智能城市三维GIS在现代化发展前景

余辉君 刘仁来 陈青海 张 伟

杭州经纬信息技术股份有限公司，浙江杭州 311121

智慧城市是引领城市发展转型、提高城市治理能力、实现城市可持续发展的新路径、新模式、新业态，也是提升城市现代化管理能力、推动城市绿色发展科学发展的一项系统工程。近年来，测绘地理信息工作取得了长足的进步，建成全国卫星导航定位基准服务系统，获取了海量的地理信息资源，圆满完成第一次全国地理国情普查，开展了常态化地理国情监测，测绘地理信息正朝着获取立体化实时化、处理自动化智能化、服务网络化社会化的方向迈进，为智慧城市建设提供了强有力的支撑[1]。在新型城镇化、信息化建设的推动下，智慧城市必将迎来前所未有的发展机遇，因此应当加快推动智慧城市建设，实现“惠民、强企、兴业、优政”的目标。为响应我国智慧城市建设号召，政府应根据本地区地理资源优势、经济社会发展水平，统筹规划，做好顶层设计，科学规划建设蓝图，城市规划设计与管理应统一时空基准、推动信息共享融合，基于统一的时空基准开展智慧城市建设，能够有效保证各类信息的共享融合，保证决策的正确、管理的精准与服务的到位，为智慧城市建设和运行提供可靠的基础支撑和时空信息服务[2]。此外，智慧城市的建设需要挖掘时空大数据价值，时空大数据既是大数据的重要组成部分，也是其他各类大数据集成、共享、交换的基础。智慧城市建设应当把时空大数据作为重要内容，着力打造，深入挖掘时空大数据的价值，使之成为智慧城市建设和发展重要的保障[3]。三维GIS通过对城市的交通、经济、人口、地形地貌、管线等要素进行高精度立体数据采集与可视化建模，为智慧城市的信息化建设与智能化、自动化分析提供立体空间统一度量与可视化环境，满足智慧城市建设与空间信息交互的需求，是智慧城市建设与智慧信息深挖掘的重要数据来源与场景平台。

1 三维GIS的关键技术概述

三维GIS与传统二维GIS的应用流程相似，均包含从数据采集、存储、组织、管理、分析、可视化、行业应用等步骤，三维GIS的关键技术同样涉及上述流程，包括三维空间数据采集技术、三维仿真建模技术、三维GIS数据组织管理模式、三维可视化技术以及三维空间分析技术等[4]。三维空间数据采集技术主要由二维数据采集技术进行拓展与衍生，在传统经纬度采集的基础上增加高程这一字段，现阶段常规的三维空间数据采集技术包括地图扫描数字化技术、摄影测量技术、遥感技术、多传感器集成技术等。三维仿真建模技术是对二维模型的升级，利用三维几何对象对实际地物加以结构化表达，现阶段的三维仿真技术大多仍集中在2.5维与伪三维尺度，主要包括基于矢量的数据模型、基于镶嵌的数据模型、混合数据模型以及函数型数据模型四大类。三维可视化技术的发展对于三维场景的用户体验效果具有重要作用，平滑流畅、逼真高效的三维可视化是三维GIS区别于二维GIS的重要用户感受，是一种运用计算机图形学技术和图像处理技术，将科学计算的结果以及过程转换为图像或图形在屏幕上显示并进行交互处理的理论技术和方法。对于三维空间数据的可视化，发展方向已经不仅仅局限于当前的屏幕显示，在此基础之上交互式编辑、人机互动将成为今后发展的重要方向，深层次目标必将让用户借助于虚拟设备如数据手套、3D立体眼镜等，沉浸于真实的三维场景之中，与模型、数据进行灵活互动，有如用户置身其中一般[5]。

2 三维GIS在智慧城市中的应用与前景展望

近年来，随着现代化信息技术的发展与微电子技术的成熟，依托于各类三维空间数据采集设备的三维空间数据采集无论是在时效性还是在数据精度方面均取得了极大的突破。计算机软硬件的发展与三维GIS国际研发力量的增强，三维GIS的发展取得了极大的学术性突破，三维GIS的立体空间数据采集与获取技术、三维空间数据模型与三维建模技术、三维空间数据可视化技术较以往相比有了长足的发展，其应用场景也由最初的试验模拟与局部测试转变为大尺度空间的城市规划建设中，更是成为推动数字城市向智慧城市变革升级的重要力量。当前，我国各大小城市均在力推智慧城市与智慧城镇建设，武汉、杭州、北京、上海等信息化技术相对发达的城市在智慧城市建设方面均取得了良好的成果[6]。

智慧城市的建设成效与实用性与三维空间数据采集的时效性、空间分辨率（数据精细化程度）、三维建模的仿真效果、模型模拟分析性能等均具有不可分割的关联性。摄影测量技术、高分遥感影像、InSAR技术、多传感器集成技术、物联网技术的发展为智慧城市带来了海量、实时、异构、多源的城市自然与人文数据，以物联网技术为例，物联网是建立在互联网络结构基础之上的，其通过传感器技术或其他非接触式信息获取技术采集目标地物的实时信息，并在互联网技术的支撑下实现物与物之间的通信与信息传输，在万物关联互通的基础下，人们可以借助物联网实现对万物的管理与控制，物联网技术对客观世界的实时感知与数据采集可为智慧城市建设与管理的实时性提供庞大的数据支撑，智慧城市依赖于海量实时数据可实现对城市信息的全息感知，在全息感知模式下，三维GIS的时间尺度将被进一步放大。借助计算机集群与云计算环境的高性能计算平台与云存储空间实现城市实时动态空间数据与属性数据的接入、加载、时空关联与融合计算已然成为智慧城市三维GIS现代化发展的主流方向之一[7]。

据统计，人们每天平均大约有80%以上的时间在室内度过，随着生产和生活方式的更加现代化，更多的工作和文娱体育活动都可在室内进行[8]，室内三维建模逐渐成为智慧城市建设的重要内容。移动互联网技术的发展与智能终端的普及使用为智慧城市的室内三维环境建设提供了更为翔实、精细的数据。依托室内定位导航技术与三维GIS技术，跟随移动终端用户的行走轨迹可以实现室内的立体三维建模；或者基于一张现场拍摄图片即可还原拍摄地物的整个立体空间结构，再在其上铺设相应的建筑纹理即可实现城市建筑的快速三维建模。以上种种基于志愿者信息的三维GIS技术随着移动时代的到来将逐渐在三维空间数据采集方面占据一定的地位，虽不能取代测绘技术的精密性与科学性，但是对智慧城市建设的传播与普及具有一定促进意义。

3 结语

智慧城市建设是近几年城市发展的新理念和新模式，智慧城市的建设将更好地满足人们的城市生活需要，解决城市发展难题，实现城市可持续发展，让广大市民享受高质量的城市生活。三维GIS是智慧城市建设的重要支撑性技术，在未来的智慧城市应用中，三维GIS将借助计算机技术、人工智能技术、大数据与云计算技术实现城市立体信息的高性能、高效率、智能化、实时性分析与可视化，为智慧城市的运营管理提供辅助决策支持。

[1] 耿丹，李丹彤.智慧城市背景下城市信息模型相关技术发展综述[J].中国建设信息化，2017（15）：72-73.

[2] 杨勇. 三维GIS在环境规划中的应用和发展趋势[A]. 中国环境科学学会环境信息化分会、《中国环境管理》杂志.2016全国环境信息技术与应用交流大会暨中国环境科学学会环境信息化分会年会论文集[C].中国环境科学学会环境信息化分会：中国环境管理，2016：8.

[3] 陈燕.三维地理信息融入智慧园区建设的应用研究[J].测绘通报，2015（S1）：192-195.

[4] 龚振文，段泽文，胡朝英.论智慧城市建设中的测绘新技术[J].山西建筑，2015，41（26）：203-204.

[5] 李杰. 基于CityGML三维建筑物模型的室内空气流动模拟研究[D].南京师范大学，2014.

[6] 朱庆.三维GIS及其在智慧城市中的应用[J].地球信息科学学报，2014，16（2）：151-157.

[7] 吴兵. 三维GIS在规划管理中的应用与展望[A]. 江苏省科学技术协会、上海市科学技术协会、浙江省科学技术协会、连云港市委、连云港市人民政府.第九届长三角科技论坛（测绘分论坛）论文集[C].江苏省科学技术协会、上海市科学技术协会、浙江省科学技术协会、连云港市委、连云港市人民政府，2012：3.

[8] 刘陵，方军，陈利生，等.三维GIS的研究现状及其发展趋势[J].矿山测量，2011（2）：71-75.