三维GIS技术在智慧城市中的探究与应用

倪家明,刘春林,罗秀,王博昊,李佳阳,李京荣,胥瑶

（1.成都工业学院智慧环保大数据研究中心；2.绵阳三维测绘工程有限公司）

1 引言

21世纪由数字城市走向智慧城市，数字城市是对城市进行多分辨率、多尺度、多时空和多种类的三维描述，即利用信息技术手段把城市的过去、现状和未来的全部内容在网络上进行数字化虚拟实现；而智慧城市将实现全面透彻的感观泛在的互联网+、智能融合的应用以及用户创新、开放创新、大众创新、协同创新为特征的可持续发展。伴随互联网+时代的快速发展、移动新技术创新发展，智慧城市是继数字城市之后又一信息化城市发展的高级表现形式[6]，论文主要对三维GIS技术在智慧城市建设中的应用进行探究。

2 智慧城市建设原始数据采集的方法

智慧城市建设备受关注，各地区智慧城市建设如火如荼，高大上的技术力量已经融入，要得到高质量的建设智慧城市，首先必须要有高质量的地面模型数据，利用传统仪器和方法远远不能实现如此庞大的地面数据采集，论文主要利用拓普康（TOPCON）天狼星5.0无人机数据采集系统采集数据为例。

其影像分辨率可达到1.7cm，成图精度为比例尺 1：500-1：2000，数据模型精度可达到5cm，续航时间为50min，监测效率可以到达2～5㎞2/h（影像分辨率为5cm时），飞行高度60m～700m，巡航速度为65㎞2/h，起飞方式简单易操作，降落方式安全平稳；使用此款无人机数据采集系统进行地面数据采集，完全满足建设智慧城市所使用的基础数据模型。

3 三维GIS技术在智慧城市中的探究与应用

3.1 三维GIS空间数据库模型

随着互联网+时代快速发展，智慧城市发展也需要为自动采集城市信息提供新的技术手段，并使这些信息通过远程控制发送；传统的三维空间数据模型难以提供一个城市完整的空间表达与管理的解决方案，尤其是宏观规划管理跟微观精细化管理之间的矛盾十分突出。利用三维GIS技术在地面数据模型上提起相关信息，通过三维GIS软件进行转换，以便满足智慧城市建设所需数据模型。特别针对地上、地下和室内、室外多粒度对象统一表达的复杂性与高效性难题，地上、地下和室内、室外一体化表达的真三维GIS模型[1]（如图1），刻画了三维空间对象几何、拓扑和语义的特征及其相互关系。统一的空间基准与数据结构、多层次语义与拓扑关系，以及几何与纹理的多细节层次表达等。特别是基于三维几何的精细化表达，实现了工业化建设设施及其部件级别的物理性能和功能的语义描述，使得三维GIS进一步拓展能有效支撑物联网信息的承载和关联分析，以及室内外无缝定位与导航应用[3]。

3.2 三维GIS技术可视化模型

图1 三维GIS空间数据库模型

智慧城市中聚集大量的基础数据以及瓦片式地形景观数据的高效组织管理技术已经相对成熟，促进了虚拟地球的应用服务。而高效、一体化地组织与管理复杂的不均匀分布的地上地下和室内室外三维空间模型数据一直是研究的前沿难点问题，也是三维GIS技术从局部范围示范应用到城市级综合应用面临的主要技术挑战。三维GIS数据高效组织管理存在两大技术瓶颈：

①由于模型数据量大、三维空间对象几何形状各异、空间分布稀疏不均、且结构化的二维纹理数据与非结构化的三维几何数据紧耦合引起的数据密集导致数据动态存取存在严重的瓶颈；

②三维空间数据分析与实时可视化等应用越来越复杂引起的计算密集导致了复杂空间数据操作存在服务器的性能瓶颈。传统三维GIS 可视化系统由于采用一次性装载的数据组织管理方式，能处理的数据量受限于计算机内存和显存的大小，而且数据和软件常常还要绑定，难以充分发挥系统应用效能。

图2 三维GIS可视化模型

针对这些技术瓶颈，科研人员进一步研究了在最基本的模型表示和数据结构上通过标准化进行统一，尽量减少运行时不同格式模型的转换导致的时间和空间浪费。另一方面，在系统研制上主要是发展三维GIS特有的数据组织模式和相应的空间索引结构[1]，以及动态调度机制（如图2）。

3.3 高性能三维GIS可视化系统

随着智慧城市日新月异的快速发展，逼真高效的三维可视化城市是一种非常受社会欢迎的效果，同时，三维GIS数据的真实感可视化还特别强调人机交互响应的实时、低延迟和稳定的图像质量和逼真的场景效果。但对整个城市范围地上下和室内外立体空间复杂的场景来说，由于数据量大且粒度不均匀，难达到实时性和逼真性。特别是从室外到室内随着精细度和逼真度的提高，图形的实时绘制工作量显著增加。场景的复杂性与实时绘制之间的矛盾一直是真实感可视化研究的核心难题。因此，三维GIS技术在智慧城市中的探究与应用显得非常重要，如图3所示的高性能三维GIS可视化引擎充分利用计算机图形学研究的最新成果，基于高效的三维空间数据组织管理和动态调度机制，实现了整个城市范围三维空间数据的局部动态装载与优化，场景LOD自适应计算[3]，视域内大量复杂物体的实时遮挡剔除，GPU/CPU协同的复杂三维场景实时绘制，满足了从精细模型到大范围景物多种不同复杂度场景的三维GIS实时可视化需要[1]。

3.4 GIS技术在其他空间数据中的应用

基于智慧城市的公共交通安全服务，也是GIS智慧城市的典型应用，可以有效实现居民区、交通要道、城市公交监控系统等进行自动智能化管理；此外，还基于智慧城市的城市应急联动响应、智能医疗急救、智慧服务业、智慧旅游等；智慧城市是智能建筑在地理上和深度上的外延和拓宽，将会进一步融合互联网+GIS技术、通讯信息技术等；智慧城市目标是先进高效自动化的城市管理，实现各城市管理系统之间的信息共享和融合，逐步改善人民生活水平，进而促进国民经济发展以及城市自动化管理等全面智能化监控[5]。

图3 高性能三维GIS可视化系统

21世纪智能和智慧的时代，智慧城市的发展也给地理信息行业带来无限空间。GIS技术在信息化建设方面起着重要的作用，特别面临复杂繁多智慧城市部件要素，特别在城市供水、排水、燃气、管线资源等错综复杂的地线空间管线设施得到更好的解决。并在国土、交通、公共安全、农林等行业，GIS技术更好地对智慧城市综合体繁而多的庞大数据进行更加精细和动态的方式对城市进行智慧化管理[4]。

4 结语

智慧城市—是个以自然地理、人文地理、经济社会所形成的一个庞大综合体系统；随着大城市向信息化、智慧化发展，人们对地理信息（GIS）技术的发展提出了更高的要求,三维GIS技术和地理信息服务在‘智慧城市'建设中起到了无可替代的重要作用，三维GIS信息技术是开启智慧时代的钥匙,也是建设智慧时代重要的技术支撑，将智慧城市和智慧城市综合体推向更加成熟的运作领域，实现数字城市向智慧城市的华丽转变。