新型三维测绘地理信息产品集成建库研究技术

陈良超 ，陈 光，薛 梅

(重庆市勘测院，重庆 401121)

0 引 言

测绘“十三五”要求测绘地理信息由传统测绘向新型测绘转型升级，实现测绘地理信息功能作用的升华跨越，提升测绘地理信息公共服务的质量和效率[1]。当前，新技术、新工艺、新装备的应用，使得新型测绘性能有明显提高，同时产生新的功能状态和产品存在形式[2]。以三维数字地形、倾斜摄影实景模型、激光点云（LiDAR）、精细三维模型、室内外全景影像模型为代表的新型三维测绘地理信息产品正是新型空间信息获取和建模技术发展应用的成果，它们提供了对城市空间不同细节程度的直观、高效表达。另外，建筑信息模型（BIM）作为建设工程领域的信息化集成手段，整合了多专业的精细数据资源，包括几何、物理、规则等建筑空间和语义信息[3]。上述各类三维建模手段和数据资源各有特点，分别适用于不同的应用场景，如倾斜摄影模型具有真实度高、建模速度快的特点，适用于大场景的可视化应用[4]，但是其细部特征扭曲变形严重；而三维精细模型则可以支撑中小尺度下的城乡规划和基础设施管理应用；建筑信息模型更是能够服务于建设工程全生命周期的管理[5]。

在数据大爆炸时代，城市三维空间数据获取已不再是瓶颈，在全国推进智慧城市建设的当下，各行业对空间数据资源的应用趋于交叉和协同，对数据服务保障能力提出了更高的要求。当前，对各类城市三维模型进行几何、语义、时态等多维度信息集成建库和统一管理应用正在成为三维地理信息技术的研究重点[6]。大规模三维数字城市场景的数据内容具有复杂性和海量性的特点，主要表现在对象类型繁多、模型精细程度不同、数量多且对象在空间上随机分布、聚集和离散程度不均衡等方面[7]。现有的建库方案主要是针对各类模型数据特点分别建库、独立存储，在城市模型数据管理应用中主要存在以下问题：①数据之间的空间异构、尺度异构、格式异构等特点导致集成度低，数据冗余度大；②模型对象缺少语义关联，时空一致性差限制了地理空间分析能力的拓展提升。

综上所述，本文研究建立了新型三维测绘地理信息成果集成建库技术路线，如图1所示。首先，在大尺度上对地理空间进行格网划分，满足对基本数据单元的索引，进而制订空间地理实体编码标准，结合空间格网与地理实体的位置关系确定实体的唯一编码，为多级LOD和多时态数据资源关联提供基准。然后，分别进行地理实体表和三维城市数据库结构设计，重点描述多维度数据资源的库表结构和关联关系，考虑到现实对象类别之间的差异性，提供了动态扩展机制来支持差异化信息的组织管理；作为数据库的基础支撑，元数据和时空索引研究也是集成数据库建设的关键。最后，研究建立数据库更新和服务发布机制，实现数据资源的良性循环和对外的数据链条保障。

图1 新型三维测绘地理信息产品集成建库技术路线Fig.1 Technology route of database building of new 3D mapping geographic information products

1 集成建库结构设计与组织

由于空间格网划分和地理实体编码部分与模型数据关联入库相关，将在下一节具体阐述。本节主要介绍多源三维信息模型集成建库的库表结构设计研究。一方面，建立地理实体表，为模型对象提供语义关联基础，另一方面，根据不同模型数据的细节表达特征，设计基于LOD级别的三维城市数据库表，同时建立数据库动态扩展机制，支持专题地物类的扩展支持。

1.1 地理实体表构建

地理实体（Geo-Entity）是现实世界中独立存在、可以唯一性标识的自然或人工地物。在本研究中，基于面向对象建模方法[8]，以地理实体作为多来源和多时态模型对象的关联基础，实现同一地理对象在空间数据库中的多比例尺集成管理。本研究设计的地理实体属性表结构见表1。其中地理实体编码由上述地理空间格网划分和实体编码规则唯一生成。属性表中定义字段为现实世界地理实体的公共基本属性，具体的数据描述见表中数据说明。其中对象的“出现时间”和“消亡时间”标识了地理对象的生命周期，该属性与对象的外接矩形坐标信息联合起来，实现在时空维度空间中对地理对象的定位，而地理实体编码则起到唯一标识的作用。

表1 地理实体属性表结构Tab.1 Table structure of geographical entity attribute

本研究地理实体数据来源于1:500全要素地形图数据。从原始地形图数据到地理实体数据需要执行一系列的处理操作。首先，对1:500地形图图层与地理实体分类图层进行映射关联，根据映射关系生成基于原始地形图要素数据的新分层数据；然后，对各图层数据进行GIS规范化处理，包括对面层闭合要素进行自动构面处理等；最后，根据要素中心点坐标所在的格网和图层对应的实体类型进行自动地理实体编码，并同步原始地形数据中的相关属性。

1.2 三维城市数据库设计

三维城市数据库以地理实体表作为总的牵引，通过唯一标识编码来关联同一地理实体的多源和多时态三维模型数据。根据模型数据表达现实世界的细节程度的差异，引入细节层级（Level of Detail, LOD）概念[9]，以LOD级别、时态和地理格网作为联合键，对城市模型数据资源进行组织和关联。每个三维模型代表地理信息实体的某个时间段或空间范围内的形态，通过各自的ID作为标识。每个三维模型包含几何、特性（包括时间）和行为3种信息，其中几何数据主体是三维模型的矢量结构数据和纹理数据；其他非时空相关的信息存储在特性数据中；行为数据是描述对象的空间变化（移动、出现/消失、增加/减少、分裂等）、与相邻对象的拓扑关系（相交、包含、邻近）和度量变化（如距离）。动态扩展数据支持通过自定义几何和属性扩展的方式，增加对建筑、交通等对象进行数据补充记录。

根据上述思路，研究设计了三维城市数据库的总体逻辑关系，如图2所示。图中抽象地表达了库中各类信息的构成和关联关系。数据库对三维模型的记录主要包括公共数据和动态扩展数据两部分，并且通过时态、格网、LOD和地理实体编码作为联合键值实现对模型数据的唯一标识，公共数据与动态扩展数据基于同样的键值关联，其关联关系可能为0对1、1对1或者1对多。

图2 三维城市数据库表关系Fig.2 Relationship of 3D urban database tables

公共数据包括模型的几何数据、特性数据和行为数据。不同类型的三维模型的几何数据存储策略不同，三维体块模型和3D MAX模型的几何数据包括模型的三角面顶点的坐标、法线、纹理坐标以及相关的材质和纹理信息等；三维模型纹理数据包括背景纹理数据、普通纹理、光照贴图纹理；研究将模型几何数据和纹理数据的分离存储，自然实现了纹理的共享共用，避免了模型之间纹理重复现象，提高了数据的一致性和完整性。倾斜摄影模型的几何数据采用二进制的方式存储其单体化后的原始数据；BIM模型无需单体化，同样以二进制的方式存储经过信息过滤后的模型数据。数据库统一按名字存储所有三维模型的二进制数据。特性数据项根据对象类型的不同而不同，如建筑模型的属性数据包括建筑名称、权属单位、使用性质、建筑结构、建筑层数、建筑用途等字段，交通路网模型和附属设施模型的属性数据包括名称、类别、权属单位等字段。为兼容模型数据特性数据存储，通过抽提各类模型对象的公共属性信息建立模型公共特性数据表。模型行为数据管理地理实体的空间变化、地理实体之间的语义拓扑关系以及实体的度量变化。其中实体空间变化包括位置变化、实体分裂与合并、实体出现于消失等；实体拓扑关系包括位于、部分-组成、连通等，如通过“位于”和“部分-组成”语义关系表达建筑的内部逻辑构成以及建筑内外空间和实体的“所属关系”，通过建筑内部空间之间明确的连通关系建立建筑内部的三维网络，能够支持室内外一体化寻径等复杂空间决策应用；实体度量变化主要记录实体的特性中关于具体量值的变化，包括距离、面积、体量等特性变化。

城市三维空间数据涉及的模型类别包括建筑、交通、水系、管线、设施等。从对象的属性和几何特征差异考虑，增加动态扩展数据部分，通过数据库表自定义扩展机制，实现对专题信息的动态扩展。动态扩展数据库表及关系设计如图3所示。其中，蓝色表为动态扩展的核心表，主要管理扩展特性数据和模型数据；紫色表为扩展库表外部关联的公共数据主表（字段简化），黄色表为字典表，记录动态扩展相关的地物类别。扩展模型表支持对主体模型外附属的模型实体文件的管理，采用BLOB字段以大二进制方式进行存储。

图3 动态扩展数据库表及关系Fig.3 Relationships of dynamically expanding database tables

1.3 多级模型关联与索引

按照总体的三维城市模型集成数据库框架结构，不同来源模型数据对应不同LOD层级，并且相邻LOD的地物要素之间存在明确的对应关系。以树型结构表示的多级模型关联关系如图4a所示，具体关联关系包括一对一、一对空和一对多。其关联结构反映了低LOD数据向高LOD数据转化的进程。根据本研究模型对象关联设计，系统中不同级别LOD场景对象的关联图示如图4b所示。图中多个LOD级别的场景中，相同的地物被选中，随着场景的缩放而保持选中状态，LOD4级别直接显示选中对象的BIM模型，即内部楼层的墙体结构信息。

图4 多级模型对象关联Fig.4 Multi-level object association model

由于时空对象的属性和空间结构会随着时间的推移而变化，伴随着新的对象出现、已有对象的更新和已有时空对象的消失。由于时空对象的上述时间维度和空间维度上的特点，三维城市数据库的索引设计需要顾及时空数据查询的复杂度和普适性。本研究设计采用一种“二维空间索引+三维空间索引+时间索引”的三维索引结构，如图5所示。首先，利用二维空间索引定位对象所在的空间格网，这是在大的空间尺度下的粗级筛选；然后，利用三维空间索引在格网内对象集合中进一步确定待检索对象实体；最后，根据时间索引确定三维城市数据库中的模型实例。实际应用中，多级检索机制适用于海量异构数据的高效组织管理。

图5 多级时空索引检索Fig.5 Multi-level spatio-temporal indexing

2 三维测绘产品入库与更新

2.1 地理空间格网划分与实体编码

地理格网框架的建立是整个空间数据组织的基础。本研究参照现行的推荐性国家标准《地理格网》（GB/T12409-2009）[10]规定和实际应用精度要求建立多级直角坐标格网。在空间数据结构中，每个单元网格用来承载三维空间区域内的对象，因此，地理实体编码是以地理空间格网编码为基础，编码由地理空间格网编码和格网内实体编码构成，其中，实体编码包括地理实体分类编码和实体顺序号，实体分类编码参照国家基础地理信息系统分类标准[11]。地理实体编码中的空间格网编码是由实体地理位置标识点所在格网的经向和纬向编码构成。实体地理位置标识点的定义参照测绘行业标准《地理信息公共服务平台地理实体与地名地址数据规范（CH/Z 9010-2011）》实施，即，面状区域对象的重心点点位，线状实体中心点的点位，自然地物的中心点或标志点。利用实体地理位置标识点能够有效解决跨格网实体要素的编码问题。

2.2 数据检查入库

根据数据来源的不同，三维测绘产品检查入库总体技术框架如图6所示，从示意图的左上部分起始，以1:500地形图更新数据为基础，进行数据编码和GIS化处理，生成数据库的基础部分，即地理实体数据库；数据库中不同LOD级别对应了不同的三维测绘产品来源，所有的数据在入库之前都需要与地理实体数据进行空间匹配，即保证同名对象在三维地理空间中保持相同的位置，同时为不同来源的数据设置相同的空间参考和时间基准；经过预处理后，建立模型数据与地理实体数据之间的对应关系，即为模型数据赋予地理实体编码，并导入至临时库；对已入临时库的模型数据进行质量检查，包括几何精度、一致性等检查内容，最终完成三维测绘产品数据的入库管理。

图6 数据检查入库流程Fig.6 Data check and storage flow

2.3 数据库更新

集成数据资源更新方式包括动态更新和全局更新两种，如图7所示。动态更新是在城市新建、改建工程项目竣工后，通过竣工测量和三维建模任务进行数据资源更新，同时反馈至地理实体数据库，进行相应的更新，动态更新也可被看做是自底向上驱动的数据更新。全局更新则是以年度为单位进行年度普查更新，对照地理实体数据库进行区域内变化检测，并对变化的城市对象进行数据补充采集，同步更新地理实体数据库实体对象记录。数据内容更新的同时，需要进行元数据更新。元数据更新内容包括数据集的内容、质量、表示方式、空间参考、管理方式等。根据测绘生产管理单位的年度基础测绘数据更新任务，可以同步驱动新型三维测绘地理信息更新，从而保障数据更新的时效性和可靠性。

图7 数据库更新机制Fig.7 Database updating mechanism

3 集成应用实践

本文以重庆市两江新区互联网产业园为示范区，开展新型三维测绘地理信息产品集成建库和智慧应用实践。建库集成的新型三维测绘地理信息产品包括：三维数字地形、倾斜摄影模型、精细三维模型和BIM模型。数据库根据应用场景和需求提供数据调取服务，满足从产业园区规划、建设和运营的全过程的保障支撑。

在宏观规划和路网设计阶段，根据控规路网线型数据，在三维数字地形上进行道路方案模拟，根据挖填土石方量和景观风貌的变化，辅助进行路网优化设计。如图8所示，左图为优化前的路网设计方案，线型平直且挖方量大，而右侧为优化后的设计方案依山就势。

图8 园区道路网优化设计Fig.8 Optimizing design of road network in industrial park

方案审查阶段，可以对各个建筑物和地物进行叠加分析，通过设置不同权值和数值，直观显示地物间的关系，来完成对现状用地建设条件的评价[12]。在倾斜摄影实景模型和精细三维模型集成的场景中，叠加不同的建筑设计方案，从不同的视角查看建筑方案对城市景观、天际线、开放空间形态和布局等因素的影响，如图9所示。

图9 建筑方案审查Fig.9 Examination of architectural programme

建筑运营阶段，以大场景三维精细模型为基础，集成加载建筑全专业BIM模型，通过挂接监控视频、设备属性、状态等信息，辅助开展建筑物业资产的精细化管理和维护，如图10所示。

图10 建筑物业资产管理维护Fig.10 Building property management and maintenance

面对城市多行业、多尺度的应用需求，集成多源新型三维测绘地理信息产品的三维城市数据库能够提供广泛一致的空间数据支撑，满足对大场景城市景观和小范围海量数据的综合调用和无缝平滑切换。

4 结束语

本文根据新型测绘地理信息行业发展趋势和应用需求，研究建立了新型三维测绘地理信息产品的检查、入库、更新技术流程，并提出了顾及多细节尺度、多来源、多时态特征的新型三维测绘地理信息产品集成建库框架，实现对城市三维数字地形（LOD0）、建筑体块模型（LOD1）、无人机倾斜摄影真三维模型（LOD2）、三维精细模型（LOD3），以及高细节层次建筑信息模型(LOD4)等数据的综合集成管理，各级对象模型数据与现实世界地理实体对象关联，顾及了语义相关模型之间的一致性和关联性。

通过大范围海量城市模型数据集成建库，形成完整的三维空间数据基础设施，能够为智慧城市建设中各行业领域提供多源测绘产品的浏览、应用和分析支撑。伴随着城市化进程的推进，基于现有的数据更新采集机制，将形成更为完善的城市数据采集、处理、更新链条，从而更好地服务智慧城市建设需要。