王昌翰

(重慶市勘測院，重慶 400020)

一、引 言

三維模型數(shù)據(jù)作為描述空間地理信息的又一重要數(shù)據(jù)資源，與傳統(tǒng)測繪4D產(chǎn)品相比具有信息量大、直觀生動的特點。以三維模型數(shù)據(jù)為基礎建立的城市三維仿真系統(tǒng)在城市規(guī)劃、應急指揮、房地產(chǎn)開發(fā)、展覽展示等領域有著廣泛的應用。重慶市勘測院在城市三維建模、仿真系統(tǒng)研發(fā)、市場培育及應用推廣方面進行了10多年的實踐，積累了豐富的經(jīng)驗，為全面推廣應用打下了基礎：

1) 人才技術基礎。培養(yǎng)了一批從事數(shù)據(jù)獲取、三維建模、系統(tǒng)開發(fā)與集成的骨干技術力量；編制了適合重慶山地城市特點的地方標準《重慶市城市三維建模技術規(guī)范》；基于開源三維平臺OSG開發(fā)了“山地城市三維仿真系統(tǒng)”，成功解決了海量三維數(shù)據(jù)組織、快速索引查詢、實時瀏覽、二三維集成、行業(yè)應用等關鍵技術問題。

2) 數(shù)據(jù)基礎。1∶500比例尺地形圖覆蓋主城規(guī)劃區(qū)1000 km2，1∶2000數(shù)字線劃圖、數(shù)字高程模型、數(shù)字正射影像圖覆蓋都市區(qū)6000 km2，這些基礎數(shù)據(jù)是建立都市區(qū)三維模型的基礎數(shù)據(jù)；同時，已建立主城核心區(qū)約400 km2建筑物和地形的精細三維模型。

3) 市場及政策基礎。充分發(fā)掘三維技術優(yōu)勢，根據(jù)重慶山地城市特點進行應用開發(fā)。經(jīng)過多年的市場培育和應用推廣，三維仿真技術逐步被工程咨詢、城市規(guī)劃、城市建設管理、城市展覽展示及房地產(chǎn)開發(fā)等行業(yè)部門所接受，也得到各級政府領導的重視。2012年3月，重慶市規(guī)劃局下發(fā)《重慶市規(guī)劃局關于在主城區(qū)試行三維仿真系統(tǒng)輔助建筑規(guī)劃管理的通知》(渝規(guī)發(fā)[2012]19號)，通知要求，自2012年4月1日起，主城區(qū)范圍內(nèi)的建設項目納入三維仿真系統(tǒng)輔助規(guī)劃管理。文件對規(guī)劃決策、建管、竣工規(guī)劃核實等環(huán)節(jié)如何運用三維仿真做出了要求，該通知的出臺對推動三維仿真技術在更大范圍的進一步應用發(fā)揮了重要作用[1]。

二、建設目標及內(nèi)容

1. 建立都市區(qū)三維模型庫

三維模型庫是建立三維仿真平臺的基礎。三維模型庫覆蓋重慶都市區(qū)6000 km2，其中主城區(qū)面積為1100 km2，郊區(qū)面積為4900 km2。三維模型數(shù)據(jù)包括現(xiàn)狀模型和規(guī)劃模型兩種類型，每一類型包括三維數(shù)字地面模型、三維建筑模型、三維路網(wǎng)模型、三維景觀模型等?，F(xiàn)狀三維模型是城市地形地貌及建筑物的現(xiàn)勢反映，規(guī)劃模型是城市設計、建設項目設計成果的三維反映。

2. 搭建基于網(wǎng)絡的城市級三維仿真平臺

平臺提供基于網(wǎng)絡的三維可視化功能，使領導及各政府部門在辦公室可隨時進入三維虛擬環(huán)境，實時了解重慶都市區(qū)的地形地貌及規(guī)劃建設情況，實現(xiàn)網(wǎng)上辦公、查詢、統(tǒng)計分析；通過網(wǎng)絡化的環(huán)境實現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)、更新維護和成果應用發(fā)布等分布式管理。

3. 實現(xiàn)城市三維仿真平臺與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)集成

已建立的城市基礎地理信息系統(tǒng)、規(guī)劃管理系統(tǒng)等具有強大的數(shù)據(jù)管理功能和信息查詢功能，較好地滿足了城市規(guī)劃及管理工作的信息化需要。將三維仿真系統(tǒng)與現(xiàn)有基礎空間數(shù)據(jù)庫、規(guī)劃成果庫有機銜接與相互聯(lián)動，能使三維仿真平臺成為集成各類信息的綜合管理平臺。既發(fā)揮了城市三維仿真系統(tǒng)的三維表現(xiàn)優(yōu)勢，又充分發(fā)揮了已有系統(tǒng)的功能，減少了重復建設。

4. 實現(xiàn)三維規(guī)劃輔助決策與規(guī)劃申批

以三維模型數(shù)據(jù)庫為基礎，結合山地城市規(guī)劃管理的特點和需要，從詳細規(guī)劃設計、項目選址、規(guī)劃報建與審批、建后評價等環(huán)節(jié)，建立具有城市輔助規(guī)劃設計與規(guī)劃審批、規(guī)劃業(yè)務管理功能的規(guī)劃管理與決策系統(tǒng)，在滿足規(guī)劃管理業(yè)務需要的同時，也為重慶市委、市政府進行重大項目論證和決策提供翔實、準確的基礎數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)和優(yōu)化方案，為重大項目的論證和重要問題的決策提供輔助決策支持，從而提高城市規(guī)劃管理和決策的科學性，提高辦事效率。

三、數(shù)據(jù)庫結構

三維模型數(shù)據(jù)庫的總體架構基于面向服務的分層架構設計思想，按數(shù)據(jù)生產(chǎn)、管理、服務、應用相分離的原則，由運行支撐層、數(shù)據(jù)層、服務層等組成，其結構如圖1所示。

圖1 三維模型數(shù)據(jù)庫結構

數(shù)據(jù)層包括三維模型元數(shù)據(jù)庫、三維模型數(shù)據(jù)庫、二維基礎空間數(shù)據(jù)庫和規(guī)劃管理數(shù)據(jù)庫，它是在分服務、分圖層的三維模型數(shù)據(jù)基礎上，根據(jù)在線瀏覽、規(guī)劃方案審批需求，按照統(tǒng)一技術規(guī)范進行整合處理，采用分布式的存儲和管理模式搭建形成的數(shù)據(jù)中心；服務層主要提供二、三維集成聯(lián)動的服務，滿足規(guī)劃局各業(yè)務處室的應用需求；運行支撐層主要包括服務器和存儲備份設備系統(tǒng)、安全保密系統(tǒng)、數(shù)據(jù)集成工具集等硬環(huán)境，以及標準規(guī)范與管理辦法等軟環(huán)境。

四、建設技術路線

1. 模型建庫流程

三維模型數(shù)據(jù)庫建庫工作包括生產(chǎn)、模型檢查、渲染、集成預處理、模型建庫5個環(huán)節(jié)。

1) 模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)。三維模型制作和生產(chǎn)嚴格遵守重慶市地方標準《城市三維建模技術規(guī)范》(DB50/T 393—2011)，包括采用DEM+DOM模式建立的地形模型和采用DLG+現(xiàn)場照片模式建立的精細場景模型兩種。其中采用DEM+DOM模式建立的地形模型按照1∶2000標準分幅組織，原始文件為FLT格式；DLG+現(xiàn)場照片模式建立的精細場景模型包括精細地形、道路、建筑、植被、附屬設施和其他等類別，其模型文件和紋理文件按照控規(guī)組團進行編碼組織。

2) 模型檢查。內(nèi)容包括從模型的完整性和準確性、紋理的正確性、單元接邊的正確性、模型及紋理命名的規(guī)范性等方面進行詳細檢查。

3) 模型渲染。利用3ds Max軟件進行場景燈光設置，形成模型渲染貼圖，通過光照、陰影效果提升模型的真實感，利用OsgExp插件，將渲染后的模型和紋理數(shù)據(jù)導出為OSG格式。

4) 集成預處理。利用自主開發(fā)的數(shù)據(jù)集成工具集處理導出的模型和紋理數(shù)據(jù)。首先根據(jù)模型所在的控規(guī)組團及分區(qū)，自動將模型存放到相應的文件夾；然后批量為模型紋理增加水印，并導出為DDS文件格式。

5) 模型建庫。集成零散的模型文件，并再次檢查模型場景瀏覽效果，將零散的模型文件打包成場景數(shù)據(jù)文件并入庫，然后按類別聚類，建立模型的三維RTree空間索引。

2. 三維模型數(shù)據(jù)建庫建設及更新的體制機制

重慶地形地貌復雜，高樓密集，無論是地形建模還是建筑物建模，相對平原城市技術更復雜、難度更高。因此，建立重慶都市區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫是一項十分復雜、艱巨的工作，資金投入大，生產(chǎn)周期長。經(jīng)過多年的市場推廣及應用實踐，在資金投入方面逐步形成了單位自籌資金、政府投資和建設單位出資相結合的資金保障機制。重慶市勘測院通過自籌資金方式，開展了三維模型數(shù)據(jù)庫建設及平臺搭建的科技攻關、軟件開發(fā)、數(shù)據(jù)加工、標準制定、市場推廣等方面的工作；市規(guī)劃局及區(qū)政府主要對城市規(guī)劃區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫提供資金支持，實現(xiàn)城市三維模型數(shù)據(jù)的全面覆蓋；工程項目建設單位則負責建設區(qū)及周邊三維模型更新的費用，保證三維模型數(shù)據(jù)庫動態(tài)更新。

規(guī)劃行政主管部門對建設項目管理主要通過頒發(fā)“一書三證”實現(xiàn)，一書是指《建設項目選址意見書》，三證指《建設用地規(guī)劃許可證》、《建設工程規(guī)劃許可證》、《建設工程竣工規(guī)劃驗收合格證》?！耙粫C”在規(guī)劃管理工作程序上分別對應建筑工程選址規(guī)劃管理、建設工程用地規(guī)劃管理、建設工程規(guī)劃管理、建設工程竣工核實管理4個環(huán)節(jié)?；谌S模型數(shù)據(jù)庫的三維仿真平臺以這4個環(huán)節(jié)的應用需求為出發(fā)點進行功能開發(fā)，使規(guī)劃管理業(yè)務流程與三維仿真平臺有機融合，實現(xiàn)了三維可視化項目選址及用地管理、工程項目建設方案三維審批和工程項目竣工后三維規(guī)劃核實管理。

基于三維仿真平臺的規(guī)劃行政管理業(yè)務流程如圖2所示。

圖2 基于三維仿真平臺的規(guī)劃行政管理業(yè)務流程

3. 模型細節(jié)程度劃分及覆蓋策略

現(xiàn)實世界復雜多樣，虛擬現(xiàn)實是對現(xiàn)實世界一定程度的抽象，不可能完全模擬現(xiàn)實世界。因此，人們只能從現(xiàn)有技術條件和應用需求出發(fā)，定義三維模型數(shù)據(jù)的內(nèi)容及其抽象程度。地形模型按兩個精度級別表示。中心城區(qū)及規(guī)劃新區(qū)地形采用3ds Max或Creator建模軟件，從1∶500地形圖提取高程點、房屋邊線、水涯線、道路邊線、斜坡坡頂線、斜坡坡腳線、上堡坎線、下堡坎線等數(shù)據(jù)，全人工構建精細路網(wǎng)、橋梁、臺地、陡坎等地形三維模型。中梁山、銅鑼山及郊區(qū)建筑物相對較少，以DEM(2 m×2 m)+DOM(0.2 m分辨率)建立地形三維。建筑物模型按精細模型、一般模型和粗模型3個精度級別建模。歷史文化建筑、雕塑、標志性建筑、別墅、干道兩邊重要建筑、城市重要地段的公共建筑、高度大于100 m的超高層建筑等精細建模，準確測量，并反映建筑主體外輪廓、女兒墻、陽臺、門、窗、屋檐、樓頂造型等；普通建筑、背街等一般建筑按一般模型建模,其陽臺、門、窗、屋檐等用紋理表示，樓頂造型概要建模；郊區(qū)建筑用體塊模型表示，用算法實現(xiàn)批量建立體塊模型。

4. 模型分層

在二維地理信息中，地物要素應進行分層管理，如水系、道路、房屋、注記等。同樣，三維仿真模型在分塊的基礎上也需要按層來管理，一是便于模型數(shù)據(jù)查詢和分析，二是便于場景的調度和管理，實現(xiàn)分層加載。數(shù)據(jù)分層見表1。

表1 三維模型數(shù)據(jù)分層

5. 算法建立體塊模型

重慶都市區(qū)農(nóng)村范圍大，房屋分布散亂，采用人工逐一建模勢必費工費時，從應用需求和生產(chǎn)效率角度出發(fā)，采用算法批量建粗模型是比較合理的選擇。因此，筆者在Visual C++ 6.0 開發(fā)平臺上，基于MFC 框架和三維建模軟件Creator的二次開發(fā)包OpenFlightAPI，批量讀取房屋位置及高程信息，快速構建帶紋理的OpenFlight三維房屋模型。

通過讀取地形圖數(shù)據(jù)中房屋點序列數(shù)據(jù)和有關房屋結構及樓層數(shù)注記，獲取房屋建模所需的底面、結構及樓高，并根據(jù)房屋結構性質，選用合適的房頂形狀和貼圖?；谒惴ń⒌捏w塊模型如圖3所示。

圖3 基于算法建立的體塊模型

6. 模型數(shù)據(jù)的組織

三維模型數(shù)據(jù)通過場景的方式進行組織，為保證三維模型數(shù)據(jù)庫的高效訪問和快速更新，必須對重慶市主城區(qū)三維模型進行分割，形成多個獨立的、小于3 GB的獨立子場景。分割原則為：控制性詳細規(guī)劃覆蓋的區(qū)域，按照控規(guī)范圍進行場景分割；控規(guī)未覆蓋的區(qū)域，按照主城九區(qū)行政區(qū)劃進行場景分割；涉及跨組團和區(qū)劃的長江、嘉陵江和橋梁，單獨建立一個場景[2]。

重慶主城區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫共切割為32個場景，包括22個組團場景、9個區(qū)劃場景和1個跨區(qū)劃的江河橋梁場景。三維仿真平臺在調用三維模型時，可以根據(jù)實際需要，有選擇地加載一個、多個或者全部三維場景。

每個組團包括了多個分區(qū)。對應的每個組團模型場景中，包含地形、房屋及附屬設施、水系及附屬設施、道路及附屬設施、城市附屬設施5個圖層。

對于跨組團和區(qū)劃的長江、嘉陵江和橋梁，單獨建立一個場景進行管理。該場景包括兩個圖層：江河和橋梁。

組團分區(qū)數(shù)據(jù)組織如圖4所示。

圖4 組團分區(qū)數(shù)據(jù)組織

7. 三維引擎開發(fā)

三維引擎是三維仿真平臺的核心，采用基于開源渲染引擎OpenSceneGraph設計，主要涵蓋圖層管理、動態(tài)加載、紋理LOD和空間索引、空間分析等功能?；A數(shù)據(jù)庫采用大型數(shù)據(jù)庫Oracle9.0，通過Esri公司的ArcSDE技術直接訪問，開發(fā)環(huán)境是Vistual Studio 2005。三維仿真引擎的主要實現(xiàn)功能有顯示場景分塊、場景動態(tài)加載、多級紋理、空間索引等[3]。

重慶渝中半島三維模型集成效果如圖5所示。

圖5 重慶渝中半島三維模型集成效果

五、結束語

三維模型數(shù)據(jù)庫是建立三維仿真平臺的基礎。經(jīng)過多年理論研究和應用實踐，重慶已建立了覆蓋都市區(qū)400 km2的三維模型數(shù)據(jù)庫，并在此基礎上建立了重慶三維仿真基礎平臺。平臺在城鄉(xiāng)規(guī)劃設計、規(guī)劃管理、方案審批、工程建設咨詢、招商引資和形象宣傳方面發(fā)揮了十分重要的作用，得到業(yè)務人員及各級領導的認可。目前，重慶三維模型數(shù)據(jù)庫建設及基于三維模型數(shù)據(jù)庫的三維仿真平臺建設進入良性發(fā)展的時期，應用前景十分廣闊。首先在管理方面，重慶已將大范圍三維模型數(shù)據(jù)作為基礎空間數(shù)據(jù)的一部分納入常態(tài)化的生產(chǎn)、建庫和更新，形成了比較穩(wěn)定的投入機制；其次，較好地解決了三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)、建庫、平臺搭建及應用的眾多關鍵技術，為平臺的可持續(xù)發(fā)展打下了堅實的基礎。

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