面向规划管理的重庆都市区三维模型数据库建设

王昌翰

(重庆市勘测院，重庆 400020)

一、引 言

三维模型数据作为描述空间地理信息的又一重要数据资源，与传统测绘4D产品相比具有信息量大、直观生动的特点。以三维模型数据为基础建立的城市三维仿真系统在城市规划、应急指挥、房地产开发、展览展示等领域有着广泛的应用。重庆市勘测院在城市三维建模、仿真系统研发、市场培育及应用推广方面进行了10多年的实践，积累了丰富的经验，为全面推广应用打下了基础：

1) 人才技术基础。培养了一批从事数据获取、三维建模、系统开发与集成的骨干技术力量；编制了适合重庆山地城市特点的地方标准《重庆市城市三维建模技术规范》；基于开源三维平台OSG开发了“山地城市三维仿真系统”，成功解决了海量三维数据组织、快速索引查询、实时浏览、二三维集成、行业应用等关键技术问题。

2) 数据基础。1∶500比例尺地形图覆盖主城规划区1000 km2，1∶2000数字线划图、数字高程模型、数字正射影像图覆盖都市区6000 km2，这些基础数据是建立都市区三维模型的基础数据；同时，已建立主城核心区约400 km2建筑物和地形的精细三维模型。

3) 市场及政策基础。充分发掘三维技术优势，根据重庆山地城市特点进行应用开发。经过多年的市场培育和应用推广，三维仿真技术逐步被工程咨询、城市规划、城市建设管理、城市展览展示及房地产开发等行业部门所接受，也得到各级政府领导的重视。2012年3月，重庆市规划局下发《重庆市规划局关于在主城区试行三维仿真系统辅助建筑规划管理的通知》(渝规发[2012]19号)，通知要求，自2012年4月1日起，主城区范围内的建设项目纳入三维仿真系统辅助规划管理。文件对规划决策、建管、竣工规划核实等环节如何运用三维仿真做出了要求，该通知的出台对推动三维仿真技术在更大范围的进一步应用发挥了重要作用[1]。

二、建设目标及内容

1. 建立都市区三维模型库

三维模型库是建立三维仿真平台的基础。三维模型库覆盖重庆都市区6000 km2，其中主城区面积为1100 km2，郊区面积为4900 km2。三维模型数据包括现状模型和规划模型两种类型，每一类型包括三维数字地面模型、三维建筑模型、三维路网模型、三维景观模型等。现状三维模型是城市地形地貌及建筑物的现势反映，规划模型是城市设计、建设项目设计成果的三维反映。

2. 搭建基于网络的城市级三维仿真平台

平台提供基于网络的三维可视化功能，使领导及各政府部门在办公室可随时进入三维虚拟环境，实时了解重庆都市区的地形地貌及规划建设情况，实现网上办公、查询、统计分析；通过网络化的环境实现三维模型数据生产、更新维护和成果应用发布等分布式管理。

3. 实现城市三维仿真平台与现有数据库管理系统集成

已建立的城市基础地理信息系统、规划管理系统等具有强大的数据管理功能和信息查询功能，较好地满足了城市规划及管理工作的信息化需要。将三维仿真系统与现有基础空间数据库、规划成果库有机衔接与相互联动，能使三维仿真平台成为集成各类信息的综合管理平台。既发挥了城市三维仿真系统的三维表现优势，又充分发挥了已有系统的功能，减少了重复建设。

4. 实现三维规划辅助决策与规划申批

以三维模型数据库为基础，结合山地城市规划管理的特点和需要，从详细规划设计、项目选址、规划报建与审批、建后评价等环节，建立具有城市辅助规划设计与规划审批、规划业务管理功能的规划管理与决策系统，在满足规划管理业务需要的同时，也为重庆市委、市政府进行重大项目论证和决策提供翔实、准确的基础数据、分析数据和优化方案，为重大项目的论证和重要问题的决策提供辅助决策支持，从而提高城市规划管理和决策的科学性，提高办事效率。

三、数据库结构

三维模型数据库的总体架构基于面向服务的分层架构设计思想，按数据生产、管理、服务、应用相分离的原则，由运行支撑层、数据层、服务层等组成，其结构如图1所示。

图1 三维模型数据库结构

数据层包括三维模型元数据库、三维模型数据库、二维基础空间数据库和规划管理数据库，它是在分服务、分图层的三维模型数据基础上，根据在线浏览、规划方案审批需求，按照统一技术规范进行整合处理，采用分布式的存储和管理模式搭建形成的数据中心；服务层主要提供二、三维集成联动的服务，满足规划局各业务处室的应用需求；运行支撑层主要包括服务器和存储备份设备系统、安全保密系统、数据集成工具集等硬环境，以及标准规范与管理办法等软环境。

四、建设技术路线

1. 模型建库流程

三维模型数据库建库工作包括生产、模型检查、渲染、集成预处理、模型建库5个环节。

1) 模型数据生产。三维模型制作和生产严格遵守重庆市地方标准《城市三维建模技术规范》(DB50/T 393—2011)，包括采用DEM+DOM模式建立的地形模型和采用DLG+现场照片模式建立的精细场景模型两种。其中采用DEM+DOM模式建立的地形模型按照1∶2000标准分幅组织，原始文件为FLT格式；DLG+现场照片模式建立的精细场景模型包括精细地形、道路、建筑、植被、附属设施和其他等类别，其模型文件和纹理文件按照控规组团进行编码组织。

2) 模型检查。内容包括从模型的完整性和准确性、纹理的正确性、单元接边的正确性、模型及纹理命名的规范性等方面进行详细检查。

3) 模型渲染。利用3ds Max软件进行场景灯光设置，形成模型渲染贴图，通过光照、阴影效果提升模型的真实感，利用OsgExp插件，将渲染后的模型和纹理数据导出为OSG格式。

4) 集成预处理。利用自主开发的数据集成工具集处理导出的模型和纹理数据。首先根据模型所在的控规组团及分区，自动将模型存放到相应的文件夹；然后批量为模型纹理增加水印，并导出为DDS文件格式。

5) 模型建库。集成零散的模型文件，并再次检查模型场景浏览效果，将零散的模型文件打包成场景数据文件并入库，然后按类别聚类，建立模型的三维RTree空间索引。

2. 三维模型数据建库建设及更新的体制机制

重庆地形地貌复杂，高楼密集，无论是地形建模还是建筑物建模，相对平原城市技术更复杂、难度更高。因此，建立重庆都市区三维模型数据库是一项十分复杂、艰巨的工作，资金投入大，生产周期长。经过多年的市场推广及应用实践，在资金投入方面逐步形成了单位自筹资金、政府投资和建设单位出资相结合的资金保障机制。重庆市勘测院通过自筹资金方式，开展了三维模型数据库建设及平台搭建的科技攻关、软件开发、数据加工、标准制定、市场推广等方面的工作；市规划局及区政府主要对城市规划区三维模型数据库提供资金支持，实现城市三维模型数据的全面覆盖；工程项目建设单位则负责建设区及周边三维模型更新的费用，保证三维模型数据库动态更新。

规划行政主管部门对建设项目管理主要通过颁发“一书三证”实现，一书是指《建设项目选址意见书》，三证指《建设用地规划许可证》、《建设工程规划许可证》、《建设工程竣工规划验收合格证》。“一书三证”在规划管理工作程序上分别对应建筑工程选址规划管理、建设工程用地规划管理、建设工程规划管理、建设工程竣工核实管理4个环节。基于三维模型数据库的三维仿真平台以这4个环节的应用需求为出发点进行功能开发，使规划管理业务流程与三维仿真平台有机融合，实现了三维可视化项目选址及用地管理、工程项目建设方案三维审批和工程项目竣工后三维规划核实管理。

基于三维仿真平台的规划行政管理业务流程如图2所示。

图2 基于三维仿真平台的规划行政管理业务流程

3. 模型细节程度划分及覆盖策略

现实世界复杂多样，虚拟现实是对现实世界一定程度的抽象，不可能完全模拟现实世界。因此，人们只能从现有技术条件和应用需求出发，定义三维模型数据的内容及其抽象程度。地形模型按两个精度级别表示。中心城区及规划新区地形采用3ds Max或Creator建模软件，从1∶500地形图提取高程点、房屋边线、水涯线、道路边线、斜坡坡顶线、斜坡坡脚线、上堡坎线、下堡坎线等数据，全人工构建精细路网、桥梁、台地、陡坎等地形三维模型。中梁山、铜锣山及郊区建筑物相对较少，以DEM(2 m×2 m)+DOM(0.2 m分辨率)建立地形三维。建筑物模型按精细模型、一般模型和粗模型3个精度级别建模。历史文化建筑、雕塑、标志性建筑、别墅、干道两边重要建筑、城市重要地段的公共建筑、高度大于100 m的超高层建筑等精细建模，准确测量，并反映建筑主体外轮廓、女儿墙、阳台、门、窗、屋檐、楼顶造型等；普通建筑、背街等一般建筑按一般模型建模,其阳台、门、窗、屋檐等用纹理表示，楼顶造型概要建模；郊区建筑用体块模型表示，用算法实现批量建立体块模型。

4. 模型分层

在二维地理信息中，地物要素应进行分层管理，如水系、道路、房屋、注记等。同样，三维仿真模型在分块的基础上也需要按层来管理，一是便于模型数据查询和分析，二是便于场景的调度和管理，实现分层加载。数据分层见表1。

表1 三维模型数据分层

5. 算法建立体块模型

重庆都市区农村范围大，房屋分布散乱，采用人工逐一建模势必费工费时，从应用需求和生产效率角度出发，采用算法批量建粗模型是比较合理的选择。因此，笔者在Visual C++ 6.0 开发平台上，基于MFC 框架和三维建模软件Creator的二次开发包OpenFlightAPI，批量读取房屋位置及高程信息，快速构建带纹理的OpenFlight三维房屋模型。

通过读取地形图数据中房屋点序列数据和有关房屋结构及楼层数注记，获取房屋建模所需的底面、结构及楼高，并根据房屋结构性质，选用合适的房顶形状和贴图。基于算法建立的体块模型如图3所示。

图3 基于算法建立的体块模型

6. 模型数据的组织

三维模型数据通过场景的方式进行组织，为保证三维模型数据库的高效访问和快速更新，必须对重庆市主城区三维模型进行分割，形成多个独立的、小于3 GB的独立子场景。分割原则为：控制性详细规划覆盖的区域，按照控规范围进行场景分割；控规未覆盖的区域，按照主城九区行政区划进行场景分割；涉及跨组团和区划的长江、嘉陵江和桥梁，单独建立一个场景[2]。

重庆主城区三维模型数据库共切割为32个场景，包括22个组团场景、9个区划场景和1个跨区划的江河桥梁场景。三维仿真平台在调用三维模型时，可以根据实际需要，有选择地加载一个、多个或者全部三维场景。

每个组团包括了多个分区。对应的每个组团模型场景中，包含地形、房屋及附属设施、水系及附属设施、道路及附属设施、城市附属设施5个图层。

对于跨组团和区划的长江、嘉陵江和桥梁，单独建立一个场景进行管理。该场景包括两个图层：江河和桥梁。

组团分区数据组织如图4所示。

图4 组团分区数据组织

7. 三维引擎开发

三维引擎是三维仿真平台的核心，采用基于开源渲染引擎OpenSceneGraph设计，主要涵盖图层管理、动态加载、纹理LOD和空间索引、空间分析等功能。基础数据库采用大型数据库Oracle9.0，通过Esri公司的ArcSDE技术直接访问，开发环境是Vistual Studio 2005。三维仿真引擎的主要实现功能有显示场景分块、场景动态加载、多级纹理、空间索引等[3]。

重庆渝中半岛三维模型集成效果如图5所示。

图5 重庆渝中半岛三维模型集成效果

五、结束语

三维模型数据库是建立三维仿真平台的基础。经过多年理论研究和应用实践，重庆已建立了覆盖都市区400 km2的三维模型数据库，并在此基础上建立了重庆三维仿真基础平台。平台在城乡规划设计、规划管理、方案审批、工程建设咨询、招商引资和形象宣传方面发挥了十分重要的作用，得到业务人员及各级领导的认可。目前，重庆三维模型数据库建设及基于三维模型数据库的三维仿真平台建设进入良性发展的时期，应用前景十分广阔。首先在管理方面，重庆已将大范围三维模型数据作为基础空间数据的一部分纳入常态化的生产、建库和更新，形成了比较稳定的投入机制；其次，较好地解决了三维模型数据生产、建库、平台搭建及应用的众多关键技术，为平台的可持续发展打下了坚实的基础。

参考文献：

[1] 冯琰，郭容寰，汪旻琦，等.三维城市模型数据组织与管理方法研究[J]．测绘科学，2011，36(1)：215-217.

[2] 危拥军．三维GIS数据组织管理及符号化表示研究[D]．郑州：信息工程大学，2006.

[3] 王锐，钱学雷．OpenSceneGraph三维渲染引擎设计与实践[M]．北京：清华大学出版社，2009.

[4] 朱庆，李晓明，张叶廷，等.一种高效的三维GIS 数据库引擎设计与实现[J]．武汉大学学报：信息科学版，2011，36(2)：127-132.

[5] 朱庆，龚俊，杜志强，等．三维城市模型的多细节层次描述方法[J]．武汉大学学报：信息科学版，2005，30(11)：1-5.

[6] 唐海涛，王船海．虚拟现实的三维时态GIS模式研究[J]．地球信息科学，2008，10(2)：206-213.

[7] 杨志强，尚建嗄．大规模城市三维景观实时浏览解决方案研究及实现[J]．计算机应用研究，2003(10)：113-115.

[8] 朱庆，李德仁，龚健雅，等.数码城市GIS的设计与实现[J]．武汉大学学报：信息科学版，2001， 26(3)： 8-11.

[9] 朱国敏， 马照亭， 孙隆祥， 等.城市三维地理信息系统中海量数据的数据库组织与管理[J]．测绘科学，2008，33(1)：238-240.