四维数字城管的建立与应用

刘全海,冉慧敏,李　楼

(1. 武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430072； 2. 常州市测绘院，江苏 常州 213002)

LIU Quanhai,RAN Huimin,LI Lou

四维数字城管的建立与应用

刘全海1,2,冉慧敏2,李楼2

(1. 武汉大学测绘学院，湖北 武汉 430072； 2. 常州市测绘院，江苏 常州 213002)

The Establishment and Application of Four-dimensional Digital Urban Management

LIU Quanhai,RAN Huimin,LI Lou

摘要：数字城市部件管理的持续更新效率与深入集成应用是制约其服务能力的重要因素，而变化信息的有效发掘与应用是目前数字城市管理应用的新课题。本文结合四维的概念,通过对四维数字城管时空变化、数据模型、数据组织的分析，提出了在三维数字城市管理的基础之上构建四维数字城管的模型。通过实践，建立了四维数字城管的数据生产、管理与应用的体系，通过城市级别的生产及应用结果表明本文所提的四维数字城管的有效性和适用性。

引文格式： 刘全海,冉慧敏,李楼. 四维数字城管的建立与应用[J].测绘通报，2015(9)：102-106.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2015.0291

关键词：数字城管；四维；数据模型；快速制作

中图分类号：P208

文献标识码：B

文章编号：0494-0911(2015)09-0102-05

收稿日期：2015-01-01

作者简介：刘全海(1972—)，男，研究员级高工，主要研究方向为数字城市。E-mail: 672810610@qq.com

一、引言

近几年，随着数字城管信息化水平的不断提高，以4S为代表的现代测绘技术推动了数字城市管理工作的快速发展，同时物联网、云计算等高新技术开始融入并应用到城市管理工作中，城市管理正在向精细化、三维化、智能化发展。

随着城市形态的日益多样化、城市结构的日趋复杂化及城市管理的日趋精细化，传统的二维信息管理系统已无法满足日益增长的城市部件信息集成基础的应用需求，存在很多管理“死角”，数字城管信息化正在逐步实现三维化。此外，城市管理是一个持续的过程，应通过地理数据的生产和管理手段实现城管部件的历史数据溯源管理，实现对城管部件的产生、变化、消亡的全过程持续跟踪管理[1-3]。因此，在当前解决数据现势性问题的基础上，应着力解决城管部件时空数据的采集集成、持续更新和跟踪管理等问题，并在三维的基础上进一步考虑时间维度。

近年来，三维数据模型开始向四维发展。国内外针对四维的概念已有不少，如四维地籍[4]是对三维地籍加入时间与空间的联系剖分，构建时空边界，最终构建四维地籍。在空间目标的变化分类方法方面也多有研究[5-6]，如Hornsby等在单个空间对象的3种状态基础上推演出9种变化类型[7]；Renolen提出了创建、改变、稳定、再现、合并和分裂几种基本变化类型[8]；Raza等则将面目标变化类型分为出现、大小变化、形状变化、移动、消失、变换、合并和分裂[9]。

本文从三维数字城市部件的管理入手，研究三维数字城管的快速生产理论，分析其时间与空间的关系，在四维数字城管的概念、特点、数据模型及应用体系方面展开深入研究。

二、四维数字城管基本概念

1. 数字城管概念

城市作为一种复杂的社会经济综合体，不可能是在某一天突然出现，而是有一个逐渐的演进过程，必须经过一段漫长的历史发展时期。数字城管又叫“数字化城市管理”，是指用信息化手段和移动通信技术来处理、分析和管理整个城市的所有城管部件和城管事件信息,促进城市管理现代化的信息化措施。数字城管首先涉及城市网格化管理。城市网格化管理是指在城市综合管理中采用数字化、网络化、智能化、可视化和其他信息技术来提高管理的信息化水平。城市网格化管理模式意味着万米的单元网格管理法和城市部件管理应用相结合的信息化城市管理系统，是一种创新的城市管理系统和城市独立监督的管理系统，是主动、准确、灵活、高效且有效的城市管理新模式。

三维数字城管是指通过3D GIS技术建立三维数字城管信息系统，真实再现城市各种部件，并与现有二维GIS系统、视频监控系统集成，使数字城管从二维平滑升级到三维，从而满足城市管理在垂直方向上的需求，如路灯高度论证、广告牌的位置论证、投诉事件定位难等问题。同时，辅助城市管理者进行决策分析，如公共设施选址分析、应急预案模拟，从而提高城市管理的效率和质量。通过三维数字城管建立一个信息共享平台，打破了城市管理过程中专业和非专业人士之间的沟通障碍，使政府各部门、各企事业单位、社会公众能高效率、全天候进行直观的交流，加快社会经济事务处理效率，促进社会经济的快速发展。

2. 四维数字城管的概念及其特点

四维数字城管部件模型需要考虑三维空间维度与时间维度之间的关系。时空四维则是对四维空间的连续覆盖，通过在三维数字城管数据集上建立一个关联时间与时间关系的数字城市管理模型，打破原有数字城管单纯的空间与属性的内容。

四维城市部件种类众多，数据量巨大，存在以下数据特点：①聚集性：密集分布在城市的公共区域，如道路、广场及地下车站等；②种类多：城市部件涉及公用设施类、道路交通类、市容环境类、园林绿化类、房屋土地类、其他设施类及扩展部件类，种类繁多；③动态性：城市建设及人为与自然因素导致城市部件的更新加快，一般应每隔一年或半年更新一次，事件具有流动性和繁杂性；④重复性：在同一个位置可能有多个城市部件存在，如在一根电线杆上可能有路灯、变压器、探头、通信交接箱等，它们的空间坐标就完全相同；⑤权属单位多：存在着单一、多头管理，涉及的所属单位也多，如市政部门、园林绿化部门、环卫部门等；⑥立体化：从地下、地面及地上的城市部件的立体表达；⑦时空特性：城市部件的生命周期及城市管理的事件处理具有显著的时间特性等。

三、数据模型与组织

1. 数字城管的时空变化研究

对于每个城管部件而言，其生命周期主要经过如下演化：产生、变化、消失。产生即一个新的城管部件创建，变化包括属性、空间形态的变化，消亡为部件的废弃或拆除等。其中最为重要的是变化，包括空间与属性的变化，其与空间相关的变化主要包含位置移动、变形、更换，与属性相关的变化主要包括养护单位及使用状态等变化。

根据前文对四维数字城管的定义，其空间变化对应为三维城管部件模型的位移、变形及所对应三维模型库的更换；属性的变化应与时间相对应。在具体实现时，一般可采用双时间模式与单一时间模式。通过研究城管部件的变化过程，其不仅仅是单一的变化记录，更多的是城管部件在某段时间处于某个状态。在本文的研究过程中，采用双时间模式，可以清晰地将城管部件的时空状态及变化事件表示出来。如图1所示。数字城市管理事件完整处理环节应包括事件产生、案卷建立、任务派遣、任务处理、处理反馈、核实结案、综合评价等环节，形成城市管理“闭环”。在本文中，这些环节形成事件的记录节点。

图1　从产生到消亡过程的演变图

2. 数字城管的时间表示

对于城管部件的时间表达，采取两种不同的时间，一个是事务时间，另一个是有效时间。在具体实现时，在某一时间点(T0)发生一个事件，这个事件在有效时间(数据库字段)内对应一个记录，记录发生了某个事情，如路灯故障；经过一段时间后开始进行处理(T1)，开始时间对应一条事务的开始，在事务时间上产生一条记录；再经过一段时间后事务处理完成(T2)，则T0到T2这段时间内对应该部件的一种维修状态。再经过一段时间，在T3时刻，该城管部件会发生另外的事件2，那么T2到T3之间路灯状态为正常，以此延续直至该路灯消亡,如图2所示。

图2　四维数字城管的时间表示图

3. 数据模型研究

(1) 几何模型设计

从城市部件空间形态上，将其抽象地划分为4类：点、线、面、体，实际上点、线、面为二维数字城管中城管部件主要存在形式，而在四维数字城管中，这些对象均以实体对象的形式存在，即以体的形式，在四维城管部件中，把它们分别称为点体、面体、线体。点体城市部件是指在二维空间上可以用坐标点来表示的城市部件。城市部件中大部分都属于这种类型，如垃圾箱、电力设施及各类井盖等。线体城市部件是指在二维空间上可以用线条来表示的城市部件。一些在空间上呈现狭长形的部件多属此类，如水域护栏、交通护栏、绿地护栏、存车支架等。面状城市部件是指在二维空间上可以用面块来表示的城市部件，如绿地、工地等。

通过上述对四维数字城管对象的分析可知，其概念模型应包括城管部件体,即三维数字城管部件的对象类型的设计，相关的属性、事件及内容的设计，以及其与时间相互关系的设计。如图3所示。

逻辑模型的设计师在概念模型的基础上，基于城管部件的现实存在情况，解决其相关事件的管理。在现实世界中，往往在同一个位置可能有多个城市部件存在，如在一根电线杆上可能有广告、变压器、通信交接箱等，它们的空间坐标完全相同，此时就需设计复合模型，进行复合表达。

图3　四维数字城管几何模型设计

(2) 属性与事件模型设计

确定现实世界中地物模型的逻辑组织方案，即在概念模型基础上解决现实现象的管理问题。李成名等提出了面向实体的三维空间数据模型[10]。建立三维GIS的目的是要求三维模型可视化和空间查询分析运行速度快，而可视化和空间查询分析的基础是各种空间数据的准备和地物模型的建立，其空间坐标(x,y,z)都参加图形显示的运算。因此，其空间数据采集、空间数据结构、拓扑关系、空间数据显示、空间分析都比二维GIS复杂得多，空间数据的获取和空间数据结构的组织与建模是试验的关键。三维模型的构建是3D GIS的一个核心问题，它需要真三维的空间数据(包含实体的平面地理位置、实体的高程数据)、实体的真实纹理贴图数据和实体的高程模型等，进行空间信息查询时还需要与实体相关的属性数据。在这方面，国内外许多研究人员已经提出了很多方法，如线框表示法、边界表示法、矢量—边界表示法、单元分解法、空间位置枚举法、四面体格网、非均匀有理B样条、函数一边界表示法、扫描表示法、基本体素引用法及混合表示方法等。不同类型的数据在数据获取时的方法也不一样，需要根据实际情况进行选择。数据获取后针对实体建立模型，这是关键所在。试验建立的三维城市空间数据模型主要实现三维可视化的功能，以及快速的载入、运行和属性与模型关系的构建。

时空三维城市部件需要关注的信息有两类：属性类，如权属属性、主管部门与其他属性等；空间类，即其在三维场景中的相关内容，如位置、朝向、大小、纹理等信息。对于四维数字城市管理的模型需要建立两者与时间的关系，属性主要事件为其状态、主管部门、养护部门的变更内容等，而空间类主要有新增、变化、删除等。

四维数字城管部件模型需要考虑三维空间维度与时间维度之间的关系。时空四维则是对四维空间的连续覆盖，空间上，其相关的内容主要有纹理变化、几何变化。时间上的时间主要包括事件-事件、事件-状态、状态-状态间。

4. 四维数字城管数据组织

此次四维城市管理部件模型建立将三维模型的信息作为属性数据进行处理，并将其作为标签进行链接，其实现方法主要包括混合式与完全式。

混合式是在现有的数字城市管理的框架下，将数字城市管理部件的几何形体的描述附加到二维城市管理中去，所记录的三维几何实体附加到二维数据上。这种方式中，三维数字城市管理部件仅仅作为可视化与空间分析的作用，并不包含实际相关属性信息。

完全式是在三维模型建立的同时，依托三维平台，建立三维模型与二维属性完全挂接的方式，以及三维数据的拓扑。本文正是采用此类方法，建立独立的三维平台，与二维进行联动，将变动信息写入三维数据结构中，实现真正的四维数字城管，如图4所示。

图4　面向对象的四维数字城管部件数据模型

四、实践与应用

四维数字城管体系的建设基础为三维数字城管，其具有三维化、仿真化、精确化的特点，通过基于城市事件发生场景模拟计算生成事故后果影响区域图，能够全面分析事故严重程度、事故现场和周边状况、附近可调配的救灾资源等各类信息和资源，提前建立三维应急预案，能够有效加强城市事件预防效果，加快对城市事件反应的速度，提高城市事件管理处置效率。

1. 数字城管部件三维模型的快速制作

在城管部件三维可视化流程中，工作流程主要分为二维数据生产、二维数据预处理、三维模型库制作、三维匹配方式的数据生产、三维数据入库等主要流程。其中关键技术为三维模型库的建立与三维匹配数据生产。

(1) 三维数字城市管理部件的采集

对于每个城市而言，数字城市管理部件的普查与更新已不是新的议题。隋铭明等提出了利用GPS、GIS、PDA进行城市部件一体化信息采集的手段[11]。利用先进的GPS网络RTK定位技术为部件提供准确的位置，并使用便携式的PDA，其中搭载嵌入式GIS平台，利用这种方式实时输入部件的属性，保证了部件与属性信息的一致性。李德仁提出的移动道路测量系统(MMS)在GIS数据采集与更新、智能交通(ITS)建设、3D城市建设得以广泛应用[12]，采用MMS、航测遥感、RTK、全站仪结合的方式进行数据采集，可以全面解决城市部件采集的效率与效果问题。总体来说二维城市部件采集与更新技术已经成熟且在国内多个城市高效运行。

(2) 二维数据预处理

在将三维城市部件符号库结合二维城市部件成果数据(*.shp、*.dbf)实例化为城市部件时，需要建立三维城市部件实例化信息，包括高程值、模型方向角、匹配方式信息。本文采用的方式为高程值自动与三维模型中的高程进行直接匹配获取。模型方向角度通过与道路中心线的关联自动计算，计算模型正立面与正北方向的夹角，顺时针为正，逆时针为负，单位为度，取值为0~360。

(3) 三维数字城市管理部件模型库

针对二维数据难以表达细节，而通常手工制作三维模型存在效率低下的问题，本文建立详细的三维模型库，以模型匹配的方式进行三维数据的制作。

采用与二维数字城管相同的体系制作三维数字城市管理部件，通过航测方式采集城管部件的高度信息，通过街景制作市政设施的纹理信息，采用3ds Max或Creator制作模型库，利用街景信息制作所对应的模型。

(4) 三维数字城管部件的快速生成

通过与二维数据的关联与匹配，将二维的数字城市管理部件快速三维化，从二维的点、线、面直接形成点体、线体、面体。

2. 四维数字城管城市化应用

通过将二维数字城市管理三维化，利用三维平台二维数据难以表达细节的特点，并通过四维数字城管模型的建立，集成了三维场景的交互操作、数字城市管理的日常办公、数字城管部件的事件管理、部件追根溯源、城市部件的规划管理功能，极大丰富了目前城市管理的方式与方法，在大数据时代来临之时起到了良好的理论与技术支撑作用。其主要功能如下：

1) 三维空间定位。通过三维数字城管的空间表达，将现实世界进行三维仿真后在电脑里重现，提供多样化的地图，如二维、街景，且集成丰富的已有属性信息，更精确快速，如图5所示。

2) 数字城市精细化管理。通过建立四维数字城市管理模型，在三维数字城市管理的基础上建立事件的溯源、过程化管理，为工地的施工过程等城市管理的难题提供技术支撑。如通过传感器将实施过程中的工地进行噪音管理，对于噪声超标的点位进行自动报警，如图6所示。

图5　三维与实景浏览

3) 数字城市管理规划。四维数字城管场景使用平面距离、垂直距离、空间距离、平面面积量算等功能，与规划的数字城管部件进行结合，可为决策者提供直接的规划决策依据，如图7所示。

图6　工地施工实时噪音分析

图7　规划广告牌量测

五、结束语

本文从技术角度出发，研究了四维数字城市管理的内涵，提出了时空三维数字城市管理的概念；在这种理论的支撑下，提出了相应的三维数字城管快速生成体系，实现了四维的数字城市管理相关的精细化管理的地理信息平台，在城市管理中发挥着追根溯源、管理细化的作用，同时为四维数字城市的制作提供了良好的案例。

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