實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)及應(yīng)用
——以南沙先行啟動(dòng)區(qū)為例

高毓琳

廣州市規(guī)劃和自然資源自動(dòng)化中心 廣東 廣州 510000

1 引言

為進(jìn)一步貫徹落實(shí)《廣州南沙深化面向世界的粵港澳全面合作總體方案》，按照以點(diǎn)帶面、循序漸進(jìn)的建設(shè)思路，選取了南沙先行啟動(dòng)區(qū)（慶盛樞紐、南沙灣、南沙樞紐）和明珠灣片區(qū)共“3+1”片區(qū)為試點(diǎn)，構(gòu)建地上地下海陸一體的二三維時(shí)空底座，以自然資源業(yè)務(wù)三維輔助決策為鏈條，搭建數(shù)字孿生應(yīng)用示范平臺(tái)，為南沙智慧城市和數(shù)字城市建設(shè)提供空間數(shù)據(jù)支撐。

2 實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)內(nèi)容研究

2.1 建設(shè)難點(diǎn)

（1）多源異構(gòu)數(shù)據(jù)難以整合[3]

不同的業(yè)務(wù)部門(mén)分管不同的領(lǐng)域，各部門(mén)產(chǎn)生的成果數(shù)據(jù)散落在不同部門(mén)的不同位置，同時(shí)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、版本、時(shí)空基準(zhǔn)也都不一致。三維成果數(shù)據(jù)包括柵格影像數(shù)據(jù)（DOM）、矢量要素?cái)?shù)據(jù)（DLG）、地形數(shù)據(jù)、地質(zhì)層數(shù)據(jù)、傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)、單體化模型等等[4]，數(shù)據(jù)之間空間基準(zhǔn)、尺度以及數(shù)據(jù)格式都不盡相同，不同數(shù)據(jù)的同一對(duì)象之間缺乏語(yǔ)義關(guān)聯(lián)。面對(duì)海量、多源、異構(gòu)、離散的二三維數(shù)據(jù)，如何將它們進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使得時(shí)空基準(zhǔn)同一，從而能夠履行“兩統(tǒng)一”職責(zé)、數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、信息化建設(shè)等需求，進(jìn)一步貫徹“兩支撐、一提升”戰(zhàn)略定位[5-7]，是實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)初期的一大難點(diǎn)。

（2）共享通道不暢數(shù)據(jù)難以利用

實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理涉及到的業(yè)務(wù)類(lèi)型繁復(fù)，形成的自然資源調(diào)查成果類(lèi)型多樣。各個(gè)行政部門(mén)在多年的建設(shè)和規(guī)劃過(guò)程中，積攢了大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，但是彼此之間缺少共享平臺(tái)，已有信息化項(xiàng)目的建設(shè)成果難以重復(fù)利用。因此梳理各類(lèi)自然資源數(shù)據(jù)并搭建一個(gè)可復(fù)用的共享可視化平臺(tái)是重難點(diǎn)工作。

（3）應(yīng)用需求不同難以展示

實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)在空間上囊括地上、地表、地下的數(shù)據(jù)，在內(nèi)容上涵蓋現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)、調(diào)查監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等等。如何將超大數(shù)據(jù)量的三維數(shù)據(jù)、海量遙感影像數(shù)據(jù)以及多尺度的地形數(shù)據(jù)融合顯示，如何接入海量物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如何實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)計(jì)算分析都存在技術(shù)難點(diǎn)，要在保證可視化效果和渲染速度的前提下提供訂閱式的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)難度大。

（4）實(shí)景三維數(shù)據(jù)難以支撐業(yè)務(wù)場(chǎng)景

實(shí)景三維數(shù)據(jù)采集需要花費(fèi)大量的財(cái)力物力，在后續(xù)使用過(guò)程中很少開(kāi)展實(shí)體化工作，未賦予屬性信息的三維數(shù)據(jù)，難以支撐業(yè)務(wù)場(chǎng)景的應(yīng)用。

2.2 建設(shè)思路

按照自然資源部“實(shí)景三維中國(guó)”的建設(shè)要求，并響應(yīng)自然資源部提出的構(gòu)建自然資源三維立體“一張圖”的任務(wù)目標(biāo)，以實(shí)景三維為抓手，面向自然資源多時(shí)態(tài)、全方位創(chuàng)新管理，構(gòu)建地上地下、水域陸地、時(shí)間空間一體化的實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)。充分利用已有數(shù)據(jù)成果，匯集更新全南沙區(qū)二三維數(shù)據(jù)成果，并融合自然資源專(zhuān)題數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、規(guī)劃數(shù)據(jù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)等，加強(qiáng)基礎(chǔ)測(cè)繪和各項(xiàng)自然資源業(yè)務(wù)工作融合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“收、聚、追、用”全流程標(biāo)準(zhǔn)化管理。

2.3 技術(shù)路線

以南沙區(qū)三維模型為基底，匯聚海量多源二三維數(shù)據(jù)資源，整合覆蓋城市治理全領(lǐng)域的國(guó)土空間規(guī)劃、自然資源管理、不動(dòng)產(chǎn)登記、企業(yè)經(jīng)濟(jì)、執(zhí)法監(jiān)督、城市更新等109類(lèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，形成空間規(guī)劃和自然資源管理的二三維一張圖的瀏覽、查詢和展示。

總體技術(shù)架構(gòu)圖如圖1所示，其中各環(huán)節(jié)的技術(shù)節(jié)點(diǎn)分述如下：

圖1 總體技術(shù)架構(gòu)圖

圖2 駕駛艙模式-總體概況

圖3 實(shí)時(shí)巡查監(jiān)測(cè)

（1）數(shù)據(jù)獲取

全面搜集各局委辦有關(guān)基礎(chǔ)測(cè)繪、自然資源相關(guān)的數(shù)據(jù)[8]，充分利用已有信息化項(xiàng)目的建設(shè)成果，并進(jìn)行初步篩選和處理，未實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）數(shù)據(jù)整合

按照“部指導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、地方特色、擴(kuò)展三維”的思路，通過(guò)在線調(diào)用、數(shù)據(jù)匯交、數(shù)據(jù)購(gòu)置等方式將離散、多源、異構(gòu)的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、處理、檢查和規(guī)整，通過(guò)映射轉(zhuǎn)換、語(yǔ)義化等流程處理形成一套干凈、清晰、規(guī)范的自然資源行業(yè)全域、全要素、立體三維的數(shù)據(jù)，摸清數(shù)據(jù)肌理脈絡(luò)，梳理出南沙范式資源目錄。

（3）數(shù)據(jù)管理

對(duì)完成建庫(kù)的數(shù)據(jù)采用多源數(shù)據(jù)融合、分布式存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過(guò)數(shù)據(jù)交換、輕量化、實(shí)時(shí)自動(dòng)更新、數(shù)據(jù)產(chǎn)品按需組裝的智能化管理，實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)的分層分級(jí)組織與一體化集成管理。開(kāi)展實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)的全流程管理，包括海量多源異構(gòu)的二三維數(shù)據(jù)快速存儲(chǔ)、預(yù)處理、核查、入庫(kù)及更新。對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)目錄、數(shù)據(jù)庫(kù)安全進(jìn)行日常管理及數(shù)據(jù)備份，在提高數(shù)據(jù)保護(hù)能力和平臺(tái)容災(zāi)能力的同時(shí)提供數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、可視化、疊加分析、關(guān)聯(lián)分析等功能。

（4）數(shù)據(jù)應(yīng)用

依托PC端、移動(dòng)端、Web端等關(guān)鍵開(kāi)發(fā)組件面向自然資源主管部門(mén)和有相關(guān)業(yè)務(wù)需求的政府部門(mén)搭建提供地圖服務(wù)、可視化服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)以及分析服務(wù)的實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，支撐實(shí)景三維數(shù)據(jù)在國(guó)土空間規(guī)劃、自然資源管理、不動(dòng)產(chǎn)登記、城市更新等多元場(chǎng)景下的深化應(yīng)用。

2.4 關(guān)鍵技術(shù)

（1）基于分布式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)

根據(jù)實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)中各類(lèi)型數(shù)據(jù)量大且更新快的特點(diǎn)，采用分布式架構(gòu)，按照“物理分散，邏輯集成”原則，基于Hadoop分布式環(huán)境進(jìn)行部署，采用自主研發(fā)的GeoSpark并行計(jì)算引擎，提高分布式集群環(huán)境下的數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘能力。采用分布式混合存儲(chǔ)方式，不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)適配最優(yōu)數(shù)據(jù)庫(kù)，提升整體訪問(wèn)性能。

（2）高并發(fā)三維數(shù)據(jù)云渲染技術(shù)

如何將TB級(jí)的二三維模型數(shù)據(jù)更快的展示出來(lái)是一直以來(lái)的難題之一，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，通過(guò)云渲染的方式來(lái)完成渲染和編碼，該方式借助于服務(wù)器端的GPU算力來(lái)做到負(fù)載均衡，支持更多并發(fā)，同時(shí)解放本地資源，降低損耗。

（3）自然資源變化監(jiān)測(cè)技術(shù)

通過(guò)無(wú)人機(jī)、衛(wèi)星、視頻、物聯(lián)網(wǎng)等多源傳感設(shè)備采集的各類(lèi)圖像信息開(kāi)展基于人工智能算法的特征提取與變化監(jiān)測(cè)識(shí)別。采用基于度量的方法通過(guò)比較雙時(shí)相數(shù)據(jù)的參數(shù)化距離來(lái)確定變化。提出利用Siamese全卷積網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了深度學(xué)習(xí)網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)基于無(wú)人機(jī)和遙感影像的變化檢測(cè)。

（4）基于智能語(yǔ)義分割的單體化場(chǎng)景自動(dòng)重建技術(shù)

基于深度學(xué)習(xí)輔助的復(fù)雜場(chǎng)景建/構(gòu)筑物快速單體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單體化建模中主要建/構(gòu)筑物的頂部和主體部分的準(zhǔn)確構(gòu)建，并保持拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的一致性。通過(guò)研究語(yǔ)義信息輔助的場(chǎng)景對(duì)象智能感知與目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大范圍復(fù)雜場(chǎng)景的對(duì)象級(jí)重構(gòu)；通過(guò)研究建/構(gòu)筑物本體的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)重建技術(shù)，引入多源語(yǔ)義信息約束的單體化模型層次化表征技術(shù)，自動(dòng)生成可組合式的單體化模型。

3 應(yīng)用實(shí)踐

在南沙先行啟動(dòng)區(qū)實(shí)景三維時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)的基礎(chǔ)上，根據(jù)各局委辦的業(yè)務(wù)需求，開(kāi)展了應(yīng)用探索。圍繞自然資源業(yè)務(wù)主體，以基礎(chǔ)測(cè)繪、AI建模、傾斜攝影、激光雷達(dá)等二三維數(shù)據(jù)采集成果為基礎(chǔ)，整合自然資源和規(guī)劃領(lǐng)域的各類(lèi)空間和專(zhuān)題數(shù)據(jù)，同時(shí)關(guān)聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)資源在南沙先行啟動(dòng)區(qū)數(shù)字孿生世界的融合共享，并在三維立體場(chǎng)景中進(jìn)行虛擬仿真，在數(shù)字孿生場(chǎng)景中對(duì)南沙先行啟動(dòng)區(qū)“人、地、樓、業(yè)、境”進(jìn)行了深度關(guān)聯(lián)，圍繞總體概況、空間規(guī)劃、業(yè)務(wù)管理、社會(huì)經(jīng)濟(jì)4個(gè)核心維度準(zhǔn)確呈現(xiàn)南沙先行啟動(dòng)區(qū)的總體情況，并從工程規(guī)劃、建設(shè)和管理三大業(yè)務(wù)需求以及支撐智慧城市發(fā)展出發(fā)，為片區(qū)發(fā)展提供全鏈路應(yīng)用支撐。

（1）駕駛艙總覽全局

①總體概況

通過(guò)展板可以清晰一覽先行區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)、公眾服務(wù)的開(kāi)發(fā)，讓片區(qū)“規(guī)建管”發(fā)展態(tài)勢(shì)一目了然。通過(guò)領(lǐng)導(dǎo)駕駛艙，能夠清晰瀏覽片區(qū)各類(lèi)用地的占比情況，根據(jù)土地利用情況快速了解片區(qū)土地資源儲(chǔ)備與土地利用趨勢(shì)等信息，快速跟蹤片區(qū)重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)情況。通過(guò)重點(diǎn)項(xiàng)目一覽，可以直接查看先行片區(qū)的重點(diǎn)項(xiàng)目分布、國(guó)家“十四五”、省市重點(diǎn)以及攻城拔寨項(xiàng)目情況，通過(guò)720度全景影像等逼真展現(xiàn)方式，直觀快速了解重大項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)展。

②空間規(guī)劃

圍繞城市規(guī)劃建設(shè)主題，結(jié)合片區(qū)內(nèi)的國(guó)土空間規(guī)劃、城市總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、土地利用規(guī)劃、村莊規(guī)劃、交通規(guī)劃等6大規(guī)劃編制數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)字孿生場(chǎng)景的二三維圖層疊加，直觀展示片區(qū)各類(lèi)規(guī)劃詳情。通過(guò)數(shù)字孿生三維引擎所帶來(lái)的復(fù)雜空間分析能力，如控規(guī)盒子等，能夠?qū)Τ鞘幸?guī)劃中常見(jiàn)的用地面積、用地性質(zhì)、容積率等各項(xiàng)指標(biāo)及空間合規(guī)性判定等規(guī)則的計(jì)算、分析、判定與執(zhí)行效率實(shí)現(xiàn)明顯的提升。

③業(yè)務(wù)管理

圍繞自然資源與規(guī)劃的核心業(yè)務(wù)需求，對(duì)每個(gè)片區(qū)城市發(fā)展全周期的土地利用現(xiàn)狀、土地征收、用地證審批、不動(dòng)產(chǎn)登記、城市更新進(jìn)展、名城保護(hù)和名木古樹(shù)情況實(shí)現(xiàn)全面信息匯聚與統(tǒng)計(jì)分析展示，實(shí)現(xiàn)瀏覽各項(xiàng)城市管理業(yè)務(wù)總體態(tài)勢(shì)。通過(guò)數(shù)字孿生三維空間實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)二維場(chǎng)景尚未達(dá)到的能力，即將“人、戶、房、地、業(yè)”和經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)一融合掛接，與數(shù)字世界的建筑空間位置一一對(duì)應(yīng)。

④社會(huì)經(jīng)濟(jì)

全面匯聚與社會(huì)經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)的四標(biāo)四實(shí)、產(chǎn)業(yè)園區(qū)、社會(huì)企業(yè)數(shù)據(jù)形成的片區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)“一張圖”，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)片區(qū)的人口經(jīng)濟(jì)、行業(yè)營(yíng)收、行業(yè)稅收狀況的多維統(tǒng)計(jì)分析，包括企業(yè)數(shù)量、營(yíng)收和稅收排名靠前的行業(yè)版塊分析，從宏觀態(tài)勢(shì)與客觀數(shù)據(jù)上為片區(qū)科技創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃與發(fā)展提供參考依據(jù)。

（2）工程建設(shè)項(xiàng)目全流程輔助

在數(shù)字孿生三維場(chǎng)景下，實(shí)現(xiàn)對(duì)片區(qū)內(nèi)重點(diǎn)項(xiàng)目“策劃生成-立項(xiàng)用地許可-工程建設(shè)許可-施工許可-竣工驗(yàn)收-產(chǎn)權(quán)登記”的六大階段的規(guī)劃分析、現(xiàn)狀研判和歷史回溯，有效提升跨部門(mén)協(xié)同服務(wù)能力，便于及時(shí)掌握項(xiàng)目進(jìn)度信息、提高項(xiàng)目審批效率。進(jìn)而為南沙片區(qū)深化放管服改革、打造國(guó)際一流營(yíng)商環(huán)境的目標(biāo)，從信息化提質(zhì)增效的方面賦能。

（3）城市更新

在城中村城市更新方面，通過(guò)征拆功能輔助計(jì)算南沙樞紐的城中村改造成本。通過(guò)劃定擬改造范圍，可以算出城市更新中的前期費(fèi)用、征拆費(fèi)用、復(fù)建費(fèi)用、其他費(fèi)用等的改造成本。

（4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控指揮

利用對(duì)治理對(duì)象的全面、立體、可視、可識(shí)、可量、可分析、可統(tǒng)計(jì)等實(shí)景三維成果，結(jié)合實(shí)時(shí)物聯(lián)感知和無(wú)人機(jī)實(shí)施監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，融合地質(zhì)災(zāi)害隱患點(diǎn)、地質(zhì)調(diào)查、災(zāi)害普查、水文、人口等信息，通過(guò)立體化可視表達(dá)方式和空間分析決策輔助能力，有效提升應(yīng)急反應(yīng)能力、處置能力等相關(guān)城市治理能力。

4 總結(jié)和展望

根據(jù)自然資源部建設(shè)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)的要求，以基礎(chǔ)測(cè)繪、傾斜模型等二三維數(shù)據(jù)采集成果為基礎(chǔ)，整合廣州國(guó)土空間基礎(chǔ)信息平臺(tái)、智慧廣州時(shí)空大數(shù)據(jù)平臺(tái)的各類(lèi)空間和專(zhuān)題數(shù)據(jù)，關(guān)聯(lián)物聯(lián)網(wǎng)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)、無(wú)人機(jī)等數(shù)據(jù)，為南沙區(qū)城市建設(shè)提供統(tǒng)一的三維時(shí)空底座以及配套的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、管理模型，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源融合共享，為城市管理、領(lǐng)導(dǎo)決策等提供及時(shí)、高效、準(zhǔn)確的管理數(shù)據(jù)支撐。

在實(shí)景三維模型的對(duì)現(xiàn)實(shí)世界高仿真還原直觀展示的同時(shí)，依托平臺(tái)動(dòng)態(tài)、可調(diào)的特性，實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)項(xiàng)目全流程信息的共享共用，提升跨部門(mén)協(xié)同服務(wù)能力，能夠有效加快審批信息流通、打破信息孤島，實(shí)現(xiàn)跨部門(mén)、跨事項(xiàng)數(shù)據(jù)互通共享，為事項(xiàng)審批提質(zhì)增效提供支撐，進(jìn)一步提高政務(wù)服務(wù)效能。