基于實(shí)景三維的“透明城市”數(shù)據(jù)資源建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

王穎

(福建省地質(zhì)測繪院，福建 福州 350011)

1 引 言

近年來，我國333個地級市已全部開展數(shù)字城市建設(shè)[1]。數(shù)字城市是利用技術(shù)手段把城市現(xiàn)實(shí)生活中存在的全部內(nèi)容在網(wǎng)絡(luò)上數(shù)字化虛擬實(shí)現(xiàn)[2]，成果應(yīng)用范圍涉及政府管理決策、公共安全、應(yīng)急保障等各個方面，實(shí)現(xiàn)了各類信息互聯(lián)互通，在政府科學(xué)決策、公共服務(wù)、社會管理等方面起到了積極作用。但是，數(shù)字城市建設(shè)主要關(guān)注地面以上的部分，并未體現(xiàn)城市地下空間情況?！巴该鞒鞘小笔堑厣系叵氯臻g域的透明化城市，是“數(shù)字城市”的延伸和拓展。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長和城市的不斷發(fā)展，城市人口也在持續(xù)增加，城市土地資源日益緊缺，各種城市問題也日漸突出，向地下要空間已經(jīng)成為未來城市發(fā)展的必然趨勢。政府和百姓對城市地下空間開發(fā)利用有著迫切的需求，“透明城市”建設(shè)勢在必行。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

2.1 透明城市理論

透明城市的理念最早來源于萊恩·麥克格拉斯撰寫的《城市設(shè)計的數(shù)字建?！罚闹刑岬健?1世紀(jì)國際化和城市化的主流是與網(wǎng)頁或身體體驗(yàn)相關(guān)的可視數(shù)字動畫虛擬漫游。數(shù)字設(shè)計師必須滿足汗牛充棟的大地構(gòu)造學(xué)、功效、基礎(chǔ)設(shè)施以及法律等相關(guān)信息以及來自環(huán)境、工程學(xué)、停車位、結(jié)構(gòu)、機(jī)械、市場、景觀和建筑顧問的文件”。2001年，澳大利亞率先啟動“玻璃地球”計劃。荷蘭、加拿大、英國、法國、德國和美國等多個國家也都將三維地質(zhì)填圖及三維地質(zhì)模型放在了地質(zhì)調(diào)查工作的核心位置。

國內(nèi)專家學(xué)者也開展了透明城市相關(guān)理論的探索和研究，劉曉霞提出基于城建檔案構(gòu)建透明城市，趙婧提出透明性是強(qiáng)調(diào)政府事務(wù)的信息可以自由流通且為公眾所獲得，是城市政府治理實(shí)現(xiàn)善治的一個最基本要素，會促進(jìn)城市政府治理實(shí)現(xiàn)善治。但是這些研究都是理論的探索，并沒有構(gòu)建一個完整的理論體系框架。

2.2 城市三維場景構(gòu)建

近年來，我國地級市已全部開展了數(shù)字城市建設(shè)，多個城市開展了三維城市建設(shè)。根據(jù)建模技術(shù)的不同，城市三維場景構(gòu)建方案主要有：①地上部分，一般采用傾斜攝影、航測等手段對大范圍場景進(jìn)行建模，重點(diǎn)地區(qū)采用人工建模的方法對實(shí)體進(jìn)行建模；②室內(nèi)部分，BIM技術(shù)處于初步發(fā)展階段，少部分建筑建設(shè)了三維室內(nèi)模型；③地下部分，對地質(zhì)構(gòu)造建模方法體系的研究處于起步階段，中國地質(zhì)調(diào)查局以雄安新區(qū)為試點(diǎn)，在此方面進(jìn)行了積極的探索研究。目前，在以下幾個方面缺少關(guān)注：①缺乏對建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造和周邊環(huán)境的通盤了解；②缺乏對水電氣等虛擬對象的建模，無法滿足城市地下空間開發(fā)利用、防災(zāi)減災(zāi)、國土空間規(guī)劃等領(lǐng)域的實(shí)際需求。

2.3 透明城市數(shù)字平臺

自從戈?duì)柼岢鰯?shù)字地球概念以來[3]，越來越多的虛擬地球平臺被開發(fā)出來[4]。虛擬地球作為大規(guī)模數(shù)據(jù)可視化的理想平臺，廣泛應(yīng)用于空間數(shù)據(jù)共享、分析和空間輔助決策支持[5～9]，以及時空場數(shù)據(jù)的共享和分析[10，11]。谷歌地球基于KML提供多種可視化能力，但是KML的可視化能力較弱，很難滿足專業(yè)的可視化需要，如體可視化[12]。WorldWind是另外一個優(yōu)秀的虛擬地球平臺，一些學(xué)者也積極擴(kuò)展WorldWind的時空場數(shù)據(jù)可視化能力[12，13]。國內(nèi)也開發(fā)如超圖軟件、Citymaker軟件和GeoGlobe軟件。但是，這些軟件主要運(yùn)行在客戶端，在瀏覽器端需要插件支持，這些插件大小不一，安全性成為一個問題，而且瀏覽器本身的性能限制了三維系統(tǒng)的交互性。

3 關(guān)鍵技術(shù)

在基于實(shí)景三維的“透明城市”數(shù)據(jù)資源建設(shè)過程中，所涉及的技術(shù)領(lǐng)域廣泛，這里根據(jù)數(shù)據(jù)資源建設(shè)的不同階段，分析總結(jié)了建設(shè)過程中所涉及的主要關(guān)鍵技術(shù)，主要分為以下幾個部分：

3.1 透明城市三維場景構(gòu)建技術(shù)

主要指構(gòu)建地上、地表、地下陸海相連的實(shí)景三維數(shù)據(jù)資源體系。三維場景構(gòu)建技術(shù)主要分為五種表現(xiàn)形式：一是根據(jù)實(shí)地采集的像片結(jié)合建(構(gòu))筑物CAD設(shè)計圖，利用Sketch Up、3ds Max等專業(yè)建模軟件進(jìn)行精細(xì)化建模[14]；二是利用數(shù)字線劃圖產(chǎn)品，根據(jù)地物的高度快速生成三維模型，對生成的模型疊加紋理完成模型構(gòu)建[15]；三是基于數(shù)字近景攝影測量技術(shù)構(gòu)建的高精度模型[16]；四是以三維激光掃描獲取的密集點(diǎn)云構(gòu)建超高精度的三維模型；五是采用地質(zhì)解譯方法，利用Geovia、Micromine等專業(yè)地質(zhì)建模軟件，建設(shè)Geo3DML格式的三維地質(zhì)模型。

3.2 傾斜攝影實(shí)景三維模型單體化技術(shù)

為了對傾斜攝影數(shù)據(jù)進(jìn)行屬性查詢、統(tǒng)計分析等應(yīng)用，需要對傾斜攝影模型進(jìn)行“單體化”操作[17]，數(shù)據(jù)處理過程包括傾斜攝影實(shí)景三維模型紋理和幾何的修復(fù)、傾斜攝影實(shí)景三維模型單體化切割、根據(jù)模型分級制定單體化模型的面數(shù)縮減方案并縮減模型面數(shù)、三維地理信息平臺數(shù)據(jù)集成等處理步驟，從而生成清晰、完整、高效的傾斜攝影實(shí)景三維單體化模型。

3.3 按需服務(wù)的三維場景智能服務(wù)技術(shù)

主要指基于視點(diǎn)的服務(wù)調(diào)度技術(shù)和數(shù)據(jù)紋理雙緩存機(jī)制。基于視點(diǎn)的服務(wù)調(diào)度技術(shù)是基于視點(diǎn)的位置和體塊的大小，確定體數(shù)據(jù)分塊大小，利用四叉樹和R樹索引的場景組織方法，實(shí)時切換多分辨率數(shù)據(jù)塊，實(shí)現(xiàn)不同場景下多分辨率數(shù)據(jù)的可視化、三維場景的快速查詢和檢索。數(shù)據(jù)紋理雙緩存機(jī)制是利用數(shù)據(jù)顯示的關(guān)聯(lián)性，保存最近常用的數(shù)據(jù)，利用最近訪問時間的先后順序更新隊(duì)列，剔除不常用的數(shù)據(jù)。

3.4 基于GPU的大規(guī)模場景渲染技術(shù)

主要指優(yōu)化算法以提高大規(guī)模復(fù)雜場景的渲染效率，比較常用的算法包括遮擋剔除算法、LOD算法、實(shí)例化技術(shù)等以及針對三維地質(zhì)模型的地質(zhì)體快速體渲染和剖面分析算法[18]，基于狀態(tài)樹統(tǒng)一管理整個場景，提高渲染速度。

4 初步建設(shè)成果

本項(xiàng)目以福州市東街口為試點(diǎn)案例區(qū)，建設(shè)了地上地下一體化實(shí)景三維模型，研發(fā)了數(shù)據(jù)資源展示系統(tǒng)，以驗(yàn)證所提出的基于實(shí)景三維的“透明城市”建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)用性。

4.1 試點(diǎn)案例區(qū)情況

福州市東街口是福州城市的核心區(qū)域，各類工程建設(shè)、規(guī)劃利用、城市管理等經(jīng)濟(jì)活動和行政管理較為頻繁，是政府行政管理的焦點(diǎn)區(qū)域。該區(qū)域擁有地下商場、地下停車場、地鐵、管線等豐富的城市地下空間體，并且經(jīng)過城市地調(diào)調(diào)查，掌握了該區(qū)域詳細(xì)的地質(zhì)資料。因此，本項(xiàng)目選擇福州市東街口作為試點(diǎn)案例區(qū)，建設(shè)東街口1 km2范圍內(nèi)的地上地下一體化實(shí)景三維模型。

4.2 數(shù)據(jù)資源建設(shè)成果

以福州市東街口1 km2范圍內(nèi)的區(qū)域作為試點(diǎn)案例區(qū)，建設(shè)三維不動產(chǎn)模型、三維地層模型、三維鉆孔模型、三維地下建(構(gòu))筑物模型、三維地下管線模型、傾斜攝影實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)及單體化模型、360°全景數(shù)據(jù)等地上地下一體化的實(shí)景三維模型，數(shù)據(jù)資源建設(shè)成果如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)資源建設(shè)成果

4.3 數(shù)據(jù)資源展示系統(tǒng)

以現(xiàn)有的三維基礎(chǔ)地理信息平臺自主研發(fā)技術(shù)為基礎(chǔ)，采用B/S架構(gòu)運(yùn)行模式，建設(shè)“透明城市”數(shù)據(jù)資源展示系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地下地上多源多維多種類數(shù)據(jù)資源集成展示，構(gòu)建地上地下一體化的“透明城市”三維場景，提供地上地下室內(nèi)室外多場景的三維瀏覽展示、查詢功能，實(shí)現(xiàn)三維漫游瀏覽、自定義瀏覽熱點(diǎn)、360°全三維場景操作、步行、汽車、飛行等多種方式三維場景模擬瀏覽、海量三維數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)框架圖

本系統(tǒng)由運(yùn)行支撐層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層組成：

(1)運(yùn)行支撐層是本項(xiàng)目運(yùn)行的軟、硬件環(huán)境及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，它是系統(tǒng)建設(shè)的基礎(chǔ)，另外還有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系和安全保障體系等內(nèi)容，它們是整個平臺的支撐與保障。

(2)數(shù)據(jù)層由二三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)構(gòu)成，這些數(shù)據(jù)包括三維地層模型、傾斜攝影三維數(shù)據(jù)、三維建(構(gòu))筑物模型數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、正射影像數(shù)據(jù)等。

(3)應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源展示方面的功能，主要包括：三維瀏覽展示、查詢功能、漫游等，系統(tǒng)功能如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能展示

5 結(jié) 語

基于實(shí)景三維的“透明城市”是實(shí)現(xiàn)城市地上、地下一體化三維“一張圖”集成展示、管理與應(yīng)用，是數(shù)字城市和智慧城市建設(shè)與發(fā)展的必然趨勢，是實(shí)現(xiàn)城市精細(xì)化管理的重要手段。目前，國內(nèi)“透明城市”建設(shè)處于起步階段，其基本理論、指標(biāo)體系、關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用方向等研究處于初步探索階段，本文討論研究了“透明城市”數(shù)據(jù)資源建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，希望對同行有所裨益。