三維城市模型精細化生產(chǎn)與地理信息系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

摘 要：針對現(xiàn)有城市模型精細化水平低，無法實現(xiàn)三維立體展示的問題，對三維城市模型精細化生產(chǎn)與地理信息系統(tǒng)進行設(shè)計開發(fā)。對三維城市模型進行分類編碼、采集建模數(shù)據(jù)，使模型制作規(guī)范與精細化，完成三維城市模型精細化生產(chǎn)。通過地理信息系統(tǒng)總體框架設(shè)計、三維信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計和系統(tǒng)功能設(shè)計與開發(fā)，構(gòu)建地理信息系統(tǒng)。建立新系統(tǒng)可以生成更精細化的三維城市模型，為城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：精細化；城市規(guī)劃；三維地理信息系統(tǒng)

中圖分類號：P 208 " 文獻標(biāo)志碼：A

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和進步，未來三維城市模型精細化生產(chǎn)將會朝著更高精度、更高分辨率和更智能化的方向發(fā)展[1]。同時，三維城市模型、城市三維地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃與發(fā)展中所應(yīng)用的范圍也越來越廣，模型與系統(tǒng)集成不僅涉及城市的綜合管理水平，更與城市未來經(jīng)濟發(fā)展和規(guī)劃等工作息息相關(guān)。為滿足城市精細化發(fā)展需求，本文將以此為切入點進行研究。

1 三維城市模型精細化生產(chǎn)

1.1 三維城市模型分類編碼

為保證相關(guān)工作在實施中的規(guī)范性，在建模前，須對三維城市模型進行分類編碼。其中建筑物模型類別和場景分類見表1、表2。

在此基礎(chǔ)上，引進四級編碼形式，對場景模型進行編碼，編碼規(guī)則如圖1所示。

1.2 采集建模數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集是三維城市模型精細化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，主要包括地面測量、遙感影像和地圖數(shù)據(jù)等。地面測量利用激光掃描和GPS測量等方式獲取城市地物的三維坐標(biāo)和紋理信息；遙感影像通過航空攝影和衛(wèi)星遙感等方式獲取城市地物的影像數(shù)據(jù)；地圖數(shù)據(jù)則通過公開地圖API獲取道路和建筑物等基礎(chǔ)地理信息[2]。

完成上述內(nèi)容的設(shè)計后，收集建模中的原始數(shù)據(jù)和資料見表3。

在確定城市建模區(qū)域后，在城市CAD圖紙中，用線條框的方式，圈出建模數(shù)據(jù)的采集范圍，并按照規(guī)范標(biāo)注區(qū)號[3]。對建模數(shù)據(jù)的采集過程進行分類，通?？梢詫⑵浞譃榻ㄖ飻?shù)據(jù)采集和景觀數(shù)據(jù)采集2種，這2種不同的采集作業(yè)流程如圖2所示。

1.3 模型制作與精細化設(shè)計應(yīng)用

完成數(shù)據(jù)采集后，對三維城市模型的紋理進行制作。紋理制作是模型精細化生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，主要包括圖像處理和紋理映射等步驟[4]。圖像處理對采集的紋理數(shù)據(jù)進行預(yù)處理、增強和分割等操作，提取與城市地物相對應(yīng)的紋理特征過程如公式（1）所示。

（1）

式中：δ為與城市地物相對應(yīng)的紋理特征；ti為圖像規(guī)格；te為圖像規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化格式；?t為標(biāo)準(zhǔn)圖像與設(shè)計圖像的差異值；n為圖像修正系數(shù)；Ri為紋理數(shù)據(jù)的分割處理過程；Re為紋理數(shù)據(jù)的增強處理過程；∑R為數(shù)據(jù)處理前與處理后的差異系數(shù)；λc為圖像增強系數(shù)。

在此基礎(chǔ)上，對完成紋理特征提取的地物進行空間映射，空間映射是將紋理特征映射到城市地物的表面，從而形成具有真實感的城市三維模型。映射過程如公式（2）所示。

（2）

式中：x'、y'為空間映射；X'、Y'為映射前的空間數(shù)據(jù)（原始數(shù)據(jù)）；W為線性輸出條件；n為映射次數(shù)；c1、c2為映射維度。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，對模型場景進行搭建與精細化制作[5]。場景搭建是將各單體模型組合成一個完整的城市三維模型的關(guān)鍵步驟，主要包括模型整合和場景優(yōu)化等。模型整合是對各種來源和各種分辨率的單體模型進行整合，形成一個統(tǒng)一坐標(biāo)系下的完整城市三維模型；場景優(yōu)化則是對城市三維模型進行優(yōu)化處理，提高模型的顯示效果和運行效率。通過上述步驟，可制作城市三維城市精細化模型。

完成模型制作后，提出兩個城市三維城市精細化模型制作方法的應(yīng)用案例，以此方式，為模型的推廣應(yīng)用提供技術(shù)支持。

案例1為北京市三維城市模型，精細化生產(chǎn)此模型采用傾斜攝影和激光掃描等技術(shù)，獲取了高精度的地面測量數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)[6]。經(jīng)過對資料進行分析與處理，建立了北京市的地形圖、建筑圖和交通圖，并采用高性能計算和圖形處理技術(shù)，對模型進行快速渲染和可視化。此模型為北京市的規(guī)劃和管理工作提供了重要的數(shù)據(jù)支持，可以幫助決策者更好地了解城市的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

案例2為上海市三維城市模型，精細化生產(chǎn)此模型采用了點云獲取和地圖數(shù)據(jù)等技術(shù)，獲取了上海市的建筑物的幾何特征和紋理信息。對數(shù)據(jù)進行處理和分析，制作上海市的建筑模型和交通模型，并采用智能化的紋理映射技術(shù)，將真實的紋理信息映射到建筑物的表面。此模型為上海市的規(guī)劃和管理工作提供了真實的三維場景，能幫助決策者更好地了解城市的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

2 地理信息系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

2.1 地理信息系統(tǒng)總體框架設(shè)計

將GIS分為運行支持、基礎(chǔ)、平臺、數(shù)據(jù)和應(yīng)用5個層次。支撐層的作用是確保系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫能夠正常運行，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供多種硬件環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)安全保障。在數(shù)據(jù)層面上，有二維或三維數(shù)據(jù)庫，也有多種類型。在平臺層次上，實現(xiàn)了對城市精細化管理的共享和信息服務(wù)。在應(yīng)用層面上，匯聚了包括城市規(guī)劃和管理在內(nèi)的各方面的共享服務(wù)[7]。地理信息系統(tǒng)總體框架如圖3所示。

從應(yīng)用邏輯架構(gòu)的角度對此地理信息系統(tǒng)總體框架進行分析，應(yīng)建立一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和相應(yīng)機制。對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)應(yīng)用前景、后續(xù)的擴展和兼容有決定意義。在地理信息系統(tǒng)的建設(shè)過程中，須將目前的基本數(shù)據(jù)資源狀況和應(yīng)用需求相結(jié)合，制訂一系列適合地方實際的立體技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。無論工程組織，平臺建設(shè)，還是運營管理，都亟需一套保證障數(shù)據(jù)中心高效運行的機制。

2.2 三維信息數(shù)據(jù)庫設(shè)計

系統(tǒng)中的三維信息數(shù)據(jù)庫選用MySQL數(shù)據(jù)庫，方便對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理。數(shù)據(jù)庫主要用于存儲空間物體的3D幾何模型和對應(yīng)的紋理信息，并記錄對應(yīng)關(guān)系。三維信息數(shù)據(jù)概念模型E-R如圖4所示。

利用分層結(jié)構(gòu)組織三維模型，并將城市三維模型以MySQL數(shù)據(jù)庫的形式存儲起來。利用多層次的分層結(jié)構(gòu)，在單一數(shù)據(jù)庫中存儲了細粒度三維模型。此外，將不可再利用的城市3D模型和紋理，拆分為單獨的建筑物模型，并單獨存放在各數(shù)據(jù)中。在此基礎(chǔ)上，對每個模型用到的紋理數(shù)據(jù)進行細致地組織，并將其分別存放在不同的區(qū)域。此方法將三維城市模型和紋理按照區(qū)域劃分為多個子類，并將其存儲在相應(yīng)的子類中。在此基礎(chǔ)上，提出數(shù)據(jù)庫中全部數(shù)據(jù)表格的結(jié)構(gòu)，并給出了表格中的索引信息，見表4。

三維信息數(shù)據(jù)庫的屬性表詳細內(nèi)容見表5。

2.3 系統(tǒng)功能設(shè)計與開發(fā)

通過C/S架構(gòu)開發(fā)系統(tǒng)功能，在系統(tǒng)中設(shè)計漫游瀏覽功能，可通過飛行、駕車和步行等方式實現(xiàn)漫游，用戶也可根據(jù)需要進行自定義。通過鍵盤也可以控制可視圖。當(dāng)測量一個視圖時，因為鼠標(biāo)正在響應(yīng)一個測量的功能，所以不能同時拖曳視圖。當(dāng)被測部位不在視場中時，可通過鍵盤上的方位鍵調(diào)整視場，或通過鍵盤上的AWSD鍵旋轉(zhuǎn)視場。

對空間查詢來說，系統(tǒng)支持可直接選擇場景中的建筑物，顯示其屬性；可選擇定位點，設(shè)定影響區(qū)域，執(zhí)行緩沖查詢，獲取與此區(qū)域相關(guān)的“樓房”“單位”和“道路”等信息；給多個條件定制的進階提供了查詢。分析空間可分為高度、日照、視域以及空間量算。

此系統(tǒng)為設(shè)計者提供分屏可視化的展示方式，使設(shè)計者能在真實的環(huán)境下，利用各種方式（步行、駕車和飛行等），從多個角度觀察設(shè)計者所處的空間形態(tài)。這種沉浸式的、直覺式的互動方式，可以更方便地找出不足之處，并適時地加以修正。

3 結(jié)語

為對此方面內(nèi)容進行深化，提出如下建議：1）加強技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新。積極引入新的技術(shù)和方法，提高三維城市模型的生產(chǎn)效率和城市三維信息系統(tǒng)的構(gòu)建質(zhì)量，例如利用人工智能和機器學(xué)習(xí)等技術(shù)對模型、系統(tǒng)進行自動化構(gòu)建和優(yōu)化等。2）推進數(shù)據(jù)共享和合作。在此基礎(chǔ)上，要加強政府、科研院所和企業(yè)協(xié)作溝通，構(gòu)建健全的信息共享體系，提高信息的使用價值與效率。3）提高模型與系統(tǒng)的智能化水平。在三維城市模型的制作和應(yīng)用中，引入智能感知、智能分析和智能決策等技術(shù)，提高模型的智能化水平，為城市規(guī)劃和管理工作提供更精準(zhǔn)、高效地支持。

三維城市模型精細化生產(chǎn)是未來城市管理和規(guī)劃的重要趨勢之一，對提高城市的管理水平和發(fā)展質(zhì)量具有重要意義。須在后續(xù)的工作中，積極探索和研究三維城市模型、地理信息系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)和應(yīng)用，促進城市的可持續(xù)發(fā)展。

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