郑州市三维地图建设与应用研究

杨存吉，罗先学，赵自力

(郑州市规划勘测设计研究院，河南郑州 450052)

郑州市三维地图建设与应用研究

杨存吉∗，罗先学，赵自力

(郑州市规划勘测设计研究院，河南郑州 450052)

城市三维地图建设以实用为出发点，侧重数据应用、服务系统的研发以及后期三维地图数据服务体系的搭建，打造跨行业、多技术支撑、信息资源多元化的新型城市地理信息载体；文中分析了基于城市大比例尺地形图数据进行三维建模的关键技术问题，实现了城市规划、建设CAD数据到三维地图快速建模的技术流程，采用空间数据库技术管理影像、矢量、纹理和三维模型等海量数据，完成三维环境浏览、查询定位、城市规划方案评审、空间分析等功能，为城市规划、建设等工作提供有效的服务与保障，推进城市信息化进程。

三维地图；空间数据库；地理信息

1 前 言

建立“数字城市”已被国内许多大中城市列为中、长期目标，城市建设和经济社会的迅速发展，催化了对城市信息化需求的迅猛增长，地理信息资源的规模、品种和服务水平已经成为衡量一个城市信息化水平的重要标志。城市三维地图的建立不仅能全方位展示城市的各种真实场景，而且具有空间数据管理和分析应用能力，在城市规划设计、辅助决策和公共安全等方面开创了新型的地理信息应用模式，对深化城市规划管理、构建信息化城市勘测体系具有重要意义。

城市三维地图建设是城市勘测领域研究的热点问题之一。国内很多城市已经建立了三维城市仿真、三维城市模型和城市管理三维化等系统，为城市三维地图建设奠定了良好的技术和数据基础，同时也遇到了不少困难，主要体现在:一方面，城市三维模型三维信息量大、建设周期长、生产投入代价高；另一方面，城市三维模型的建设根据应用所采用的数据获取方式、建模方法、技术方案各异，可借鉴性差。那么，探索城市三维地图建设产业化模式，迫切需要技术创新，通过引入高科技手段，建立精度高、效率高、成本低的数据建模方法，建立大批量数字模型生产流程，寻求数字模型建设的新思路、新方法。

2 技术现状

城市三维空间信息的获取方式很多，市场上可用的城市三维模型软件日益丰富，技术实现方案也不尽相同:通常基于OpenGL底层开发，采用COM构架的三维地理信息系统软件平台，它提供了对三维场景空间上和逻辑上的管理以及对海量数据的处理能力，最大技术特点是具有组件开放式系统架构、较完整的空间数据描述体系、海量地形数据支持和高级视景仿真，同时在可视化美观程度及软件运行速度方面具有一定的优势；目前较多的应用需求是在网络环境中发布海量空间数据，采用WebService技术构建中间件，负责数据的调度、发布、加密、授权、集成计算、事务处理等，采用ActiveX等组件技术构建客户端控件，内置交互引擎、绘制引擎和业务引擎，其中交互引擎负责完成人机交互和物体编辑功能，如漫游、平移、旋转、缩放等，绘制引擎负责空间数据、几何信息和纹理信息的快速可视化，业务引擎负责实现不同行业的特定需求，实现2.5D固定角度渲染仿真图像、3D三维互动模式无缝集成浏览、海量数据发布等应用。

3 三维地图建设中的若干问题

现代计算机软、硬件技术的飞速发展和城市勘测行业的信息化成果为建立城市三维地图提供了坚实的物质基础，城市三维地图建设以城市二维地理信息数据资源为基础，综合运用遥感、地理信息、三维仿真、数据库、网络及多媒体等技术，建立三维立体空间数据共享平台，为城市规划、建设与管理及辅助决策支持提供专业服务的应用系统，建立城市三维地图的技术关键点主要有以下几点:

3.1 技术标准体系的建立

从国内外现状及发展趋势来看，城市三维地图的发展需要三类关键技术的保障，即:通用的技术标准、高效的数据组织与存取方法、产业化生产保障技术。城市三维地图对数据的现势性、准确性和一致性要求较高，涉及诸多技术环节，也涉及不同专业部门，并且要求来自不同数据源的数据能够集成为一个完整的数据产品，因此城市三维地图的生产必须严格遵循统一的技术标准，比如三维地图模型精度标准、三维模型质量检查规范、三维地图数据生产流程(如图1)和纹理采集制作规范等。

城市三维地图数据库中的数据具有数据量大、覆盖面广等特点，具有不同详细程度、不同综合程度、不同抽象程度的信息，要素之间的各种关系异常复杂，必须依赖高效的存储结构，数据生产过程中应建立项目数据组织层级结构，如图2所示；城市三维地图及应用系统技术含量极高，生产技术复杂，需要较大规模投资，从国内城市建设先例来看，数据生产和服务体系搭建初期只有投入而没有经济效益，同时，它涉及多个专业、产业之间的协作，必须有宏观指导与协调规范，因而，城市三维地图的生产必须走规模化、产业化发展的道路。

图1 三维地图数据生产流程

图2 项目数据组织层级结构

3.2 郑州市三维地图浏览系统功能与实现

建立城市三维地图管理系统软件平台，主要用于数据的后台管理，实现数字高程模型(DEM)、影像(DOM)、二维矢量数据(DLG)、三维模型(DM)等数据的集成、管理、网络发布和应用。系统应具备的主要功能如下:

(1)拥有数据生产、维护、更新系列工具，支持二次开发、可进行三维空间信息的扩展应用；

(2)平台需支持基于关系型数据库的海量数据组织方式，可进行无损数据压缩，实现海量地形、影像、三维模型异步载入功能；

(3)支持所见即所得的浏览与编辑实时交互性，如图3所示，可以通过浏览工具的按钮来实现对整个场景的浏览，也可以在三维场景中使用鼠标进行浏览，同时可以控制浏览的高度、方向、俯仰角等。

图3 三维地图浏览系统界面

(4)数据发布方式安全可靠，同时支持本地和网络方式的数据访问，支持2.5维、三维数据、三维空间4D数据的网络发布、网上浏览功能；

(5)快速建模:系统支持根据城市大比例尺地形图数据快速建立模型的功能，可以设置其材质、纹理等，可与其二维属性挂接；同时支持根据用户自定义底部建筑轮廓，设置其高度、纹理、女儿墙等参数，快速建立三维模型的功能。

(6)支持多数据源入库(DEM、DOM、DLG、DM、DRG)，支持成果数据输出(动画编辑、成果快速出图)；

(7)历史变迁:基于时间轴，了解某一地区的历史景观、现状和规划方案；

(8)日照光影分析:通过对日照参数的动态计算，以三维方式展示日照光影的效果，并可演示一天当中建筑阴影的变化，直观看到新建建筑对周边建筑的日照影响。

(9)支持方案对比:对同一位置的多个建筑方案可进行双屏或多屏的可设置的动态效果比较，对于多屏的数量用户能够根据实际的使用环境自定义选定。

(10)规划指标自动计算:在规划用地上规划建筑模型，系统可以自动计算规划建设用地面积、建筑物占地面积、绿地面积、容积率、绿地率、建筑密度、平均层数、最高建筑高度等。

(11)空间分析:系统可读取任意点三维坐标，量算任意点之间的水平距离和空间距离，任意多边形的投影面积；实现视域分析、通视分析、控高分析、断面分析等功能。

3.3 数据建设

(1)数据组成

系统数据主要包括 1∶1 000的DOM数据，根据1∶1 000DLG地形图提取等高线并进行转换处理生成的DEM，1∶1 000的DLG数据；建筑物三维模型数据(包括快速建模和精细建模模型)，部分道路精细三维模型以及地名标注数据，专题数据(如规划成果数据、规划控制线数据等)，系统要求各个类型数据源均做好相关地理信息匹配工作。

(2)数据处理

地貌模型数据:首先验证DOM数据精度，并进行几何校正，使控制点和检查点的误差调整到理论误差范围以内，然后通过DEM数据建立真彩色三维地面场景，反映城市真实面貌；对于精品街、迎宾大道等重点街道采用三维精细模型表现，真实的反映交通警示标记、道路行车线和道路指示等信息，为市政交通设计、评审提供参考。

三维建模数据处理:三维建模分两种方式实现:精细建模和快速建模；精细建模采用Creator制作三维模型并处理纹理信息，烘焙、渲染处理主要采用3DMax等工具；快速建模则由1∶1 000的DLG数据经过自主研发的转换工具将CAD面闭合并转换成Shape面，然后根据建筑物楼层信息采用快速建模工具自动拉伸、贴纹理；三维建模制作流程如图4所示，首先将大比例尺地形图、规划成果CAD数据转化为Shape数据，然后采用快速建模工具获取三维地图基础模型，并将精细模型和快速建模成果合并，最后完成基于空间数据库系统的影像、三维模型和基础地理信息数据的统一管理，对于植被、路灯等小品根据DLG数据建立，快速建模大大缓解了三维地图建模周期长、生产投入代价高的问题。

图4 三维地图快速建模流程

纹理数据:主要通过外业照片采集的方法获取纹理，由于实际拍摄的纹理照片受光线、角度、时间的限制，需要利用Photoshop等图像处理软件进行色彩饱和度、亮度和几何形变等处理，才能满足三维模型纹理建库的要求；其次是采用正射影像图数据处理获取，由于不存在遮挡、信息量足，对建筑物顶部纹理可采用正射影像图处理得到。

其他业务数据处理:主要是三维地图应用相关的专题数据的处理，比如规划指标数据、城市环境指标信息、道路交通流量等数据，建立专题数据库系统，与城市三维地图应用衔接，打造跨行业、多技术支撑、信息资源多元化的新型城市地理信息载体。

4 郑州市三维地图建设预期成果及展望

郑州市三维地图可为城市规划、建设与管理提供可视化的方法，如图5所示，已建成的郑州市精品街现状三维地图和郑州市三维规划评估系统。在城市规划应用方面，系统可以通过显示不同建筑方案同周边建筑群体的相互关系，真实再现规划建筑和现状建筑的空间关系，并能适时修改高度、方向、体量、色彩等，使得规划评审专家和决策者可以从多个观察角度直观的对比多个规划设计方案，帮助规划决策者更加清楚、直观地确认合理方案，进一步提高规划决策和管理水平，提高规划评审质量，提升评审决策的科学性，使规划管理更合理、更科学、更透明。系统还可以用来研究城市空间形态规划，为城市设计、建筑高度控制规划提供更直观、更科学的技术支撑手段。

图5 郑州市三维地图建设初步成果

关于城市规划成果阳光公示的应用服务展望:城市建设的成败不仅仅以专家的眼光来判断，长期生活在城市的公众有着不同的见解，因此，对于城市重点区域改造或建设、重要的标志性建筑以及公众极为关注的城市设计，都需要有一种更为直观、更利于普通民众理解和通过网络投票参与的手段，实现与公众的信息交流，这也是当前我国各级政府部门正在贯彻落实的信息公开制度，是实现阳光规划、阳光执政的必要途径，基于互联网的三维规划成果发布是方便公众，提升城市服务能力的新颖技术，也是城市三维地图的典型应用需求。

5 结 语

城市三维地图的兴起是城市勘测行业自身发展和深化城市规划、建设管理要求的必然，系统建成后将广泛应用于城市规划、公共安全、环境监测、旅游交通和消防安全等领域，为城市各行业的信息综合运用提供了三维基础框架，同时为城市建设和社会经济发展提供空间信息服务，完善城市信息化勘测体系，推进城市信息化进程。

[1]储征伟.三维城市(3DCM)在控制性详细规划编制中的应用研究.城市勘测，2008(1)

[2]梁建国，徐占华，李响.基于Virtools的 三维城市仿真系统建设.城市勘测，2009(5)

[3]朱高龙.三维可视化技术在城市景观规划中的应用.闵江学院学报，2008

[4]马大喜，徐爱梅.关于三维城市模型数据获取的研究.科技情报开发与研究，2007年第17卷第2期

[5]孙成忠，刘召芹，陈福旭.三维城市模型纹理库建设技术研究.测绘通报，2004(6)

[6]杨娜，王鸿，梁坤.三维城市模型在“数字泉城”中的实现和应用.城市勘测，2008(5)

Construction and Application Research for Three－Dimensional Map of Zhengzhou

Yang CunJi，Luo XianXue，Zhao ZiLi
(Zhengzhou Urban Planning Design＆Survey Research Institute，Zhengzhou 450052，China)

The construction for three－dimension map of city take practical as a strarting point，focusing on application of data and research for service system，as well as struction for later period service system of three－dimension map，building cross－industry、multi－technology support and mulriple information resources for new－style urban geographic information carrier；This paper analyzed the key technology problem of building three－dimensional model based on urban large－scale topographical map，implementing the technology method of building fleetly three－dimensional map modeling based on CAD data about urban planning and construction，managing mass data such as three－dimensional model、vector data and texture by spatial database system，finally achieving browse of three－dimensional environment，querying and locating，spatial analysis，urban planning project evaluation and other functions.The new－style map will provide an effective service and guarantee for urban planning and construction works，and promote city information－based process.

three－dimensional map；Spatial Database；GIS

1672－8262(2010)05－18－04

P208，P283

A

2010—03—03

杨存吉(1962—)，男，正高职高级工程师，长期从事城市勘测技术、3S技术应用研究与行政管理工作。