淺談基于實景三維模型的城市三維地籍管理系統開發

任方園 王樂 陳良 劉斯琳

摘要：隨著社會快速發展，傳統的二維地籍管理模式漸漸難以滿足現代城市的管理需求，三維地籍管理因具有三維可視化的特點，能夠很好地解決這一難題。同時，隨著“實景三維中國建設”工程的不斷推進，逐漸積累的海量模型數據也為三維地籍管理系統的應用提供了良好的基礎數據保障。本文以三維地籍業務需求為導向，以地形級、城市級、部件級三維數據融合模型為基層數據底座，利用Unity3D引擎加載Cesium for Unity插件搭建三維可視化前端平臺，基于MySQL數據庫搭建后臺數據存儲系統，通過Visual Studio開發工具開發具體應用程序。通過各種開發工具的綜合運用，以軟件開發的方式，開發出一種能夠滿足實際需求的城市三維地籍管理系統。

關鍵詞：實景三維中國建設；三維地籍；三維數據融合

引言

現代城市發展模式呈現出立體化和高密度化，產權管理更加復雜，傳統的二維地籍管理模式很難滿足現代城市地籍管理要求，迫切需要一種新技術、新思路[1]。三維地籍管理體系依托三維模型數據和專用管理系統，直觀、真實地實現空間承載和信息利用，以滿足新型城市地籍管理需求。隨著“實景三維中國建設”在各地進程不斷加快，逐漸積累的海量模型數據應用問題受到社會各界的重視[2]。三維地籍管理是“實景三維中國建設”成果應用的重要研究方向。2020年7月，國務院發布《關于做好自由貿易試驗區第六批改革試點經驗復制推廣工作的通知》[3]，明確提出各地要建立以三維地籍為核心的土地立體化管理模式，將三維地籍管理理念和技術方法納入土地管理、開發建設和運營管理的全過程。

本文以“實景三維中國建設”的數據成果為數據依托，通過各類實景三維數據融合，結合三維地籍管理平臺軟件開發，構建三維地籍管理體系，能夠有效滿足相關管理部門對立體地籍管理的迫切需求，具有巨大的社會效益、經濟效益和廣闊的市場前景。

因城市快速發展，對地籍管理產生迫切的智能化、立體化需求，在收集、利用相關地籍信息的基礎上，本文運用傾斜攝影測量等測繪新技術，融合地形級、城市級、部件級實景三維模型數據，將前端平臺研發與后臺數據庫管理系統研發有效銜接起來，研發出地上地下一體化、宗地房屋一體化、物理空間與產權空間一體化的城市實景三維可視化地籍管理系統。

1. 研究內容

本文主要任務為基于實景三維融合數據，通過軟件開發的方式，開發出一款城市三維地籍管理系統軟件，主要研究內容分為四個方面：

（1）地形級實景三維、城市級實景三維、部件級三維數據融合。

（2）利用Unity3D引擎并加載Cesium for Unity插件，研發三維可視化前端管理平臺，為用戶開展相應業務提供有效的可視化交互系統[4]。

（3）基于MySQL數據庫進行后臺數據庫平臺開發，保障數據的輸入、存儲、分發等功能。

（4）通過C#語言和Visual Studio開發工具進行數據入庫、三維幾何信息查詢、三維不動產管理、三維電子證件照管理、三維統計分析、土地全生命周期管理、三維瀏覽功能等應用的開發。

本文主要研究內容為以實景三維模型數據為主體，同時融合地形級、城市級、部件級三維數據，作為空間數據底座，開發一套城市實景三維可視化地籍管理系統，具體架構如圖1所示。

1.1 實景三維數據生成及融合

本文計劃通過傾斜攝影測量技術生成的實景三維模型作為基礎測試數據。三維地籍管理系統所需三維數據要滿足真實、清晰、精準的要求，只靠某一類型的數據難以滿足要求，必須進行地形級、城市級、部件級三維數據融合。需要根據本文具體任務要求，研究相應的三維數據融合方法，將各級三維數據有機融合，取長補短，充分發揮各類數據優勢。

1.2 前端可視化平臺開發

項目利用Unity3D開發引擎并以Cesium for Unity插件為核心開發工具，搭建前端城市三維地籍可視化平臺。在視覺表達方面，基于體素、LOD等技術，采用抽屜式交互、變形等綜合可視化變量方法，有效表達三維不動產可見表面和內部結構，增強可視化效果。在實際應用方面，設計合理的UI功能界面，統籌謀劃各個功能模塊布局，有效降低用戶學習成本，提高用戶體驗。

1.3 后臺數據庫管理系統開發

本文屬于大規模軟件開發的范疇，數據處理量大，需要一種高效的后臺數據管理技術才能保障系統的高效穩定運行。此外，需要設計合理的網絡架構，并設計相應的網絡平臺，保障整個系統流暢運行。同時，做好系統安全保障工作，針對不同用戶群體，設置合理用戶權限，規范數據使用及分發規則，本文預期成果用戶包含多個社會群體，必須根據不同用戶的不同需求設置合理的用戶權限[5]。本文預期用戶主要分為三類：系統管理員、各級管理部門、社會公眾。系統管理員首先具備各級管理部門和社會公眾的所有權限，同時具有數據庫創建權限等；各級管理部門主要是指自然資源局、不動產登記中心等擁有具體職能的部門，這些部門擁有場景管理權限、數據查詢、修改管理等權限；社會公共角色擁有場景漫游及特定定位權限，還擁有自身信息查詢權限，但不具有修改、刪除、增加各類數據等操作權限。

1.4 業務功能程序設計

業務功能程序是用于滿足各類用戶需求的具體應用程序，直接關系日常三維地籍管理工作的質量，具體內容包括：數據入庫、三維幾何信息查詢、三維不動產管理、三維電子證件照管理、三維統計分析、土地全生命周期管理、三維瀏覽功能等。

2. 技術路線

2.1 研究思路與技術路線

本文以三維地籍業務需求為導向，將整個研究內容分四個方面：

（1）以城市實景三維模型為主體，探索地形級、城市級、部件級三維數據融合技術，為三維地籍的實際應用提供有效的數據支撐；

（2）利用Unity3D引擎并加載Cesium for Unity插件，研發三維可視化前端管理平臺，為用戶開展相應業務提供有效的可視化交互系統；

（3）基于MySQL數據庫和Visual Studio軟件，開發后臺數據庫管理系統和應用程序；

（4）在前端平臺與后臺數據庫管理系統的基礎上，利用C#編程語言開發滿足相應業務需求的各項應用程序。總體技術路線圖如圖2所示。

2.2 研究方案

2.2.1 實景三維數據生成及融合

本文中的“實景三維數據融合”，是指以地形實景三維模型、城市實景三維模型與通過相應的制圖軟件制作的部件三維模型進行有機疊加融合，共同組成本文的有效數據基底。

地形級實景三維模型與城市級實景三維模型通過傾斜攝影技術生成，部件級三維模型通過3Ds Max軟件制作。

地形級實景三維模型與城市級實景三維模型生成均基于傾斜攝影技術，但是地形級實景三維模型分辨率要求優于2米，城市級三維模型分辨率要求優于5厘米。

部件級三維模型通過3Ds Max軟件制作。

三維模型數據制作完畢后，需要將地形級、城市級、部件級三維數據進行融合處理，以達到立體地籍管理的數據要求。

2.2.2 前端可視化平臺開發

項目通過Cesium開源框架開發的Cesium for Unity插件，利用Unity3D平臺搭建前端城市三維地籍可視化平臺。在Unity3D加載完畢Cesium for Unity插件后，利用插件工具加載相應的模型，同時利用CesiumGeoreference中的Dynamic Camera等組件設置合理視角，借助UI組件設計合理的UI布局，通過Unity3D的Scene控件構建各種需求下的應用場景，如系統開始界面場景、各個業務功能命令下對應的特定場景。借助Unity3D的Visual Effect組件針對特定元素實現相應的粒子渲染效果，突出視覺效果。

2.2.3 后臺數據庫管理系統開發

本文研發的三維地籍管理系統具有數據量大、數據類型多、結構復雜的特點，不同用戶群體需求多樣化，需開發多種應用和管理功能。根據任務需求，需構建多個數據庫，需要快速數據處理系統，以提高整體工作效率。該系統對數據庫的安全性、可靠性要求較高，同時，根據需求要搭建相應的網絡應用平臺。這些都需要高效穩定的數據庫管理系統。

三維地籍管理系統平臺的后臺數據庫建立和操作必須保障數據庫的安全。地籍信息中權利人身份信息屬于個人隱私，地理信息涉及國家安全問題。因此，后臺數據管理系統在保障整個系統穩定和高效的同時，必須做好安全保障工作。

本文以MySQL數據庫作為平臺的后臺數據庫，實現三維地籍信息數據的輸入、存儲、分發、查詢、插入、刪除、修改以及數據安全保障等功能。MySQL為開源項研發，支持多種編程語言，可以根據項目實際需求開發相應功能；支持多線程技術，具有多種數據庫存儲引擎，可以實現對多個數據庫請求同時處理，并且響應速度快；數據庫存儲容量大，表空間的最大容量為64TB，支持大型數據庫，可以處理大型數據庫；具有很高的穩定性和可靠性，具備自動錯誤檢測和恢復功能，能夠保證數據的完整性和一致性；具備較高的安全性，支持密碼加密功能，能夠有效保護用戶數據的安全性和隱私性，因此能夠滿足項目要求。

2.2.4 業務功能程序設計

根據方案設計，本文預期業務功能為數據入庫、三維幾何信息查詢、三維不動產管理、三維電子證件照管理、三維統計分析、土地全生命周期管理、三維瀏覽功能等模塊開發。城市三維地籍管理的功能模塊具體設計方案包括七個功能模塊。

（1）數據入庫功能模塊。將城市實景三維模型及相應融合數據、地籍信息數據等按照既定規則導入后臺數據管理系統中，作為基礎支撐數據。

（2）三維幾何信息查詢功能模塊。主要是完成城市地籍界址坐標、邊長、宗地和房產面積等幾何量算及結果輸出等。

（3）三維不動產管理功能模塊。主要涉及城市地籍實體部件構建、空間數據和屬性錄入、資料輸出以及業務辦理等功能。

（4）三維電子證件照管理功能模塊。根據查詢的結果，實現某一宗地或者某一幢建筑物及其權屬信息獨顯功能。

（5）三維統計分析功能模塊。可以在所確定緩沖范圍內，根據目標需求，統計匯總各用地類型面積、建筑容積率、建筑密度等信息。

（6）土地全生命周期管理功能模塊。通過構建土地單元唯一識別碼，模塊通過該標識碼的土地歷史數據和現狀數據采用分屏或時間軸的方式進行顯示，追溯識別三維地籍變更歷史軌跡，以實現三維地籍全生命周期管理。

（7）三維瀏覽功能模塊。基于該功能在平臺上實現人機交互操作，為用戶提供查看三維模型的手段，使用戶可以從不同視角查看模型，可以對三維模型進行前進、后退、旋轉、平移、放縮、恢復原位置以及路徑規劃等操作，實現任意方向的場景漫游。

結語

近年來，隨著三維建模技術的快速發展，實景三維模型逐漸取代傳統的二維圖形，各項三維數字城市建設需求應運而生，引導測繪地理產業向三維數字城市方向不斷發展。三維地籍管理作為數字城市的重要內容，一直都是地理信息行業的研究重點。本文所開發的城市三維地籍管理應用系統能夠有效滿足相關管理部門對立體地籍管理的迫切需求，具有良好的社會效益、經濟效益和廣闊的市場前景。但是，三維地籍管理系統數據處理量大，如何將系統進一步優化，使其能夠更加高效、穩定地運行，將是下一步的工作重點。

參考文獻：

[1]肖海波，趙志剛，賀彪.三維地籍在深圳市土地立體化管理中的應用[J].測繪科學，2015，40（7）：83-85，163.

[2]王超領，唐杭.城市三維地籍數據模型研究[J].測繪與空間地理信息，2020， 43（4）：53-57.

[3]國務院關于做好自由貿易試驗區第六批改革試點經驗復制推廣工作的通知（國函〔2020〕96號）[A/OL].（2020-07-07）[2024-02-25].https：//www.gov.cn/zhengce/content/2020-07/07/content_5524720.htm.

[4]鐘廣銳.Skyline三維地籍房籍管理系統的設計[J].測繪通報，2012（7）：79-81，84.

[5]王兆.基于Unity3d平臺的三維地籍管理系統的設計與實現[D].合肥：合肥工業大學，2017.

作者簡介：任方園，本科，工程師，研究方向：地理信息技術研究及軟件開發。