实景三维时空数据库建设及应用——以南沙先行启动区为例

高毓琳

广州市规划和自然资源自动化中心 广东 广州 510000

1 引言

为进一步贯彻落实《广州南沙深化面向世界的粤港澳全面合作总体方案》，按照以点带面、循序渐进的建设思路，选取了南沙先行启动区（庆盛枢纽、南沙湾、南沙枢纽）和明珠湾片区共“3+1”片区为试点，构建地上地下海陆一体的二三维时空底座，以自然资源业务三维辅助决策为链条，搭建数字孪生应用示范平台，为南沙智慧城市和数字城市建设提供空间数据支撑。

2 实景三维时空数据库建设内容研究

2.1 建设难点

（1）多源异构数据难以整合[3]

不同的业务部门分管不同的领域，各部门产生的成果数据散落在不同部门的不同位置，同时数据的结构、版本、时空基准也都不一致。三维成果数据包括栅格影像数据（DOM）、矢量要素数据（DLG）、地形数据、地质层数据、倾斜摄影模型、激光点云数据、单体化模型等等[4]，数据之间空间基准、尺度以及数据格式都不尽相同，不同数据的同一对象之间缺乏语义关联。面对海量、多源、异构、离散的二三维数据，如何将它们进行标准化处理，使得时空基准同一，从而能够履行“两统一”职责、数据统一管理、信息化建设等需求，进一步贯彻“两支撑、一提升”战略定位[5-7]，是实景三维时空数据库建设初期的一大难点。

（2）共享通道不畅数据难以利用

实景三维时空数据库的数据管理涉及到的业务类型繁复，形成的自然资源调查成果类型多样。各个行政部门在多年的建设和规划过程中，积攒了大量的基础数据，但是彼此之间缺少共享平台，已有信息化项目的建设成果难以重复利用。因此梳理各类自然资源数据并搭建一个可复用的共享可视化平台是重难点工作。

（3）应用需求不同难以展示

实景三维时空数据库在空间上囊括地上、地表、地下的数据，在内容上涵盖现状数据、规划数据、管理数据、社会经济数据、调查监测数据、物联网数据等等。如何将超大数据量的三维数据、海量遥感影像数据以及多尺度的地形数据融合显示，如何接入海量物联网实时数据，如何实现在线实时计算分析都存在技术难点，要在保证可视化效果和渲染速度的前提下提供订阅式的应用需求，实现难度大。

（4）实景三维数据难以支撑业务场景

实景三维数据采集需要花费大量的财力物力，在后续使用过程中很少开展实体化工作，未赋予属性信息的三维数据，难以支撑业务场景的应用。

2.2 建设思路

按照自然资源部“实景三维中国”的建设要求，并响应自然资源部提出的构建自然资源三维立体“一张图”的任务目标，以实景三维为抓手，面向自然资源多时态、全方位创新管理，构建地上地下、水域陆地、时间空间一体化的实景三维时空数据库。充分利用已有数据成果，汇集更新全南沙区二三维数据成果，并融合自然资源专题数据、管理数据、规划数据、经济数据等，加强基础测绘和各项自然资源业务工作融合，实现数据的“收、聚、追、用”全流程标准化管理。

2.3 技术路线

以南沙区三维模型为基底，汇聚海量多源二三维数据资源，整合覆盖城市治理全领域的国土空间规划、自然资源管理、不动产登记、企业经济、执法监督、城市更新等109类业务数据，形成空间规划和自然资源管理的二三维一张图的浏览、查询和展示。

总体技术架构图如图1所示，其中各环节的技术节点分述如下：

图1 总体技术架构图

图2 驾驶舱模式-总体概况

图3 实时巡查监测

（1）数据获取

全面搜集各局委办有关基础测绘、自然资源相关的数据[8]，充分利用已有信息化项目的建设成果，并进行初步筛选和处理，未实景三维时空数据库提供可靠的数据基础。

（2）数据整合

按照“部指导、标准规范、地方特色、扩展三维”的思路，通过在线调用、数据汇交、数据购置等方式将离散、多源、异构的各类数据进行汇集、处理、检查和规整，通过映射转换、语义化等流程处理形成一套干净、清晰、规范的自然资源行业全域、全要素、立体三维的数据，摸清数据肌理脉络，梳理出南沙范式资源目录。

（3）数据管理

对完成建库的数据采用多源数据融合、分布式存储等关键技术对数据进行统一管理，通过数据交换、轻量化、实时自动更新、数据产品按需组装的智能化管理，实现二三维数据的分层分级组织与一体化集成管理。开展实景三维时空数据库的全流程管理，包括海量多源异构的二三维数据快速存储、预处理、核查、入库及更新。对数据库目录、数据库安全进行日常管理及数据备份，在提高数据保护能力和平台容灾能力的同时提供数据浏览、查询、可视化、叠加分析、关联分析等功能。

（4）数据应用

依托PC端、移动端、Web端等关键开发组件面向自然资源主管部门和有相关业务需求的政府部门搭建提供地图服务、可视化服务、数据服务以及分析服务的实景三维时空数据应用服务平台，支撑实景三维数据在国土空间规划、自然资源管理、不动产登记、城市更新等多元场景下的深化应用。

2.4 关键技术

（1）基于分布式存储的数据分析技术

根据实景三维时空数据库中各类型数据量大且更新快的特点，采用分布式架构，按照“物理分散，逻辑集成”原则，基于Hadoop分布式环境进行部署，采用自主研发的GeoSpark并行计算引擎，提高分布式集群环境下的数据分析和数据挖掘能力。采用分布式混合存储方式，不同类型的数据适配最优数据库，提升整体访问性能。

（2）高并发三维数据云渲染技术

如何将TB级的二三维模型数据更快的展示出来是一直以来的难题之一，随着计算机技术的发展，通过云渲染的方式来完成渲染和编码，该方式借助于服务器端的GPU算力来做到负载均衡，支持更多并发，同时解放本地资源，降低损耗。

（3）自然资源变化监测技术

通过无人机、卫星、视频、物联网等多源传感设备采集的各类图像信息开展基于人工智能算法的特征提取与变化监测识别。采用基于度量的方法通过比较双时相数据的参数化距离来确定变化。提出利用Siamese全卷积网络构建了深度学习网格，实现基于无人机和遥感影像的变化检测。

（4）基于智能语义分割的单体化场景自动重建技术

基于深度学习辅助的复杂场景建/构筑物快速单体化技术，实现单体化建模中主要建/构筑物的顶部和主体部分的准确构建，并保持拓扑结构上的一致性。通过研究语义信息辅助的场景对象智能感知与目标识别技术，实现大范围复杂场景的对象级重构；通过研究建/构筑物本体的自动化结构重建技术，引入多源语义信息约束的单体化模型层次化表征技术，自动生成可组合式的单体化模型。

3 应用实践

在南沙先行启动区实景三维时空数据库建设的基础上，根据各局委办的业务需求，开展了应用探索。围绕自然资源业务主体，以基础测绘、AI建模、倾斜摄影、激光雷达等二三维数据采集成果为基础，整合自然资源和规划领域的各类空间和专题数据，同时关联物联网、社会经济、无人机监测等数据，实现多源数据资源在南沙先行启动区数字孪生世界的融合共享，并在三维立体场景中进行虚拟仿真，在数字孪生场景中对南沙先行启动区“人、地、楼、业、境”进行了深度关联，围绕总体概况、空间规划、业务管理、社会经济4个核心维度准确呈现南沙先行启动区的总体情况，并从工程规划、建设和管理三大业务需求以及支撑智慧城市发展出发，为片区发展提供全链路应用支撑。

（1）驾驶舱总览全局

①总体概况

通过展板可以清晰一览先行区内经济、产业、公众服务的开发，让片区“规建管”发展态势一目了然。通过领导驾驶舱，能够清晰浏览片区各类用地的占比情况，根据土地利用情况快速了解片区土地资源储备与土地利用趋势等信息，快速跟踪片区重点项目建设情况。通过重点项目一览，可以直接查看先行片区的重点项目分布、国家“十四五”、省市重点以及攻城拔寨项目情况，通过720度全景影像等逼真展现方式，直观快速了解重大项目建设进展。

②空间规划

围绕城市规划建设主题，结合片区内的国土空间规划、城市总体规划、控制性详细规划、土地利用规划、村庄规划、交通规划等6大规划编制数据，通过数字孪生场景的二三维图层叠加，直观展示片区各类规划详情。通过数字孪生三维引擎所带来的复杂空间分析能力，如控规盒子等，能够对城市规划中常见的用地面积、用地性质、容积率等各项指标及空间合规性判定等规则的计算、分析、判定与执行效率实现明显的提升。

③业务管理

围绕自然资源与规划的核心业务需求，对每个片区城市发展全周期的土地利用现状、土地征收、用地证审批、不动产登记、城市更新进展、名城保护和名木古树情况实现全面信息汇聚与统计分析展示，实现浏览各项城市管理业务总体态势。通过数字孪生三维空间实现传统二维场景尚未达到的能力，即将“人、户、房、地、业”和经济数据统一融合挂接，与数字世界的建筑空间位置一一对应。

④社会经济

全面汇聚与社会经济息息相关的四标四实、产业园区、社会企业数据形成的片区社会经济“一张图”，实现对各个片区的人口经济、行业营收、行业税收状况的多维统计分析，包括企业数量、营收和税收排名靠前的行业版块分析，从宏观态势与客观数据上为片区科技创新产业的规划与发展提供参考依据。

（2）工程建设项目全流程辅助

在数字孪生三维场景下，实现对片区内重点项目“策划生成-立项用地许可-工程建设许可-施工许可-竣工验收-产权登记”的六大阶段的规划分析、现状研判和历史回溯，有效提升跨部门协同服务能力，便于及时掌握项目进度信息、提高项目审批效率。进而为南沙片区深化放管服改革、打造国际一流营商环境的目标，从信息化提质增效的方面赋能。

（3）城市更新

在城中村城市更新方面，通过征拆功能辅助计算南沙枢纽的城中村改造成本。通过划定拟改造范围，可以算出城市更新中的前期费用、征拆费用、复建费用、其他费用等的改造成本。

（4）现场监控指挥

利用对治理对象的全面、立体、可视、可识、可量、可分析、可统计等实景三维成果，结合实时物联感知和无人机实施监控数据，融合地质灾害隐患点、地质调查、灾害普查、水文、人口等信息，通过立体化可视表达方式和空间分析决策辅助能力，有效提升应急反应能力、处置能力等相关城市治理能力。

4 总结和展望

根据自然资源部建设实景三维数据库的要求，以基础测绘、倾斜模型等二三维数据采集成果为基础，整合广州国土空间基础信息平台、智慧广州时空大数据平台的各类空间和专题数据，关联物联网、社会经济、无人机等数据，为南沙区城市建设提供统一的三维时空底座以及配套的业务数据、管理模型，实现数据资源融合共享，为城市管理、领导决策等提供及时、高效、准确的管理数据支撑。

在实景三维模型的对现实世界高仿真还原直观展示的同时，依托平台动态、可调的特性，实现工程建设项目全流程信息的共享共用，提升跨部门协同服务能力，能够有效加快审批信息流通、打破信息孤岛，实现跨部门、跨事项数据互通共享，为事项审批提质增效提供支撑，进一步提高政务服务效能。