礦區(qū)城市“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)構(gòu)建

王曉莉

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局 地理信息中心，山西 太原030045)

0 引言

要加快“數(shù)字中國”的建設(shè)步伐，重點是加快“數(shù)字城市”建設(shè)步伐，全面完成全國地級城市以及有條件的縣級城市的“數(shù)字城市”建設(shè)，為構(gòu)建“智慧中國”奠定基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)一些高校、科研機構(gòu)開始著手數(shù)字城市的理論研究和系統(tǒng)開發(fā)工作，并取得一定進展。

汾西礦業(yè)集團公司為滿足自身的經(jīng)濟建設(shè)及發(fā)展，開展了汾西礦業(yè)集團公司介休地區(qū)基礎(chǔ)航空攝影，獲取了基礎(chǔ)地理信息的遙感資料，測制了國家基本比例尺地圖、影像圖和數(shù)字化產(chǎn)品，建立了新時代背景下的介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)，實現(xiàn)了航空攝影—測繪產(chǎn)品—三維地理信息系統(tǒng)一站式的新時代測繪產(chǎn)業(yè)鏈模式。其中，測繪為數(shù)字城市提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，數(shù)字城市則高效、全方位地充分利用了測繪數(shù)據(jù)并在測繪數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合其他地理屬性信息。

1 技術(shù)路線

1.1 總體技術(shù)路線

首先完成礦區(qū)E 級GPS 控制網(wǎng)建立，再以低空無人機航空攝影方式獲取礦區(qū)全要素數(shù)字地形圖(DLG)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字地形模型(DEM)、城市三維景觀模型等空間定位的基本信息數(shù)據(jù)，利用Visual Studio. Net 作為開發(fā)工具、C#作為開發(fā)語言，對當(dāng)前最先進的虛擬現(xiàn)實三維GIS 平臺Skyline進行二次開發(fā)，建立介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)平臺?？偟募夹g(shù)路線流程如圖1 所示。

圖1 總體技術(shù)路線流程圖

1.2 技術(shù)依據(jù)

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980 西安坐標(biāo)系。高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。為了保證汾西礦業(yè)集團公司介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)構(gòu)建工程建立在國家統(tǒng)一的測繪基準(zhǔn)和測繪系統(tǒng)上，其成果符合國家測繪產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的要求，生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行的有關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要有:《數(shù)字城市地理空間信息公共平臺技術(shù)規(guī)范》(CH/Z 9001 -2007);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影規(guī)范》(GB/T 6962 -2005);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(GB/T 7931 -2008);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930 -2008);《城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 100);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖圖式》(GB/T 20257.1 -2007);《1 ∶5 000、1 ∶10 000 地形圖圖式》(GB/T 20257.2 -2006);《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314 -2009);《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》(CJJ_預(yù)標(biāo)準(zhǔn))。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取

近些年來，低空無人機測繪航空攝影系統(tǒng)實現(xiàn)了低空航空攝影所獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，經(jīng)眾多科技人員和生產(chǎn)單位的研究與生產(chǎn)實踐［5-7］，證實這種技術(shù)方式能滿足區(qū)域大比例尺DOM、DEM、DLG 數(shù)字產(chǎn)品快速生產(chǎn)的需求。采用無人機低空航攝系統(tǒng)進行區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取時，應(yīng)注意以下幾個方面。

1)航空攝影影像應(yīng)清晰、層次豐富、反差適中、彩色色調(diào)柔和鮮艷、均勻，相同地物的色彩基本一致。太陽高度角的選擇應(yīng)保證陰影不大于2 倍。

2)航攝像片平面控制點和平高控制點相對鄰近基礎(chǔ)控制點的平面位置中誤差應(yīng)不超過地物點平面位置中誤差的1/5;高程控制點和平高控制點相對鄰近基礎(chǔ)控制點的高程中誤差應(yīng)不大于1/10 等高距。

3)外業(yè)調(diào)繪采用先室內(nèi)判讀、立體測圖，后野外檢核和調(diào)查，再室內(nèi)修改和補充調(diào)繪的方法。嚴格依據(jù)實際地形地貌地物，走到、看到、量到、問清、繪準(zhǔn)，判讀準(zhǔn)確，描繪清楚，符號運用恰當(dāng)，各種注記準(zhǔn)確無誤。

2.2 三維建模技術(shù)

三維建模采用的軟件是美國歐特克公司的三維建模軟件3ds max 2012，建模方式為建筑物外表面的幾何結(jié)構(gòu)建模，用模型和貼圖表現(xiàn)大量的實體幾何結(jié)構(gòu)。

根據(jù)測區(qū)1 ∶1 000 地形圖和1 ∶5 000 地形圖進行模型大小及位置定位，將CAD 電子圖導(dǎo)入3ds max ，在線劃圖的基礎(chǔ)上對建筑物、道路、街塊等重新描繪，最后再利用描好的輪廓線立體建模。

三維模型包括地形模型、建筑模型、交通設(shè)施模型、綠化模型以及其他模型等，各類模型按照表現(xiàn)細節(jié)的不同可分為LOD1、LOD2、LOD3、LOD4 四個細節(jié)層次，按照表1 的規(guī)定確定。

表1 模型分類與細節(jié)層次

其中，對不同細節(jié)層次地形模型的規(guī)定如下:①地形模型LOD1 應(yīng)為反映地形起伏特征的幾何模型。②地形模型LOD2應(yīng)為反映地形起伏特征和地表影像的模型。③地形模型LOD3應(yīng)為反映地形起伏特征、地表形態(tài)及其影像的模型。④地形模型LOD4 應(yīng)為逼真反映地形起伏特征和地表形態(tài)的模型。

3 成果評價

3.1 三維模型評價

建筑模型均為精細模型，其基底輪廓線使用1 ∶1 000 比例尺地形圖中建筑物的基底輪廓線直接生成，并與地形圖保持一致。其立體屋頂、凹凸的陽臺、一樓突出門廳等幾何結(jié)構(gòu)均用幾何實體表現(xiàn)，能精確反映建筑的立面、屋頂結(jié)構(gòu)形式等細節(jié)。

精細模型使用的紋理材質(zhì)均與建筑外觀保持一致，可實際反映出紋理的實際圖案、顏色、透明度等，可區(qū)別出磚、木頭、玻璃等不同質(zhì)地。紋理中沒有包含建模物體以外的物體。

標(biāo)準(zhǔn)模型中使用的紋理的圖案、顏色等均與建筑外觀一致?？蓽?zhǔn)確表現(xiàn)建筑物的幾何實體結(jié)構(gòu)，部分實體結(jié)構(gòu)被忽略但不影響建筑物的真實性。小區(qū)居民樓一些小的角頂、凹凸的陽臺，一樓突出的門廳等幾何結(jié)構(gòu)采用貼圖表現(xiàn)。

3.2 三維地理信息系統(tǒng)評價

介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)采用網(wǎng)頁形式打開，經(jīng)測試該系統(tǒng)在IE8 或IE9 瀏覽器中均可正常打開。系統(tǒng)采用流處理方式加載場景模型，經(jīng)過反復(fù)測試，場景模型的塊流出寬度為1 200 m 左右，在視點小于3 500 m 時顯示場景模型，模型由遠到近時顯示不同精度的紋理，當(dāng)視點小于100 m 時顯示最清晰的紋理。

系統(tǒng)可實現(xiàn)360°全方位自由漫游，可通過鼠標(biāo)滾輪實現(xiàn)前進后退和旋轉(zhuǎn)視角，也可通過鍵盤快捷鍵來控制漫游。系統(tǒng)在正常使用時會占用大量電腦資源，但不會有系統(tǒng)崩潰等內(nèi)存溢出問題，可正常持久運行。

系統(tǒng)界面及部分場景如圖2、圖3 所示。

圖2 介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

數(shù)字化是一種先進的生產(chǎn)力，如“數(shù)字北京”“數(shù)字太原”“數(shù)字奧運”等都會提升整體的城市形象及國家形象，汾西礦業(yè)集團公司介休地區(qū)數(shù)字化標(biāo)志著汾西礦業(yè)集團公司新時代的形象，標(biāo)志著汾西礦業(yè)集團公司的精神文明和物質(zhì)文明的建設(shè)走在了信息化時代的前端。在當(dāng)前階段所實現(xiàn)的介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)，可作為企業(yè)內(nèi)員工和社會各界人士對汾西礦業(yè)集團公司進行了解的平臺和汾西礦業(yè)集團公司對外的企業(yè)名片，為企業(yè)的管理和發(fā)展提供了革命性的手段。

圖3 介休地區(qū)三維地理信息系統(tǒng)部分場景

但是，現(xiàn)有成果仍然有很多不足之處，應(yīng)做更進一步的研究工作，具體如下。

1)在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，加入各種地面監(jiān)控等硬件設(shè)備的實時信息，建立一個完善的三維地面監(jiān)管系統(tǒng)。

2)并入煤炭集團下屬各煤礦企業(yè)的地面、地下三維系統(tǒng)，最終建立一個包括地面信息、煤層、巷道、井下運輸、供電、通風(fēng)、防塵、避災(zāi)路線、抗災(zāi)路線、生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)測監(jiān)控、安全管理、設(shè)備管理等信息層的三維空間信息管理平臺。

3)結(jié)合地下管線、規(guī)劃、土地、綠化、道路、環(huán)境、經(jīng)濟、開發(fā)、房地產(chǎn)、人口、商業(yè)、工礦企業(yè)、電訊、電力等所關(guān)心的信息，建立數(shù)據(jù)庫，進而建立各種信息管理系統(tǒng)和監(jiān)控與決策系統(tǒng)，如綜合市情系統(tǒng)，企業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)、土地管理系統(tǒng)等等。

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