三维城市模型精细化生产与地理信息系统设计开发

摘 要：针对现有城市模型精细化水平低，无法实现三维立体展示的问题，对三维城市模型精细化生产与地理信息系统进行设计开发。对三维城市模型进行分类编码、采集建模数据，使模型制作规范与精细化，完成三维城市模型精细化生产。通过地理信息系统总体框架设计、三维信息数据库设计和系统功能设计与开发，构建地理信息系统。建立新系统可以生成更精细化的三维城市模型，为城市建设提供技术支撑。

关键词：精细化；城市规划；三维地理信息系统

中图分类号：P 208 " 文献标志码：A

随着技术的不断发展和进步，未来三维城市模型精细化生产将会朝着更高精度、更高分辨率和更智能化的方向发展[1]。同时，三维城市模型、城市三维地理信息系统在城市规划与发展中所应用的范围也越来越广，模型与系统集成不仅涉及城市的综合管理水平，更与城市未来经济发展和规划等工作息息相关。为满足城市精细化发展需求，本文将以此为切入点进行研究。

1 三维城市模型精细化生产

1.1 三维城市模型分类编码

为保证相关工作在实施中的规范性，在建模前，须对三维城市模型进行分类编码。其中建筑物模型类别和场景分类见表1、表2。

在此基础上，引进四级编码形式，对场景模型进行编码，编码规则如图1所示。

1.2 采集建模数据

数据采集是三维城市模型精细化生产的基础，主要包括地面测量、遥感影像和地图数据等。地面测量利用激光扫描和GPS测量等方式获取城市地物的三维坐标和纹理信息；遥感影像通过航空摄影和卫星遥感等方式获取城市地物的影像数据；地图数据则通过公开地图API获取道路和建筑物等基础地理信息[2]。

完成上述内容的设计后，收集建模中的原始数据和资料见表3。

在确定城市建模区域后，在城市CAD图纸中，用线条框的方式，圈出建模数据的采集范围，并按照规范标注区号[3]。对建模数据的采集过程进行分类，通常可以将其分为建筑物数据采集和景观数据采集2种，这2种不同的采集作业流程如图2所示。

1.3 模型制作与精细化设计应用

完成数据采集后，对三维城市模型的纹理进行制作。纹理制作是模型精细化生产的重要环节，主要包括图像处理和纹理映射等步骤[4]。图像处理对采集的纹理数据进行预处理、增强和分割等操作，提取与城市地物相对应的纹理特征过程如公式（1）所示。

（1）

式中：δ为与城市地物相对应的纹理特征；ti为图像规格；te为图像规格标准化格式；∆t为标准图像与设计图像的差异值；n为图像修正系数；Ri为纹理数据的分割处理过程；Re为纹理数据的增强处理过程；∑R为数据处理前与处理后的差异系数；λc为图像增强系数。

在此基础上，对完成纹理特征提取的地物进行空间映射，空间映射是将纹理特征映射到城市地物的表面，从而形成具有真实感的城市三维模型。映射过程如公式（2）所示。

（2）

式中：x'、y'为空间映射；X'、Y'为映射前的空间数据（原始数据）；W为线性输出条件；n为映射次数；c1、c2为映射维度。

在上述内容的基础上，对模型场景进行搭建与精细化制作[5]。场景搭建是将各单体模型组合成一个完整的城市三维模型的关键步骤，主要包括模型整合和场景优化等。模型整合是对各种来源和各种分辨率的单体模型进行整合，形成一个统一坐标系下的完整城市三维模型；场景优化则是对城市三维模型进行优化处理，提高模型的显示效果和运行效率。通过上述步骤，可制作城市三维城市精细化模型。

完成模型制作后，提出两个城市三维城市精细化模型制作方法的应用案例，以此方式，为模型的推广应用提供技术支持。

案例1为北京市三维城市模型，精细化生产此模型采用倾斜摄影和激光扫描等技术，获取了高精度的地面测量数据和遥感影像数据[6]。经过对资料进行分析与处理，建立了北京市的地形图、建筑图和交通图，并采用高性能计算和图形处理技术，对模型进行快速渲染和可视化。此模型为北京市的规划和管理工作提供了重要的数据支持，可以帮助决策者更好地了解城市的现状和发展趋势。

案例2为上海市三维城市模型，精细化生产此模型采用了点云获取和地图数据等技术，获取了上海市的建筑物的几何特征和纹理信息。对数据进行处理和分析，制作上海市的建筑模型和交通模型，并采用智能化的纹理映射技术，将真实的纹理信息映射到建筑物的表面。此模型为上海市的规划和管理工作提供了真实的三维场景，能帮助决策者更好地了解城市的现状和发展趋势。

2 地理信息系统设计开发

2.1 地理信息系统总体框架设计

将GIS分为运行支持、基础、平台、数据和应用5个层次。支撑层的作用是确保系统数据库能够正常运行，为系统数据库提供多种硬件环境和网络安全保障。在数据层面上，有二维或三维数据库，也有多种类型。在平台层次上，实现了对城市精细化管理的共享和信息服务。在应用层面上，汇聚了包括城市规划和管理在内的各方面的共享服务[7]。地理信息系统总体框架如图3所示。

从应用逻辑架构的角度对此地理信息系统总体框架进行分析，应建立一套标准规范和相应机制。对各业务系统应用前景、后续的扩展和兼容有决定意义。在地理信息系统的建设过程中，须将目前的基本数据资源状况和应用需求相结合，制订一系列适合地方实际的立体技术标准。无论工程组织，平台建设，还是运营管理，都亟需一套保证障数据中心高效运行的机制。

2.2 三维信息数据库设计

系统中的三维信息数据库选用MySQL数据库，方便对数据库进行统一管理。数据库主要用于存储空间物体的3D几何模型和对应的纹理信息，并记录对应关系。三维信息数据概念模型E-R如图4所示。

利用分层结构组织三维模型，并将城市三维模型以MySQL数据库的形式存储起来。利用多层次的分层结构，在单一数据库中存储了细粒度三维模型。此外，将不可再利用的城市3D模型和纹理，拆分为单独的建筑物模型，并单独存放在各数据中。在此基础上，对每个模型用到的纹理数据进行细致地组织，并将其分别存放在不同的区域。此方法将三维城市模型和纹理按照区域划分为多个子类，并将其存储在相应的子类中。在此基础上，提出数据库中全部数据表格的结构，并给出了表格中的索引信息，见表4。

三维信息数据库的属性表详细内容见表5。

2.3 系统功能设计与开发

通过C/S架构开发系统功能，在系统中设计漫游浏览功能，可通过飞行、驾车和步行等方式实现漫游，用户也可根据需要进行自定义。通过键盘也可以控制可视图。当测量一个视图时，因为鼠标正在响应一个测量的功能，所以不能同时拖曳视图。当被测部位不在视场中时，可通过键盘上的方位键调整视场，或通过键盘上的AWSD键旋转视场。

对空间查询来说，系统支持可直接选择场景中的建筑物，显示其属性；可选择定位点，设定影响区域，执行缓冲查询，获取与此区域相关的“楼房”“单位”和“道路”等信息；给多个条件定制的进阶提供了查询。分析空间可分为高度、日照、视域以及空间量算。

此系统为设计者提供分屏可视化的展示方式，使设计者能在真实的环境下，利用各种方式（步行、驾车和飞行等），从多个角度观察设计者所处的空间形态。这种沉浸式的、直觉式的互动方式，可以更方便地找出不足之处，并适时地加以修正。

3 结语

为对此方面内容进行深化，提出如下建议：1）加强技术研发和创新。积极引入新的技术和方法，提高三维城市模型的生产效率和城市三维信息系统的构建质量，例如利用人工智能和机器学习等技术对模型、系统进行自动化构建和优化等。2）推进数据共享和合作。在此基础上，要加强政府、科研院所和企业协作沟通，构建健全的信息共享体系，提高信息的使用价值与效率。3）提高模型与系统的智能化水平。在三维城市模型的制作和应用中，引入智能感知、智能分析和智能决策等技术，提高模型的智能化水平，为城市规划和管理工作提供更精准、高效地支持。

三维城市模型精细化生产是未来城市管理和规划的重要趋势之一，对提高城市的管理水平和发展质量具有重要意义。须在后续的工作中，积极探索和研究三维城市模型、地理信息系统的相关技术和应用，促进城市的可持续发展。

参考文献

[1]赵宁，张磊.物企供应商精细化管理探索及思考—以亦庄城市服务集团为例[J].城市开发，2023（8）：96-97.

[2]顾心怡.健康中国视域下超大城市社区健康精细化治理研究[J].住宅与房地产，2023（22）：65-67.

[3]刘贵文，黄若鹏，符馨月.城市更新破局之思—从“大修大改”到“空间精细化管理”[J].城市发展研究，2023，30（7）：73-78.

[4]姜沄汐，王玉军，许俊涛.城市公园精细化管理模式浅谈—以成都市浣花溪公园为例[J].未来城市设计与运营，2023（7）：33-35.

[5]陈睿智，何强，侯利钦，等.“双碳”目标下城市自生植物立体绿化精细化管控方法研究[J].低碳世界，2023，13（7）：70-72.

[6]陈忠明.无锡市：以“智”促“治”助力城市精细化管理“加速跑”[J].城乡建设，2023（13）：57-58.

[7]徐立娟，董开栋，魏素贞.完善体制机制创新智慧管理—山东省临沂市持续提升城市管理规范化精细化水平纪实[J].城市管理与科技，2023，24（3）：22-23，31.