城市空间二三维一体化系统建设与应用

于雷 葛宝玉 高莹莹 赵希奇 王兆祥

【摘 要】本文采用大数据挖掘、云计算、云存储等新一代信息技术，基于当前二维GIS平台软件（ArcGIS）和自主研发的大型3D GIS平台软件，给出了一个二三维一体化的城市空间信息系统建设方案。论述了系统总体结构设计、数据规范及处理、二三维联动机理和系统主要实现的功能。城市空间信息系统的建设，是实现空间信息管理、共享和应用的关键，提高了各行业对空间信息共享应用的管理能力及辅助决策分析能力。

【关键词】ArcGIS；空间信息系统；二三维一体化

一、引言

城市空间信息是智慧城市建设的重要组成部分，是城市发展水平和文明程度的重要支撑。基于城市二维地图数据与地理信息系统技术建立城市空间二三维一体化系统，使得空间信息数据整理入库、更新与应用一体化，最大限度地发挥空间数据普查的经济效益。但是，由于空间信息数据纵横交错、上下起伏的空间关系，采用三维模型，提高模型物体的立体感和逼真感，有利于全面、真实反映地上部件的分布情况，为城市的管理者与建设者提供详实的城市空间信息数据支撑，对智慧城市建设具有重要意义。

基于此，本文将以某城市空间二三维一体化系统为例，介绍如何将地理信息系统、数据规范与处理、二三维组件技术用于城市空间信息管理，实现对空间信息数据进行整理、入库、查询、统计分析、二三维联动，既发挥二维强大的查询统计分析能力，又能实现城市各类地理数据的可视化。

二、二三维一体化系统设计

系统框架设计：

本系统总体设计为：采用面向对象的分析和设计方法来规划整个系统的应用，采用虚拟化层、服务层和应用层结构体系。总体架构如图1所示。

虚拟化层采用虚拟化平台，统一管理分配相应的计算机资源池和存储资源池，用户通过“云终端”按需获取动态资源。

服务层主要为系统提供所需的数据支撑及相应的服务支撑，同时具备大数据存储、挖掘、处理等能力。

应用层提供了城市空间二三维信息服务系统、地下管网系统和行业应用示范系统。后期结合相关应用，升级成相关的智慧行业。

三、数据规范与处理

数据规范的设计旨在指导城市空间信息数据的普查、符号库设计、建库、动态维护和相关工作。它规定了城市空间信息的分类原则、编码方法与分类代码，以满足城市空间信息数据而进行分类的需求。

1、数据规范设计

结合现有国家标准、地方规范及用户调研的基础上，将空间信息分为6大类，包括公用设施、道路交通、市容环境、园林绿化、房屋土地及其他设施，共计280个对象种类，并为其设计相关地图图式、符号。

2、数据处理过程

数据处理工程的内容包含从数据采集开始，经过二维数据的质检入库，数据脱密，三维数据的预处理、场景建设、模型摆放到数据最后发布服务为止，数据处理工程为城市空间信息系统建设提供了准确的数据支持。

a）二维数据处理

对各类采集数据进行质检、入库、更新等操作，在数据入库前综合的、完整的对数据进行最后的把关检验，最终将处理好的数据按照统一的建库标准进行入库或更新，并按定义好的分层分类方式进行管理。

b）三维数据处理

首先要对三维模型数据进行预处理，生成平台支持的数据格式，其次，进行模型摆放或方向角度调整以保证模型在场景中位置和角度的正确性，最后进行模型入库发布，完成三维场景搭建。

四、二三维联动机制

为充分利用空间信息系统的分析功能，采用二三维联动、地上地下一体化展示方式，可以为城市设施管理、规划应用、安全应急等建设提供辅助决策支撑。

1、二三维联动的原理

二三维地图联动原理是在实现二维地图坐标与三维地图坐标的一一映射的前提下，通过信息的互响应机制来实现的。二三维地图的投影坐标系应保持一致。同时系统建立二维矢量地图与三维地图显示要素的关系。系统通过二三维坐标间的相互转换实现二三维地图的同步显示。

2、二三维联动的实现

二三维联动的实现主要体现在：首先是视野同步，即二三维地图显示范围应该是相同的，当任意拖动某地图进而改变地图的显示范围，另一场景的地图也应该随之发生变化。其次是操作同步，当在任意窗口进行放大、缩小、漫游等操作时，另一窗口地图应同时发生变化，与其保持一致。最后是数据查询同步，二维地图某一图层数据应与三维某一场景数据模型相对应。在对数据进行查询、统计分析时，二三維联动可以将二维空间数据要素与三维模型要素相对应，从而实现二维空间数据、三维场景模型及属性信息的双向互查。

五、系统功能

1、GIS应用功能

实现二三维地图数据的叠加显示，鼠标控制、沿路径浏览、放大、缩小、漫游、地图打印、量测等基础GIS功能操作。二三维地图展示如图3所示。

2、查询统计功能

实现在二三维空间内进行信息的查询统计，包括快速查询、区划查询、网格查询、单位查询、空间查询、名称查询、类别查询、属性查询、在线编辑等多种查询功能，并支持图表等多种方式展示。

3、三维空间信息浏览

城市空间信息系统提供直观的三维展示，能够实现空中、地上地下一体化360°视角的浏览。包括三维展示功能、三维图形操作、漫游巡览、三维场景快照、监控场景接入、空间量算、视图显示和地图框移动。

六、结论

本系统实现了二维视图与三维视图的平移、旋转的联动和空间数据编辑的二三维同步更新，以及信息显示、管理、查询、统计、分析等功能，有效提高了系统使用的灵活性与便捷性。同时，将地上城市部件、地下管线等静态空间信息数据等多元海量异构数据进行接入、汇集、整合，从而实现对城市空间信息化管理及信息共享，提升城市管理的标准化、信息化、精细化水平，满足城市现代化建设和可持续发展的切实需求，为智慧城市的建设奠定坚实的基础。

【参考文献】

[1]于强，康来成.数字城市二三维一体化解决方案[C].第五届中国数字城市建设技术研讨会论文集，2012.

[2]朱国敏，马照亭，孙隆，李成名.城市三维地理信息系统中海量数据的数据组织与管理[J].测绘科学.2008.