基于实景三维技术的广西自然资源三维立体“一张图”应用研究

江文源，杨如军，刘 琦，马骁驰，黄信望，马绍忠

（广西壮族自治区自然资源信息中心，南宁 530000）

0 引言

当前，中国正处于数字化转型助力高质量发展的关键时期，自然资源高质量发展对科技创新提出了前所未有的更高要求，也对时空信息技术创新提出了新的课题。在自然资源管理审批工作中，二维技术越来越不适应社会发展的要求，传统的平面图视角单一，难以表达地理实体的高度、纹理和地表起伏等空间信息。自然资源信息化需求重心从客户端转向了服务端，从二维平面扩展到三维全空间，从室外扩展到室内，从宏观拓展到微观[1]。以Google Earth为代表，地球空间信息的三维可视化以其开放性、可量测性和可挖掘性，成为信息化服务的基本要求，三维地图也成为人们进行空间信息交互的基本方式和各种门户网站信息服务的基本内容[2]。为了适应新形势下自然资源信息化的新要求，《自然资源部信息化建设总体方案》提出推进实景三维数据库建设，在已有基础上整合完善，建立三维立体自然资源“一张图”。自然资源部《实景三维中国建设技术大纲（2021版）》（以下简称《大纲》）对实景三维的建设目标、建设内容等进行了细化。

广西壮族自治区自然资源信息中心（以下简称广西中心）于2009年起逐步建设和完善广西自然资源“一张图”（以下简称广西“一张图”）。2011年，开始收集整理实景三维基础数据，初步建成与广西自身条件相符合的“城市主城区+多测区”的广西实景三维数据格局，数据包括倾斜摄影模型、激光点云、手工建模数据、BIM、地形、多面体等。在此基础上，本文主要研究基于实景三维技术的广西“一张图”建设及应用方案。同时，也解决了实景三维数据转换、三维场景Web服务发布、二三维数据融合等关键技术问题。三维立体“一张图”在多个业务系统中的实践应用证明，系统稳定运行，达到预期目标。

1 三维立体“一张图”数据融合技术

1.1 实景三维数据类型

《大纲》对实景三维数据进行了定义和归类，本文主要以数字高程模型、倾斜摄影模型、激光点云、手工建模、BIM等几种实景三维数据构建三维立体“一张图”。

数字高程模型是用一组有序数值阵列形式表示地面高程的一种实体地面模型[3]，主要包括1:5万和1:1万DEM数据资源。1:5万DEM为国家级基础测绘成果，覆盖广西全域陆地范围，格网间距为10米；1:1万DEM为省级基础测绘成果，格网间距为2米。

倾斜摄影融合了传统的航空摄影和近景测量技术，通过在同一行平台搭载多台传感器，同时从垂直、前视、左视、右视与后视5个不同的角度采集影像，获取地物侧面丰富的纹理信息[4]。通过全自动批量建模技术生成的倾斜摄影模型为三维GIS的重要数据来源。倾斜摄影的通用格式是OSGB。

激光点云数据是由三维激光扫描系统获取的一种高精度三维数据。三维激光扫描技术可通过非接触主动测量方式快速完整地获取目标物体表面的三维坐标，不受物体形态、状态的影响，精度高、信息丰富、效率高，在测绘、规划、智慧城市等行业广泛应用[5]。

手工建模数据将现实或虚拟世界的地物通过3DMax、MAYA等建模软件手工制作，小场景的渲染效果较好，细节展示精细，辅以光影等效果，但耗时长、生产成本高，不适宜大范围的应用场景。

BIM以建筑工程项目的各项信息作为基础，以三维模式详细记录了建构筑物内部各零部件的几何和属性信息，可实现建构筑物在规划、施工、验收、运维等阶段的精细化管理。BIM融入自然资源大场景，可从宏观和微观角度进行三维数据管理、浏览和分析应用。

1.2 二三维数据融合

多源异构是二维数据和实景三维数据的最大特征，数据格式和结构多样且平台间无法互相兼容共享。目前，网络服务应用程序接口（Web Service API）是解决多源异构数据融合、跨平台调用的主流手段。将二维数据和实景三维数据存放在强大的云服务器，经处理后发布成可调用的RESTful风格或SOAP风格的Web服务API，客户端通过URL请求数据实现二三维数据浏览。

本文使用ArcGIS Server和广西中心自主研发的I3S Server三维场景Web服务器（以下简称I3S Server）实现二三维数据融合。二维数据转换为ArcGIS支持的FileGDB或SDE格式的要素类，使用ArcGIS Server发布为符合开放地理空间联盟（OGC）Web Map Service规范的Web API。实景三维数据——倾斜摄影模型、激光点云、手工建模数据、BIM、地形、多面体等转换为符合OGC I3S标准的场景图层包（SceneLayer Package，SLPK）格式后发布到I3S Server，由该Web服务器提供满足I3S场景服务标准的Web服务API。

1.3 实景三维数据转换

实景三维数据转换一般分为以下2种思路。（1）直接将数据转换为SLPK。（2）先转换为ESRI原生数据格式——多面体（multipatch）模型，对模型赋值、纹理贴图、转换、投影后，再转换为SLPK。依据三维数据类型，实景三维数据转换分为倾斜摄影、点云、BIM、手工建模等不同的转换流程。

倾斜摄影导入方式一般为以下2种方式。（1）通过ArcGIS Pro的创建集成网格场景图层包工具，直接将OSGB转换为SLPK，但大范围数据转换容易出现软件崩溃的情况。（2）通过ArcGIS桌面软件授权的三维数据治理工具，对OSGB数据进行校验、转换、优化、平移、亮度调整、合并和坐标系转换等操作，可以适应大量的数据处理和渲染优化，转换效果比较理想。此外，Context Capture、Pix4D、SURE、大疆制图等国内外主流倾斜摄影测量建模软件均支持生成SLPK格式的倾斜摄影数据。

点云数据的通用格式是LAS。ArcGIS Pro支持LAS格式的点云数据加载、渲染、投影、分析等操作，并运用创建点云场景图层包将点云数据打包成SLPK格式数据。

ArcGIS Pro支持直接读取Revit格式的BIM数据，还可将BIM数据转换存储到FileGDB，对其进行几何、贴图、属性的编辑。

目前，常见的手工建模数据格式比较多，比如obj、3ds、dae、wrl、fbx等。此类数据可通过ArcGIS Pro的导入3D文件工具将模型数据转换为multipatch模型，符号化和渲染后转换为SLPK格式数据。

1.4 三维场景Web服务发布

三维场景Web服务是指一组符合OGC I3S Web服务规范并具备RESTful风格的Web API。目前，很多GIS供应商都提供了发布三维场景服务的Web服务器，其加载效率和稳定性能够满足实际生产需要。但这些三维场景服务器的规模过于庞大，对实施部署、迁移不友好。为此，广西中心自主研发了三维场景Web服务器——I3S Server，支持发布SLPK格式的倾斜摄影模型、点云、建筑模型、三维模型等三维场景服务，具有发布速度快，数据完整性和精细度较好的特点。客户端通过请求服务地址获取服务，采取合理化的LOD分级显示、缓存机制等优化方法快速加载渲染三维场景。

2 三维立体“一张图”建设及应用方案

2.1 数据资源体系

本文参照《自然资源三维立体时空数据库建设总体方案》，从土地、森林、草原、湿地、水、地表基质、地下资源、海洋、自然资源监测9类数据选取核心数据内容及主要属性信息，基于统一的空间框架，按照管理层、地表覆盖层、地表基质层、地下资源层4层架构分层组织，充分融合二维数据和实景三维数据，构建广西“一张图”数据资源体系，如图1所示。

图1 广西“一张图”数据资源体系

2.2 总体架构

本文针对广西自然资源业务系统需求的特点，基于分布式、云计算、大数据、三维GIS、计算机虚拟化等技术，构建了广西“一张图”总体架构，如图2所示。该架构融入了三维立体“一张图”数据体系，实现二三维数据在应用系统中快速调度、高效渲染，充分发挥三维场景真实、全面、丰富、立体的优势，为自然资源业务系统建设提供了可参考的二三维一体化解决方案。

图2 广西“一张图”总体架构

基础硬件设施虚拟化后建立云资源管理层，负责云资源管理调度。中间件资源层包括GIS支撑平台、数据库、缓存数据库、Web服务器、大数据分析工具和消息中间件等。借助该资源层构建统一的自然资源三维立体“一张图”数据库，进而形成可统一调度的平台级Web服务资源，包括各种地图资源、影像资源、三维场景资源、空间分析资源等。具体应用系统按需、按角色权限获取资源。同时，通过统一的政务网络实现数据资源和分析资源在自然资源部门垂直共享、其他横向部门之间共享。

3 三维立体“一张图”实际应用

3.1 第三次全国国土调查

本例将“一张图”应用到广西区域的第三次全国国土调查业务系统，构建了覆盖广西全域的地形场景，通过叠加广西的第三次全国国土调查成果，如图3所示，调用二三维一体化联动、交互分析等功能，实现在地图上同时查看地类图斑和实际地形，为野外调查监测、基本农田划定、新增耕地检查及退耕还林等工作提供技术支撑。

图3 广西“一张图”在第三次全国国土调查中的应用

3.2 国土空间规划

近年来，广西“一张图”在市级城市规划管理中得到了广泛应用，特别是在详规方案对比审批方面发挥了重要作用。图4（a）为南宁市主城区的激光点云图层。采用激光雷达技术对主城区点云数据进行预处理，以高程渲染不同高度的点云，快速勾勒高精度的城市地形和城市形态，满足城市基础设施管理、城市规划和太阳能潜力估计等需求。

图4 广西“一张图”在国土空间规划中的应用

图4（b）为北海市主城区的“倾斜摄影+地下管线”实景三维场景（局部地形修改）。以城市倾斜摄影模型为空间基底，叠加城市地下管线数据；使用“地形修改”三维分析功能透视指定范围内的地形和倾斜摄影模型，满足修建道路、铺设管道等业务需求。

图4（c）和（d）以城市倾斜摄影模型为空间基底，导入提前构建的手工建模模型，满足规划效果查看、规划方案对比等需求，多用于城市规划布局、旧城改造和城市更新等业务场景。

图5（a）～（d）为城市规划设计的常用三维分析功能，分别是地形剖析、视线分析、日照分析、构件分析。（1）地形剖析。在实景三维场景中绘制任意折线，分别获得折线经过位置的倾斜摄影模型和地形模型高程剖面。（2）视线分析。在场景中设置视点和目标点，分析获得点到点的透视和遮蔽情况。（3）日照分析。选择时间后系统自动获取场景建筑模型和地形模型的朝向、间距、高度等参数，计算山体、构筑物的阴影投射。（4）构件分析。管理BIM、手工建模模型的组装生成部件，服务精细化管理。

图5 城市规划设计的常用三维分析功能

3.3 矿山监管

自2021年开始，广西“一张图”试用于矿山监管，主要用于解决矿山越界开采问题。图6（a）以露天开采矿山倾斜摄影模型为空间基底，结合视屏超融合技术，以三维视角对露采矿山实现实时监管。图6（b）通过激光点云、手工建模等方式，建设地下巷道、开采作业面等地理实体的实景三维模型，对地下开采矿山进行有效监管。

图6 广西“一张图”在矿山监管中的应用

4 需进一步解决的问题

广西“一张图”在实际应用中发挥了重要作用，但今后还需深化应用，进一步优化和探讨以下问题。（1）数据获取成本较高，模型制作流程复杂，周期长，技术门槛高，不能在短期内更新覆盖广西全区的数据。（2）数据质量参差不齐，缺乏统一、可实施性强的数据采集、生产和入库的系列规范标准。（3）实景三维场景具有数据量大、数据种类多、数据结构复杂的特点，对硬件设备要求较高，客户端加载和渲染的稳定性及速度还需进一步提高。（4）三维空间分析算法未能在更深层次结合业务需求，很多时候仅停留在“看”的层面。

5 结语

广西“一张图”建设及其在各类自然资源业务系统中的应用，在一定程度上解决了以往二维地图立体感不够强的问题，赋予自然资源业务系统全新的观测视角。同时，实践证明广西“一张图”建设方案具备良好的可行性、可移植性和可扩展性，发展方向正确，应用前景广阔。但随着计算机软硬件不断发展及自然资源管理政策的调整，立体三维“一张图”发展还存在很多未知因素。因此，还要不断地完善立体三维立体“一张图”。