三維城市模型精細化生產與地理信息系統設計開發

摘 要：針對現有城市模型精細化水平低，無法實現三維立體展示的問題，對三維城市模型精細化生產與地理信息系統進行設計開發。對三維城市模型進行分類編碼、采集建模數據，使模型制作規范與精細化，完成三維城市模型精細化生產。通過地理信息系統總體框架設計、三維信息數據庫設計和系統功能設計與開發，構建地理信息系統。建立新系統可以生成更精細化的三維城市模型，為城市建設提供技術支撐。

關鍵詞：精細化；城市規劃；三維地理信息系統

中圖分類號：P 208 " 文獻標志碼：A

隨著技術的不斷發展和進步，未來三維城市模型精細化生產將會朝著更高精度、更高分辨率和更智能化的方向發展[1]。同時，三維城市模型、城市三維地理信息系統在城市規劃與發展中所應用的范圍也越來越廣，模型與系統集成不僅涉及城市的綜合管理水平，更與城市未來經濟發展和規劃等工作息息相關。為滿足城市精細化發展需求，本文將以此為切入點進行研究。

1 三維城市模型精細化生產

1.1 三維城市模型分類編碼

為保證相關工作在實施中的規范性，在建模前，須對三維城市模型進行分類編碼。其中建筑物模型類別和場景分類見表1、表2。

在此基礎上，引進四級編碼形式，對場景模型進行編碼，編碼規則如圖1所示。

1.2 采集建模數據

數據采集是三維城市模型精細化生產的基礎，主要包括地面測量、遙感影像和地圖數據等。地面測量利用激光掃描和GPS測量等方式獲取城市地物的三維坐標和紋理信息；遙感影像通過航空攝影和衛星遙感等方式獲取城市地物的影像數據；地圖數據則通過公開地圖API獲取道路和建筑物等基礎地理信息[2]。

完成上述內容的設計后，收集建模中的原始數據和資料見表3。

在確定城市建模區域后，在城市CAD圖紙中，用線條框的方式，圈出建模數據的采集范圍，并按照規范標注區號[3]。對建模數據的采集過程進行分類，通?？梢詫⑵浞譃榻ㄖ飻祿杉途坝^數據采集2種，這2種不同的采集作業流程如圖2所示。

1.3 模型制作與精細化設計應用

完成數據采集后，對三維城市模型的紋理進行制作。紋理制作是模型精細化生產的重要環節，主要包括圖像處理和紋理映射等步驟[4]。圖像處理對采集的紋理數據進行預處理、增強和分割等操作，提取與城市地物相對應的紋理特征過程如公式（1）所示。

（1）

式中：δ為與城市地物相對應的紋理特征；ti為圖像規格；te為圖像規格標準化格式；?t為標準圖像與設計圖像的差異值；n為圖像修正系數；Ri為紋理數據的分割處理過程；Re為紋理數據的增強處理過程；∑R為數據處理前與處理后的差異系數；λc為圖像增強系數。

在此基礎上，對完成紋理特征提取的地物進行空間映射，空間映射是將紋理特征映射到城市地物的表面，從而形成具有真實感的城市三維模型。映射過程如公式（2）所示。

（2）

式中：x'、y'為空間映射；X'、Y'為映射前的空間數據（原始數據）；W為線性輸出條件；n為映射次數；c1、c2為映射維度。

在上述內容的基礎上，對模型場景進行搭建與精細化制作[5]。場景搭建是將各單體模型組合成一個完整的城市三維模型的關鍵步驟，主要包括模型整合和場景優化等。模型整合是對各種來源和各種分辨率的單體模型進行整合，形成一個統一坐標系下的完整城市三維模型；場景優化則是對城市三維模型進行優化處理，提高模型的顯示效果和運行效率。通過上述步驟，可制作城市三維城市精細化模型。

完成模型制作后，提出兩個城市三維城市精細化模型制作方法的應用案例，以此方式，為模型的推廣應用提供技術支持。

案例1為北京市三維城市模型，精細化生產此模型采用傾斜攝影和激光掃描等技術，獲取了高精度的地面測量數據和遙感影像數據[6]。經過對資料進行分析與處理，建立了北京市的地形圖、建筑圖和交通圖，并采用高性能計算和圖形處理技術，對模型進行快速渲染和可視化。此模型為北京市的規劃和管理工作提供了重要的數據支持，可以幫助決策者更好地了解城市的現狀和發展趨勢。

案例2為上海市三維城市模型，精細化生產此模型采用了點云獲取和地圖數據等技術，獲取了上海市的建筑物的幾何特征和紋理信息。對數據進行處理和分析，制作上海市的建筑模型和交通模型，并采用智能化的紋理映射技術，將真實的紋理信息映射到建筑物的表面。此模型為上海市的規劃和管理工作提供了真實的三維場景，能幫助決策者更好地了解城市的現狀和發展趨勢。

2 地理信息系統設計開發

2.1 地理信息系統總體框架設計

將GIS分為運行支持、基礎、平臺、數據和應用5個層次。支撐層的作用是確保系統數據庫能夠正常運行，為系統數據庫提供多種硬件環境和網絡安全保障。在數據層面上，有二維或三維數據庫，也有多種類型。在平臺層次上，實現了對城市精細化管理的共享和信息服務。在應用層面上，匯聚了包括城市規劃和管理在內的各方面的共享服務[7]。地理信息系統總體框架如圖3所示。

從應用邏輯架構的角度對此地理信息系統總體框架進行分析，應建立一套標準規范和相應機制。對各業務系統應用前景、后續的擴展和兼容有決定意義。在地理信息系統的建設過程中，須將目前的基本數據資源狀況和應用需求相結合，制訂一系列適合地方實際的立體技術標準。無論工程組織，平臺建設，還是運營管理，都亟需一套保證障數據中心高效運行的機制。

2.2 三維信息數據庫設計

系統中的三維信息數據庫選用MySQL數據庫，方便對數據庫進行統一管理。數據庫主要用于存儲空間物體的3D幾何模型和對應的紋理信息，并記錄對應關系。三維信息數據概念模型E-R如圖4所示。

利用分層結構組織三維模型，并將城市三維模型以MySQL數據庫的形式存儲起來。利用多層次的分層結構，在單一數據庫中存儲了細粒度三維模型。此外，將不可再利用的城市3D模型和紋理，拆分為單獨的建筑物模型，并單獨存放在各數據中。在此基礎上，對每個模型用到的紋理數據進行細致地組織，并將其分別存放在不同的區域。此方法將三維城市模型和紋理按照區域劃分為多個子類，并將其存儲在相應的子類中。在此基礎上，提出數據庫中全部數據表格的結構，并給出了表格中的索引信息，見表4。

三維信息數據庫的屬性表詳細內容見表5。

2.3 系統功能設計與開發

通過C/S架構開發系統功能，在系統中設計漫游瀏覽功能，可通過飛行、駕車和步行等方式實現漫游，用戶也可根據需要進行自定義。通過鍵盤也可以控制可視圖。當測量一個視圖時，因為鼠標正在響應一個測量的功能，所以不能同時拖曳視圖。當被測部位不在視場中時，可通過鍵盤上的方位鍵調整視場，或通過鍵盤上的AWSD鍵旋轉視場。

對空間查詢來說，系統支持可直接選擇場景中的建筑物，顯示其屬性；可選擇定位點，設定影響區域，執行緩沖查詢，獲取與此區域相關的“樓房”“單位”和“道路”等信息；給多個條件定制的進階提供了查詢。分析空間可分為高度、日照、視域以及空間量算。

此系統為設計者提供分屏可視化的展示方式，使設計者能在真實的環境下，利用各種方式（步行、駕車和飛行等），從多個角度觀察設計者所處的空間形態。這種沉浸式的、直覺式的互動方式，可以更方便地找出不足之處，并適時地加以修正。

3 結語

為對此方面內容進行深化，提出如下建議：1）加強技術研發和創新。積極引入新的技術和方法，提高三維城市模型的生產效率和城市三維信息系統的構建質量，例如利用人工智能和機器學習等技術對模型、系統進行自動化構建和優化等。2）推進數據共享和合作。在此基礎上，要加強政府、科研院所和企業協作溝通，構建健全的信息共享體系，提高信息的使用價值與效率。3）提高模型與系統的智能化水平。在三維城市模型的制作和應用中，引入智能感知、智能分析和智能決策等技術，提高模型的智能化水平，為城市規劃和管理工作提供更精準、高效地支持。

三維城市模型精細化生產是未來城市管理和規劃的重要趨勢之一，對提高城市的管理水平和發展質量具有重要意義。須在后續的工作中，積極探索和研究三維城市模型、地理信息系統的相關技術和應用，促進城市的可持續發展。

參考文獻

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