息數據。城市基礎地理信息數據全面反映了城市的地形地貌，參與各種空間疊加及分析，使用頻率高。此部分數據包括建筑、道路、植被、水系、城垣、圍墻、柵欄等二維基礎地理信息數據。（4）城市地名地址數據。該部分數據主要包括行政區域地名、街巷名、標志物名以及興趣點名。（5）規劃成果空間數據。規劃成果空間數據包括總體規劃、分區規劃、專項規劃、控制性規劃、詳細規劃。

基礎層是支持系統操作的專用軟件平臺和基礎結構，包括二維基礎地理空間平臺和三維基礎地理空間信息平臺。

平臺層則是面向精細化城市規劃管理的三維地理信息共享服務平臺，應用層匯聚了面向城市規劃、管理方面的各類共享應用，通過政務網、互聯網向公共事業單位、企業和個人提供地理空間信息服務。城市三維信息共享服務平臺總體架構如圖1所示。

2? 平臺應用邏輯

從應用邏輯架構上來說，平臺包括以下幾個部分。

2.1 一套標準規范與機制

標準規范和機制是保障信息化建設順利開展、運行維護必要保障，決定了各營業系統的應用前景、后續拓展及兼容性。在該項目建設過程中，需要結合現有基礎數據資源現狀與應用需求，建立一套符合地方的三維技術標準與規范，包括各項數據標準、數據建庫標準、數據服務標準、平臺建設技術標準等。無論從項目組織，還是平臺構建或運維管理，都需要一套有效的機制保障數據中心的高效可持續運轉[3]。

2.2 一個數據中心

在統一制定的數據標準和規范基礎上，建立西安市三維數字城市數據中心框架，為多部門共同參與的協同應用提供資源支撐，在遵循業內已有數據標準和技術規范的基礎上，充分考慮現有數據資源狀況，兼顧信息資源的多元化共享和數據交換服務、基于數據中心框架，將各類地形圖、傾斜攝影測量、高程點燈數據資源進行匯集、分類、整理、質檢、轉換、入庫，最終融合成一個有機的、統一的三維模型庫，實現統一管理與更新維護[4]。

2.3 一個服務共享平臺

采用IT主流技術，遵循IT/GIS開放性標準，引入面向服務架構和應用集成技術，構建統一的服務共享平臺，面向政府、企業和公眾提供三維GIS數據信息服務與空間服務。服務共享平臺建設包括基礎設施和共享系統建設。從軟件設施、硬件設施、網絡設施方面入手，滿足數據中心對于數據存儲管理、分發交換、計算分析等各方面的基本需求。共享系統則從資源門戶、數據安全管理、用戶權限管理、服務運維管理、數據交換共享管理以及應用接入管理等方面為數據中心提供強大的共享引擎[5]。

2.4 一套應用服務系統

基于數據系統中心和服務共享平臺，以國土規劃信息聯動管理、地理市情民情精準掌控、旅游資源深度挖掘等應用服務為支點，打造一系列實用性強、性能較優、人機交互體驗佳、兼容性良好、可擴展、可移植的應用服務示范系統，真正解決目前智慧城市密切關注的問題，提升部門內部、部門之間的工作效能，提升對外服務水平，提升公眾滿意度[6]。

3? 系統功能設計與實現

該系統基于C/S架構進行開發，主要實現三維地理信息數據展示、三維規劃方案對比、日照分析、可視分析、測量距離、測量面積、規劃資料指標查詢及顯示等功能。后續依據城市規劃實際需求，完善三維輔助規劃評審系統功能（包括紅線分析、日照定量分析統計報表等）系統主要功能。

3.1 漫游瀏覽

漫游瀏覽功能包括多種3D場景漫游方法，例如飛行、駕駛、步行、按路線行走以及自定義方法。鍵盤也可以控制視圖，通過連接鍵盤和鼠標，可以獲得更好的查看效果。例如：在測量視圖時，由于鼠標會對測量功能做出反應，因此無法同時拖動視圖。此時，需要對其進行測量。如果看不到某些內容，則可以使用鍵盤上的箭頭鍵調整視圖，或使用鍵盤上的AWSD鍵旋轉視圖。

三維視圖的更改主要由鍵盤或鼠標控制，鍵盤和鼠標也可以用于協同工作，力求實現簡單方便的工作，并簡化復雜的工作。其使用戶可以快速入門并運行良好，這與用戶的一般計算機操作習慣是一致的。

漫游瀏覽功能主要包括3個部分：視圖操作、視圖模式和地圖導航。視圖操縱是指相機鏡頭操縱方法，如平移、拖移、搖移、上下左右旋轉和縮放等。視圖模式指的是視圖的展示模式，如快速平視、快速俯視等。人行模式即為在地面行走時的方式，飛行模式即為在高空模仿飛機時的方式。

3.2 空間查詢

支持直觀地在場景中選擇建筑物來查看其屬性數據;支持選擇位置點并設置影響范圍來進行緩沖區查詢，獲得相對于該位置處于影響范圍內的“樓房” “單位”“道路”等信息;支持按多種條件進行自定義的高級查詢。

3.3 空間分析

空間分析包括高度分析、日光分析和視野分析。3.3.1 高度分析

場景的高度檢測由藍色平面指示，藍色平面的表示高于該高度，反之亦然。所有功能的平面高度之間的關系一目了然。

3.3.2 日光分析

要分析場景中特定建筑物或多棟建筑物的日光陰影，此函數可以對太陽的軌跡進行數學建模，以準確地計算太陽的位置和每時每刻的太陽的位置。該建筑物可以準確地分析日照情況。

3.3.3 視野分析

為了確定建筑物的遮擋情況，對現場建筑物進行了全面的視野分析。

3.4 空間量算

量算分析為測量空間數據，如點坐標測量、高度測量、長度測量、面積測量等。為控制測量的準確性，使用頂點捕捉工具來對物體進行精確測量。

3.5 三維物體操作

物體操作分為移動、旋轉、縮放，其中物體縮放見圖2。為了方便操作，要使用坐標系進行配合，坐標系分為世界坐標、局部坐標、自由坐標。并且，物體操作時，可還原為初始狀態。

3.6 規劃方案分屏對比及展示

三維平臺為設計單位提供了分屏對比的可視化方式，將設計效果定位于現實環境中，人們可以運用多種方式（步行、驅車、飛行等），從不同角度審視建筑設計景觀，空間形態、交通組織、建筑物布局、造型、高度、體量、色彩配置、環境設施等。這種身臨其境的直觀的交互形式較容易發現某些考慮不周的地方并及時修改（見圖3）。該功能可以對設計單位完成的城市設計成果進行展示，并在此基礎上進行優化設計，也可以運用城市設計的成果擴大開發區招商引資的力度。

4? 結語

該文構建了城市三維地理信息共享服務平臺框架，實現了對二、三維地理信息數據的展示、更新和管理，展示了三維平臺視覺效果，建立了形象、逼真、直觀的三維城市仿真場景，并能通過網絡（政務網、內網）實現二、三維地理信息數據的訪問，實現了三維城市地理信息系統設計。

參考文獻

[1] 宋繼哲.基于地理實體的城市三維數據組織方法研究[D].北京：北京建筑大學，2020.

[2] 杜煒，李倩.城市虛擬地理場景非定標三維重建算法仿真[J].計算機仿真，2021，38（3）：327-330.

[3] 張福存，薛晉宇，賈國煥，等.基于實景三維模型的城市1：500地形圖測繪[J].地理空間信息，2021，19（2）：36-39.

[4] 虞思逸.城市三維空間形態對人居環境影響的測度與評價研究[D].上海：華東師范大學，2020.

[5]黃煜.SCSG-OSM數據模型研究及在城市三維建模中的應用[D].桂林：桂林理工大學，2019.

[6] 孫松梅，黃天進，孫穎.城市高精度實景三維單體模型建設及應用[J].測繪通報，2021（1）：108-111.