基于實景三維的“透明城市”數據資源建設關鍵技術研究

王穎

(福建省地質測繪院，福建 福州 350011)

1 引 言

近年來，我國333個地級市已全部開展數字城市建設[1]。數字城市是利用技術手段把城市現實生活中存在的全部內容在網絡上數字化虛擬實現[2]，成果應用范圍涉及政府管理決策、公共安全、應急保障等各個方面，實現了各類信息互聯互通，在政府科學決策、公共服務、社會管理等方面起到了積極作用。但是，數字城市建設主要關注地面以上的部分，并未體現城市地下空間情況。“透明城市”是地上地下全空間域的透明化城市，是“數字城市”的延伸和拓展。

隨著經濟的快速增長和城市的不斷發展，城市人口也在持續增加，城市土地資源日益緊缺，各種城市問題也日漸突出，向地下要空間已經成為未來城市發展的必然趨勢。政府和百姓對城市地下空間開發利用有著迫切的需求，“透明城市”建設勢在必行。

2 國內外研究現狀與發展趨勢

2.1 透明城市理論

透明城市的理念最早來源于萊恩·麥克格拉斯撰寫的《城市設計的數字建模》，文中提到“21世紀國際化和城市化的主流是與網頁或身體體驗相關的可視數字動畫虛擬漫游。數字設計師必須滿足汗牛充棟的大地構造學、功效、基礎設施以及法律等相關信息以及來自環境、工程學、停車位、結構、機械、市場、景觀和建筑顧問的文件”。2001年，澳大利亞率先啟動“玻璃地球”計劃。荷蘭、加拿大、英國、法國、德國和美國等多個國家也都將三維地質填圖及三維地質模型放在了地質調查工作的核心位置。

國內專家學者也開展了透明城市相關理論的探索和研究，劉曉霞提出基于城建檔案構建透明城市，趙婧提出透明性是強調政府事務的信息可以自由流通且為公眾所獲得，是城市政府治理實現善治的一個最基本要素，會促進城市政府治理實現善治。但是這些研究都是理論的探索，并沒有構建一個完整的理論體系框架。

2.2 城市三維場景構建

近年來，我國地級市已全部開展了數字城市建設，多個城市開展了三維城市建設。根據建模技術的不同，城市三維場景構建方案主要有：①地上部分，一般采用傾斜攝影、航測等手段對大范圍場景進行建模，重點地區采用人工建模的方法對實體進行建模；②室內部分，BIM技術處于初步發展階段，少部分建筑建設了三維室內模型；③地下部分，對地質構造建模方法體系的研究處于起步階段，中國地質調查局以雄安新區為試點，在此方面進行了積極的探索研究。目前，在以下幾個方面缺少關注：①缺乏對建筑內部結構、地質構造和周邊環境的通盤了解；②缺乏對水電氣等虛擬對象的建模，無法滿足城市地下空間開發利用、防災減災、國土空間規劃等領域的實際需求。

2.3 透明城市數字平臺

自從戈爾提出數字地球概念以來[3]，越來越多的虛擬地球平臺被開發出來[4]。虛擬地球作為大規模數據可視化的理想平臺，廣泛應用于空間數據共享、分析和空間輔助決策支持[5～9]，以及時空場數據的共享和分析[10，11]。谷歌地球基于KML提供多種可視化能力，但是KML的可視化能力較弱，很難滿足專業的可視化需要，如體可視化[12]。WorldWind是另外一個優秀的虛擬地球平臺，一些學者也積極擴展WorldWind的時空場數據可視化能力[12，13]。國內也開發如超圖軟件、Citymaker軟件和GeoGlobe軟件。但是，這些軟件主要運行在客戶端，在瀏覽器端需要插件支持，這些插件大小不一，安全性成為一個問題，而且瀏覽器本身的性能限制了三維系統的交互性。

3 關鍵技術

在基于實景三維的“透明城市”數據資源建設過程中，所涉及的技術領域廣泛，這里根據數據資源建設的不同階段，分析總結了建設過程中所涉及的主要關鍵技術，主要分為以下幾個部分：

3.1 透明城市三維場景構建技術

主要指構建地上、地表、地下陸海相連的實景三維數據資源體系。三維場景構建技術主要分為五種表現形式：一是根據實地采集的像片結合建(構)筑物CAD設計圖，利用Sketch Up、3ds Max等專業建模軟件進行精細化建模[14]；二是利用數字線劃圖產品，根據地物的高度快速生成三維模型，對生成的模型疊加紋理完成模型構建[15]；三是基于數字近景攝影測量技術構建的高精度模型[16]；四是以三維激光掃描獲取的密集點云構建超高精度的三維模型；五是采用地質解譯方法，利用Geovia、Micromine等專業地質建模軟件，建設Geo3DML格式的三維地質模型。

3.2 傾斜攝影實景三維模型單體化技術

為了對傾斜攝影數據進行屬性查詢、統計分析等應用，需要對傾斜攝影模型進行“單體化”操作[17]，數據處理過程包括傾斜攝影實景三維模型紋理和幾何的修復、傾斜攝影實景三維模型單體化切割、根據模型分級制定單體化模型的面數縮減方案并縮減模型面數、三維地理信息平臺數據集成等處理步驟，從而生成清晰、完整、高效的傾斜攝影實景三維單體化模型。

3.3 按需服務的三維場景智能服務技術

主要指基于視點的服務調度技術和數據紋理雙緩存機制。基于視點的服務調度技術是基于視點的位置和體塊的大小，確定體數據分塊大小，利用四叉樹和R樹索引的場景組織方法，實時切換多分辨率數據塊，實現不同場景下多分辨率數據的可視化、三維場景的快速查詢和檢索。數據紋理雙緩存機制是利用數據顯示的關聯性，保存最近常用的數據，利用最近訪問時間的先后順序更新隊列，剔除不常用的數據。

3.4 基于GPU的大規模場景渲染技術

主要指優化算法以提高大規模復雜場景的渲染效率，比較常用的算法包括遮擋剔除算法、LOD算法、實例化技術等以及針對三維地質模型的地質體快速體渲染和剖面分析算法[18]，基于狀態樹統一管理整個場景，提高渲染速度。

4 初步建設成果

本項目以福州市東街口為試點案例區，建設了地上地下一體化實景三維模型，研發了數據資源展示系統，以驗證所提出的基于實景三維的“透明城市”建設關鍵技術的實用性。

4.1 試點案例區情況

福州市東街口是福州城市的核心區域，各類工程建設、規劃利用、城市管理等經濟活動和行政管理較為頻繁，是政府行政管理的焦點區域。該區域擁有地下商場、地下停車場、地鐵、管線等豐富的城市地下空間體，并且經過城市地調調查，掌握了該區域詳細的地質資料。因此，本項目選擇福州市東街口作為試點案例區，建設東街口1 km2范圍內的地上地下一體化實景三維模型。

4.2 數據資源建設成果

以福州市東街口1 km2范圍內的區域作為試點案例區，建設三維不動產模型、三維地層模型、三維鉆孔模型、三維地下建(構)筑物模型、三維地下管線模型、傾斜攝影實景三維模型數據及單體化模型、360°全景數據等地上地下一體化的實景三維模型，數據資源建設成果如圖1所示。

圖1 數據資源建設成果

4.3 數據資源展示系統

以現有的三維基礎地理信息平臺自主研發技術為基礎，采用B/S架構運行模式，建設“透明城市”數據資源展示系統，實現地下地上多源多維多種類數據資源集成展示，構建地上地下一體化的“透明城市”三維場景，提供地上地下室內室外多場景的三維瀏覽展示、查詢功能，實現三維漫游瀏覽、自定義瀏覽熱點、360°全三維場景操作、步行、汽車、飛行等多種方式三維場景模擬瀏覽、海量三維數據管理，系統架構如圖2所示。

圖2 系統框架圖

本系統由運行支撐層、數據層和應用層組成：

(1)運行支撐層是本項目運行的軟、硬件環境及網絡環境，它是系統建設的基礎，另外還有標準規范體系和安全保障體系等內容，它們是整個平臺的支撐與保障。

(2)數據層由二三維基礎地理信息數據構成，這些數據包括三維地層模型、傾斜攝影三維數據、三維建(構)筑物模型數據、數字高程模型數據、正射影像數據等。

(3)應用層主要實現數據資源展示方面的功能，主要包括：三維瀏覽展示、查詢功能、漫游等，系統功能如圖3所示。

圖3 系統功能展示

5 結 語

基于實景三維的“透明城市”是實現城市地上、地下一體化三維“一張圖”集成展示、管理與應用，是數字城市和智慧城市建設與發展的必然趨勢，是實現城市精細化管理的重要手段。目前，國內“透明城市”建設處于起步階段，其基本理論、指標體系、關鍵技術、應用方向等研究處于初步探索階段，本文討論研究了“透明城市”數據資源建設的關鍵技術，希望對同行有所裨益。