服务于智慧城市的城市三维GIS设计与实现研究

万金紫

摘  要：城市三维建模是城市经济建设和社会发展信息化以及实现城市智慧化管理的基础性工作。城市三维模型数据是城市规划、建设与管理的重要基础资料。该文提出了由运行支持层、数据层、基础层、平台层、应用层等组成的城市三维地理信息共享服务平台，探讨了平台围绕智慧城市运营的应用逻辑。在此基础上，对平台进行了功能设计与实现，展示了三维平台视觉效果，建立了形象、逼真、直观的三维城市仿真场景。

关键词：智慧城市  三维  GIS  展示

中图分类号：P208                         文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）06（a）-0030-04

Research on the Design and Implementation of Urban 3D GIS for Smart City

WAN Jinzi

（Beijing Xinxing Huanyu Information Technology Co.， Ltd.， Beijing， 102308  China）

Abstract： Urban 3D modeling is the basic work of urban economic construction and social development informatization and urban intelligent management. Urban 3D model data is an important basic data for urban planning， construction and management. This paper proposes an urban 3D geographic information sharing service platform composed of operation support layer， data layer， foundation layer， platform layer and application layer， and discusses the application logic of the platform around the operation of smart city. On this basis， the function of the platform is designed and realized， the visual effect of the 3D platform is displayed， and an image， realistic and intuitive 3D urban simulation scene is established.

Key Words： Smart City; 3D; GIS; Display

三维城市作为一个全新的基础地理空间基础设施与承载体，以特有的时空观规划与管理整个城市的运维信息，可以惠及城市建设的各行各业、社会生活中的方方面面，应用前景巨大[1]。

城市精细化管理最终目的是要实现城市的智慧运营，涉及到城市规划与管理的各个方面，如对城市规划的精准控制、对人员车辆流动情况的全程把控、对设施部件的统一维护等。随着物联网、云计算等技术的发展，为政府、各行各业、社会大众提供基于网络的天地一体化、时空一体化、二三维一体化、云端一体化的空间地理信息服务是未来发展方向。

1  平台架构

城市3D地理信息共享服务平台由运营支持层、数据层、基础层、平台层和应用层组成。其中，支持层是确保数据库和平台平稳运行的各种硬件环境，网络安全系统和基础结构[2]。

数据层包括了二维、三维以及各类属性数据库：（1）三维精细建模模型数据。三维精细建模模型是对城市形态的三维表达，它反映形态、景观对象的主要特征，并包含从多个方向观察景观对象的必要信息。城市三维模型数据主要由三维建（构）筑模型数据、数字正射影像图数据和数字高程模型数据等组合而成。（2）三维地形模型数据。三维地形模型是基于金字塔四叉樹构建的多层级地形瓦片数据集，按照DEM叠加DOM的方式，按照金字塔级别进行地形高程和地形表面细节特征的重采样，从而形成各级地形瓦片模型，然后由地形引擎动态加载并进行地形实时无缝渲染。（3）城市基础地理信息数据。城市基础地理信息数据全面反映了城市的地形地貌，参与各种空间叠加及分析，使用频率高。此部分数据包括建筑、道路、植被、水系、城垣、围墙、栅栏等二维基础地理信息数据。（4）城市地名地址数据。该部分数据主要包括行政区域地名、街巷名、标志物名以及兴趣点名。（5）规划成果空间数据。规划成果空间数据包括总体规划、分区规划、专项规划、控制性规划、详细规划。

基础层是支持系统操作的专用软件平台和基础结构，包括二维基础地理空间平台和三维基础地理空间信息平台。

平台层则是面向精细化城市规划管理的三维地理信息共享服务平台，应用层汇聚了面向城市规划、管理方面的各类共享应用，通过政务网、互联网向公共事业单位、企业和个人提供地理空间信息服务。城市三维信息共享服务平台总体架构如图1所示。

2  平台应用逻辑

从应用逻辑架构上来说，平台包括以下几个部分。

2.1 一套标准规范与机制

标准规范和机制是保障信息化建设顺利开展、运行维护必要保障，决定了各营业系统的应用前景、后续拓展及兼容性。在该项目建设过程中，需要结合现有基础数据资源现状与应用需求，建立一套符合地方的三维技术标准与规范，包括各项数据标准、数据建库标准、数据服务标准、平台建设技术标准等。无论从项目组织，还是平台构建或运维管理，都需要一套有效的机制保障数据中心的高效可持续运转[3]。

2.2 一个数据中心

在统一制定的数据标准和规范基础上，建立西安市三维数字城市数据中心框架，为多部门共同参与的协同应用提供资源支撑，在遵循业内已有数据标准和技术规范的基础上，充分考虑现有数据资源状况，兼顾信息资源的多元化共享和数据交换服务、基于数据中心框架，将各类地形图、倾斜摄影测量、高程点灯数据资源进行汇集、分类、整理、质检、转换、入库，最终融合成一个有机的、统一的三维模型库，实现统一管理与更新维护[4]。

2.3 一个服务共享平台

采用IT主流技术，遵循IT/GIS开放性标准，引入面向服务架构和应用集成技术，构建统一的服务共享平台，面向政府、企业和公众提供三维GIS数据信息服务与空间服务。服务共享平台建设包括基础设施和共享系统建设。从软件设施、硬件设施、网络设施方面入手，满足数据中心对于数据存储管理、分发交换、计算分析等各方面的基本需求。共享系统则从资源门户、数据安全管理、用户权限管理、服务运维管理、数据交换共享管理以及应用接入管理等方面为数据中心提供强大的共享引擎[5]。

2.4 一套应用服务系统

基于数据系统中心和服务共享平台，以国土规划信息联动管理、地理市情民情精准掌控、旅游资源深度挖掘等应用服务为支点，打造一系列实用性强、性能较优、人机交互体验佳、兼容性良好、可扩展、可移植的应用服务示范系统，真正解决目前智慧城市密切关注的问题，提升部门内部、部门之间的工作效能，提升对外服务水平，提升公众满意度[6]。

3  系统功能设计与实现

该系统基于C/S架构进行开发，主要实现三维地理信息数据展示、三维规划方案对比、日照分析、可视分析、测量距离、测量面积、规划资料指标查询及显示等功能。后续依据城市规划实际需求，完善三维辅助规划评审系统功能（包括红线分析、日照定量分析统计报表等）系统主要功能。

3.1 漫游浏览

漫游浏览功能包括多种3D场景漫游方法，例如飞行、驾驶、步行、按路线行走以及自定义方法。键盘也可以控制视图，通过连接键盘和鼠标，可以获得更好的查看效果。例如：在测量视图时，由于鼠标会对测量功能做出反应，因此无法同时拖动视图。此时，需要对其進行测量。如果看不到某些内容，则可以使用键盘上的箭头键调整视图，或使用键盘上的AWSD键旋转视图。

三维视图的更改主要由键盘或鼠标控制，键盘和鼠标也可以用于协同工作，力求实现简单方便的工作，并简化复杂的工作。其使用户可以快速入门并运行良好，这与用户的一般计算机操作习惯是一致的。

漫游浏览功能主要包括3个部分：视图操作、视图模式和地图导航。视图操纵是指相机镜头操纵方法，如平移、拖移、摇移、上下左右旋转和缩放等。视图模式指的是视图的展示模式，如快速平视、快速俯视等。人行模式即为在地面行走时的方式，飞行模式即为在高空模仿飞机时的方式。

3.2 空间查询

支持直观地在场景中选择建筑物来查看其属性数据;支持选择位置点并设置影响范围来进行缓冲区查询，获得相对于该位置处于影响范围内的“楼房” “单位”“道路”等信息;支持按多种条件进行自定义的高级查询。

3.3 空间分析

空间分析包括高度分析、日光分析和视野分析。3.3.1 高度分析

场景的高度检测由蓝色平面指示，蓝色平面的表示高于该高度，反之亦然。所有功能的平面高度之间的关系一目了然。

3.3.2 日光分析

要分析场景中特定建筑物或多栋建筑物的日光阴影，此函数可以对太阳的轨迹进行数学建模，以准确地计算太阳的位置和每时每刻的太阳的位置。该建筑物可以准确地分析日照情况。

3.3.3 视野分析

为了确定建筑物的遮挡情况，对现场建筑物进行了全面的视野分析。

3.4 空间量算

量算分析为测量空间数据，如点坐标测量、高度测量、长度测量、面积测量等。为控制测量的准确性，使用顶点捕捉工具来对物体进行精确测量。

3.5 三维物体操作

物体操作分为移动、旋转、缩放，其中物体缩放见图2。为了方便操作，要使用坐标系进行配合，坐标系分为世界坐标、局部坐标、自由坐标。并且，物体操作时，可还原为初始状态。

3.6 规划方案分屏对比及展示

三维平台为设计单位提供了分屏对比的可视化方式，将设计效果定位于现实环境中，人们可以运用多种方式（步行、驱车、飞行等），从不同角度审视建筑设计景观，空间形态、交通组织、建筑物布局、造型、高度、体量、色彩配置、环境设施等。这种身临其境的直观的交互形式较容易发现某些考虑不周的地方并及时修改（见图3）。该功能可以对设计单位完成的城市设计成果进行展示，并在此基础上进行优化设计，也可以运用城市设计的成果扩大开发区招商引资的力度。

4  结语

该文构建了城市三维地理信息共享服务平台框架，实现了对二、三维地理信息数据的展示、更新和管理，展示了三维平台视觉效果，建立了形象、逼真、直观的三维城市仿真场景，并能通过网络（政务网、内网）实现二、三维地理信息数据的访问，实现了三维城市地理信息系统设计。

参考文献

[1] 宋继哲.基于地理实体的城市三维数据组织方法研究[D].北京：北京建筑大学，2020.

[2] 杜炜，李倩.城市虚拟地理场景非定标三维重建算法仿真[J].计算机仿真，2021，38（3）：327-330.

[3] 张福存，薛晋宇，贾国焕，等.基于实景三维模型的城市1：500地形图测绘[J].地理空间信息，2021，19（2）：36-39.

[4] 虞思逸.城市三维空间形态对人居环境影响的测度与评价研究[D].上海：华东师范大学，2020.

[5]黄煜.SCSG-OSM数据模型研究及在城市三维建模中的应用[D].桂林：桂林理工大学，2019.

[6] 孙松梅，黄天进，孙颖.城市高精度实景三维单体模型建设及应用[J].测绘通报，2021（1）：108-111.