實景三維城市建設的探索與應用

李國柱

（徐州市勘察測繪研究院有限公司，江蘇徐州 221000）

1 徐州市三維城市建設概況

徐州市三維基礎地理信息系統平臺建設分為兩部分：一是系統建設。該項工作從2008 年開始，主要完成了徐州市三維基礎地理信息系統和徐州市綜合地下管線三維信息管理系統的建設。二是數據建設。分為兩個階段，第一階段已于2012年6 月結束，主要完成了市中心區20 km2和新城區近60 km2的精細三維模型制作及主要景點、公園、道路的全要素精細建模，其成果由專家組進行了驗收，專家組一致認為該成果達到了國內先進水平。隨著城市框架不斷拉大，為了更好地服務于城市規劃、建設和管理，為其提供良好的數據支撐，2012 年10月開始，徐州市勘察測繪研究院決定在一期和新城區已有數據建設的基礎上完成徐州市中心城區約111 km2的DEM、DOM 制作，93 km2（包含一期）真正射影像及三維模型生產，全市450 km2內長度約為6 615 km 的綜合地下管線三維模型生成、三維數據入庫及所有場景的整合與發布任務。

2 徐州市城市空間三維信息模型系統

項目主要工作內容包括：制作數字高程模型（DEM）、數字正射影像圖（DOM）、真正射影像圖、城市三維建模、道路制作、管線三維模型數據生產以及對一期城市中心區19 km2的重點模型數據效果優化。

2.1 總體架構設計

現階段，徐州市三維實景城市建設的空間模型主體框架主要包括對數據、服務、應用以及主體支持4 層設計，其中數據層設計主要包括徐州市基礎地理信息庫數據以及其相對應的業務管理數據和三維實景專題數據組成，在運行的過程中數據層主要為系統提供基礎數據支持。同時，基于三維實景信息平臺功能設計，工程技術人員以徐州市城市三維數據為依據，實現了三維平臺服務層的創建，其主要應用于對城市三維數據及相對應空間模型的分析，科學實現了城市范圍空間數據的有效管控。應用層設計是在服務層功能的基礎上，實現對徐州市城市三維數據在查詢、設計、聯通、管控方面的應用，為更多社會群體應用此功能提供了相應的功能模塊。最后，主體框架中支持層的設計，主要是由主體系統運行過程中的服務器、存儲基礎、GIS 平臺、三維數據庫等相關基礎設施組成。

2.2 多源數據融合,搭建實景三維“一張圖”

工程技術人員依據三維數據的融合研發，打造了基于主體框架之上的多維數據管控系統，其原理是通過各類三維數據的融合，結合其一體化的管理理念和空間化、可視化的技術，實現對三維數據的模擬化，通過圖像形式的呈現，實現對數據、圖像及實景空間的多維一體化創設，通過這種立體三維實景模型的模式，廣泛應用于城市建設諸多場景之中。

2.2.1 三維建筑模型數據

第一，覆蓋范圍廣。本次三維建筑模型數據的采集覆蓋了徐州市大面積范圍的城區和建成區，工程技術人員采用無人機傾斜攝影技術和激光點云技術，實現了全自動化的三維數據建模生產，同時運用相應的三維數據算法，高效生成了精準度高且運算精準的三維數據，與此同時，技術人員注重對沿街建筑在平面和高程方面的精度數據采集，以此來規避后續模型可能發生的建筑紋理缺失現象，保障數據及后續模型的精準性，同時，針對紋理缺失問題，工程技術人員會通過地面采集的方式及時進行數據的更新和補充。另外，針對建筑紋理、高程等方面的數據采集，工程技術人員通常通過人工形式進行數據收集，再將收集到的數據進行分析，從而生成三維建模模型，在模型最終成型之前，工程技術人員會針對相應的參數，對模型數據進行精改和更新，讓最終呈現出的模型效果更為逼真和符合現實情況?，F階段，徐州市實景三維城市建設的簡模覆蓋市域約13 000 km2。通常情況下，技術人員會結合對實際的城市房屋矢量數據面的參數計算，實現其建模數據的收集和生成，在模型成像的過程中，技術人員會結合固定太陽照射角度的狀態，模擬建筑紋理的呈現，為模型圖像中不同層面和不同角度的墻面以不同的紋理和明暗度，實現三維創設場景中建筑物的明暗表達和呈現，進一步提升模型的可視化效果，提升城市三維模擬系統的功能。

第二，數據質量高。隨著實景三維城市建模體量和內容的不斷增長，技術人員針對其原始數據的采集及分析要求也愈發提高。結合徐州市實景三維城市建設的實際情況，工程技術人員對城市建模質量的優化方面進行了大量的探索研究，其中包括建筑紋理、面數、建筑物分棟呈現可視化效果、模型拓撲關系運算、建模紋理應用率、建模分辨率等方面的探究，依據其實景三維城市建設相關建設質量標準，進行了一系列的優化及革新措施，從根本上提升了實景三維數據的質量。同時，確保了實景三維數據的應用價值，保證了后續城市實景三維建設模型打造的整體效果，進一步滿足了工程設計人員對三維模型呈現效果的滿意度[1]。

2.2.2 其他基礎空間數據

現階段，已接入了高精度數字化高程模型影像數據，以及全市400 余萬條房屋面數據和上百余萬條的POI 數據。

2.2.3 地下管網數據

徐州市境內地下綜合管線及相應的管線設備數據已經得到全方位的規劃整合，其中包括給排水、燃氣、通信和電力供應方面的管線布置以及相應的管線數據，在實景三維城市建設體系中，地下管線數據的整合，對于三維實景數據一體化的管控及收集具有重要意義。

2.2.4 自然資源相關數據

徐州市城市區域內的國土資源分布規劃以及其空間規劃數據、社區房產減災數據、礦產資源數據、地質情況數據等現已實現了一體化的數據整合，為后續的自然資源相關數據的綜合管控和三維化提供了依據[2]。

2.2.5 其他行業專項數據

其他行業的專項數據整合包括了醫療、教育、公共設施等相關專題數據，工程技術人員通過對此類專題數據與IOT 數據的聯合接入，進一步充實并滿足了實景三維數據體系的發展需求。

2.3 系統功能

2.3.1 基礎功能

現階段，徐州市打造的實景三維系統平臺支持數據成像、三維測量、圖像測繪、數據查詢、場景轉換等方面的基礎功能，工程技術人員通過對三維平臺前端GPU 的運行建設，進一步研發出了三維數據平臺在坡度坡向、建筑淹沒、建筑挖填、建筑盒子裁剪等方面的三維數據功能。

2.3.2 空間分析功能

一是坡度坡向分析。工程技術人員基于實景三維中的DEM 數據，繪制出一個專門的系統空間區域，并依據此區域計算出三維場景中相關地形的坡度和坡向。

二是建筑淹沒分析。工程技術人員基于建筑物繪制三維模擬場景，并進行相關建筑的模擬分析。通過動態模擬技術模擬三維空間內相應水位的高程漲幅，及其最大高程淹沒情況，再通過數據分析，依據三維模擬圖像，計算出實際建筑場景中區域水位上漲時可能出現的淹沒情況。

三是建筑填挖方分析。同樣，基于三維模擬場景中的DEM 數據，工程技術人員首先對相應的場景進行三維數據分析，并繪制出相應的建筑填挖方分析圖，并依據其相應的參數，打造建筑填挖方動態模型，通過模型計量，測算出工程挖方量及填方量等。

四是建筑盒子裁剪。所謂建筑盒子裁剪，是指工程技術人員會首先在建筑三維模型空間中繪制出一個裁剪盒子，然后通過比對盒子的長、寬、高以及相對應的旋轉角度等參數，加之裁剪分析，得出不同角度相應建筑模型在不同視角下的呈現情況[3]。

2.3.3 應用探索功能

工程技術人員運用“多測合一”的數據思維，進一步創新徐州市實景三維城市建設在模型建構方面的高效運算法則，現階段所打造的實景三維數據平臺不僅可以高效生成精確的三維數據，且通過相應數據得到的三維模擬成像可支持各類數據的掛接運用，其中的數據庫技術可實現各類數據的分層處理及存儲，同時工程技術人員還可以將數據端口關聯相應的單位平臺，幫助個體實現其對應的功能用途，例如，查詢、注冊等功能模塊，另外，工程技術人員通過城市POI 等多類別數據的運用，可進一步完善建筑三維數據的精細化管控。同時，工程技術人員還可以通過GIS 插件技術，將實景三維數據服務端口接入相應的功能引擎，這種方法多適用于三維環境創設美化方面，通過GIS 技術接入相應的引擎進一步提升三維場景的美觀度，使三維場景的呈現效果更加完善。

3 多場景應用實踐

3.1 支持規劃與自然資源管理業務應用

3.1.1 規劃專題展示

現階段，在徐州市城市實景三維建設的過程中，結合各類國土空間規劃標準和專項數據分析可知，其中的專題展示主要包括對城市空間指標在宏觀及微觀層面的展示分析。例如，通過實景三維技術，可更為便捷地查詢到城市區域內相關地塊的蘊含信息，其包括地鐵線路、人文景觀、城市經濟指標、自然資源及礦產、防震救災等相關專題的信息等，通過實景三維技術，可以為后續城市相關產業的發展提供相應的數據支持[4]。

3.1.2 三維管網展示

所謂三維管線展示，是指通過實景三維技術實現對徐州市區內整體管線的三維化管控。其中包括對管網的查詢定位、分布及距離設置等，工程技術人員可通過三維模擬技術繪制出指定三維空間區域內對應實際管線的開挖量，并對其數據進行分析整合，依據實際管線的類型、材質、分布等參數，按照其實際情況進行統籌運算，并通過運算結果進行模擬展示[5]。

3.1.3 礦產資源管理

通過城市區域內礦產資源的實際分布情況，工程人員結合其相應的參數，可實現對三維模擬圖像的呈現。同時，將所呈現出的數據整合到實景三維城市建設系統平臺中，通過其與實際建筑物模型的比對重疊分析，形成相對應的三維地質體數據，通過對數據的運算操作，技術人員可針對礦產資源在爆破、開挖、采集、鉆孔等方面的施工作業進行模擬。

3.2 支持其他行業管理業務應用

3.2.1 城市形象展示及城市治理應用

通過實景三維技術直觀化、立體化和可視化的成像效果，可以整體呈現徐州市獨具內涵的城市形象。同時，技術人員可以實景三維模擬技術為依據，結合城市治理管控相關業務，將兩者之間建立數據聯系，通過強大的三維實景數據分析，實現城市管控整體的智慧化[6]。

3.2.2 助力智慧化市建設

技術人員首先可通過GIS 技術手段，結合實景三維場景模擬技術，實現可視化的數據呈現效果，同時，通過數據庫技術，可分層處理各類數據信息，提升城市公共信息的共享效率，通過各類功能模塊的設置，可滿足不同用戶對于不同功能的需求，提升城市整體的智慧化建設水平。

4 結語

綜上所述，實景三維城市建設順應未來城市的發展趨勢，相關技術人員要做好實景三維城市建設的探索及應用技術的研發，助力后續實景三維城市對社會經濟發展做出的貢獻，推進我國實景三維行業的穩步發展。