基于实景三维的“透明城市”数据资源建设关键技术研究

王颖

(福建省地质测绘院，福建 福州 350011)

1 引 言

近年来，我国333个地级市已全部开展数字城市建设[1]。数字城市是利用技术手段把城市现实生活中存在的全部内容在网络上数字化虚拟实现[2]，成果应用范围涉及政府管理决策、公共安全、应急保障等各个方面，实现了各类信息互联互通，在政府科学决策、公共服务、社会管理等方面起到了积极作用。但是，数字城市建设主要关注地面以上的部分，并未体现城市地下空间情况。“透明城市”是地上地下全空间域的透明化城市，是“数字城市”的延伸和拓展。

随着经济的快速增长和城市的不断发展，城市人口也在持续增加，城市土地资源日益紧缺，各种城市问题也日渐突出，向地下要空间已经成为未来城市发展的必然趋势。政府和百姓对城市地下空间开发利用有着迫切的需求，“透明城市”建设势在必行。

2 国内外研究现状与发展趋势

2.1 透明城市理论

透明城市的理念最早来源于莱恩·麦克格拉斯撰写的《城市设计的数字建模》，文中提到“21世纪国际化和城市化的主流是与网页或身体体验相关的可视数字动画虚拟漫游。数字设计师必须满足汗牛充栋的大地构造学、功效、基础设施以及法律等相关信息以及来自环境、工程学、停车位、结构、机械、市场、景观和建筑顾问的文件”。2001年，澳大利亚率先启动“玻璃地球”计划。荷兰、加拿大、英国、法国、德国和美国等多个国家也都将三维地质填图及三维地质模型放在了地质调查工作的核心位置。

国内专家学者也开展了透明城市相关理论的探索和研究，刘晓霞提出基于城建档案构建透明城市，赵婧提出透明性是强调政府事务的信息可以自由流通且为公众所获得，是城市政府治理实现善治的一个最基本要素，会促进城市政府治理实现善治。但是这些研究都是理论的探索，并没有构建一个完整的理论体系框架。

2.2 城市三维场景构建

近年来，我国地级市已全部开展了数字城市建设，多个城市开展了三维城市建设。根据建模技术的不同，城市三维场景构建方案主要有：①地上部分，一般采用倾斜摄影、航测等手段对大范围场景进行建模，重点地区采用人工建模的方法对实体进行建模；②室内部分，BIM技术处于初步发展阶段，少部分建筑建设了三维室内模型；③地下部分，对地质构造建模方法体系的研究处于起步阶段，中国地质调查局以雄安新区为试点，在此方面进行了积极的探索研究。目前，在以下几个方面缺少关注：①缺乏对建筑内部结构、地质构造和周边环境的通盘了解；②缺乏对水电气等虚拟对象的建模，无法满足城市地下空间开发利用、防灾减灾、国土空间规划等领域的实际需求。

2.3 透明城市数字平台

自从戈尔提出数字地球概念以来[3]，越来越多的虚拟地球平台被开发出来[4]。虚拟地球作为大规模数据可视化的理想平台，广泛应用于空间数据共享、分析和空间辅助决策支持[5～9]，以及时空场数据的共享和分析[10，11]。谷歌地球基于KML提供多种可视化能力，但是KML的可视化能力较弱，很难满足专业的可视化需要，如体可视化[12]。WorldWind是另外一个优秀的虚拟地球平台，一些学者也积极扩展WorldWind的时空场数据可视化能力[12，13]。国内也开发如超图软件、Citymaker软件和GeoGlobe软件。但是，这些软件主要运行在客户端，在浏览器端需要插件支持，这些插件大小不一，安全性成为一个问题，而且浏览器本身的性能限制了三维系统的交互性。

3 关键技术

在基于实景三维的“透明城市”数据资源建设过程中，所涉及的技术领域广泛，这里根据数据资源建设的不同阶段，分析总结了建设过程中所涉及的主要关键技术，主要分为以下几个部分：

3.1 透明城市三维场景构建技术

主要指构建地上、地表、地下陆海相连的实景三维数据资源体系。三维场景构建技术主要分为五种表现形式：一是根据实地采集的像片结合建(构)筑物CAD设计图，利用Sketch Up、3ds Max等专业建模软件进行精细化建模[14]；二是利用数字线划图产品，根据地物的高度快速生成三维模型，对生成的模型叠加纹理完成模型构建[15]；三是基于数字近景摄影测量技术构建的高精度模型[16]；四是以三维激光扫描获取的密集点云构建超高精度的三维模型；五是采用地质解译方法，利用Geovia、Micromine等专业地质建模软件，建设Geo3DML格式的三维地质模型。

3.2 倾斜摄影实景三维模型单体化技术

为了对倾斜摄影数据进行属性查询、统计分析等应用，需要对倾斜摄影模型进行“单体化”操作[17]，数据处理过程包括倾斜摄影实景三维模型纹理和几何的修复、倾斜摄影实景三维模型单体化切割、根据模型分级制定单体化模型的面数缩减方案并缩减模型面数、三维地理信息平台数据集成等处理步骤，从而生成清晰、完整、高效的倾斜摄影实景三维单体化模型。

3.3 按需服务的三维场景智能服务技术

主要指基于视点的服务调度技术和数据纹理双缓存机制。基于视点的服务调度技术是基于视点的位置和体块的大小，确定体数据分块大小，利用四叉树和R树索引的场景组织方法，实时切换多分辨率数据块，实现不同场景下多分辨率数据的可视化、三维场景的快速查询和检索。数据纹理双缓存机制是利用数据显示的关联性，保存最近常用的数据，利用最近访问时间的先后顺序更新队列，剔除不常用的数据。

3.4 基于GPU的大规模场景渲染技术

主要指优化算法以提高大规模复杂场景的渲染效率，比较常用的算法包括遮挡剔除算法、LOD算法、实例化技术等以及针对三维地质模型的地质体快速体渲染和剖面分析算法[18]，基于状态树统一管理整个场景，提高渲染速度。

4 初步建设成果

本项目以福州市东街口为试点案例区，建设了地上地下一体化实景三维模型，研发了数据资源展示系统，以验证所提出的基于实景三维的“透明城市”建设关键技术的实用性。

4.1 试点案例区情况

福州市东街口是福州城市的核心区域，各类工程建设、规划利用、城市管理等经济活动和行政管理较为频繁，是政府行政管理的焦点区域。该区域拥有地下商场、地下停车场、地铁、管线等丰富的城市地下空间体，并且经过城市地调调查，掌握了该区域详细的地质资料。因此，本项目选择福州市东街口作为试点案例区，建设东街口1 km2范围内的地上地下一体化实景三维模型。

4.2 数据资源建设成果

以福州市东街口1 km2范围内的区域作为试点案例区，建设三维不动产模型、三维地层模型、三维钻孔模型、三维地下建(构)筑物模型、三维地下管线模型、倾斜摄影实景三维模型数据及单体化模型、360°全景数据等地上地下一体化的实景三维模型，数据资源建设成果如图1所示。

图1 数据资源建设成果

4.3 数据资源展示系统

以现有的三维基础地理信息平台自主研发技术为基础，采用B/S架构运行模式，建设“透明城市”数据资源展示系统，实现地下地上多源多维多种类数据资源集成展示，构建地上地下一体化的“透明城市”三维场景，提供地上地下室内室外多场景的三维浏览展示、查询功能，实现三维漫游浏览、自定义浏览热点、360°全三维场景操作、步行、汽车、飞行等多种方式三维场景模拟浏览、海量三维数据管理，系统架构如图2所示。

图2 系统框架图

本系统由运行支撑层、数据层和应用层组成：

(1)运行支撑层是本项目运行的软、硬件环境及网络环境，它是系统建设的基础，另外还有标准规范体系和安全保障体系等内容，它们是整个平台的支撑与保障。

(2)数据层由二三维基础地理信息数据构成，这些数据包括三维地层模型、倾斜摄影三维数据、三维建(构)筑物模型数据、数字高程模型数据、正射影像数据等。

(3)应用层主要实现数据资源展示方面的功能，主要包括：三维浏览展示、查询功能、漫游等，系统功能如图3所示。

图3 系统功能展示

5 结 语

基于实景三维的“透明城市”是实现城市地上、地下一体化三维“一张图”集成展示、管理与应用，是数字城市和智慧城市建设与发展的必然趋势，是实现城市精细化管理的重要手段。目前，国内“透明城市”建设处于起步阶段，其基本理论、指标体系、关键技术、应用方向等研究处于初步探索阶段，本文讨论研究了“透明城市”数据资源建设的关键技术，希望对同行有所裨益。