实景三维城市建设的探索与应用

李国柱

（徐州市勘察测绘研究院有限公司，江苏徐州 221000）

1 徐州市三维城市建设概况

徐州市三维基础地理信息系统平台建设分为两部分：一是系统建设。该项工作从2008 年开始，主要完成了徐州市三维基础地理信息系统和徐州市综合地下管线三维信息管理系统的建设。二是数据建设。分为两个阶段，第一阶段已于2012年6 月结束，主要完成了市中心区20 km2和新城区近60 km2的精细三维模型制作及主要景点、公园、道路的全要素精细建模，其成果由专家组进行了验收，专家组一致认为该成果达到了国内先进水平。随着城市框架不断拉大，为了更好地服务于城市规划、建设和管理，为其提供良好的数据支撑，2012 年10月开始，徐州市勘察测绘研究院决定在一期和新城区已有数据建设的基础上完成徐州市中心城区约111 km2的DEM、DOM 制作，93 km2（包含一期）真正射影像及三维模型生产，全市450 km2内长度约为6 615 km 的综合地下管线三维模型生成、三维数据入库及所有场景的整合与发布任务。

2 徐州市城市空间三维信息模型系统

项目主要工作内容包括：制作数字高程模型（DEM）、数字正射影像图（DOM）、真正射影像图、城市三维建模、道路制作、管线三维模型数据生产以及对一期城市中心区19 km2的重点模型数据效果优化。

2.1 总体架构设计

现阶段，徐州市三维实景城市建设的空间模型主体框架主要包括对数据、服务、应用以及主体支持4 层设计，其中数据层设计主要包括徐州市基础地理信息库数据以及其相对应的业务管理数据和三维实景专题数据组成，在运行的过程中数据层主要为系统提供基础数据支持。同时，基于三维实景信息平台功能设计，工程技术人员以徐州市城市三维数据为依据，实现了三维平台服务层的创建，其主要应用于对城市三维数据及相对应空间模型的分析，科学实现了城市范围空间数据的有效管控。应用层设计是在服务层功能的基础上，实现对徐州市城市三维数据在查询、设计、联通、管控方面的应用，为更多社会群体应用此功能提供了相应的功能模块。最后，主体框架中支持层的设计，主要是由主体系统运行过程中的服务器、存储基础、GIS 平台、三维数据库等相关基础设施组成。

2.2 多源数据融合,搭建实景三维“一张图”

工程技术人员依据三维数据的融合研发，打造了基于主体框架之上的多维数据管控系统，其原理是通过各类三维数据的融合，结合其一体化的管理理念和空间化、可视化的技术，实现对三维数据的模拟化，通过图像形式的呈现，实现对数据、图像及实景空间的多维一体化创设，通过这种立体三维实景模型的模式，广泛应用于城市建设诸多场景之中。

2.2.1 三维建筑模型数据

第一，覆盖范围广。本次三维建筑模型数据的采集覆盖了徐州市大面积范围的城区和建成区，工程技术人员采用无人机倾斜摄影技术和激光点云技术，实现了全自动化的三维数据建模生产，同时运用相应的三维数据算法，高效生成了精准度高且运算精准的三维数据，与此同时，技术人员注重对沿街建筑在平面和高程方面的精度数据采集，以此来规避后续模型可能发生的建筑纹理缺失现象，保障数据及后续模型的精准性，同时，针对纹理缺失问题，工程技术人员会通过地面采集的方式及时进行数据的更新和补充。另外，针对建筑纹理、高程等方面的数据采集，工程技术人员通常通过人工形式进行数据收集，再将收集到的数据进行分析，从而生成三维建模模型，在模型最终成型之前，工程技术人员会针对相应的参数，对模型数据进行精改和更新，让最终呈现出的模型效果更为逼真和符合现实情况。现阶段，徐州市实景三维城市建设的简模覆盖市域约13 000 km2。通常情况下，技术人员会结合对实际的城市房屋矢量数据面的参数计算，实现其建模数据的收集和生成，在模型成像的过程中，技术人员会结合固定太阳照射角度的状态，模拟建筑纹理的呈现，为模型图像中不同层面和不同角度的墙面以不同的纹理和明暗度，实现三维创设场景中建筑物的明暗表达和呈现，进一步提升模型的可视化效果，提升城市三维模拟系统的功能。

第二，数据质量高。随着实景三维城市建模体量和内容的不断增长，技术人员针对其原始数据的采集及分析要求也愈发提高。结合徐州市实景三维城市建设的实际情况，工程技术人员对城市建模质量的优化方面进行了大量的探索研究，其中包括建筑纹理、面数、建筑物分栋呈现可视化效果、模型拓扑关系运算、建模纹理应用率、建模分辨率等方面的探究，依据其实景三维城市建设相关建设质量标准，进行了一系列的优化及革新措施，从根本上提升了实景三维数据的质量。同时，确保了实景三维数据的应用价值，保证了后续城市实景三维建设模型打造的整体效果，进一步满足了工程设计人员对三维模型呈现效果的满意度[1]。

2.2.2 其他基础空间数据

现阶段，已接入了高精度数字化高程模型影像数据，以及全市400 余万条房屋面数据和上百余万条的POI 数据。

2.2.3 地下管网数据

徐州市境内地下综合管线及相应的管线设备数据已经得到全方位的规划整合，其中包括给排水、燃气、通信和电力供应方面的管线布置以及相应的管线数据，在实景三维城市建设体系中，地下管线数据的整合，对于三维实景数据一体化的管控及收集具有重要意义。

2.2.4 自然资源相关数据

徐州市城市区域内的国土资源分布规划以及其空间规划数据、社区房产减灾数据、矿产资源数据、地质情况数据等现已实现了一体化的数据整合，为后续的自然资源相关数据的综合管控和三维化提供了依据[2]。

2.2.5 其他行业专项数据

其他行业的专项数据整合包括了医疗、教育、公共设施等相关专题数据，工程技术人员通过对此类专题数据与IOT 数据的联合接入，进一步充实并满足了实景三维数据体系的发展需求。

2.3 系统功能

2.3.1 基础功能

现阶段，徐州市打造的实景三维系统平台支持数据成像、三维测量、图像测绘、数据查询、场景转换等方面的基础功能，工程技术人员通过对三维平台前端GPU 的运行建设，进一步研发出了三维数据平台在坡度坡向、建筑淹没、建筑挖填、建筑盒子裁剪等方面的三维数据功能。

2.3.2 空间分析功能

一是坡度坡向分析。工程技术人员基于实景三维中的DEM 数据，绘制出一个专门的系统空间区域，并依据此区域计算出三维场景中相关地形的坡度和坡向。

二是建筑淹没分析。工程技术人员基于建筑物绘制三维模拟场景，并进行相关建筑的模拟分析。通过动态模拟技术模拟三维空间内相应水位的高程涨幅，及其最大高程淹没情况，再通过数据分析，依据三维模拟图像，计算出实际建筑场景中区域水位上涨时可能出现的淹没情况。

三是建筑填挖方分析。同样，基于三维模拟场景中的DEM 数据，工程技术人员首先对相应的场景进行三维数据分析，并绘制出相应的建筑填挖方分析图，并依据其相应的参数，打造建筑填挖方动态模型，通过模型计量，测算出工程挖方量及填方量等。

四是建筑盒子裁剪。所谓建筑盒子裁剪，是指工程技术人员会首先在建筑三维模型空间中绘制出一个裁剪盒子，然后通过比对盒子的长、宽、高以及相对应的旋转角度等参数，加之裁剪分析，得出不同角度相应建筑模型在不同视角下的呈现情况[3]。

2.3.3 应用探索功能

工程技术人员运用“多测合一”的数据思维，进一步创新徐州市实景三维城市建设在模型建构方面的高效运算法则，现阶段所打造的实景三维数据平台不仅可以高效生成精确的三维数据，且通过相应数据得到的三维模拟成像可支持各类数据的挂接运用，其中的数据库技术可实现各类数据的分层处理及存储，同时工程技术人员还可以将数据端口关联相应的单位平台，帮助个体实现其对应的功能用途，例如，查询、注册等功能模块，另外，工程技术人员通过城市POI 等多类别数据的运用，可进一步完善建筑三维数据的精细化管控。同时，工程技术人员还可以通过GIS 插件技术，将实景三维数据服务端口接入相应的功能引擎，这种方法多适用于三维环境创设美化方面，通过GIS 技术接入相应的引擎进一步提升三维场景的美观度，使三维场景的呈现效果更加完善。

3 多场景应用实践

3.1 支持规划与自然资源管理业务应用

3.1.1 规划专题展示

现阶段，在徐州市城市实景三维建设的过程中，结合各类国土空间规划标准和专项数据分析可知，其中的专题展示主要包括对城市空间指标在宏观及微观层面的展示分析。例如，通过实景三维技术，可更为便捷地查询到城市区域内相关地块的蕴含信息，其包括地铁线路、人文景观、城市经济指标、自然资源及矿产、防震救灾等相关专题的信息等，通过实景三维技术，可以为后续城市相关产业的发展提供相应的数据支持[4]。

3.1.2 三维管网展示

所谓三维管线展示，是指通过实景三维技术实现对徐州市区内整体管线的三维化管控。其中包括对管网的查询定位、分布及距离设置等，工程技术人员可通过三维模拟技术绘制出指定三维空间区域内对应实际管线的开挖量，并对其数据进行分析整合，依据实际管线的类型、材质、分布等参数，按照其实际情况进行统筹运算，并通过运算结果进行模拟展示[5]。

3.1.3 矿产资源管理

通过城市区域内矿产资源的实际分布情况，工程人员结合其相应的参数，可实现对三维模拟图像的呈现。同时，将所呈现出的数据整合到实景三维城市建设系统平台中，通过其与实际建筑物模型的比对重叠分析，形成相对应的三维地质体数据，通过对数据的运算操作，技术人员可针对矿产资源在爆破、开挖、采集、钻孔等方面的施工作业进行模拟。

3.2 支持其他行业管理业务应用

3.2.1 城市形象展示及城市治理应用

通过实景三维技术直观化、立体化和可视化的成像效果，可以整体呈现徐州市独具内涵的城市形象。同时，技术人员可以实景三维模拟技术为依据，结合城市治理管控相关业务，将两者之间建立数据联系，通过强大的三维实景数据分析，实现城市管控整体的智慧化[6]。

3.2.2 助力智慧化市建设

技术人员首先可通过GIS 技术手段，结合实景三维场景模拟技术，实现可视化的数据呈现效果，同时，通过数据库技术，可分层处理各类数据信息，提升城市公共信息的共享效率，通过各类功能模块的设置，可满足不同用户对于不同功能的需求，提升城市整体的智慧化建设水平。

4 结语

综上所述，实景三维城市建设顺应未来城市的发展趋势，相关技术人员要做好实景三维城市建设的探索及应用技术的研发，助力后续实景三维城市对社会经济发展做出的贡献，推进我国实景三维行业的稳步发展。