实景三维在自然资源监测的应用

黄明伟,李梦梦,陈 超,虞 瑶

(江苏省基础地理信息中心,江苏 南京 210013)

实景三维作为反映人的生产、生活、生态空间真实、立体、时序化的时空信息,为自然资源监测提供统一空间定位的框架和数据底座[1-3]。实景三维完成了对自然资源表达从抽象到真实、从平面到立体、从静态到时序、从按要素分尺度到按实体分精度、从人理解到人机协同理解、从地表到全域的转型升级,可精准监测自然资源要素的类型、面积、范围、分布、变化等情况,实现自然资源监测在新一代地理空间技术上优化升级[4-5]。

随着数字化技术的加速发展,实景三维已成为自然资源管理的一个重要研究方向[6-8]。实景三维在自然资源管理中的应用研究,重点解决自然资源数据无法准确表达各类要素的真实分布情况、空间位置关系及实际属性状态的问题[9-12]。研究人员通过创建自然资源三维立体时空数据模型,精准描绘地上、地表、地下各种类型自然资源的地理空间信息,全方位、立体化地反映所有自然资源要素现状和变化情况,实现各类自然资源调查监测数据的一体化监测、真实化展示和多维度分析[13-16]。

综上,现阶段研究集中在实景三维概念模型对自然资源的表达上,未从自然资源管理的本质需求出发,研究实景三维的价值和作用。本文围绕自然资源监测数据管理和应用需求,探索实景三维基底上的自然资源监测数据实时应用,以期为自然资源管理业务系统高效运行提供新思路。

1 自然资源监测流程

自然资源监测工作在自然资源统一调查监测评价框架下,开展不同资源精细化分类标准研究工作,完成研究区范围内相关监测工作。监测工作流程如图1所示。

图1 监测工作流程

其中,实景三维数据支撑作为自然资源管理的数据基底,实现多个层次实景三维数据的采集与生产;自然资源监测数据采集及建库涵盖自然资源常规监测和专题监测,实现监测成果的数字化融合;应用平台构建包括实景三维服务功能和应用场景,实现自然资源监测成果的多维度、多场景展现。

2 试验过程

江苏省常熟市是典型江南水乡建筑风格的历史文化名城,自然资源丰富,空间分布均衡。试验过程针对监测范围内区域,以国土变更调查成果为底版,以季度为监测频次,统筹利用符合监测时点要求的航天遥感影像,采用实景三维技术手段,开展自然资源相关监测工作。

2.1 实景三维数据基底

试验过程中,实景三维数据采集利用已有DEM与DOM数据资料,应用倾斜摄影测量、机载激光雷达、背包式激光雷达和多波束测深等技术手段,开展自然资源地面水下一体化三维数据采集与模型构建,建立地面水下一体化三维模型,构建实景三维地理场景与地理实体。多源数据采集情况如图2所示。

图2 实景三维数据采集情况

数据采集过程是从地形级、城市级、部件级逐级实现。其中,地形级实景三维主要利用DEM和DOM数据资料,结合多波束测深技术,创建真实的地面水下地理场景;城市级实景三维主要利用倾斜摄影测量技术,构建真实、精确的城市级实景三维场景和部分地理实体;部件级实景三维主要利用激光雷达、几何造型技术,构建高精度的部件级地理实体。建设情况如图3所示。

图3 常熟市实景三维建设情况

2.2 实景三维平台搭建

实景三维平台的技术体系架构涵盖服务器、存储等硬件的设计与部署,系统服务的选择与应用,以及业务应用场景的设计开发与部署。实景三维平台总体架构分为硬件层、数据层、服务层、应用层,如图4所示。

图4 实景三维平台总体架构

其中,硬件层为系统服务平台提供基础的硬件支撑平台,包括系统软件、服务器、网络存储系统等硬件设施;数据层主要实现系统服务平台所有业务资料数据的存储管理,提供访问位于持久化容器中数据的功能;服务层采用的技术架构为浏览器/服务器(B/S)、移动端/服务器(M/S)相结合的混合架构,业务的展示、检索和管理监控等采用SpringBoot B/S架构,实现实景三维切片数据渲染和相关功能;应用层涵盖三维GIS框架、渐进式框架、前端管理库、可视化图表、前端UI框架和网络请求库,实现自然资源管理的应用场景搭建。

2.3 实景三维服务功能

实景三维服务功能以高精度矢量基础地理信息、数字高程模型、数字表面模型为基底,以高分辨率遥感影像为覆盖背景,利用三维空间数据引擎和三维可视化技术,实现对各类自然资源调查监测成果数据的三维立体表达展示。试验过程的实景三维服务功能包含基础模型、实景浏览、常规监测、专题监测等多个三维展示功能,具体功能见表1。

表1 实景三维服务功能

其中,基础模型功能同时展现自然资源场景与自然资源实体,相较于传统二维图斑,三维场景表达自然资源的空间分布更加清晰,三维实体表达自然资源相关属性信息和历史演变情况更加准确;实景浏览功能涵盖路线漫游与区域漫游两个子项,按照指定路线或指定区域,进行三维环绕、近地漫游,直观反馈监测区域地形地貌情况;常规监测功能以监测分析图表叠加实景三维数据基底,展示自然资源监测结果,涵盖地类、面积、空间分布及种植情况等变化情况;专题监测功能围绕生态资源与水环境主题,呈现鱼类、底栖类、鸟类、水生植物、水环境等分布与变化情况。实景三维服务功能如图5所示。

图5 实景三维服务功能

2.4 实景三维应用场景

实景三维应用场景精确、真实、高清地观测相关资源类型、面积、范围、分布,结合多时点多源数据融合,实现自然资源的快速变化发现、成果统计分析及实际应用场景管控的信息化应用管理。试验过程中提供视频监测场景融合、水质监测场景融合、水位预警、虚拟三维体验4个实际应用场景,如图6所示。

图6 实景三维应用场景

其中,视频监控场景融合应用场景以自然资源监测核心数据库为基础集成视频监控,实现区域内自然资源的实时视频监控,为业务审批、执法巡查等应用提供良好支撑;水质监测场景融合应用场景集成分布式多参数水环境监测、实时数据处理传输于一体,实现大范围可视化监测、自适应采集监测区域内水环境监测数据;水位预警系统应用场景由水位计、遥测终端、太阳能供电单元组成,实时记录水位数据,自动上报水位监测预警子系统,实现在线实时水位监测、水位变化曲线展示等;虚拟三维体验应用场景利用大数据量的实景三维数据基底,实现自然资源线上监管及虚拟漫游。

3 结 语

实景三维基底上的自然资源监测工作是在对现有监测工作继承与延续的前提下,按照实际应用场景进行功能升级与重构。通过对应用场景的探索,为自然资源管理、实景三维建设提供相关经验和技术支持。试验探索的相关应用场景,梳理了各类自然资源监测数据成果和实景三维之间的逻辑关系,为形成科学的自然资源管理模式奠定了基础。后续工作会继续依托实景三维中国覆盖成果,推动实景三维与自然资源管理业务之间的深度融合。