基于二、三維一體化Web GIS的城市拆違建系統開發

鄒永麗

（成都中地時空科技有限公司,四川 成都 610000）

0.引言

隨著智慧城市建設的不斷推進以及互聯網技術的不斷發展，越來越多的技術被應用于地理信息行業中，三維GIS也正在朝著智能化、數字化的方向推進。傾斜攝影測量技術的發展及應用，使得空間三維地理信息數據采集更加便捷，基于傾斜攝影測量技術制作的三維實景模型能夠反映真實的空間場景，由于制作成本低、速度快，已經被廣泛應用于文物保護、應急預案模擬、城市規劃等領域[1-3]。WebGIS是一種網絡化GIS，由Web技術和GIS技術共同構成，利用Web技術對GIS進行擴展與完善而來。通過網絡瀏覽器，WebGIS用戶可以實現地圖服務站空間數據的瀏覽、索引以及分析。

目前我國社會經濟快速發展，隨著城市建設的不斷發展，越來越多不符合規定的違法建設出現，如，房屋頂層的違法建筑、大雜院等。土地資源供需矛盾的日益突出使得建筑物違法事件日益增多，對我國經濟社會的可持續發展帶來了巨大的隱患。作為我國土地資源工作的重要環節，土地執法監察的科學有效性對土地資源利用的可持續發展意義重大。目前，通過二維GIS很難對上述違法建設進行監測，違法建設的存在對城市規劃建設發展造成很大的阻礙[4-5]。基于此，本文綜合利用多領域技術，如多媒體技術、WebGIS技術及傾斜攝影測量技術等，開發應用于城市拆違建的二、三維一體化地理信息系統。該系統可通過DEM、DOM以及傾斜攝影模型實現城市重點建設點位，重點拆除點云的二、三維一體化展示與屬性信息的瀏覽、查詢，為城市的管理與規劃提供可靠的技術支撐。

1.系統架構設計

1.1 WebGIS特點

相比于傳統GIS，WebGIS是通過Web技術進行網絡空間信息發布，用戶可以基于互聯網任意地進行空間數據瀏覽，同時能夠進行索引與分析操作。因此，WebGIS最大的作用在于提高了數據協調與共享的能力。無需安裝特殊客戶端，使用通用瀏覽器就可實現遠程空間數據訪問、GIS應用程序訪問等。操作上的簡單性以及客戶端的易于維護性，使得基于WebGIS系統開發、維護的成本有了大幅度的降低。

1.2 總體架構

為了滿足城市建設中的違建拆除及規劃建設的現實需求，本文研究了二、三維一體化的城市地理信息系統。該系統主要由三大模塊組成，分別為數據層、服務層及應用層。基于三維WebGIS框架，該系統支持多種網絡規范，同時支持數據交互顯示。數據層中，多媒體文件、屬性信息等數據通過關系數據庫進行存儲，柵格矢量空間數據則通過空間數據庫進行存儲；服務層主要用于數據傳輸及二、三維數據的發布，其中為便于解析與傳輸，通過Internet結合Geoserver發布二、三維數據；應用層主要用于二、三維聯動和屬性信息展示，滿足城市規劃行業需求。本系統的整體架構圖（如圖1所示）：

圖1 二、三維一體化的地理信息系統整體架構圖

通過相機視覺設置，該二、三維一體化地理信息系統可定位至拆除點具體位置，同時可以顯示拆除點位的各種屬性信息；同時為了準確還原地物地貌信息，將二、三維地圖信息進行整合，并對未來的規劃進行展示，該系統也加入了計劃建設項目信息。

1.3 系統特點

本系統的建設充分考慮了目前違建中存在的特點，結合需求進行相關系統設計，主要有以下三個方面的特點：

（1）還原性：本系統的三維實景地圖為利用傾斜攝影測量技術制作完成的三維實景模型，具有精度高、紋理細等顯著特征，能夠準確還原真實的場景環境；

（2）先進性與穩定性：為了實現海量數據的快速加載及瀏覽，使用多細節層次等技術支持多層紋理，同時提高系統的性能及穩定性；

（3）實用性與擴展性：本系統可方便地進行人機交互，表現出了較高的靈活性，同時具有較高的可擴展性，能夠有效集成多種系統，如視頻監控等。

2.系統功能關鍵技術

2.1 LOD模型優化

為了能夠實時快速地對三維實景地圖進行加載與瀏覽，進行海量數據的有效渲染，三維實景地圖采用3DTiles瓦片數據類型，該數據類型具有多細節層次（LOD）渲染能力。同時通過Tileset.json文件對3DTiles元數據進行定義，通過Tileset.json文件可以對元數據的配準進行讀取，使用該文件的優勢在于保障了擴展性。系統中的三維實景地圖模型在使用前，需要進行紋理數據壓縮及LOD模型的TIN構建。上述數據壓縮及抽稀的目的在于快速地進行海量數據的加載及減少內存占用。依據顯示層級，將三維實景模型分為9個tile，LOD分層數據集統計（如表1所示），其中模型紋理精細程度隨著每個tile的數據集數量增加而提高。

表1 LOD分層數據集統計 單位：個

2.2 二、三維聯動技術

二、三維聯動是指二維視圖與三維視圖無論進行放大、縮小、平移等哪個操作都是同步的，某個視圖會隨著另外一個視圖的變化發生對應的變化。然而，該二、三維一體化地理信息系統中，二維視圖與三維視圖的數據類型不一樣，數學基礎也不一樣，因此，實現二、三維一體化的前提是擁有二維與三維相互解算的參數，二維聯動三維就是二維參數到三維參數的解算，三維聯動二維就是三維參數到二維參數的解算。

2.3 多線程多級緩存技術

多線程多級緩存結構是通過在服務端及客戶端設置緩存區，可不用直接讀取硬盤數據，提高了三維實景地圖的瀏覽速度。數據請求發出后，可直接取出緩存區數據，對于讀取頻率較低的數據可存儲至硬盤中，優先讀取內存存儲數據，可有效提高讀取速率。客戶端發出數據訪問請求時，設置GDAL塊緩存、影像塊緩存及屏幕影像塊緩存：GDAL塊緩存用于提高數據的可視化效率；影像塊緩存用于直接讀取當前瀏覽器窗口所有像素對應數據塊；屏幕影像塊緩存用于重新利用存儲的當前屏幕圖片。使用多線程開發技術進行數據傳輸及可視化，即在Web后臺中，有的線程負責維護數據接收緩存區，并對緩存區進行管理，有的線程控制地圖顯示。系統的表現也表明，多線程技術對數據管理及傳輸效率的提高有很大幫助。

2.4 接入多源業務數據

對于常規的數據格式，如，拆除區、建設區shp格式數據，為了能夠將此類數據疊加在三維實景模型上進行可視化展示，需要對數據格式進行轉換，生成三維實景模型能夠識別的數據格式，從而實現拆除區、建設區點擊時高亮顯示，同時能夠通過矢量數據對拆除區、建設區的屬性信息進行展示，達到“一張圖”集成體系的展示效果。

3.系統功能應用

3.1 三維實景地圖瀏覽

本系統將三維實景模型作為三維地圖數據，通過放大、縮小等操作實現真實場景環境的全面瀏覽。通過高精度三維實景地圖，可以實時有效地掌握違建房屋以及違建房屋拆除進展，不用工作人員到現場拍照記錄，從而大大降低人力物力支出；與此同時，三維實景地圖可以為城市結構規劃提供信息支持，加快智慧城市建設。在宏觀三維場景中，可以對目前城市的休閑娛樂分布、重點產業格局、便民基礎設施等進行準確直觀地了解。三維實景地圖（如圖2所示），建筑物三維模型近景（如圖3所示）：

圖2 三維實景地圖

圖3 單個建筑物三維模型

3.2 城區規劃重點點位查詢

重點點位主要包括三個部分，（1）正在建設的點位；（2）規劃范圍內即將建設的點位，（3）規劃中將要拆除的點位。通過查看這些重點點位，可以對拆違工作進展情況、重點監測對象情況進行實時管理與調控，一方面可以全局把握無違法建設城區的現狀；另一方面為城市規劃提供重要的依據；同時，可以根據系統對點位的屬性信息進行查詢，例如某拆除點的具體地址、類別及所在街道等信息。基層組織在拆違工作中扮演著極其重要的角色，點位屬性信息的快速有效獲取可以將點位屬性信息及時傳遞給街道工作人員，對基層組織中的拆違工作具有重要作用，同時能夠減少現場不必要矛盾，保障拆違工作的順利進行。

3.3 違建點位二、三維聯動顯示

二、三維聯動顯示的優勢主要有兩個方面：一方面可以快速地檢查三維實景模型中某一地物在二維地圖中的位置及周邊地物，并對點位的面積進行準確量測，避免工作人員實地測量，減少了不必要的外業工作量；另一方面二維視圖數據量小，可以更快快速、方便地進行放大、縮小等操作，在三維場景中看到更加精細的紋理信息。二、三維聯動顯示可以達到2D/3D GIS優勢互補的效果，實現測繪地理信息系統在拆違工作中的有效應用。

違建點拆前的照片（如圖4所示），圖4中建在樓頂的儲藏室屬于違法建筑，通過圖5可以看到，該違法建筑已經被拆除（如圖5所示）。通過本系統可以減少工作人員實地查看拆違工作進展的工作量，有效提高拆違工作的效率。

圖4 三維實景模型地圖中違建點（拆前）

圖5 三維實景模型地圖中違建點（拆后）

3.4 拆違綜合信息管理應用

通過接入照片、視頻等信息，WebGIS技術結合三維實景地圖可以及時查看違建拆除情況，同時得到不同街道的點位治理信息，有效掌握拆違工作開展進度。通過系統的量測功能，可以實現地物面積等信息的獲取，對本系統的量測功能進行檢驗。通過實地儀器量測地物面積數據與系統量測功能量取面積數據進行對比，從統計結果（如圖6所示）可以看到，兩者的誤差均在1m2以內。這表明本系統的量測功能可用于城市拆違工作的決策。本系統的綜合信息管理應用功能可有效解決拆違工作信息了解不及時的問題，為建設無違建城區提供強大的技術支持。本系統從實際應用需求的角度出發，充分考慮城市規劃建設中存在的問題，以改善城市生態環境、促進城市經濟建設為目的，為城市規劃建設有效利用空間資源提供依據。

圖6 系統測量地物面積與實地測量地物面積統計

4.結束語

為了能夠將“違”與“建”相結合進行展示，充分發揮傾斜攝影測量三維實景模型與WebGIS技術的優勢，本文研究了應用于城市拆違建的二、三維一體化地理信息系統，并對該系統的架構、技術以及目前存在的功能進行了全方位的介紹。該系統可以為城市建設的合理規劃與決策提供重要的技術支持，具有方便共享交換、數據規范標準與及時更新的能力。通過二、三維一體化展示與人機交互，該系統彌補了傳統地理信息系統成本高、共享性差等問題。同時，該系統具有的可擴展性使得平臺新功能的研發與添加變得更加便捷。總之，本系統可以為城市信息化建設、智慧城市建設提供重要的技術支撐。