重庆市“3D+”全息空间数据库建设与新时代基础测绘转型实践

曹春华

(重庆市规划局，重庆 401121)

基础测绘是经济社会发展和国防建设的基础型工作，是测绘地理信息立业之基[1]。经过几十年的建设和发展，基础测绘工作已经取得了非常丰富的重要成果，支撑和保障了国家经济建设、社会发展和信息化对测绘地理信息的应用需求[2]。随着经济社会发展进入新常态，各方面对基础测绘的应用需求日益旺盛，对基础测绘提出了新的要求。《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》明确了新型基础测绘的发展目标和主要任务，迫切需要突破传统基础测绘数据采集、更新和服务局限，创新技术和产品形式，为新时代测绘地理信息事业创新发展、转型升级探索新的路径，更好地服务大局、服务社会、服务民生。

本文拟以“3D+”全息空间数据研发为切入点，以重庆为样本，探索了“3D+”全息空间数据建设及应用示范。通过建设全息、精细、动态的三维空间数据体系，打造开放、简洁和可移动的服务平台，为新型智慧城市建设、智慧社会建设提供“3D+”全息空间定位叠加，推进行业信息的深度融合，探索了新时代基础测绘转型升级之路。

1 “3D+”全息空间数据的概念与内涵

1.1 “3D+”全息空间数据是对传统测绘产品的重构

随着物联网、大数据、移动互联网等空间技术和信息技术的不断进步，我国测绘现代化和信息化发展正在进入一个新的阶段。《全国基础测绘中长期规划纲要(2015—2030年)》提出要“完善地理信息公共服务体系，创新产品形式、服务方式，拓宽服务领域”。可以说，三维空间信息技术是新时代测绘地理信息发展的标志性内容之一，它突破了空间信息在二维地图平面中单调表现的束缚，将进一步提升时空大数据的汇聚管理、分析处理、知识发现和决策支持能力[3]。以三维空间信息技术为基础的“3D+”全息空间数据体系建设将突破传统基础测绘数据资源体系的范畴，将空间尺度扩展到了微观和宏观空间，将空间数据扩展为多维时空大数据，实现对室内室外、地上地下、水上水下空间的无缝覆盖，并以位置为纽带动态关联事物或事件的多时态、多主题、多层次、多粒度的信息，提供个性化的位置及与位置相关的智能服务。

1.2 “3D+”全息空间数据的全息化、精细化、动态化特征

“3D+”全息空间数据代表了现实世界地理实体或现象在信息世界的映射，是对复杂地理事物和现象进行简化抽象后所得结果，具有全息化、精细化、动态化的特征。全息，意即完全的信息，包括城市空间形态和城市运行中的各种现象、规律，采用信息化技术以离散的手段对各类信息进行记录。移动测量、传感网、物联网和智能移动终端技术的飞速发展，极大地丰富了获取信息的手段和内容，使任何人在任何地方都能通过泛在网络获取需要的任何信息，即泛在信息[4]。“3D+”以三维空间位置和时态为纽带串联泛在时空大数据，形成全息化的信息承载。

全息化的信息同时也具有精细化特征，如“3D+”集成的建筑信息模型(BIM)[5]数据能够对室内空间的每一个要素对象进行精细地刻画表达，包括墙壁、门窗、桌椅，甚至每条管道和电线的空间位置、拓扑关系及隶属情况，可实现对建(构)筑物施工过程、运营能耗、商业服务、人员事务等方面的精细化管理。

除了空间上的精细化特征，高频度的“3D+”数据更新机制体现了时态的精细化，即动态化特征。通过精确记录城市在不同时态的发展变化状态或以监控视频的形式记录实时的城市场景，“3D+”全息空间数据实现对鲜活城市的数字化再现，基于多时态数据的积累和分析，还可以实现动态化的回溯分析和事件预测模拟，满足智能化城市管理服务的需要。

1.3 “3D+”全息空间数据的全空间融合、虚实融合、动静融合能力

“3D+”全息空间数据是面向新时代基础测绘转型的空间数据框架和技术体系，以多源异构的测绘地理信息数据资源(如三维数字地形、实景三维模型、建筑信息模型、三维仿真模型、地下空间、地下管线、1∶500地形图等)为对象，依托国家测绘地理信息和公共信息资源整合数据分类标准[6]，形成地上、地下、室内、室外数据的“全空间融合”能力。以全空间[7]数据为基础，“3D+”全息空间数据将融合城市实时的视频监控数据，并同步渲染可视化，实现静态三维场景和实时场景动态的虚实融合能力，通过虚实融合场景的量测和空间分析功能，提升应急和事件的在线处置能力。面向“3D+”全息空间数据中的语义化地理实体对象，联合高精度二维地理实体要素数据和地名地址数据，为每个地理实体建立唯一的编码，可实现行业数据、传感数据与虚拟城市空间的全息关联与管理，形成动静融合能力。

2 构建“3D+”全息空间数据的关键技术

2.1 全息空间数据标准

在新型基础测绘背景下制定全息空间数据标准，是为了规范城市空间数据的分类、内容、生产及集成要求，指导城市空间数据的生产、加工、管理、更新与应用服务，提高城市空间数据的保障能力和服务水平。全息空间数据标准是在国家标准和行业标准基础上进一步深化。全空间数据标准面向城市区域，以应用为向导建立统一标准。全息空间数据标准对空间基准、数据分类体系、纹理及纹理库、模型库、数据生产体系、集成建库体系[8]、对象编码、数据服务体系、属性数据、工具支撑体系等方面作出具体规范。数据分类体系对数据框架、分类作出具体规范，数据生产体系对居民地与设施、交通、水系、管线、地貌、土地与植被等要素生产作出规范，数据集成建库体系对模型整理、模型渲染、数据集成作出规范，属性数据对基础属性数据和元数据作出规范。

2.2 全息空间数据体系

以多源异构的测绘地理信息数据资源(三维数字地形、实景三维模型、建筑信息模型、三维仿真模型、地下空间、地下管线、矢量数据等)为对象，依据全息空间数据标准，将多源异构、多尺度的空间数据整合集成，通过唯一地理实体编码实现对二维地理实体要素和地名地址数据关联管理，深度融合行业部门的数据，构建多精度、多尺度、多时态、多属性的“3D+”全息空间数据基础体系(如图1所示)，为充分发挥和挖掘空间数据价值提供基础。

图1 全息空间数据体系

2.2.1 多源、多尺度空间数据整合集成

以现有三维数字城市标准为基础，进行城市空间对象的统一管理和自定义扩展(包括对象几何和语义扩展)，建立多尺度三维模型数据融合模型(包括建筑模型、道路模型、管线模型和地质模型)，实现对地上地下和室内室外多粒度对象的统一表达。针对建筑室内空间结构的语义关系进行空间层次划分，基于“部分-组成”的语义关系表达建筑物的内部逻辑构成，建立多细节层级(levels of detail,LOD)[9]空间模型独立存储、不同尺度数据集的空间和语义关系。

高效的时空索引是对海量城市空间数据进行快速查询、检索和调取等操作的基础，由于城市三维空间实体分布不均、几何结构和关系复杂，为设计空间索引增加了难度。本研究建立了一种多级时空索引技术，分别从空间和时间维度构建索引，空间维度索引采用“格网[10]+空间R树[11]”结合方式建立多尺度空间索引，通过将原始模型数据组织为序列化的空间索引数据，提高不同层级和类别的空间模型的检索效率。在空间索引基础上，基于模型数据时间标签快速检索某一时间切片下的对象模型。

2.2.2 唯一实体编码方法

基于二维地理实体要素数据和现有的地名地址数据建立城市实体对象清单，使用唯一实体编码进行统一关联，从而实现对象模型数据的语义化、对象化管理，实现对多维度空间数据关联(如图2所示)。使用唯一实体编码可以建立不同数据源中统一对象的映射关系[12]，使用扩展编码将多专业数据互通互联，实现与行业数据的融合。

图2 实体模型使用唯一实体编码与行业数据融合

2.3 面向多应用场景的数据自适应简化方法

城市空间数据资源日益厚重、空间应用日趋复杂，社会对空间资源需求与日俱增。面向不同应用场景，需要建设简洁化、移动化、开放化的服务平台，研发面向多应用场景的数据自适应简化方法，提供简洁化空间数据服务，简化操作过程、轻量化客户端数据资源，最大限度地提升服务效率。面向多应用场景的数据自适应简化是对数据进行筛选、清洗、简化或降维等轻量化处理，包括基于三维空间信息生成720°全景图、创建模型线框模型、简化三角面、纹理图片简化压缩等途径(如图3所示)，实现移动端快速、高效的数据传输，提高客户端浏览效率。

图3 全息空间数据自适应简化

3 “3D+”全息空间数据库的重庆实践

重庆整合现有市级地理空间信息资源，制定了三维模型覆盖更新机制，实现建成区精细三维模型、地下空间、地下管线集成入库，结合竣工规划核实机制实现新建建筑室内外三维数据的动态更新。在此基础上形成了“3D+”全息空间数据库，包括基础地理信息数据、三维地理信息数据、专题地理信息数据等， 涵盖地理空间信息中的二三维、地上地下、水上水下、室内室外、动静数据类型(如图5所示)，基于“3D+”全息空间数据库搭建的地理信息公共服务云平台为各个层级的用户提供网络化、多时态、可定制的数据服务，并与行业应用需求结合，在三维空间创新应用服务模式。目前已服务城乡规划设计与施工建设，支撑城市监测与运行评估，为城市提升工程提供全方位空间数据资源服务。

3.1 “3D+”规划设计

基于“3D+”全息空间数据库开展规划设计，实现平面规划设计到三维设计、从单一工程策划到整体优化打造的转变，促进片区规划落地，提升规划设计科学性、合理性、经济性。如图5所示，在蔡家半岛竖向优化设计中采用航空摄影、三维仿真及道路BIM等高新技术，辅助对蔡家半岛片区(蔡家组团J、K、L、R标准分区部分用地)13 km2内约80 km路网、51处水体、430个地块进行了竖向优化设计及三维城市形态设计，实现了道路、场地、水体整体协调，完成了片区从原始地貌到最终城市形态的整体打造，带来了整体经济效益约19亿元。该竖向优化成果已经纳入片区控制性详细规划修编方案，于2017年9月通过了重庆市政府批复。

图4 原始地形

图5 “3D+”规划设计

3.2 “3D+”城市运行监测与评估

基于“3D+”全息空间数据库的城市运行监测与评估平台，汇聚城市不同层级、维度、粒度的数据，监测城市运行状态。以渝中区为示范，通过整合集成地下管网、地下空间、工程地质、地形、地表建筑、市政设施与道路等地理信息，构建三维地理信息数据库，搭建渝中区三维地理信息公共平台，实现人口、楼宇经济、街道、交通等信息的汇聚，辅助完成规划决策、市政管理等，切实提供了区内地下空间开发、立体交通管理、城市建筑风貌营造等管理工作效率,如图6、图7所示。

图6 渝中半岛经济运行监测

图7 城市交通流量运行监测

3.3 “3D+”城市提升

如图8所示，重庆主城“一岛、两江、三谷、四脉”的自然山水格局形成众多旅游资源，借助“3D+”全息空间数据库体系，记录重要历史文化要素、挖掘旅游文化资源，结合两江四岸的自然和人文因素打造彰显重庆特色的风貌街区、建筑和公共空间，统筹山水林田湖草系统治理，实现城市与自然和谐共生。在渝中半岛历史风貌管理中，利用低空倾斜摄影测量技术、实景摄影测量、地面三维激光扫描、三维地理信息、BIM等技术，提供高精度的三维地理空间数据支持，建立形象、逼真、直观的三维渝中半岛历史风貌文化虚拟地理场景，为开展规划研究、方案评审、宣传展示等提供重要支持。在巴南区违法建筑排查管理中，利用无人机影像、卫星影像建库，采集违法建筑信息，在规划城镇建设用地区域用无人机排查约108 km2、储备用地范围内卫星影像排查约100 km2。

4 总 结

本文通过“3D+”全息空间数据体系建设及示范应用，探索了新型基础测绘数据应用服务路径，提出了“3D+”全息空间数据的概念及全息空间数据标准。通过建筑室内自动三维建模及大规模集成，大规模多源异构数据的自适应调度与融合，基于地理实体的要素唯一编码与关联研究及面向多应用场景的数据自适应简化方法，构建了全息、精细、动态的三维空间数据体系，实现了“3D+”全息空间数据的全空间融合、虚实融合以及动静融合。

进一步，将依托电子政务云和公共服务云的高性能计算和存储资源池，搭建开放、简洁和可移动的服务平台，提供数据动态简化处理与可移动服务，实现整合公共资源，创新空间信息服务模式。以重庆为应用示范，重庆市测绘地理信息局将在规划设计、运行监测与评估、 社区治理等方面开展深入应用探索，面向政府部门、企业及公众的直接需求，提供新型基础测绘数据与服务。

图8 “3D+”提升城市