规划设计成果在线三维展示方法探讨

何兴富，刘金榜

(重庆市勘测院，重庆 401121)

0 引 言

测绘地理信息成果是关系国家主权、安全和利益的战略性信息资源，受到国家相关保密政策的严格保护。但近年信息化服务的快速发展，尤其是移动互联网的兴起对地理空间数据的需求不断扩大，导致服务与应用的矛盾日益突出。为此，较多学者从政策和技术方面进行了研究。魏源（2014）、朱建广（2015）、刘万增（2016）、周卫（2016）等人提出，针对地理数据的共享应用，可以借鉴一些国家的做法，采取军民分版策略，合理确定保密要素，位置精度逐渐弱化，民用版完全开放、军用版则完全保密等手段以解决“保密”和“应用”之间的矛盾[1-4]。闫娜（2013）基于DOM（Digital Orthophoto Map，数字正射影像图）数据结构特征和几何精度脱密模型的研究，构建了DOM几何精度脱密与恢复模型[5]。李安波等（2016）研究了基于Logistic混沌系统的干扰脱密和基于辅助点的精度控制方法，实现了精度可控的矢量地理数据脱密处理[6]；上述研究从制度和技术上对现有保密政策提供了新的思路和方法，但“脱密”本身对资质管理和内容审核较为严格、周期较长，在公众参与等需要快速响应的领域难以达到理想的应用效果。

随着互联网地理信息服务的兴起，GeoCover、SRTM3和国际科学数据平台等平台提供了大量中、低精度数据资源，这些公开的“天然脱密”的数据逐渐成为地理信息行业应用的研究热点。赵尚民（2016）等利用1:5 000精确数据地SRTM3 DEM（Digital Elevation Model, 数字高程模型）数据的误差分布等进行研究讨论其在黄土地貌类型上的研究意义[7]；谢翠贞（2015）采用数据融合技术对90 m SRTM和30 m ASTER DEM数据进行融合处理，实现DEM在水平分辨率上的提高和高程数据精度的改善[8]。这些研究，为直接利用互联网提供的地理空间信息资源提供了较好的实践基础。在城乡规划和设计领域，罗文健（2017）对利用3S技术与移动互联网促进城乡规划管理现代化进行了研究[9]；利用AutoDesk公司的Infraworks提供的低精度三维地理空间数据，张波（2015）、李震等（2015）综合利用Civil 3D与Infraworks开展用3D模型来支持道路拓宽改造、油库的总图设计与三维可视化展示等工作[10-11]。

总体而言，公开的数据精度较低，更多地服务于大尺度分析、宏观管理等方面。在城乡规划设计领域，尤其是涉及重大民生工程的项目中，仍然需要以高精度的地理空间资源作为支撑，并高度重视公众参与。在规划设计工作与公众参与中，“保密”这一道鸿沟难以逾越。本文针对这一问题，以规划设计成果在线模拟和分析服务为目标，提出了基于线上线下整合的、多精度DEM融合的规划设计成果量化分析、三维可视化、在线展示和公众参与技术路线，可有效提升地理信息成果的利用效率和服务能力。

1 城乡规划设计数据需求与资源分析

在城乡规划和设计领域，随着尊重自然的人文设计思想日益受到重视，如何在市政设计工作中更加顺应自然中山系、水系和绿系的自然发展规律，做到城市与山水融合，要求市政设计人员必须以高精度的地形图为设计底图。目前，市政设计一般采用的底图为1:500地形图。而在部分重点区域，如重庆两江新区甚至还要求使用高精度的DEM和高分辨率影像，以辅助开展多达200km2的交通、绿地和综合服务设施系统布局[12]。表1列出了当前各项规划设计工作对测绘地理信息成果的一般性要求。

表1 规划设计工作对测绘地理信息数据的一般性要求Tab.1 General requirements of geographic information data for planning and design

当前，面向互联网提供的地理信息数据资源主要包括几个渠道，一是商业化的如百度地图等；二是由行政管理部门或相关单位经批准公开的公共数据资源，如天地图等；三是由各大研究机构、数据服务商公开的数据资源，如NASA等。表2展示了当前可通过部分互联网渠道获取的地理信息资源[13]。

表2 部分互联网渠道可获取的地理信息资源Tab.2 Some geographic information data available from Internet

在开展城乡规划和设计工作中使用的高精度数据资源主要是由各城市勘测单位提供的，受保密政策限制，这些数据资源只能在保密的工作环境下使用，难以服务于公示、征求意见等工作环节。通过公共渠道获取的各类地图、影像和DEM数据，则精度较低，更多应用于宏观决策和科学研究。在规划设计与公众参与中间，存在着“保密的高精度数据”和“公开的低精度数据”两个分离的领域，要既能满足保密政策的要求，又能充分利用这两种数据资源，必须将规划设计环节的数据成果带入到公开的低精度数据中，多精度DEM融合技术起到了一个较好的桥梁作用。

2 多精度DEM融合技术

2.1 基于约束的市政设计成果DEM融合

使用不同方法和数据源生成的DEM具有较强的互补性，因此，DEM融合成为地理信息应用的一个重要数据处理手段。DEM融合是将不同来源、不同精度的DEM数据进行处理，使其形成统一精度、衔接良好的单一DEM数据的过程。当前，DEM融合主要是基于代数的融合，主要步骤如下[14]：

1）确定要融合的DEM数据源；

2）确定各DEM在融合时的权重系数及取舍阈值；

3）以像素为单位，根据上述系数或阈值，遍历处理所有DEM像素；

4）输出融合后的DEM。

要达到在线展示市政规划设计成果的目标，需要将互联网渠道获取的公开的低精度DEM数据源（如ASTER GDEM的30 m精度DEM）由市政三维模型转换而来的高精度DEM（输出为0.5 m分辨率）进行融合。要达到这两种数据源的较好融合和所需的展示效果，突出设计成果的细节，需要对DEM融合增加约束条件：如果在一个像元中同时存在高精度和低精度的DEM，则只取高精度DEM值。图1展示了基于ASTER GDEM数据源和市政设计成果之间的整合效果。

图1 市政设计成果与低精度DEM融合效果（注：ASTER GDEM数据内插到0.5m）Fig.1 The fusion eあect of municipal design result with low precision DEM (Note: ASTER GDEM interpolated to 0.5 meter)

2.2 基于TIN的多精度数字地形构建

由于DEM数据的存储规则限制，如果要保留高精度的规划设计成果的细节，如道路边坡的马道、路基的路缘等，必须使用平面精度和垂直精度都大于1 m的DEM进行存储，图1中对互联网获取的ASTER GDEM数据内插到0.5 m。但内插必然导致数据量的急剧增加，为此，在使用融合后的DEM构建数字地形模型时，对市政设计成果范围以外的区域，需要再恢复为其原始的较低DEM精度，以降低数据量，利于网络传输。

不规则三角网（Triangulated Irregular Network,TIN）为上述需求提供了解决手段。本文在使用融合后的DEM构建数字地形模型时，对原低精度DEM区域，通过相应的规则对DEM进行抽稀，有效减少该区域三角网的数量；对原高精度DEM区域则保持精度不变，维持市政规划设计成果的空间特征。通过这一处理，使得最终展现的三维场景既能保证了规划设计成果的精细展示，又有效地降低了数据传输量和三维场景的三角面数，保证在线展示的流畅性，并支持移动端的三维展示，扩展成果的应用场景。

3 线上线下整合的设计成果三维模拟与在线展示

3.1 基于高精度DEM的三维市政设计

将高精度的DEM应用于市政规划设计是当前地理信息应用的一个重要领域，基于参数化设计思想，将市政设计成果进行三维建模，并基于GPU运算技术使得三维市政模型能与DEM进行良好匹配，从而实现在大范围三维场景下展示市政设计成果。这一过程主要包括以下几个步骤：

1）设计成果导入。将基于CAD的设计软件的市政设计成果导入到三维辅助设计系统中，识别出其中的设计参数。

2）模拟参数设计。将CAD设计转换成三维设计，主要包括空间设计和表现设计两类，空间设计指市政设计成果的空间模型，表现设计指在空间模型上进行纹理贴图、阴影处理等。

3）三维可视化。将上述设计参数转换成空间模型，并赋予纹理、阴影等细节，实现市政设计成果的三维可视化。

4）综合分析。在三维可视化基础上，结合GIS分析实现土石方量计算、道路弯曲系数计算、道路视距计算、场地排水评估等分析功能。

图2展示了基于高精度DEM开展三维市政设计的成果。

图2 基于高精度DEM的三维辅助市政设计Fig.2 3D aided municipal design based on high precision DEM

3.2 线上线下整合的市政三维模拟与在线展示方法

在三维市政设计技术支撑下，本文提出了基于线上线下整合的三维道路模拟与展示方案。该方案由外网环境和内网环境两部分组成。整体方案运行流程如图3所示。

图3 线上线下数据整合的三维市政模拟与展示流程Fig.3 Display and simulation process for 3D municipal result integration of online and oラine data

在外网环境，通过在线云服务平台，向外发布公开的DEM数据资源和影像资源，储存用户的市政方案设计成果及与之对应的三维模型、分析成果，同时通过资源目录和示意图发布可供服务的高精度数据资源，提供DEM融合服务和三维地形模型构建服务。

在内网环境，同样通过云服务模式，提供高精度DEM数据资源，提供市政设计成果三维模拟和分析服务。当前，市政设计成果的实时三维可视化与分析已经有较为成熟的解决方案[15]，这里不再赘述。

通过这种整合模式，通过云盘中心、展示中心和资源目录中心，用户可以在外网环境下了解当前可用的高精度数据资源，在线提交市政设计方案和在线展示三维市政设计成果。由于基于内外网的隔离性，方案提交和成果展示是分离的，即会造成工作的中断。为了提升服务的响应效率，通过加入消息通知服务，可以在新方案提交和三维成果发布时通过短信等渠道进行提醒，从而实现异步但逻辑上连续的工作过程，即服务的闭环。

图4展示上述过程中的数据流与效果图，图5展示了基于智慧重庆空间信息服务云平台构建的在线服务平台及三维市政方案展示效果。

图4 线上线下整合的市政设计成果展示数据流图Fig.4 The data flow diagram for online and oラine integration of municipal design results

图5 三维市政方案在线展示效果Fig.5 Online presentation for 3D model of municipal program

通过整合三维地理资源与三维分析技术，在实现道路模拟成果的基础上，还可以开展空间测量和分析功能。同时，利用三维道路、场地等设计技术，还可以综合展示道路横断面图、纵断面图、场平放坡图等效果。通过三维空间形态的展示与分析，帮助规划设计人员更好地收集公众意见，改进规划设计方案，提升规划设计的科学性。图6展示了在线发布的数字地形模型断面图与设计道路断面图的叠加展示，可以看到利用TIN的特性，地形断面较好地保持了设计道路断面的总体特征。

图6 DEM融合后断面线分析比较（步长0.1m）Fig.6 Comparison of section for terrain and road after DEM fusion（step:0.1meter）

4 结束语

本文从当前互联网环境下可获取的公开数据资源入手，分析了如何结合高精度的地理信息资料和低精度地理信息资源各自的应用范围，为当前城乡规划、设计和建设工程提供丰富、在线的地理信息服务提出了一个行之有效的解决办法，满足企业对高精度数据服务的需求和规划设计成果的空间可视化。但由于受线上线下分离的影响，这一服务模式难以做到实时反馈，对规划设计企业动态调整规划设计成果的需求仍有一定的差距。要解决这些问题，一方面需要相关政策的逐步完善与放开，另一方面还需要开展相关技术探索，在当前机制体制下探寻有效的使用途径。