宁波市三维数字地图建设与应用.doc

宁波市三维数字地图建设与应用徐狄军*，王坤，廖佳（宁波市测绘设计研究院 浙江 宁波 315041）摘 要：本文首先阐述了三维数字地图建设的重要意义，然后以宁波市三维数字地图的建设为例，分析了三维数字地图的建设内容，研究其关键性技术，最后就三维数字地图的应用实践进行了探讨。First, the paper describes the great significance of three-dimensional digital map construction. Taking Ningbo for example, the content, key technological problems of three-dimensional digital map construction are proposed. At last, the application of three-dimensional digital map is discussed.关键词：三维数字地图；三维仿真；三维数字城市l 引 言进入2l世纪，人类的活动领域不断扩大，逐渐向高空和地下拓展，“数字地球”、“数字城市”作为当今科技发展的重要方向，开始渗透到城市经济和社会生活的方方面面。三维数字地图是利用虚拟现实技术而建立的三维模型，它运用多媒体技术和三维可视化技术将图形、图像、文字、声音等纳入到统一的窗口系统下应用，使其具有虚拟、动态、交互和网络特征，是空间数据应用技术发展的重要方向之一。宁波市从2005年开始城市三维数字地图的建设工作，由宁波市规划局组织，宁波市测绘设计研究院负责具体实施。主要开展从二维空间的三维化拓展工作，构建一个覆盖宁波全市域、多尺度、开放性的基于三维的空间数据体系，为宁波市的城市发展提供全面的空间信息服务。本文将对宁波市三维数字地图的建设及应用情况进行探讨。2 国内外形势2.1国际形势西方发达国家极为重视城市三维空间信息产品的建设。瑞士苏黎士理工大学启动CyberCity Modler项目，对欧洲很多城市建立了城市三维仿真模型。德国政府联合了几十家高校和公司大力开展了仿真城市的研究和建设工作，尤其是对高分辨率数字航空影像的合理应用，现已建成了包括柏林、汉堡、德累斯顿、科隆等几十个逼真的三维仿真城市，并开展了在城市规划和城市管理等方面的深入应用。英国伦敦为配合奥运会的举办，开展“虚拟伦敦”的项目，让专业设计人员到普通百姓都可以参与到伦敦的未来设计规划。图1 柏林图2 洛杉矶2.2国内形势在国内，已有十多个城市已经开始城市三维空间信息建设，其中多数以城市规划三维仿真应用为切入点，建立了一批城市三维信息管理系统，取得了良好的应用效果，如武汉三维数字地图系统、广州规划三维电子报批系统、数字烟台三维城市规划信息系统、三维数字北京等。图3 北京图4 武汉3 三维数字地图建设内容宁波市三维数字地图的建设以虚拟现实技术、三维GIS技术和信息管理技术等为核心，以计算机网络和软硬件平台为依托，以相关国家政策、法规和行业标准等为保障，通过Internet/Intranet等方式真实、直观、充分地展现宁波市的城市空间框架，通过与宁波市各部门的业务信息系统（如规划管理与审批系统、应急管理系统、社会安全系统、数字城市管理系统、城市综合管网信息系统等）紧密结合，实现城市三维空间信息数据的全方位共享与交换，形成对行政管理和社会的应用与服务。3.1标准建设建立健全的城市三维空间信息标准化体系，有利于加强三维空间信息成果的管理和应用，避免由于建设技术多样性，导致三维空间信息成果的格式、内容、数据精度等无法统一，避免今后的数据共享和应用方面的困境。图5 宁波市三维标准体系建设1、宁波市城乡规划测量管理技术规定宁波市城乡规划测量管理技术规定明确在建筑竣工测量时需建立竣工区域的三维地物要素模型，并发展增加了建筑竣工测量的工作内容，如屋顶标高测量，屋顶平面测量、建筑外表纹理采集等，规定建筑竣工测量中须建立三维模型的地物要素，规定建筑竣工测量的三维地物模型制作要求（几何数据制作要求、纹理数据制作要求），规定竣工测量资料中应包括三维地物模型数据及其元数据。2、宁波市三维数字地图技术规程2008年9月，由宁波市规划局组织，宁波市测绘设计研究院负责实施，开展了宁波市三维数字地图技术规程的编写工作，经过多方调研和反复实践，于2009年8月编制完成并通过了专家评审。规程从城市三维数字地图的基础数据来源、数学基础、模型组织、数据精度等多个方面进行分析和规范制定，确保了三维数据的一致性、可靠性和有效性，统一了城市三维数字地图制作及质量要求，实现了三维数据的标准化，促进了三维数字地图数据的共享。3、宁波市建设工程方案三维仿真模型数据要求（暂行）宁波市建设工程方案三维仿真模型数据要求规定了建筑工程、道路工程设计方案三维仿真模型的数据要求，包括数据组织、命名规则、建模规定及项目元数据等。建筑工程模型内容包括项目用地范围内的建（构）筑物、道路、景观、规划控制数据等，道路工程模型包括项目用地范围内的道路、桥梁、隧道、交通附属设施、景观、规划控制数据等。3.2数据建设宁波市三维数字地图数据库目前主要分为四个层次，第一层是地形地貌模型库，第二层是建筑体块模型库，第三层是城市地理模型库，第四层是地下空间模型库，数据库组织层次如下图所示：城市地理模型库建筑体块模型库地形地貌模型库地下空间模型库图6 三维数字地图组织层次3.2.1 城市地理模型库城市地理模型库主要对城市建筑、道路、水系等进行精细建模，能够真实再现城市景观。三维模型基底位置与1：500数字线划图平面位置保持同精度，即一类地物点平面中误差不大于，模型上其他特征点采用利用全数字摄影测量系统采集的矢量数据制作，其平面定位精度点位中误差不大于，高程精度以原始立体像对采集的矢量线精度为准，高程中误差不大于。目前已建成建筑标准模型数据150 km2。图7 市主要建成区建筑标准模型数据库（三江口场景）城市地理模型库建设内容包括：1) 所有一层及一层以上建（构）筑物；2) 城市主要道路、水系；3) 城市主要道路上的树、路灯、交通指示牌、红绿灯指示牌；4) 景观地带的树、路灯、交通指示牌及其他重要的景观建筑等。3.2.2 建筑体块模型库建筑体块数据库利用1:500和1:1000两种比例尺数字地形图建成，数据采用竣工测量方法保持实时更新。地形图数据的平面坐标采用宁波市独立坐标系，高程采用1985国家高程基准，1:500和1:1000数字地形图中的建筑位置平面中误差分别不超过7.5cm和12cm，数据覆盖市规划区范围1360 km2。图8 建筑体块模型库建筑体块数据库平面精度保持与源数据一致，建筑高度计算通过建筑层数与固定层高3m的乘积得出，能够反映建筑体量，总体体现宁波市城区建筑分布的现状和基本状况。3.2.2 地形地貌模型库地形地貌模型库主要利用数字高程模型和数字正射影像生成，采用1:50 000、1:10 000、1：2000三种比例尺DEM和DOM数据，平面坐标系采用宁波市独立坐标系，高程系统采用1985国家高程基准，其具体指标如表1：表1不同尺度三维地形地貌模型的数据指标比例尺高程格网采样（m）纹理像元采样（m）面积（km2）1:50000252555100001:10000551125001:20000.50.511640地形地貌数据库可以展现真实的三维地理环境，建成实例如图9所示： 图9 地形地貌模型库3.2.2 地下空间模型库主要利用现有地下停车场等数据进行建模，能够直观地描述地下空间的三维特征及的空间关系。目前已完成2009年30个新竣工项目的地下空间模型建设。图10 地下空间模型库3.3平台建设平台建设主要用于为服务对象提供直接产品体验。应用支撑系统主要软件有三维仿真系统、三维数字地图发布系统，系统构成及各部分特点如下：软件名称数据格式仿真度特效支持区域范围数据量适用环境电脑基本配置三维仿真系统3维高非常好街道级非常大单机1G内存215Mb显存三维数字地图发布系统3维一般一般市域级大局域网（B/S）512Mb内存128Mb显存软件体系建设根据业务需求及不同平台特点，应用领域不同，具体如下： 三维仿真系统：适用于对效果要求强烈，仿真度高，数据区域范围有限的规划方案审查、视听宣传等领域。三维数字地图发布系统：适用于即时性要求高，宏观决策支持要求高，以办公应用为需求的政务管理等领域。4 关键性技术4.1 多源多尺度模型的融合及海量数据管理与传统的二维数据相比，三维地理信息数据具有数据复杂、数据量庞大的特点，其数据建库组织是一个非常重要的技术和策略问题。主要包括：（1）数据组织方法。在三维数字地图建库过程中涉及到二维和三维数据，对于二维数据可采用传统的数据组织方法，对于三维数据主要采用不规则网格组织模型数据，充分发挥各种数据组织方法的优势：同时，考虑三维模型数据与二维数据的对应以实现二维数据和三维数据的统一管理。（2）数据压缩方法。对规则格网的栅格数据（如DEM、DOM数据），建立金字塔数据结构并进行压缩；模型数据则采用LOD方法进行压缩。（3）空间索引建立。对于海量数据的三维场景，必须建立适当的空间索引以加速三维模型数据的定位与访问，提高数据访问和存储的效率。 4.2 三维建模技术 三维数字地图的三维建模就是重建城市真实地理环境，即以真实的地理空间位置再现城市现状景观（包括地形地貌、城市建筑与道路设施等）。要在计算机中模拟现实世界，就必须建出在在多维尺度下外形、光照、质感等各方面都与真实对象相似的对象模型。需要解决以下问题： （1）建模区域划分。城市包括了建成区、郊区等，建成区包括了新建地区、待改造地区等，首先要又寸建模区域进行规划，合理划分建模工作片区 (格网划分、街区划分)，对每个区片设定建模级别，是建模之前首先要开展的工作。 （2）多源数据的整合利用。三维城市模型建设涉及DEM数据、DOM数据、地形图、实拍照片、规划图纸等多种数据源，需要有效整合这些原始数据，并按应用要求，对原始数据进行流程化处理，满足三维模型在几何、细节上的要求。 （3）大范围三维场景模型的快速建立。对于大区域的三维模型的建立，要有一个快速建模的技术和方法，提高模型建立的自动化水平，同时保证模型的质量。（4）制定建模技术规范技术标准。三维数字地图系统建模范围大、模型种类多样，统一的建模标准和规范非常重要，它不仅可保证模型建设的质量和效率，使建模工作顺利进行，还可推动和实现三维数据的共享。 4.3 大规模场景的三维可视化技术 三维数字地图涉及的地理事物和景观对象信息纷繁复杂，在通常的硬件条件下，按照常规的可视化技术进行海量数据的实时可视化几乎是不可能的，因此，必须针对项目本身特点研究特殊的处理策略。具体包括：（1）有效的场景管理。采用基于节点的、分层和分块的三维场景数据组织模型，简化场景的管理：同时，采用高效的数据组织和索引方法，提高空间操作的效率。 （2）高效的场景简化。综合运用金字塔数据压缩存储技术、多分辨率模型技术、基于LOD的场景简化技术等，加快三维场景的绘制。 （3）高效的可见性技术。采用快速高效的可见性判断技术，提高数据加载和绘制的命中率；同时结合高效的并行载入技术，实现场景实时浏览和数据载入的同时进行。 4.4 三维空间数据的查询、分析与运算 三维空间数据的查询、分析和运算是辅助日常规划管理的基础，具体包括： （1）在三维空间实体及其相互关系的数据组织的基础上，实现空间关系计算。 （2）在空间分析模型和算法方面，采用三维算法模型（如：日照分析、通视分析），并对其进行优化。4 宁波市三维数字地图应用现状宁波市三维数字地图目前形成了仿真规划、政务管理、视听宣传等三大类别的应用服务体系。根据对空间数据种类、精度要求，终端产品的运行环境等的不同，制度了不同的用于服务策略。4.1 仿真规划服务宁波目前在市规划区对建设工程设计方案审查阶段试行采用三维仿真辅助审查，并结合竣工测量实施三维基础地图测量，为规划验收提供了直观的依据。u 辅助方案审查以应用支撑系统中的三维仿真系统为基础，建设了三维仿真辅助审查系统，将拟建的建（构）筑物及其他设施的位置、高度、外观、空间形态等要素通过数据处理，建立三维仿真模型，从而直观真实地展示设计方案。此外，基于城市仿真基础数据，我院还开展景观视域分析、空间体量分析、城市灯光设计、街景改造模拟等仿真咨询服务。图11 三维方案审查u 辅助规划测量以应用支撑系统中的三维数字地图发布系统为基础，建设了规划一张图系统，通过在规划一张图系统中结合竣工的三维模型，使规划管理者能够及时发现与规划内容不相符合之处，大大提高规划批后检查的效率。主要服务内容如下：（1）可视化掌握建设项目总体建设情况。（2）利用叠加的规划线网、用地属性数据核对已竣工的建设项目三维模型。（3）对竣工三维模型进行各项指标的核算和分析。图12 南都花城竣工三维数字地图4.2 政务管理服务立足三维基础数据库，统筹兼顾政府各部门、各企事业单位、社会公众的需求，宁波市开展了大量基于三维的政府管理服务工作，为宁波市各局办单位提供城市仿真信息，辅助政务管理。实现跨跨部门、跨行业的三维空间信息资源共享。u 海曙区三维安全生产监督平台以应用支撑系统中的三维数字地图发布系统为基础，与海曙区安监局合作，结合该局原有办公网络，建设完成了海曙区三维安全生产监督平台，覆盖110个高层建筑，通过网络把三维建筑与消防、物业、人口等信息相结合，直接为海曙区安监局、物业管理办公室、消防大队服务，能够有效的提高上述单位的管理水平，起了良好的示范作用，能够为今后的服务拓展提供了宝贵的经验。图13 建筑内部消防设施布局u 宁波市海洋与渔业信息化综合管理平台以应用支撑系统中的三维数字地图发布系统为基础，与市海洋局合作，建立了宁波市海洋与渔业信息化综合管理平台（一期）项目完成。海洋管理信息平台及应用系统是宁波市首个大型的二维和三维集成的GIS应用项目，对全面提升宁波市海洋与渔业管理与服务水平、建立全市海洋与渔业信息资源共享机制、发挥海洋与渔业信息资源在经济和社