三維數字城市平臺建設及應用

朱豐杰

（青島西海岸新區自然資源局，山東 青島 266555）

1 研究背景

1.1 機構改革后的新要求

新一輪國家機構改革，由國土、規劃、林業等部門組成的自然資源部門，被賦予了新的職能，提出了更高的要求，傳統的二維平面空間管理模式已難以滿足當前的管理需求，從技術上要求由二維向自然資源、林業、國土空間規劃等多要素相結合的三維立體空間要素轉變。

1.2 三維GIS的發展現況

近年來，國內外GIS軟件在三維GIS領域均有了較快的發展，在地理信息、城市規劃、軍事、海洋、石油、林業、礦產和應急管理等眾多領域逐步得到成功應用。其中，多款具有自主知識產權的國產三維GIS軟件質量和水平也有了顯著的提高，在很多行業和領域開始大量應用，發揮了其重要作用。

2 三維數字城市建設方案

2.1 建設目標

基于城市發展需要，以國產自主品牌軟件平臺為依托，利用傾斜攝影、三維激光掃描及三維建模等技術，以西海岸新區二維、三維地理信息數據為支撐，建立西海岸三維數字城市平臺，為城市規劃、建設提供輔助決策等綜合信息服務。

2.2 三維GIS軟件平臺選擇

本著安全、自主可控原則，本次三維數字城市平臺采用性能穩定、功能強大、支持二三維一體化的SuperMap軟件平臺。

2.3 數據采集和入庫

2.3.1 二維數據處理

由于二維數據內容豐富、來源多樣，數據格式、精度、存儲形態等差異大，要將這些多源異構的二維數據整合為支撐多部門、多專題的核心數據庫，需要開展數據預處理和數據組織整合工作。二維數據預處理與組織的步驟主要包括：數據接收、數據加工處理、數據入庫、空間數據地圖服務發布和成果整合等內容。

2.3.2 三維數據處理

目前常用的三維GIS數據包括傾斜攝影測量數據、人工建模數據、激光點云數據和BIM等。本文中所使用到的三維數據包括傾斜攝影測量數據和人工建模數據。本系統所涉及的三維數據量非常龐大，對Web端數據傳輸與渲染帶來很大的難度。三維相關數據的預處理與數據組織是整個系統高性能運行的關鍵。本文的三維原始數據格式為OSGB格式的傾斜攝影測量航攝數據，三角格網精細且復雜，數據量大，這給數據的轉換、在線加載以及分析應用帶來了嚴峻的挑戰，于是本文借助SuperMap iDesktop采用LOD策略調度、紋理壓縮、合并根節點等關鍵技術進行三維OSGB數據的性能優化并將OSGB格式的三維GIS數據轉換為更適合Web端應用的S3M數據，最后將S3M數據發布為三維可視化與分析服務。

按照二三維一體化的方式，對于需要在三維數據中疊加的二維數據進行數據配置，實現二維數據在三維空間數據中的展示。

2.4 功能模塊設計與應用

2.4.1 系統設計框架圖

結合現有的數據資料和業務需要，對系統架構進行設計，具體框架如圖1所示。

圖1 系統設計框架圖

2.4.2 功能應用簡介

（1）城市規劃大數據數據庫管理系統

根據新區總體規劃、各片區控規，建立規劃建筑經濟技術指標管理系統數據庫，并植入數字城市平臺，實現全域地塊規劃建筑指標查詢和維護更新管理。

構建項目選址分析模型，主要用于重要項目的輔助選址分析和決策，主要功能為項目可選地址（空間位置）的確定、不同可選地址的信息查詢檢索和統計、不同選址方案的比較分析和數據或圖紙的輸出等。

（2）城市設計研究子模塊

主要用于對重點區域、重大項目開發建設體量、建筑高度、建筑材質、建筑色彩等方面進行動態模擬和多方案的比較分析，實現對城市特色風貌、空間環境的系統研究，便于區域開發、重大項目的方案審查及規劃輔助決策。

（3）城市容量智能規劃模塊

為科學分析城市開發建設過程中對現有交通、市政基礎設施承載能力的影響，預測和規劃未來城市發展的容量規模。實現區域開發、項目建設對城市容量的動態解析。主要包括道路拓寬分析模型、舊城改造分析模型、道路斷面結構分析模型、給水管線控制分析模型和排水管線控制分析模型。

（4）空間分析子模塊

空間分析模塊主要是解決任何時段的日照分析問題，計算科學準確，使用簡單方便，實現遮擋分析、陰影分析、區域分析、日照仿真、天際線分析等功能，為方案設計、研究、評審等提供直觀的科學支撐，如圖2、圖3所示。

圖2 區域分析

圖3 天際線分析

4 建設方案實施過程中遇到的問題及解決辦法

4.1 海量數據的存儲問題

三維傾斜攝影測量數據空間分辨率和精度高，數據量非常龐大。在本項目實施過程中，對大數據存儲的需求預估不足，大大超出了預計。為此，臨時增加了存儲設備。

4.2 三維影像數據在服務器端入庫時間長

本次三維傾斜攝影數據范圍大，分辨率高，原始格式為OSGB格式，數據量特別大，數據上傳到服務器時間很長。為了提高三維數據的加載速度，對原始數據進行優化處理，處理的主要方式是紋理壓縮、合并根節點并進行格式轉換為S3M格式，并對數據進行分塊處理，可以按照街鎮范圍或者園區的管轄范圍為單元，進行影像切割，劃分管理單元。

4.3 用戶終端的三維影像數據加載速度慢

由于數據量大，用戶端三維影像數據加載緩慢。為此，一方面是對三維影像數據進行了優化整合，采用對原有數據進行重新分塊，制作索引區，減少需要加載的數據，提高顯示的效果和運行速度；另一方面，提高用戶端電腦配置，數據加載數據明顯改善。

4.4 數據更新問題

城市化進程發展迅速，城市正在日新月異，作為一個信息系統，系統的更新和運維是保持系統生命力的重要保證。為保持系統三維數據的現勢性，要求對三維數據進行動態更新。由于三維實景數據采集的成本高，實時更新的成本更高，難以實現。一方面需要根據城市發展的速度，合理評估需要更新的城市范圍，并做好系統的更新維護；另一方面，可以拓展更新模式，采用規劃審批的規劃工程方案數據和規劃驗收竣工圖等相關數據，構建三維模型并對系統三維數據進行更新。

4.5 三維傾斜攝影測量模型的單體化問題

傾斜攝影測量自動建模輸出的是一個連續的影像，在GIS平臺中不能直接提取單獨的地物單元。為實現對獨立地物進行單獨的選中、查詢屬性、空間分析等操作，提高三維數據的使用效率，需要對三維傾斜攝影模型進行拆分，進行單體化處理。單體化處理的成本比較高，在項目預算充足時應當予以考慮。

5 結束語

西海岸新區三維數字城市平臺，利用GIS、傾斜攝影、三維激光掃描、三維建模等技術，實現了矢量、影像、三維傾斜等數據的瀏覽、查詢統計以及三維仿真等功能，城市設計模塊實現了建筑壓平、快速建模等功能，城市容量模塊為城市道路拓寬、舊城改造、地下管線分析等提供了輔助功能；空間分析功能實現了建筑物遮擋分析、陰影分析、天際線分析等功能。

通過三維數字城市平臺的建設，一方面是實現了地理空間的真三維立體可視化表達；另一方面，在城市規劃設計、編制、審批、監管、項目選址、智慧城市、智慧街區、社會治理、城市管理、安全生產、應急救災和智慧安防等領域均有廣泛的應用。隨著地理信息技術的發展，地理信息由二維向三維的轉變，是必然的趨勢，且應用前景廣闊。