探索易智瑞三維GIS技術在自然資源管理中的優勢和應用

廣西壯族自治區自然資源信息中心 劉琦

自然資源監管業務需求的增加預示著二維GIS（地理信息系統）技術已經不再滿足當前高水平國土信息化建設的要求，三維GIS技術以其豐富的數據資源和強大的空間表達能力，成為自然資源信息化未來發展的關鍵。本文討論了三維GIS數據的特點和易智瑞三維GIS技術的優勢，并從國土土地調查、不動產登記、國土空間規劃、礦產資源開發利用等幾個方面，探索易智瑞三維GIS技術在自然資源管理中的應用，證明易智瑞三維GIS平臺能夠充分發揮多源空間數據的優勢和潛力，提高空間數據輔助管理和決策的能力，更好服務于自然資源監管工作。

當前，二維GIS技術已經在國土空間用途管制、土地規劃編制和審核、用地用礦審批、自然資源開發利用監管、國土土地調查、生態空間優化等工作中發揮了重要作用。隨著自然資源管理業務需求的不斷增加，二維GIS已經不再滿足當前高水平國土信息化建設的要求，三維GIS技術應運而生。

與二維GIS數據相比，三維GIS數據的空間表達能力更強，可將平面關系與垂直關系有機結合，并能夠形象直觀的展示區域的地形地貌以及建筑特征[1,2]。《自然資源部信息化建設總體方案》要求：“加快推進各類自然資源、國土空間各類要素的三維實景數據獲取和三維地質模型庫建設，建立二、三維一體化的自然資源和國土空間三維實景數據庫，實現地上地下三維一體化監測評價”[3]。《自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案》也提到，自然資源三維立體時空數據庫建設需要圍繞自然資源部管理的土地、礦產、森林、草原、濕地、水、海域海島等七類自然資源，構建由一個主庫、九個分庫組成的國家級自然資源三維立體時空數據庫，為自然資源“一張圖”和國土空間基礎信息平臺提供數據支撐[4]。由此可見，三維GIS將會成為未來自然資源信息化的主要方向之一。

本文從三維GIS數據的特點和易智瑞三維GIS技術入手，以國土土地調查、不動產登記、國土空間規劃、礦產資源開發利用等幾個工作領域為例，結合筆者的實際工作經驗，對易智瑞三維GIS技術在自然資源管理中的應用進行了探索與討論。研究發現，三維GIS能夠更立體直觀地展示自然資源場景，充分發揮自然資源空間數據優勢，深層次挖掘空間數據潛力，進一步服務自然資源管理的各項工作。

1 三維數據的特點

相比二維場景，三維場景從平面到立體，從陸地表層到全空間，實現“地上下、室內外、水上下”全空間的一體化描述[5]。實景三維能夠更全面、具體、形象地還原真實自然資源資產情況，易讀易懂，承載信息豐富，可以清晰地識別出各地物的輪廓和紋理，以及和周圍場景的相對關系，還可以表達比如地下、水下、室內、外立面紋理等二維場景無法表達的特征。三維場景靈活程度、可拓展能力、易讀性、全面性和信息承載能力更強，表達效果更好，更符合人們的使用習慣。

構建自然資源實景三維場景，包括數字高程模型（DEM）、傾斜攝影數據、激光點云數據、手工建模數據、BIM等數據源。傾斜攝影具有高分辨率、豐富的地物紋理信息、高效自動化的三維模型生產、逼真的三維空間場景等特點[2]，是三維場景中最常用的數據源之一。激光點云數據具有快速掃描、實時性強、數據量大、定位精度高、抗干擾能力強等優點，為城市三維精細模型建設、地物分類提取等提供了全新的手段。手工建模數據通過人機交互的模式構建重點地物的精細三維模型，具有精細程度高、表達效果好、紋理逼真、層次結構分明、完整性好、前端渲染速度快等優點，并可以掛接各零部件的屬性信息，能真正服務于自然資源的管理和應用。BIM在手工建模的基礎上，增加了建筑物內部結構信息，在室內定位、智慧園區建設、小區管理、橋梁建設、公安消防等領域發揮了重要作用。

2 易智瑞三維GIS技術

GIS行業內較常用的三維GIS軟件主要有Cesium、Skyline、SuperMap和ESRI ArcGIS等[6]。GeoScene是易智瑞信息技術有限公司在服務中國用戶多年的經驗和技術的基礎上，結合ArcGIS國際領先的技術和理念，研發的新一代國產地理信息平臺，其具有強大的三維數據可視化與分析能力，與國產軟硬件兼容適配，融合云計算、大數據技術和人工智能等前沿技術，從多源三維數據導入和創建到三維數據空間分析處理再到前端三維可視化，提供了完整的技術能力[7]。三維前端產品可打造無插件式的三維數據快速瀏覽和輕量級的三維數據分析，針對大面積用戶具有普適性。

2.1 多源三維數據導入

三維場景的構建需要地形、影像、傾斜攝影、點云、手工建模數據、BIM以及其他要素數據的支持。GeoScene平臺使用OGC i3S標準的SLPK（SceneLayer Package）規范作為其數據規范，數據的加載與顯示遵從OGC i3S的服務規范[7]。地形、影像以及其他二維數據，可以通過在GeoScene Server上發布地圖或影像服務的方式加載到三維場景前端。而傾斜攝影、點云、手工建模數據、BIM等三維數據，需要借助GeoScene桌面版或其他三維數據處理軟件，將三維數據格式統一轉換為SLPK來實現數據在易智瑞平臺中的加載、分析和共享。GeoScene桌面端軟件支持多種通用三維模型格式的轉換和導入，各種三維數據的導入流程如圖1所示。

圖1 GeoScene三維數據導入Fig.1 3D data import in GeoScene

2.2 三維數據空間分析

GeoScene平臺提供了強大完整的二、三維空間分析能力，繼承并拓展了原ArcGIS的地理處理工具，通過搭建業務模型有效解決現實世界中的地理空間問題。

專業的分析工具主要集中在桌面端軟件。桌面端三維分析工具包括空間測量（包括長度、高度、面積、體積等）、三維拓撲分析（包括三維閉合、緩沖區、相交、合并等）、可見性分析（包括通視、視域、天際線、日照分析等）、地表面分析（包括挖填方、坡度、坡向、剖面、陰影等）等。Web瀏覽器端主要提供輕量化的交互式三維分析功能，包括視線分析、剖面分析、空間量測、日照分析、BIM構建分析、剖切分析、地形壓平等。

2.3 三維場景渲染優化

對于Web端三維應用程序來說，為了追求場景畫面真實感，三維場景就會越發復雜，模型越發精細，便會給圖形硬件帶來極大的負荷以致于無法達到實時繪制幀率。例如，Web端加載海量傾斜攝影數據的時候，總會面臨場景不穩定、加載緩慢、紋理渲染滯后等問題。因此，易智瑞三維GIS采取調整Lod切換機制、構建前置緩存服務器、增加前端解析數據能力、地理索引、流式傳輸、優化WebGL渲染邏輯等一系列優化措施，滿足數據在前端高效渲染的需求。除此之外，平臺能夠針對水面制作具有反射光、地物倒影的水體效果，對整個三維場景制作霧、雨、云、晴等天氣效果，在Web端構建更加逼真、生動的前端三維表達效果。

3 易智瑞三維GIS平臺在自然資源管理中的應用

3.1 國土土地調查

國土土地調查是全面查實查清土地資源的一項重大的國情國力調查，搭建以國土土地調查為核心的三維立體時空數據庫，將土地調查各類數據在三維空間中表達出來，實現土地調查成果基于三維立體空間的分析應用：

(1)土地調查數據在三維場景下的可視化與管理，達到土地調查數據與三維時空數據相互補充、相互融合，實現三維海量數據快速調度，三維仿真地理環境快速瀏覽，Web版三維場景漫游等。

(2)土地調查數據的三維空間測量，將土地調查二維數據與三維地表模型數據相結合，實現將二維投影面積轉換為表面積，完成耕地表面積、林地郁閉度等結合三維的計算與分析。

(3)土地調查數據的地表面分析，通過將二維矢量投影至三維數據，聯動三維數據分析計算坡度、剖面、切面、挖方、填方等，結合其他自然資源業務數據，實現例如土地資源的數量及動態變化分析、耕地坡度計算等分析功能。

(4)基于自然資源三維立體時空數據庫，開展數據賦能問題研判，診斷與發現沖突，例如：通過耕地坡度數據三維可視化與坡度計算，完成地方上報耕地坡度的誤差檢查；通過項目審批數據與各類自然資源現狀數據、管理數據及規劃數據的三維可視化，判斷項目合理性；通過永久基本農田與高精度三維地形、影像及坡度的疊加，進行永久基本農田一致性判定，摸清基本農田坡度分布狀況等。

3.2 不動產登記

在三維模式下，不動產數據可進行多維度查詢管理，大至宗地范圍、不動產產權范圍以及四至關系，小至不動產在自然幢內的具體位置、分層分戶信息甚至不動產內部各零部件的分布及信息。Geoscene的單體化技術由于可為三維實體附加屬性信息，可被高亮查詢與統計，為不動產的三維管理提供了解決方案。

Geoscene平臺一般有以下四種單體化模式：(1)直接運用手工建模數據或BIM，導入Geoscene平臺，掛接屬性后，實現不動產的單體化顯示查詢或不動產內部零部件查詢。(2)運用不動產自然幢的矢量面，在Geoscene桌面端軟件中將傾斜攝影數據進行切割，實現單體化，而后賦予需要管理的單體自然幢屬性信息。(3)運用自然幢矢量面數據，批量制作建筑物白膜或分層分戶模型，設置為半透明后，套合傾斜攝影數據進行自然幢單體化查詢。(4)依托Geoscene平臺矢量數據的貼地機制，把自然幢矢量面當做一層膜將對應位置的建筑物完整包裹起來，實現動態的高亮選中和查詢。比對這四種單體化的方法，方法一需要手工建模技術，適合某些需要精細建模的重點建筑物；方法二可以實現真正的單體化，但是耗費的成本較高；方法三適用于分層分戶模型的建立；方法四成本低，但是需要自然幢底面和建筑物吻合程度較高才能實現比較好的效果。實際可根據源數據情況以及需求，選擇合適的模式實現不動產單體化效果。

3.3 國土空間規劃

基于Geoscene平臺的機器輔助三維城市規劃決策模塊，可服務于國土空間規劃編制、審批、實施和監督全過程，綜合建設工程的周邊環境，輔助開展建設工程規劃設計情況的評估、調整和優化，為規劃方案評審提供直觀、生動、全面的輔助決策支持服務。

(1)規劃設計方案三維模型加載。Geoscene支持前端在線加載及后端服務發布兩種方式加載規劃設計三維模型，前端在線加載必須為GLTF格式的三維模型。通過調整模型的位置、大小、朝向和高度等參數，直觀地在自然資源大場景下展示設計方案，評估方案的合理性，輔助建設工程規劃設計方案的調整和優化。

(2)三維規劃設計分析。利用高精度傾斜攝影數據，結合精細單體化三維模型，將擬建項目的三維設計模型與現狀三維模型進行結合，運用日照分析、視線分析、構建分析、模型剖析、地形剖析等三維分析功能，對擬建設區容積率、綠地率、建筑密度、建筑高度、建筑規模等指標進行分析，輔助建設工程設計情況的評估和分析。

(3)設計方案比對。通過分屏的方式，實現同一項目不同設計方案三維模型的同時瀏覽，包括建筑造型、立面風格、色彩材質等方面，直觀比對不同方案在同一三維場景下的模擬建設效果。

(4)在施工圖審查階段，開展施工圖三維數字化審查，提取三維模型中的有用信息，就施工圖中部分剛性指標實現計算機輔助審查，減少人工干預。

(5)在竣工驗收階段，可將設計三維模型和竣工三維模型進行差異性比對，判斷項目是否按照施工圖施工，差異的部分在哪里，是否造成不良影響，輔助出具審查結果和驗收報告。

3.4 礦產資源開發利用

以監控礦山開發利用活動和治理恢復情況為目標，用三維手段進一步提高礦產資源勘查、開發與保護監管的水平。

(1)定期開展無人機航拍，采集礦山正射影像及傾斜攝影數據，構建多時期露天礦山三維模型。通過三維模型判斷礦產資源分布情況、礦山開采方式、采礦區地形形變、礦山工作區地表覆蓋類型、礦山治理恢復情況、礦山周邊情況等。通過兩期傾斜攝影數據計算周期內礦石開采量，動態監測礦產資源的變化。

(2)礦山開發利用地下動態監測，使用激光雷達掃描技術，對地下開采礦山定期進行三維數據收集，獲取地下礦山點云數據，構建地下礦山三維模型，摸清地下開采礦山巷道、掘進面、采空區等情況，監測地下開采范圍及開采量變化。

(3)監控設備數據與礦山三維模型的集成，根據要求在露天開采礦山礦區范圍內、地下開采礦山掘進面、開采面、巷道關鍵位置、地磅等處安裝可控的高清攝像儀，將視頻信號動態接入三維平臺，實現在三維平臺上實時查看礦山生產情況。

(4)礦山三維模型與實時監控視頻流數據的視圖融合，將礦山動態監控視頻與三維場景融合在一起，例如將實時車流監控視頻在傾斜攝影對應的位置中貼地顯示，使視頻展示的效果更加真實，并運用視頻識別技術識別物體并打上地理標簽，有效還原礦山開發利用現場的真實情況。

4 結語

與二維GIS相比，三維GIS更直觀、立體地展現了從地上到地下、從室內到室外的現實場景，數據表現效果更好，信息載荷量更大，分析方式更豐富更靈活，是未來GIS技術發展的重要方向。易智瑞GIS平臺作為行業內常用的GIS平臺之一，具備前沿、強大和穩定的三維GIS技術，包括多源三維數據融合技術、單體化技術、三維數據空間分析、三維場景渲染優化技術等，提供面向全域實景三維數據的治理能力，能夠為自然資源管理部門開展自然資源相關的規劃、審批、監管和分析決策提供服務，提升國土空間治理能力現代化水平。通過三維平臺，最大限度的挖掘自然資源空間數據資源潛力，加快“用數據說話、用數據決策、用數據管理、用數據創新”管理新機制的建設，充分發揮自然資源數據的“底圖”和“底線”作用，提升自然資源管理決策水平，使空間數據能夠為國家經濟建設和社會發展提供更好的服務。

引用

[1] 田淇元.基于GIS應用的自然資源三維空間發展分析[J].中國科技信息,2021(13):65-66.

[2] 趙雙慶,金仙寶,王丹,等.實景三維在自然資源管理中的應用淺析[J].內蒙古科技與經濟,2020(18):62-63.

[3] 自然資辦發〔2019〕170號.自然資源部信息化建設總體方案[S].自然資源部,2019.

[4] 自然資辦發〔2021〕21號.自然資源三維立體時空數據庫建設總體方案[S].自然資源部,2021.

[5] 自然資辦發〔2021〕56號.實景三維中國建設技術大綱(2021版)[S].自然資源部,2021.

[6] 包善文.淺析ArcGIS Pro三維模型發布服務的改進方法[J].測繪技術裝備,2021,23(3):62-66.

[7] 易智瑞信息技術有限公司.GeoScene 2.1產品白皮書[R].2021.