探索易智瑞三维GIS技术在自然资源管理中的优势和应用

广西壮族自治区自然资源信息中心 刘琦

自然资源监管业务需求的增加预示着二维GIS（地理信息系统）技术已经不再满足当前高水平国土信息化建设的要求，三维GIS技术以其丰富的数据资源和强大的空间表达能力，成为自然资源信息化未来发展的关键。本文讨论了三维GIS数据的特点和易智瑞三维GIS技术的优势，并从国土土地调查、不动产登记、国土空间规划、矿产资源开发利用等几个方面，探索易智瑞三维GIS技术在自然资源管理中的应用，证明易智瑞三维GIS平台能够充分发挥多源空间数据的优势和潜力，提高空间数据辅助管理和决策的能力，更好服务于自然资源监管工作。

当前，二维GIS技术已经在国土空间用途管制、土地规划编制和审核、用地用矿审批、自然资源开发利用监管、国土土地调查、生态空间优化等工作中发挥了重要作用。随着自然资源管理业务需求的不断增加，二维GIS已经不再满足当前高水平国土信息化建设的要求，三维GIS技术应运而生。

与二维GIS数据相比，三维GIS数据的空间表达能力更强，可将平面关系与垂直关系有机结合，并能够形象直观的展示区域的地形地貌以及建筑特征[1,2]。《自然资源部信息化建设总体方案》要求：“加快推进各类自然资源、国土空间各类要素的三维实景数据获取和三维地质模型库建设，建立二、三维一体化的自然资源和国土空间三维实景数据库，实现地上地下三维一体化监测评价”[3]。《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》也提到，自然资源三维立体时空数据库建设需要围绕自然资源部管理的土地、矿产、森林、草原、湿地、水、海域海岛等七类自然资源，构建由一个主库、九个分库组成的国家级自然资源三维立体时空数据库，为自然资源“一张图”和国土空间基础信息平台提供数据支撑[4]。由此可见，三维GIS将会成为未来自然资源信息化的主要方向之一。

本文从三维GIS数据的特点和易智瑞三维GIS技术入手，以国土土地调查、不动产登记、国土空间规划、矿产资源开发利用等几个工作领域为例，结合笔者的实际工作经验，对易智瑞三维GIS技术在自然资源管理中的应用进行了探索与讨论。研究发现，三维GIS能够更立体直观地展示自然资源场景，充分发挥自然资源空间数据优势，深层次挖掘空间数据潜力，进一步服务自然资源管理的各项工作。

1 三维数据的特点

相比二维场景，三维场景从平面到立体，从陆地表层到全空间，实现“地上下、室内外、水上下”全空间的一体化描述[5]。实景三维能够更全面、具体、形象地还原真实自然资源资产情况，易读易懂，承载信息丰富，可以清晰地识别出各地物的轮廓和纹理，以及和周围场景的相对关系，还可以表达比如地下、水下、室内、外立面纹理等二维场景无法表达的特征。三维场景灵活程度、可拓展能力、易读性、全面性和信息承载能力更强，表达效果更好，更符合人们的使用习惯。

构建自然资源实景三维场景，包括数字高程模型（DEM）、倾斜摄影数据、激光点云数据、手工建模数据、BIM等数据源。倾斜摄影具有高分辨率、丰富的地物纹理信息、高效自动化的三维模型生产、逼真的三维空间场景等特点[2]，是三维场景中最常用的数据源之一。激光点云数据具有快速扫描、实时性强、数据量大、定位精度高、抗干扰能力强等优点，为城市三维精细模型建设、地物分类提取等提供了全新的手段。手工建模数据通过人机交互的模式构建重点地物的精细三维模型，具有精细程度高、表达效果好、纹理逼真、层次结构分明、完整性好、前端渲染速度快等优点，并可以挂接各零部件的属性信息，能真正服务于自然资源的管理和应用。BIM在手工建模的基础上，增加了建筑物内部结构信息，在室内定位、智慧园区建设、小区管理、桥梁建设、公安消防等领域发挥了重要作用。

2 易智瑞三维GIS技术

GIS行业内较常用的三维GIS软件主要有Cesium、Skyline、SuperMap和ESRI ArcGIS等[6]。GeoScene是易智瑞信息技术有限公司在服务中国用户多年的经验和技术的基础上，结合ArcGIS国际领先的技术和理念，研发的新一代国产地理信息平台，其具有强大的三维数据可视化与分析能力，与国产软硬件兼容适配，融合云计算、大数据技术和人工智能等前沿技术，从多源三维数据导入和创建到三维数据空间分析处理再到前端三维可视化，提供了完整的技术能力[7]。三维前端产品可打造无插件式的三维数据快速浏览和轻量级的三维数据分析，针对大面积用户具有普适性。

2.1 多源三维数据导入

三维场景的构建需要地形、影像、倾斜摄影、点云、手工建模数据、BIM以及其他要素数据的支持。GeoScene平台使用OGC i3S标准的SLPK（SceneLayer Package）规范作为其数据规范，数据的加载与显示遵从OGC i3S的服务规范[7]。地形、影像以及其他二维数据，可以通过在GeoScene Server上发布地图或影像服务的方式加载到三维场景前端。而倾斜摄影、点云、手工建模数据、BIM等三维数据，需要借助GeoScene桌面版或其他三维数据处理软件，将三维数据格式统一转换为SLPK来实现数据在易智瑞平台中的加载、分析和共享。GeoScene桌面端软件支持多种通用三维模型格式的转换和导入，各种三维数据的导入流程如图1所示。

图1 GeoScene三维数据导入Fig.1 3D data import in GeoScene

2.2 三维数据空间分析

GeoScene平台提供了强大完整的二、三维空间分析能力，继承并拓展了原ArcGIS的地理处理工具，通过搭建业务模型有效解决现实世界中的地理空间问题。

专业的分析工具主要集中在桌面端软件。桌面端三维分析工具包括空间测量（包括长度、高度、面积、体积等）、三维拓扑分析（包括三维闭合、缓冲区、相交、合并等）、可见性分析（包括通视、视域、天际线、日照分析等）、地表面分析（包括挖填方、坡度、坡向、剖面、阴影等）等。Web浏览器端主要提供轻量化的交互式三维分析功能，包括视线分析、剖面分析、空间量测、日照分析、BIM构建分析、剖切分析、地形压平等。

2.3 三维场景渲染优化

对于Web端三维应用程序来说，为了追求场景画面真实感，三维场景就会越发复杂，模型越发精细，便会给图形硬件带来极大的负荷以致于无法达到实时绘制帧率。例如，Web端加载海量倾斜摄影数据的时候，总会面临场景不稳定、加载缓慢、纹理渲染滞后等问题。因此，易智瑞三维GIS采取调整Lod切换机制、构建前置缓存服务器、增加前端解析数据能力、地理索引、流式传输、优化WebGL渲染逻辑等一系列优化措施，满足数据在前端高效渲染的需求。除此之外，平台能够针对水面制作具有反射光、地物倒影的水体效果，对整个三维场景制作雾、雨、云、晴等天气效果，在Web端构建更加逼真、生动的前端三维表达效果。

3 易智瑞三维GIS平台在自然资源管理中的应用

3.1 国土土地调查

国土土地调查是全面查实查清土地资源的一项重大的国情国力调查，搭建以国土土地调查为核心的三维立体时空数据库，将土地调查各类数据在三维空间中表达出来，实现土地调查成果基于三维立体空间的分析应用：

(1)土地调查数据在三维场景下的可视化与管理，达到土地调查数据与三维时空数据相互补充、相互融合，实现三维海量数据快速调度，三维仿真地理环境快速浏览，Web版三维场景漫游等。

(2)土地调查数据的三维空间测量，将土地调查二维数据与三维地表模型数据相结合，实现将二维投影面积转换为表面积，完成耕地表面积、林地郁闭度等结合三维的计算与分析。

(3)土地调查数据的地表面分析，通过将二维矢量投影至三维数据，联动三维数据分析计算坡度、剖面、切面、挖方、填方等，结合其他自然资源业务数据，实现例如土地资源的数量及动态变化分析、耕地坡度计算等分析功能。

(4)基于自然资源三维立体时空数据库，开展数据赋能问题研判，诊断与发现冲突，例如：通过耕地坡度数据三维可视化与坡度计算，完成地方上报耕地坡度的误差检查；通过项目审批数据与各类自然资源现状数据、管理数据及规划数据的三维可视化，判断项目合理性；通过永久基本农田与高精度三维地形、影像及坡度的叠加，进行永久基本农田一致性判定，摸清基本农田坡度分布状况等。

3.2 不动产登记

在三维模式下，不动产数据可进行多维度查询管理，大至宗地范围、不动产产权范围以及四至关系，小至不动产在自然幢内的具体位置、分层分户信息甚至不动产内部各零部件的分布及信息。Geoscene的单体化技术由于可为三维实体附加属性信息，可被高亮查询与统计，为不动产的三维管理提供了解决方案。

Geoscene平台一般有以下四种单体化模式：(1)直接运用手工建模数据或BIM，导入Geoscene平台，挂接属性后，实现不动产的单体化显示查询或不动产内部零部件查询。(2)运用不动产自然幢的矢量面，在Geoscene桌面端软件中将倾斜摄影数据进行切割，实现单体化，而后赋予需要管理的单体自然幢属性信息。(3)运用自然幢矢量面数据，批量制作建筑物白膜或分层分户模型，设置为半透明后，套合倾斜摄影数据进行自然幢单体化查询。(4)依托Geoscene平台矢量数据的贴地机制，把自然幢矢量面当做一层膜将对应位置的建筑物完整包裹起来，实现动态的高亮选中和查询。比对这四种单体化的方法，方法一需要手工建模技术，适合某些需要精细建模的重点建筑物；方法二可以实现真正的单体化，但是耗费的成本较高；方法三适用于分层分户模型的建立；方法四成本低，但是需要自然幢底面和建筑物吻合程度较高才能实现比较好的效果。实际可根据源数据情况以及需求，选择合适的模式实现不动产单体化效果。

3.3 国土空间规划

基于Geoscene平台的机器辅助三维城市规划决策模块，可服务于国土空间规划编制、审批、实施和监督全过程，综合建设工程的周边环境，辅助开展建设工程规划设计情况的评估、调整和优化，为规划方案评审提供直观、生动、全面的辅助决策支持服务。

(1)规划设计方案三维模型加载。Geoscene支持前端在线加载及后端服务发布两种方式加载规划设计三维模型，前端在线加载必须为GLTF格式的三维模型。通过调整模型的位置、大小、朝向和高度等参数，直观地在自然资源大场景下展示设计方案，评估方案的合理性，辅助建设工程规划设计方案的调整和优化。

(2)三维规划设计分析。利用高精度倾斜摄影数据，结合精细单体化三维模型，将拟建项目的三维设计模型与现状三维模型进行结合，运用日照分析、视线分析、构建分析、模型剖析、地形剖析等三维分析功能，对拟建设区容积率、绿地率、建筑密度、建筑高度、建筑规模等指标进行分析，辅助建设工程设计情况的评估和分析。

(3)设计方案比对。通过分屏的方式，实现同一项目不同设计方案三维模型的同时浏览，包括建筑造型、立面风格、色彩材质等方面，直观比对不同方案在同一三维场景下的模拟建设效果。

(4)在施工图审查阶段，开展施工图三维数字化审查，提取三维模型中的有用信息，就施工图中部分刚性指标实现计算机辅助审查，减少人工干预。

(5)在竣工验收阶段，可将设计三维模型和竣工三维模型进行差异性比对，判断项目是否按照施工图施工，差异的部分在哪里，是否造成不良影响，辅助出具审查结果和验收报告。

3.4 矿产资源开发利用

以监控矿山开发利用活动和治理恢复情况为目标，用三维手段进一步提高矿产资源勘查、开发与保护监管的水平。

(1)定期开展无人机航拍，采集矿山正射影像及倾斜摄影数据，构建多时期露天矿山三维模型。通过三维模型判断矿产资源分布情况、矿山开采方式、采矿区地形形变、矿山工作区地表覆盖类型、矿山治理恢复情况、矿山周边情况等。通过两期倾斜摄影数据计算周期内矿石开采量，动态监测矿产资源的变化。

(2)矿山开发利用地下动态监测，使用激光雷达扫描技术，对地下开采矿山定期进行三维数据收集，获取地下矿山点云数据，构建地下矿山三维模型，摸清地下开采矿山巷道、掘进面、采空区等情况，监测地下开采范围及开采量变化。

(3)监控设备数据与矿山三维模型的集成，根据要求在露天开采矿山矿区范围内、地下开采矿山掘进面、开采面、巷道关键位置、地磅等处安装可控的高清摄像仪，将视频信号动态接入三维平台，实现在三维平台上实时查看矿山生产情况。

(4)矿山三维模型与实时监控视频流数据的视图融合，将矿山动态监控视频与三维场景融合在一起，例如将实时车流监控视频在倾斜摄影对应的位置中贴地显示，使视频展示的效果更加真实，并运用视频识别技术识别物体并打上地理标签，有效还原矿山开发利用现场的真实情况。

4 结语

与二维GIS相比，三维GIS更直观、立体地展现了从地上到地下、从室内到室外的现实场景，数据表现效果更好，信息载荷量更大，分析方式更丰富更灵活，是未来GIS技术发展的重要方向。易智瑞GIS平台作为行业内常用的GIS平台之一，具备前沿、强大和稳定的三维GIS技术，包括多源三维数据融合技术、单体化技术、三维数据空间分析、三维场景渲染优化技术等，提供面向全域实景三维数据的治理能力，能够为自然资源管理部门开展自然资源相关的规划、审批、监管和分析决策提供服务，提升国土空间治理能力现代化水平。通过三维平台，最大限度的挖掘自然资源空间数据资源潜力，加快“用数据说话、用数据决策、用数据管理、用数据创新”管理新机制的建设，充分发挥自然资源数据的“底图”和“底线”作用，提升自然资源管理决策水平，使空间数据能够为国家经济建设和社会发展提供更好的服务。

引用

[1] 田淇元.基于GIS应用的自然资源三维空间发展分析[J].中国科技信息,2021(13):65-66.

[2] 赵双庆,金仙宝,王丹,等.实景三维在自然资源管理中的应用浅析[J].内蒙古科技与经济,2020(18):62-63.

[3] 自然资办发〔2019〕170号.自然资源部信息化建设总体方案[S].自然资源部,2019.

[4] 自然资办发〔2021〕21号.自然资源三维立体时空数据库建设总体方案[S].自然资源部,2021.

[5] 自然资办发〔2021〕56号.实景三维中国建设技术大纲(2021版)[S].自然资源部,2021.

[6] 包善文.浅析ArcGIS Pro三维模型发布服务的改进方法[J].测绘技术装备,2021,23(3):62-66.

[7] 易智瑞信息技术有限公司.GeoScene 2.1产品白皮书[R].2021.