城市三维房屋住宅管理平台开发的关键技术

俞 政

(湘潭市勘测设计院, 湖南 湘潭 411100)

0 引言

近年来,随着城市化进程加快,房地产业发展迅猛,房屋住宅区建设日益增多,如何高效进行房屋住宅区管理则是房管部门一项重要工作[1]。目前房管部门采用传统二维房屋住宅区管理平台,能够较好地管理房屋住宅区的相关信息,但随着房屋结构、形状和空间分布也日益复杂、房屋管理不断向立体化和规模化发展,传统二维房屋住宅区管理平台由于缺少维度信息,无法真实反映房屋的全部信息[2],而三维地理信息系统(three-Dimensional Geographic Information System,3DGIS)可以为房屋住宅提供全要素信息,利用城市三维模型进行房屋住宅管理,成为应用热点之一。传统上利用地形图或者点云数据进行三维建模,建设的模型虽然精细和美观,但是存在建设和更新周期长、模型不真实、费用高和模型单体化困难等缺点[3],因此,三维数据在房屋住宅管理中应用程度一直不高。现在随着倾斜摄影技术的发展,它颠覆了传统正射影像只能垂直拍摄的局限,可以从四个不同角度获取地物影像,能够快速、大范围、高精度地进行城市三维模型建模,获得能够真实反映地物、建模自动化程度高、周期较短的城市三维实景模型[4]。论文结合实际情况,旨在解决如下问题:一是房屋住宅二三维一体化管理;二是辅助领导进行科学决策分析;三是辅助房管部门相关科室业务管理,如房屋权属管理、老旧小区综合治理以及房屋住宅安全管理等;四是房管部门其他信息平台一体化集成。

1 平台设计思路

城市三维房屋住宅管理平台(以下简称平台)采用CityMaker作为三维开发平台,构建一个由空间数据库系统集成,利用倾斜摄影技术进行三维建模,实现在同一个三维空间中,对影像数据、地形图数据以及房屋住宅数据等融合叠加,能够快速浏览大面积的城市三维实景模型、数字高程模型等[5],并能够以城市三维模型的方式形象、直观地展示房屋住宅的各种空间形状和空间关系。平台融合了现状地形、地名地址、道路、房屋住宅专题数据等,形成了一个基于三维空间、虚拟现实的城市三维房屋住宅管理平台,在平台中,可以实现查看房屋小区、栋、层的权属信息,老旧小区改造前后的效果以及房屋征拆迁场景等。

1.1 平台结构

平台结构采用浏览器/服务器模式(Browser/Server,B/S)和服务器/客户机(Client/Server,C/S)混合搭建的模式,充分利用了B/S模式下的分布式、易扩展的优点以及C/S模式下数据处理能力强的优点[6]。这种模式实现了城市三维模型和其他信息资源存储于服务器中,并提供统一的数据服务,每个客户端可以根据自身需求进行调用。平台运行时,利用客户端程序存储服务器中的数据,在服务器中集中进行运算,减少数据传输量,增强客户端机器的数据表述能力,提高数据的处理效率。

1.2 平台总体框架

平台总体框架设计包括四层:基础设施层、数据层、服务层和应用层。平台三维数据的全要素和全纹理的优势与房屋住宅的专题数据融合,大大提升城市房屋住宅的管理能力,平台总体框架设计如图1所示。

注：LOD为多细节层次

基础设施层包括支持城市大面积城市三维实景建模的航空摄影及集群计算,软件环境包括专业软件和系统软件,基础硬件环境包括安全环境、网络环境和存储环境等[7]。

数据层包括基础数据的获取、数据处理、数据管理和数据入库,数据主要通过基础设施层航飞获得,房管部门自身也有部分数据。数据处理一方面是对高清的航片进行加工和建模,另一方面是对房屋住宅数据进行整合和处理。数据管理实现了对城市三维模型和房屋住宅数据等管理,如基础地理信息管理、数据入库管理、数据分发与服务等。数据库建设是对数字高程数据、城市三维实景数据和其他数据进行入库。

服务层包括二维服务和三维服务。二维服务包括平台传统的瓦片服务、业务数据服务、矢量数据服务等;三维服务利用城市三维实景模型进行三维实景模型展示服务、房屋专题数据查询统计服务、房屋业务数据查询统计服务。

应用层是平台的核心功能,包括三维实景模型展示管理、房屋住宅权属管理、房屋老旧小区综合整治和房屋安全管理等。

2 平台的关键技术

2.1 基于无人机倾斜摄影技术的城市三维实景模型构建

目前城市三维实景模型数据建模主流的方式有三种:一是倾斜摄影人工干预建模的方法;二是倾斜摄影+机载激光扫描进行三维建模的方法;三是利用无人机倾斜摄影技术进行自动化三维建模的方法[8]。本文根据实际需求,采用无人机倾斜摄影技术,利用Smart3D软件进行自动化三维建模,城市三维建模流程图如图2所示。其核心工作包括两部分:一部分是无人机倾斜摄影,这里主要工作有无人机航飞准备工作、无人机航飞、像控点测量、倾斜摄影影像获取和质检等;另一方面是利用Smart3D软件,对倾斜摄影影像成果进行自动化三维建模,并对自动化三维建模的数据进行修饰和质量检查,最终获得城市三维实景模型成果数据。

注：IMU为惯性测量单元，GPS为全球定位系统，TIN为不规则三角网

2.2 基于二三维一体化的房屋住宅整合关联入库

房屋住宅数据整合关联入库步骤主要包括:模型单体化处理、房屋住宅数据处理、二三维数据关联以及数据质检入库。具体流程如下：

(1)模型单体化处理,城市三维实景模型成果是成片的,无法单独选择某个房屋建筑进行属性赋值和属性查询等功能,因此需对城市三维实景模型单体化。本文采用的是动态单体化法,它是直接将二维矢量底面通过空间关系套合到模型表面,然后利用建筑物的高度自动生成体框模型,并挂接对应的房屋住宅数据,实现二维和三维的融合。

(2)房屋住宅处理,首先对房屋住宅数据进行梳理[9],如统一空间基准、规范数据类型等;其次是房屋住宅数据完善,如房屋住宅空间数据通过外业测绘和核实对遗漏和错误数据进行完善,房屋权属数据通过手动和挂接录入两种方式补充完善;最后是标准化,包括空间数据和属性数据两方面规范化处理,如:数据冲突和错误检查等。

(3)二三维数据关联,包括两方面工作,一方面是二维空间数据和属性数据的关联,另一方面是二维数据与城市三维实景模型关联。

(4)对数据进行质检,确保数据符合入库标准;最后对房屋住宅数据进行入库。

数据处理入库流程如图3所示。

图3 数据处理入库流程示意图

2.3 基于多层次动态海量城市三维实景模型高效加载

城市三维实景模型数据量大,三维模型数据加载和传输时,需要大量的宽带资源且传输效率较低,展示效果存在卡顿和显示不流畅等问题。为解决此问题,文本采用多层次城市三维实景模型动态加载技术,利用多细节层次技术(Levels of Detail,LOD)和基于二次误差测度(Quadric Error Metric,QEM)算法[10],对城市三维实景模型数据,根据包围盒来计算模型对象大小尺度和最大可视距离,实现三维模型数据和纹理数据按照精细程度分类进行多级压缩处理。具体流程如图4所示。

图4 城市三维实景模型高效加载流程示意图

2.4 基于房屋住宅管理的信息共享安全机制

根据房管不同部门的职责,分配不同的权限,利用集中认证服务(Central Authentication Service,CAS)、对称加密算法(Des Symmetric Encryption,DES)以及角色访问控制(Role-Based Access Control,RBAC)实现了房屋住宅管理的有效控制。平台利用CAS功能实现平台的统一单点登录,实现流程如图5所示。利用DES功能,实现数据的单向加密。利用RBAC功能,实现权限与角色的关联,平台通过运维管理为每个用户提供不同的角色,以满足其功能需求。

图5 CAS实现流程示意图

3 平台实现

平台基于面向服务的架构(Service-Oriented Architecture,SOA),在CityMaker基础平台基础上,以VS 2010为集成开发环境,以C#语言为开发语言,进行平台搭建。平台包括四大核心功能:城市三维实景模型的展示、房屋住宅权属管理、房屋老旧小区综合治理和房屋安全管理。

3.1 城市三维实景数据展示

平台提供用户三种城市三维实景展示的途径,主要包括鼠标和键盘浏览三维场景、特定场景制作和动画导航[9]。鼠标和键盘浏览三维场景是通过鼠标和键盘自定义视点位置、方向、高度和俯仰角大小进行三维场景展示,如前进、后退、左移、右移、左转和右转等。特定场景制作是用户快速定制某一特定场景以组的形式收藏起来,通过双击该特定场景,视角会跳转到相应位置,场景自动显示视图。动画导航是平台将同组的场景视图串联成动画进行播放和录制,并支持avi格式输出。

3.2 房屋住宅权属管理

房屋住宅权属管理实现对权属信息的查询、统计和分析功能,并以图和表等多种方式展示。由于房屋住宅的权属信息与三维实景模型挂接,点击三维实景模型可以清楚地展示该楼房的编号、产权人、小区名、建成时间、建筑面积、房屋平面图以及相关附件信息。权属信息统计结果与三维实景模型关联,点击统计表中的区域名称,统计表将自动切换成该区域的统计信息,三维实景模型也随即定位至该区域,从而方便管理者从不同层面全方位掌握房屋住宅区的信息。城市三维房屋住宅管理平台界面如图6所示。

图6 城市三维房屋住宅管理平台界面示意图

3.3 房屋住宅老旧小区综合治理

为了优化城市的服务设施,改善人民的生活环境,开展房屋住宅老旧小区综合治理工作。原先老旧小区综合治理采用电子文件的方式进行管理,没有进行空间化,无法直观地对老旧小区项目进行展示。该平台上线之后,通过房屋住宅老旧小区综合治理功能模块,对老旧小区综合治理项目空间化,并上传项目的各类图件、文本和照片,最后与三维实景模型进行挂接,点选老旧小区综合治理项目可以直观查看项目的所有信息。平台还增加过去的三维数据,进行三维实景数据的多屏对比。房屋住宅老旧小区综合治理多屏对比如图7所示。通过2014和2019年城市三维实景模型数据,可以清楚看到综合治理后的小区外墙加装了电梯、道路两侧增加了停车位,商户的商家牌匾得到了统一“升级”,小区内的绿色也进行了治理。

图7 房屋住宅老旧小区综合治理多屏对比示意图

3.4 房屋安全管理

房屋安全管理实现了房屋危房管理、房屋安全预警管理以及房屋安全综合评价。房屋危房管理通过业主主体、社区巡查,网格管理的方式,建立危房住宅的档案,开展日常巡查,确保房屋安全。房屋安全预警管理,是对超出使用年限的房屋、超出修缮周期的房屋、墙体有严重破损的房屋,在房屋墙角、屋顶等区域安装传感器,当房屋出现下层或者倾斜迹象的时候,将监测信息返回平台,并报警。房屋安全综合评价是根据房屋使用安全评价模型或者评价方法实现对房屋安全进行评价的功能。

4 结束语

本文根据房管部门的新需求,结合新兴的倾斜摄影测量技术,构建了城市三维房屋住宅管理平台,通过城市三维实景模型与房屋住宅数据的挂接,真正为房屋住宅管理来了新的数据支撑,切实解决了原有二维平台展示不足的缺点。但是,平台还是存在明显不足,由于航飞拍摄死角和河流的建模上常出现变形和空洞,虽经过了模型的修饰,但是城市三维实景模型放大后,局部细节展示效果不佳。当然,随着技术的进步,这些问题都会得以解决,这种建模和展示方式拥有巨大的前景。