三维数字城市平台建设及应用

朱丰杰

（青岛西海岸新区自然资源局，山东 青岛 266555）

1 研究背景

1.1 机构改革后的新要求

新一轮国家机构改革，由国土、规划、林业等部门组成的自然资源部门，被赋予了新的职能，提出了更高的要求，传统的二维平面空间管理模式已难以满足当前的管理需求，从技术上要求由二维向自然资源、林业、国土空间规划等多要素相结合的三维立体空间要素转变。

1.2 三维GIS的发展现况

近年来，国内外GIS软件在三维GIS领域均有了较快的发展，在地理信息、城市规划、军事、海洋、石油、林业、矿产和应急管理等众多领域逐步得到成功应用。其中，多款具有自主知识产权的国产三维GIS软件质量和水平也有了显著的提高，在很多行业和领域开始大量应用，发挥了其重要作用。

2 三维数字城市建设方案

2.1 建设目标

基于城市发展需要，以国产自主品牌软件平台为依托，利用倾斜摄影、三维激光扫描及三维建模等技术，以西海岸新区二维、三维地理信息数据为支撑，建立西海岸三维数字城市平台，为城市规划、建设提供辅助决策等综合信息服务。

2.2 三维GIS软件平台选择

本着安全、自主可控原则，本次三维数字城市平台采用性能稳定、功能强大、支持二三维一体化的SuperMap软件平台。

2.3 数据采集和入库

2.3.1 二维数据处理

由于二维数据内容丰富、来源多样，数据格式、精度、存储形态等差异大，要将这些多源异构的二维数据整合为支撑多部门、多专题的核心数据库，需要开展数据预处理和数据组织整合工作。二维数据预处理与组织的步骤主要包括：数据接收、数据加工处理、数据入库、空间数据地图服务发布和成果整合等内容。

2.3.2 三维数据处理

目前常用的三维GIS数据包括倾斜摄影测量数据、人工建模数据、激光点云数据和BIM等。本文中所使用到的三维数据包括倾斜摄影测量数据和人工建模数据。本系统所涉及的三维数据量非常庞大，对Web端数据传输与渲染带来很大的难度。三维相关数据的预处理与数据组织是整个系统高性能运行的关键。本文的三维原始数据格式为OSGB格式的倾斜摄影测量航摄数据，三角格网精细且复杂，数据量大，这给数据的转换、在线加载以及分析应用带来了严峻的挑战，于是本文借助SuperMap iDesktop采用LOD策略调度、纹理压缩、合并根节点等关键技术进行三维OSGB数据的性能优化并将OSGB格式的三维GIS数据转换为更适合Web端应用的S3M数据，最后将S3M数据发布为三维可视化与分析服务。

按照二三维一体化的方式，对于需要在三维数据中叠加的二维数据进行数据配置，实现二维数据在三维空间数据中的展示。

2.4 功能模块设计与应用

2.4.1 系统设计框架图

结合现有的数据资料和业务需要，对系统架构进行设计，具体框架如图1所示。

图1 系统设计框架图

2.4.2 功能应用简介

（1）城市规划大数据数据库管理系统

根据新区总体规划、各片区控规，建立规划建筑经济技术指标管理系统数据库，并植入数字城市平台，实现全域地块规划建筑指标查询和维护更新管理。

构建项目选址分析模型，主要用于重要项目的辅助选址分析和决策，主要功能为项目可选地址（空间位置）的确定、不同可选地址的信息查询检索和统计、不同选址方案的比较分析和数据或图纸的输出等。

（2）城市设计研究子模块

主要用于对重点区域、重大项目开发建设体量、建筑高度、建筑材质、建筑色彩等方面进行动态模拟和多方案的比较分析，实现对城市特色风貌、空间环境的系统研究，便于区域开发、重大项目的方案审查及规划辅助决策。

（3）城市容量智能规划模块

为科学分析城市开发建设过程中对现有交通、市政基础设施承载能力的影响，预测和规划未来城市发展的容量规模。实现区域开发、项目建设对城市容量的动态解析。主要包括道路拓宽分析模型、旧城改造分析模型、道路断面结构分析模型、给水管线控制分析模型和排水管线控制分析模型。

（4）空间分析子模块

空间分析模块主要是解决任何时段的日照分析问题，计算科学准确，使用简单方便，实现遮挡分析、阴影分析、区域分析、日照仿真、天际线分析等功能，为方案设计、研究、评审等提供直观的科学支撑，如图2、图3所示。

图2 区域分析

图3 天际线分析

4 建设方案实施过程中遇到的问题及解决办法

4.1 海量数据的存储问题

三维倾斜摄影测量数据空间分辨率和精度高，数据量非常庞大。在本项目实施过程中，对大数据存储的需求预估不足，大大超出了预计。为此，临时增加了存储设备。

4.2 三维影像数据在服务器端入库时间长

本次三维倾斜摄影数据范围大，分辨率高，原始格式为OSGB格式，数据量特别大，数据上传到服务器时间很长。为了提高三维数据的加载速度，对原始数据进行优化处理，处理的主要方式是纹理压缩、合并根节点并进行格式转换为S3M格式，并对数据进行分块处理，可以按照街镇范围或者园区的管辖范围为单元，进行影像切割，划分管理单元。

4.3 用户终端的三维影像数据加载速度慢

由于数据量大，用户端三维影像数据加载缓慢。为此，一方面是对三维影像数据进行了优化整合，采用对原有数据进行重新分块，制作索引区，减少需要加载的数据，提高显示的效果和运行速度；另一方面，提高用户端电脑配置，数据加载数据明显改善。

4.4 数据更新问题

城市化进程发展迅速，城市正在日新月异，作为一个信息系统，系统的更新和运维是保持系统生命力的重要保证。为保持系统三维数据的现势性，要求对三维数据进行动态更新。由于三维实景数据采集的成本高，实时更新的成本更高，难以实现。一方面需要根据城市发展的速度，合理评估需要更新的城市范围，并做好系统的更新维护；另一方面，可以拓展更新模式，采用规划审批的规划工程方案数据和规划验收竣工图等相关数据，构建三维模型并对系统三维数据进行更新。

4.5 三维倾斜摄影测量模型的单体化问题

倾斜摄影测量自动建模输出的是一个连续的影像，在GIS平台中不能直接提取单独的地物单元。为实现对独立地物进行单独的选中、查询属性、空间分析等操作，提高三维数据的使用效率，需要对三维倾斜摄影模型进行拆分，进行单体化处理。单体化处理的成本比较高，在项目预算充足时应当予以考虑。

5 结束语

西海岸新区三维数字城市平台，利用GIS、倾斜摄影、三维激光扫描、三维建模等技术，实现了矢量、影像、三维倾斜等数据的浏览、查询统计以及三维仿真等功能，城市设计模块实现了建筑压平、快速建模等功能，城市容量模块为城市道路拓宽、旧城改造、地下管线分析等提供了辅助功能；空间分析功能实现了建筑物遮挡分析、阴影分析、天际线分析等功能。

通过三维数字城市平台的建设，一方面是实现了地理空间的真三维立体可视化表达；另一方面，在城市规划设计、编制、审批、监管、项目选址、智慧城市、智慧街区、社会治理、城市管理、安全生产、应急救灾和智慧安防等领域均有广泛的应用。随着地理信息技术的发展，地理信息由二维向三维的转变，是必然的趋势，且应用前景广阔。