基于三维实景的城市公共安全管理平台系统设计与实现

魏曦 孙艳芝

摘  要：近年来，随着城镇化的加速发展和智慧城市的不断涌现，对城市治理及公共安全等方面提出了新的要求和挑战。本文基于倾斜航空摄影测量技术和三维实景自动建模技术，构建了城市公共安全三维实景模型基础数据，并以此为基础构建三维实景城市公共安全管理平台，该平台可承载各种业务与应用，本文以应急指挥预案业务为例，阐述其系统在模拟环境场景中的应用并进行现场预案模拟。

关键词：倾斜航空摄影;三维实景;智慧城市

Abstract：In recent years，with the accelerated development of urbanization and the emergence of smart cities，new requirements and challenges have been raised for urban governance and public safety. Based on the tilted aerial photogrammetry technology and 3D real-time automatic modeling technology，this paper constructs the basic data of urban public safety 3D real-life model，and builds a 3D real-life urban public safety management platform based on this，which can carry various services and applications. This paper takes the emergency command plan business as an example，expounds the application of its system in the simulated environment scenario and simulates the site plan.

Keywords：tilted aerial photography;3D real scene;smart city

0  引  言

城市公共安全是城市管理水平的最重要反映之一。公共突发事件、自然灾害事件等紧急事故一旦发生，容易产生连锁反应，引起事故灾害规模扩大，造成灾难性后果。因此，建立高效统一的城市公共安全管理系统平台，是城市步入现代化管理的必然选择，也是城市智能化的重要体现，是智慧城市公共管理平台的最重要的功能之一。

随着互联网技术、三维仿真技术以及智慧城市的不断发展，传统的地理信息技术被注入新鲜活力，承载着互联网上的三维GIS正朝着数字化、智能化的方向发展[1]。传统的二维GIS系统由于缺少完整维度的信息，无法反映现实城市空间的全部信息，而三维地理信息系统作为能够提供全要素、全纹理的地图数据，具备特有的空间分析功能和强有力的三维立体可视化表达能力[2]，而且三维实景模型具有建模速度快、成本低等优点，特别适用于城市信息展示、应急管理、智慧交通、智慧公共安全等智慧城市公共管理的应用场景[3]。针对目前城市发展过程中的问题和现状，亟须补充三维实景地理信息辅助分析、决策平台系统，使城市各类数据信息和三维空间信息融为一体，通过监控各种城市资源在空间的分布情况和实时运行情况，分析其内在联系，合理配置和调度资源，从而提高各部门的快速响应能力和协同处理能力。

本文以构建三维实景城市公共管理综合平台为基础，以应急指挥管理为典型案例业务应用，建立了精准、高效、智能、标准化的“平台+业务系统”模式，实现了大规模三维场景的快速可视化表达、海量三维数据的智能时空分析，形成了城市信息资源整合的通道，为城市建设提供灵活可定制的公共管理综合服务，支撑各项智慧城市业务的顺利开展，对于深入促进平安、和谐社会建设具有重要作用，并为智慧城市建设奠定基础[4]。

1  三维实景城市公共管理平台系统架构

三维实景城市公共管理综合平台体系框架分层设计为基础设施层、数据层、服务层、可视化层及业务层，共五层，基于三维实景地理信息系统平台全纹理、全要素优势，将时空数据深度融合，通过整体联动提升平台的突发事件处置能力。系统总体架构如图1所示。

支撑环境中无人机及集群运算保障大面积城市区域高分辨率倾斜摄影数据获取及三维实景建模、软硬件环境是为系统平台提供软硬件支撑环境，包括专业软件、系统软件、主机环境、存储环境及安全环境等。

数据层主要涵盖了从基础数据获取、数据处理、数据入库以及数据管理四个方面。

（1）基础数据主要通过基础设施层生产数据整合而来。主要包括高程数据、倾斜摄影三维模型數据以及相关的三维业务数据等。

（2）数据预处理主要实现对基础数据的加工和处理。主要包括对高程数据进行切片处理，建立基于四叉树的金字塔模型;对倾斜摄影三维模型数据进行多层级LOD模型生成与建筑物单体化处理;对三维模型进行规范化存储;对业务三维数据进行地址匹配。

（3）数据管理主要通过数据管理系统实现，该系统主要包括数据准备软件、数据入库软件、数据管理软件、基础地理信息管理软件以及数据分发与服务软件。

（4）数据库建设主要包括数据管理相关软件实现高程数据库、倾斜摄影三维模型数据库以及其他数据库的构建等。

数据服务层包含瓦片数据服务、矢量数据服务等二维数据服务;包括空间信息查询服务、高程数据服务、三维实景模型服务等三维数据服务;包括缓冲区分析、通视分析、坡度分析、水淹分析等三维空间分析服务。

可视化层主要为业务层提供三维可视化渲染以及三维GIS引擎的二次开发能力，主要包括地图显示、显示控制、模型标绘、标绘管理、空间分析、三维特效、三维天空、辅助工具等多种功能。

1.1  城市三维实景模型数据建设

1.1.1  无人机倾斜实景数据采集

倾斜航空摄影是利用倾斜航空摄影测量技术获取地物信息的一种新型的航空摄影方式。倾斜航空摄影区别于传统的竖直航空摄影方式，倾斜航空摄影技术是在无人机或直升机等飞行平台上搭载五个镜头倾斜航空摄影仪，利用智能飞行控制系统实现全自动巡航拍摄，同时获取下、前、后、左、右五个方向的影像数据，配合惯导系统获取高精度的位置和姿态信息，通过特定的数据处理软件进行数据处理，将所有的影像纳入统一的坐标系统中，并通过专业飞行控制团队通过地形勘察、航摄点计算、无人机航摄路径规划、光学相机参数调整等操作，确保测绘系统获取合格的航摄影像数据，三维实景数据采集系统需满足大面积区域的三维实景地图数据的测绘工作。

数据采集系统主要包括：小型载人飞机或无人机，微型倾斜摄影系统，智能飞行控制系统，机组成员和专业航飞人员（载人飞机）或者地面指挥人员（无人机），传感器和姿态定位系统。倾斜航空影像数据采集与处理流程如图2所示。

1.1.2  三维实景模型数据构建

三维实景模型数据生产系统，是以倾斜航空影像为数据源，将倾斜影像数据与垂直影像数据配置到统一的作业系统，构建多视角三维建模环境，形成严格成像关系下的精密重建，弥补了单一数据源的视角、分辨率、遮挡等局限性，经过集成化的建模环境大幅度提升作业精度和效能。根据倾斜摄影组合数据源，克服影像在分辨率、摄影角度、影像辐射特性等方面的差异，通过POS辅助、DSM引导等技术的综合应用，实现高度自动化的高精度三维建模。建模过程如图3所示。

1.2  城市三维实景管理系统

1.2.1  海量三维数据管理与服务发布

（1）三维数据管理系统：三维数据管理系统可实现对影像数据、倾斜摄影数据、基础资料数据和基础地理信息数据等应用相关数据的入库、管理、查询、统计、更新、浏览、数据发布等核心应用，为应用行业提供基础数据服务。

（2）三维数据服务系统：三维数据服务系统可实现对瓦片数据、矢量数据、高程数据和倾斜摄影三维模型数据的服务化发布和基于三维地理信息数据的通视、缓冲区等多种分析应用，为上层应用提供数据支撑服务。

1.2.2  三维实景GIS系统引擎

三维GIS引擎系统可实现全球多源、多时相、多分辨率空间数据的管理、存储、调度、显示等功能，使用户可以按需浏览和应用地理信息;可实现模型标绘、基本量算、空间查询、空间分析以及专题图显示等功能。

1.2.3  区划地名地址数据整合以及管理系统

区划地名地址数据整合主要采用相关部门提供的地名地址数据进行整合。区划地名地址分为行政区划数据库、地名数据库以及地址数据库三个独立的数据库，且分别进行建设，基于上述数据库开发区划地名地址数据库管理系统。

1.2.4  数据整合建库以及数据整合管理系统

根据基础地理信息数据、区划地名地址数据、城市三维模型数据、地下管线数据、POI数据、视频信息数据的特征和语义关系，基于空间匹配、属性关联、地理编码等方法，建立地理空间要素之间及地理空间要素与非空间数据的关联关系。丰富和完善现有的地理空间数据资源，为城市地理空间数据的分析、统计、管理、制图和可视化奠定基础，支持相关部门的管理和决策。同时，针对数据的规范化与数据关联整合的需要，开发由数据匹配、数据接入、数据关联检查、数据可视化与分析等模块构成的数据整合系统。

1.2.5  城市三维模型服务平台建设

城市三维模型服务平台是三维实景城市公共安全管理的公共性基础平台，实现空间信息的共享、交换、运维、管理和服务，为城市的各类信息化应用提供数据和功能支持。城市三维模型服务平台基于二三维一体化的技术，通过管理三维城市模型以及其他类型的数据资源，将传统需要由各部门建设应用的公共功能统一集中地建设。平台的主要建设内容包括：二三维数据管理、二三维数据服务、二三维功能服务、服务平台管理以及二次开发工具集等相关内容从而为各类应用系统提供公共的信息资源管理、安全认证、信息资源共享、信息资源服务、运行维护管理等功能和服务，缩短各类应用系统的建设周期、减少其建设投入。逐步形成以城市三维模型服务平台为核心的管理和服务体系，为建设城市信息资源管理和服务平台打下基础。

1.2.6  三维实景GIS系统引擎

三维实景GIS引擎系统可实现全球多源、多时相、多分辨率空间数据的管理、获取、存储、调度、显示等功能，即能快速获取海量的各类影像数据、高程数据以及其他相关数据，并对其进行实时、准确、快速的处理与展现，使用户可以按需浏览和应用地理信息;可实现模型标绘、基本量算、空间查询、空间分析以及专题图显示等功能;可实现二三维的平滑过渡显示功能。

三维渲染引擎分系统由三维地图软件、空间分析软件、三维标绘软件、三维特效软件、专题数据展示软件、图像输出軟件、空间信息查询软件、辅助工具软件、系统日志软件组成。

2  系统实现案例

随着城镇化进程的不断推进，城市人员密集度不断增强，涉及公共安全的因素也在不断增多，城市的管理愈来愈复杂，加之社会体制改革、政府机构的不断深入，城市安全管理与应急指挥体系日益庞杂。因此，做好高效的城市公共安全应急指挥预案显得尤为重要。本文以应急指挥预案为典型业务案例来举例说明系统平台应用。

如图4所示，当发生应急事件时，现场情况实时传送到系统平台并利用已有的应急决策模型进行匹配及相关预测，利用三维空间分析功能解析影响范围，基于高精度三维实景模型数据和最优路径分析方法得出最佳疏散路线和应急指挥路线，同时综合协调医院、公安、交通等资源力量投入应急保障，结合GPS技术可对装有GPS定位装置的动态目标如消防车、警车、救护车及其他警力部署、医疗救护资源等，联合基于3D GIS的实时视频监控系统，进行现场标绘和远程指挥，实现应急预案的现场场景真实模拟，协助指挥者准确做出应急方案，并提供多源多维数据的综合参考，起到辅助决策的作用。

3  结  论

本文构建的三维实景城市公共安全管理平台将带动多个相关产业向实用化的方向发展，并具有产生巨大社会与经济效益的潜力。在短期内，本文直接涉及的技术内容将大大促进无人机系统、特种图像采集设备、三维图像场景建模、大规模图像信息处理和存储等产业的进一步发展。从中期的产业规划来看，新型智慧城市将会愈来愈倚重城市的三维模型来构建基于三维地理信息的智能系统，用于城市的规划、管理、指挥、调度。因此，可以预见新型智慧城市对于三维地理数据的需求将会逐渐成为一个巨大的市场。从长期产业规划来看，城市的三维地理数据将会成为一个新型智慧城市重要的信息基础设施之一。在此基础设置之上不仅可以构建管理者使用的城市规划、管理、指挥、调度方面的地理信息系统，还可以将这一基础设置作为一种服务的方式向企业和公众开放，充分利用大众的创新智力来开发与城市三维地理信息相关的系统和服务，从而在更广泛的范围和业务领域内带动三维地理信息相关产业不断发展。

参考文献：

[1] 张帆.基于WebGL的大规模三维场景可视化技术研究 [D].长沙：国防科学技术大学，2014.

[2] 曹雪榕，陈晓宁，岳贵杰，等.基于三维实景的警用应急指挥系统设计与实现 [J].北京测绘，2019，33（1）：80-83.

[3] 江华，季芳，龙荣.基于Cesium的倾斜摄影三维模型Web加载与应用研究 [J].中国高新科技，2017，1（6）：3-4.

[4] 李小敏，马庆勋，岳贵杰，等.二三维一体化WebGIS在城市规划中的应用 [J].北京测绘，2019，33（2）：226-231.

作者简介：魏曦（1986.06-），男，汉族，河北唐山人，工程师，博士研究生，研究方向：倾斜三维实景建模及遥感;通讯作者：孙艳芝（1989.06-），女，汉族，江苏徐州人，工程师，博士研究生，博士后在读，研究方向：地理信息系统及城市规划。