基于时空一体化的规划编制管理平台研究——以珠海市为例

陈 真，张栋梁，周 萌，胡宁溪

(1.珠海市城乡规划编审与信息中心，广东 珠海 519000；2.武汉大学 经济与管理学院，湖北 武汉 430072)

0 引 言

城市规划从规划编制到审批实施的各个环节都需要同时参照种类繁多，数量庞大的专业数据。除了传统表单、文档等传统结构化数据，如项目申请表、“一书三证”等外，规划行业更多的是需要参照空间数据。所谓空间数据是指以图形作为表达主体的数据,通常它以点、线、面、体、注记以及它们的组合来代表空间实体，如规划成果、用地范围线和数字城市模型等，这些数据都带有明确的空间坐标。空间数据又可细分为二维空间数据和三维空间数据，三维数据由于其直观的展示效果，已经成为重要的规划参考。同时，城市发展是一个动态过程，所以规划管理者除了城市空间外，同样关注时间概念，了解城市空间的“过去-现在-未来”，成为规划管理者的另一大诉求。

综上，规划管理者对于信息系统的需求，可以概括为三个一体化，即图文一体化、二三维一体化和时空一体化。在这三方面国内外学者已经取得一些研究成果。图文一体化方面，孙红春和王卫安利用大型关系型数据库管理系统（Oracle，DB2或SQL Sever）图文一体存储空间图形几何要素及其特征的描述属性，实现了地理信息系统的历史数据记录，提供具有时序概念的GIS功能[1]。二三维一体化方面，陈鹏等针对Skyline 和SuperMap 6R两类软件平台，分析了各自的技术特点以及二三维一体化实现技术，实现了三维数据网络发布[2-3]。王永峰等研究了基于OSG三维虚拟显示引擎和Flex系列RIA技术的二三维一体化系统实现技术及效果[4]。魏金明等提出了一种基于AE组件的二三维一体化GIS系统，并以济南市为例，证实了系统的有效性[5]。徐泽骅等提出基于Open GL的新型高性能地图渲染引擎，对于点、线、面等符号和要素实现了快速可视化[6]。时空一体化方面，柴彦威等从时间地理学的时空观和行为观入手，分析了时间地理学的规划思想在城市规划等方面的应用与探索[7]。彭玲等基于数据挖掘技术手段，科学地揭示了"城市脉动"变化规律,使平台数据发挥最大价值[8]。高武俊等在空间模型中引入时间概念，探讨时空数据模型及可视化技术[9]。

目前业内研究鲜有将三个方面同时进行探索研究和实践，规划部门作为城市空间发展的重要统筹部门，对业务表单数据、包括二维、三维在内的规划空间数据和城市时空变化数据有着不可替代的需求，实现图文一体，二三维一体和时空一体化对规划部门全面地快速掌握城市信息和完善城市规划管理有重要意义。但是目前绝大多数规划部门难以实现三个一体化，主要原因是数据多源异构、数据共享难、数据体量大、系统协同性低等技术难点。本文针对以上难点，提出时空图文二三维一体化建设思路和对应的关键技术，并在珠海市进行了实践，取得了良好效果。

1 研究思路

首先采用多源异构的空间数据组织方式和时空数据库技术，建立二三维一体化时空规划数据资源中心，并基于SOA框架，采用B/S+C/S混合架构，集成二三维空间分析功能，搭建规划编制时空图文一体化管理平台，此外还建立编制项目全过程管理、三维报建、城市设计方案评审等机制，保障规划编制成果及时更新和三维项目成果的常态化应用。具体目标如下：

1）建立二三维一体化的规划数据资源标准化体系。

2）整合规划成果、现状三维模型、规划审批、基础地理信息等数据资源，建立二三维一体化时空数据库。

3）基于“框架+插件+业务”原理，集成业务工作流和二三维空间分析功能，搭建规划编制时空图文一体化管理系统。

4）建立三维数字城市在城市规划管理全过程常态化应用及与规划业务紧密衔接的数据更新机制。

5）为珠海市各职能部门提供数据共享接口。研究思路框架图，如图1所示。

图1 研究思路框架图Fig.1 Research idea frame

在实现以上目标过程中需要解决多源异构的空间数据组织、三维GIS数据库协同、海量数据的高效动态渲染等难点。针对这些难点，本文采用了一系列的关键技术加以解决。

2 关键技术

2.1 多源异构的空间数据组织模式及优化

针对规划管理数据量大、格式不统一、同构和异构数据并存等问题，本文首先建立数据标准化体系标准，统一数据模型、坐标系、数据格式、表达方式与命名存储规则，然后在数据标准化体系的基础上采用空间数据应用转换模型，整合多源异构的二、三维规划数据资源，实现多源空间数据之间的提取、转换、加载与整合，使其形成一个有机整体，如图2所示，实现多源空间数据组织和共享。此外，对于栅格数据，由于其数据量大，采用建立多分辨率金字塔和空间索引，提高栅格数据的加载效率；对于三维模型数据，则采用多分辨率模型简化技术，针对不同尺度的展示场景，调用不同分辨率的三维模型，支撑三维模型数据加载效率的提升，同时为三维模型的渲染提速创造条件。

图2 多源异构空间数据组织模式及优化Fig.2 Multi-source heterogeneous spatial data organization model and optimization

2.2 三维GIS数据库协同引擎技术

在多分辨率模型数据组织的基础上，在数据调用时利用多层次三维空间索引快速调用最适用于当前展示场景的模型数据；在数据传输时，多线程调度及异步通信传输能充分发挥服务器的计算性能，提升数据存取的速率，减少延迟；在数据展示时，多级缓存技术能避免已加载数据的再次加载、减少传输数据量，降低服务器负载。本文开发的三维GIS数据库引擎，解决了大范围三维模型数据加载效率慢、多尺度数据协同等难题，并在珠海市已建的160km2三维城市模型数据管理中得到良好应用，验证了该引擎的有效性和可靠性（如图3所示）。

图3 三维GIS数据库协同引擎Fig.3 Collaborative engine for 3D GIS database

2.3 海量数据的高效动态渲染

针对当前普通图形硬件对海量城市模型数据承载能力不足等问题，从数据量和算法两方面进行了优化。数据量方面，动态缓存和分级渲染模型等技术在保证场景视觉效果的前提下减少了参与计算的数据量；算法方面，采用了基于GPU的图形加速渲染优化和视点实时选择性格网细化，充分发挥GPU图形计算性能，同时降低CPU负载，保障海量模型的快速加载、流畅渲染与稳定运行，如图4所示。除此之外，采用了城市部件模型智能匹配技术，对于在场景中大量重复出现并具有固定特征的城市部件，如路灯，树木等，建立城市部件模型库，并且每个部件有多种样式，每个部件可以通过参数调整方位、大小。在一个场景中相同部件只用加载一次，避免了因为大量重复地解决城市部件模型引起的数据量倍增问题，使数据的加载效率和模型的检索性能大幅提高，如图5所示。

图4 海量数据的动态渲染Fig.4 Dynamic rendering of massive data

图5 城市部件智能匹配Fig.5 Smart matching of city components

3 总体设计

系统基于SOA框架，采用层次化设计思想，搭建C/S和B/S混合架构，即C/S架构的后台管理子系统和B/S架构的二三维时空图文一体化编制管理系统，并辅以二三维数据资源体系、项目全过程管理机制及业务驱动的数据更新机制，从技术和制度两方面保障系统的建设和运行。

总体架构分为5个层次：

1）基础设施层：由硬件、软件、网络及安全设备等构成，为平台运行提供基础设施支撑。

2）核心数据层：由基础地理、规划成果、审批和三维模型等数据组成，在Oracle数据库的基础上集成ArcGIS空间数据库和Skyline三维数据引擎，实现多源异构数据间的关联、约束及互访。

3）数据管理层：构建二三维目录体系，管理二三维数据的转换、入库、更新、维护和安全。

4）数据应用层：可针对不同的应用层面和场合进行功能或数据的定制，形成不同的模块或子系统，灵活满足用户需求，如定制项目管理模块、二三维联动分析功能和三维方案评审模块等。

5）应用服务层：封装规划管理相关的业务功能和数据分析功能接口，负责提供基础、通用和专业的协同运行，支持相关数据的处理及应用，平台总体架构如图6所示。

图6 平台总体架构图Fig.6 Overall architecture of the platform

4 平台实现

4.1 图文一体化

搭建统一的规划编制管理平台框架，实现规划编制管理系统、一张图建库系统和城市三维系统的全面整合，实现单点登录，如图7所示，促进图文一体化，并为将来系统的接入和扩展奠定基础。

按照空间编码体系将城市规划管理过程中所参照和产生的图文信息进行规范化组织分类，形成基于网络的空间数据无缝连接且图文信息动态连接的综合信息资源，实现图文数据的整体集成管理。联网查询检索方式，实现对共享图文数据资源的快速查询及可视化，包括图文双向查询、图形综合查询、审批进度查询、项目材料查询、项目追踪监控、法令法规查询和对外公众查询等功能。

为了实现空间数据与文档数据的统一管理以及动态查询显示，需要在空间数据与文档数据之间建立对应关系，通过在空间数据的属性表及文档数据的关系表中设定公共标识关联项，便可以利用公共标识项将其关联的图文记录挂接起来，实现图文数据的动态联接。

图7 规划编制图文一体化管理Fig.7 Planning compilation for the management of graphics and documents integration

4.2 二三维一体化

为规范多源异构数据的组织，本文开展了数据编码体系的研究，构建了9级数据编码体系，9级15位代码构成，即“综合分区码+分区码+片区码+规划编制单元码+规划管理单元码+地块码+分地块码+建筑编码+校验码”。按照数据编码体系，能够实现从市域到建筑物的多层次数据衔接。

1）综合分区码：1位代码，由大写英文字母A、B、C、D、E等作为代码。

2）分区码：1位代码，由阿拉伯数字1～9作为代码。

3）片区码：2位代码，由阿拉伯数字01～99作为代码。

4）规划编制单元码：1位代码，由小写英文字母a～z作为代码。

5）规划管理单元码：由阿拉伯数字2位代码，01～99作为代码。

6）地块码：2位代码，由阿拉伯数字01～99作为代码。

7）分地块码：2位代码，由阿拉伯数字01～99作为代码。

8）建筑编码：3位代码，由阿拉伯数字001～999作为代码。

9）校验码：1位代码，范围为0～9，以前14位编码为依据生成数据编码体系如图8所示。

图8 数据编码体系Fig.8 Data coding system

二维和三维数据集成能够通过建立规范的编码体系，建立空间数据映射来实现，即将二三维子系统集成于同一个系统中, 二维数据和三维数据同屏显示，如图9所示。

图9 二三维一体化Fig.9 2D&3D integration

4.3 时空一体化

根据空间数据目录，建立了从城市用地历史档案到现状及规划成果的规划成果时空“一张图”，实现了城市用地前世今生的一体化管理。

建立数据更新和动态访问机制，保障数据现势性。在对数据资源实现整合的基础上，通过系统统一规范管理，实现规划“一张图”的访问、应用、管理及更新机制，提供数据更新工具，实现历史版本的自动管理和日志记录。同时系统提供实时动态访问机制，采用地图服务访问方式，实现实时动态访问数据信息资源，保证数据的实时性和现势性，且实现了跨部门数据共享利用。

在用地的动态管理中,需要记录用地变迁的时空变化过程。为了能便捷地查询到用地时空变迁信息，通过记录用地实体的时空状态序列，利用连续地块变迁必须满足空间相交性和时间相接性的时空约束条件，设计基于时空约束条件的空间数据组织，实现对用地实体历史信息的动态回溯和便捷查询。利用以“事件”为节点，添加时间标记，构建历史库、现状库和规划库，并按照时间标记建立时间索引，通过时间表及实现时间管理版本的管理来解决数据的时间序列问题，实现用地前世今生的一体化管理。在时间轴上过滤空间数据，可实现任意时间点的数据快速回放，同时实现版本合并、回溯等功能，如图10所示。

图10 用地的时空一体化管理Fig.10 Management of the time-space integration

5 结束语

本文针对数据多源异构、数据共享难、数据体量大、系统协同性低等难点，提出时空图文二三维一体化建设思路，运用了多源异构的空间数据组织模式、三维GIS数据库协同引擎和海量数据的高效动态渲染等技术，并在珠海市的规划编制管理平台得以实践，效果良好。未来研究重点是在智慧城市建设背景下，如何利用现有技术进一步丰富数据资源建设，拓展系统应用广度和深度。