矿区城市“数字化”三维地理信息系统构建

王晓莉

(山西省煤炭工业厅煤炭资源地质局 地理信息中心，山西 太原030045)

0 引言

要加快“数字中国”的建设步伐，重点是加快“数字城市”建设步伐，全面完成全国地级城市以及有条件的县级城市的“数字城市”建设，为构建“智慧中国”奠定基础。近年来，国内一些高校、科研机构开始着手数字城市的理论研究和系统开发工作，并取得一定进展。

汾西矿业集团公司为满足自身的经济建设及发展，开展了汾西矿业集团公司介休地区基础航空摄影，获取了基础地理信息的遥感资料，测制了国家基本比例尺地图、影像图和数字化产品，建立了新时代背景下的介休地区“数字化”三维地理信息系统，实现了航空摄影—测绘产品—三维地理信息系统一站式的新时代测绘产业链模式。其中，测绘为数字城市提供基础数据集，数字城市则高效、全方位地充分利用了测绘数据并在测绘数据的基础上结合其他地理属性信息。

1 技术路线

1.1 总体技术路线

首先完成矿区E 级GPS 控制网建立，再以低空无人机航空摄影方式获取矿区全要素数字地形图(DLG)、数字正射影像(DOM)、数字地形模型(DEM)、城市三维景观模型等空间定位的基本信息数据，利用Visual Studio. Net 作为开发工具、C#作为开发语言，对当前最先进的虚拟现实三维GIS 平台Skyline进行二次开发，建立介休地区“数字化”三维地理信息系统平台。总的技术路线流程如图1 所示。

图1 总体技术路线流程图

1.2 技术依据

平面坐标系统采用1980 西安坐标系。高程基准采用1985国家高程基准。为了保证汾西矿业集团公司介休地区“数字化”三维地理信息系统构建工程建立在国家统一的测绘基准和测绘系统上，其成果符合国家测绘产品标准化、规范化的要求，生产作业执行的有关国家技术标准和规范主要有:《数字城市地理空间信息公共平台技术规范》(CH/Z 9001 -2007);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形图航空摄影规范》(GB/T 6962 -2005);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形图航空摄影测量外业规范》(GB/T 7931 -2008);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形图航空摄影测量内业规范》(GB/T 7930 -2008);《城市基础地理信息系统技术规范》(CJJ 100);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形图图式》(GB/T 20257.1 -2007);《1 ∶5 000、1 ∶10 000 地形图图式》(GB/T 20257.2 -2006);《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T 18314 -2009);《城市三维建模技术规范》(CJJ_预标准)。

2 关键技术

2.1 基础地理信息数据获取

近些年来，低空无人机测绘航空摄影系统实现了低空航空摄影所获取高分辨率影像数据，经众多科技人员和生产单位的研究与生产实践［5-7］，证实这种技术方式能满足区域大比例尺DOM、DEM、DLG 数字产品快速生产的需求。采用无人机低空航摄系统进行区域基础地理信息数据获取时，应注意以下几个方面。

1)航空摄影影像应清晰、层次丰富、反差适中、彩色色调柔和鲜艳、均匀，相同地物的色彩基本一致。太阳高度角的选择应保证阴影不大于2 倍。

2)航摄像片平面控制点和平高控制点相对邻近基础控制点的平面位置中误差应不超过地物点平面位置中误差的1/5;高程控制点和平高控制点相对邻近基础控制点的高程中误差应不大于1/10 等高距。

3)外业调绘采用先室内判读、立体测图，后野外检核和调查，再室内修改和补充调绘的方法。严格依据实际地形地貌地物，走到、看到、量到、问清、绘准，判读准确，描绘清楚，符号运用恰当，各种注记准确无误。

2.2 三维建模技术

三维建模采用的软件是美国欧特克公司的三维建模软件3ds max 2012，建模方式为建筑物外表面的几何结构建模，用模型和贴图表现大量的实体几何结构。

根据测区1 ∶1 000 地形图和1 ∶5 000 地形图进行模型大小及位置定位，将CAD 电子图导入3ds max ，在线划图的基础上对建筑物、道路、街块等重新描绘，最后再利用描好的轮廓线立体建模。

三维模型包括地形模型、建筑模型、交通设施模型、绿化模型以及其他模型等，各类模型按照表现细节的不同可分为LOD1、LOD2、LOD3、LOD4 四个细节层次，按照表1 的规定确定。

表1 模型分类与细节层次

其中，对不同细节层次地形模型的规定如下:①地形模型LOD1 应为反映地形起伏特征的几何模型。②地形模型LOD2应为反映地形起伏特征和地表影像的模型。③地形模型LOD3应为反映地形起伏特征、地表形态及其影像的模型。④地形模型LOD4 应为逼真反映地形起伏特征和地表形态的模型。

3 成果评价

3.1 三维模型评价

建筑模型均为精细模型，其基底轮廓线使用1 ∶1 000 比例尺地形图中建筑物的基底轮廓线直接生成，并与地形图保持一致。其立体屋顶、凹凸的阳台、一楼突出门厅等几何结构均用几何实体表现，能精确反映建筑的立面、屋顶结构形式等细节。

精细模型使用的纹理材质均与建筑外观保持一致，可实际反映出纹理的实际图案、颜色、透明度等，可区别出砖、木头、玻璃等不同质地。纹理中没有包含建模物体以外的物体。

标准模型中使用的纹理的图案、颜色等均与建筑外观一致。可准确表现建筑物的几何实体结构，部分实体结构被忽略但不影响建筑物的真实性。小区居民楼一些小的角顶、凹凸的阳台，一楼突出的门厅等几何结构采用贴图表现。

3.2 三维地理信息系统评价

介休地区“数字化”三维地理信息系统采用网页形式打开，经测试该系统在IE8 或IE9 浏览器中均可正常打开。系统采用流处理方式加载场景模型，经过反复测试，场景模型的块流出宽度为1 200 m 左右，在视点小于3 500 m 时显示场景模型，模型由远到近时显示不同精度的纹理，当视点小于100 m 时显示最清晰的纹理。

系统可实现360°全方位自由漫游，可通过鼠标滚轮实现前进后退和旋转视角，也可通过键盘快捷键来控制漫游。系统在正常使用时会占用大量电脑资源，但不会有系统崩溃等内存溢出问题，可正常持久运行。

系统界面及部分场景如图2、图3 所示。

图2 介休地区“数字化”三维地理信息系统界面

4 结语

数字化是一种先进的生产力，如“数字北京”“数字太原”“数字奥运”等都会提升整体的城市形象及国家形象，汾西矿业集团公司介休地区数字化标志着汾西矿业集团公司新时代的形象，标志着汾西矿业集团公司的精神文明和物质文明的建设走在了信息化时代的前端。在当前阶段所实现的介休地区“数字化”三维地理信息系统，可作为企业内员工和社会各界人士对汾西矿业集团公司进行了解的平台和汾西矿业集团公司对外的企业名片，为企业的管理和发展提供了革命性的手段。

图3 介休地区三维地理信息系统部分场景

但是，现有成果仍然有很多不足之处，应做更进一步的研究工作，具体如下。

1)在现有成果的基础上，加入各种地面监控等硬件设备的实时信息，建立一个完善的三维地面监管系统。

2)并入煤炭集团下属各煤矿企业的地面、地下三维系统，最终建立一个包括地面信息、煤层、巷道、井下运输、供电、通风、防尘、避灾路线、抗灾路线、生产调度、监测监控、安全管理、设备管理等信息层的三维空间信息管理平台。

3)结合地下管线、规划、土地、绿化、道路、环境、经济、开发、房地产、人口、商业、工矿企业、电讯、电力等所关心的信息，建立数据库，进而建立各种信息管理系统和监控与决策系统，如综合市情系统，企业规划系统、配电管理系统、土地管理系统等等。

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