三维GIS助力智慧城市建设

来源: 中国测绘杂志 中国测绘学会

三维GIS作为GIS技术的主要标志性内容之一,实现了GIS技术从平面世界向立体世界的跨越。本文主要介绍了三维GIS模型数据获取、数据组织管理和可视化分析等关键技术的研究现状,并以长沙市为例展示了三维GIS在城市仿真、规划审批和辅助决策等方面所起的重要作用。

三维GIS助力智慧城市建设-BIMBANK

2019年,我国城镇化率达到了60.6%。城市消耗着大量自然资源。此外,交通拥堵、能源短缺、环境污染等问题都阻碍着城市居民生活质量的提高以及社会的发展,建设“智慧城市”的诉求日益突出。GIS因为其强大的可视化和分析功能,已经成为人们认识世界和解决实际问题的重要工具。三维GIS通过将复杂的现实世界准确地映射到计算机上,并根据需要进行可视化和特定的空间分析,已经成为政府、企事业单位和公众的有力助手,在城市规划、电力规划、交通管理规划、应急指挥等方面具有广泛的应用。

三维GIS的关键技术

从二维GIS发展到三维GIS,GIS平台实现了一次维度的跨越,伴随而来的是数据量的爆炸式增长、数据组织方式变得更加复杂,同时数据的可视化以及分析算法也迎来了巨大的挑战。近年来,三维GIS一直是国内外GIS领域的研究热点,很多学者针对三维GIS的关键技术做了大量研究。

1、三维模型数据获取

数据作为GIS平台的基础,直接影响着系统功能的实现。而作为三维GIS平台,三维空间数据模型显得尤为重要。三维GIS数据需要关注数据精度、生产成本以及生产效率等问题。传统的三维GIS模型数据主要通过利用已有的二维数据和人工建模的方式获取。使用二维数据建模主要是利用已有GIS、地图和CAD提供的二维平面数据以及其他高度辅助数据建立盒状模型,这种方式快速而经济,但是所生产的模型受限于已有的二维数据;使用人工建模的方式摆脱了对已有数据的限制,并且能够生产出几何精度高,属性信息丰富的模型数据,以BIM模型为例,它集图形、属性、颜色、材质于一体,具有真实的光影特效,能够呈现精致的构建细节,但是人工建模的生产周期长、成本高;近年来,倾斜摄影测量技术和三维激光扫描技术的发展,使得快速获取大范围场景模型数据成为可能,并且具有自动化程度高、价格低廉等特点。基于丰富的数据来源以及不同类型数据的特点,三维GIS通常根据平台特点选择组合使用不同来源的数据,从而取长补短。例如将人工精模数据和倾斜数据结合使用,在重点区域使用人工精模数据精细表达场景对象,而在非重点区域使用倾斜模型粗略表达场景对象,能够实现场景真实感与数据成本的平衡,也有利于后期数据的快速更新。

2、高效的数据组织管理

当前,二三维数据一体化、空间数据与属性数据一体化极大丰富了城市要素的表现形式,也为对象的分析和查询提供了多维度的数据支撑;多源异构数据存储管理模式,极大地丰富了平台支持的数据类型,使得三维地形数据、二维矢量数据、倾斜影像数据、三维模型数据、纹理贴图数据、BIM模型数据等多种数据类型能够取长补短、融合应用;但是,高效地管理三维GIS数据仍然存在两个技术难点:(1)三维数据量巨大,数据类型不一致,数据分布不均匀,这些特点会影响数据存取速度;(2)传统的GIS可视化平台通常采用一次性装载所有数据之后再进行渲染,其渲染范围大小和渲染效果主要取决于计算机内存和显存,这对于城市级场景的可视化是一个不小的挑战。针对这些问题,国内外的研究一方面通过数据标准化实现数据的统一,避免由于数据格式不一致而形成数据屏障,帮助实现不同平台之间的数据共享;另一方面通过优化数据组织方式、构建适用于三维数据的更加高效的索引结构,以及使用多级缓存的动态调度算法,加快数据调度。

3、高性能的三维可视化

与传统的二维GIS平台相比,三维GIS平台可视化最突出的特征是具有更强的真实感。这种真实感一方面源自于逼真的模型,另一方面也得益于高效的人机交互体验。三维GIS平台使用的模型数据具有精细的几何结构,同时由于其纹理数据是直接从实体对象采集而来,具有很高的逼真度。而在人机交互方面,低延时的实时响应效果一直是三维GIS平台需要攻克的难点。对于城市级别的三维场景,由于其数据量大、数据分布不均匀等特点,无疑给平台操作的实时性带来不小挑战,因为场景模型越精细,数据量就越大,实时绘制的工作量也直线上升。传统的三维GIS平台在真实感和实时绘制方面可谓鱼与熊掌不可兼得:当要求三维GIS平台具有精细的静态视觉效果的同时,就需要容忍浏览过程中可能出现的跳变;若要求较强的实时绘制能力,就需要牺牲模型的精细程度。通过提升计算机配置能在一定程度上解决数据量大和实时绘制的冲突,但是要在更多的计算机上使用三维GIS平台,单纯依靠改善硬件环境仍不足以解决问题。需要通过改善数据组织结构和渲染算法,用软硬件相结合的方式改善大场景实时绘制时所面临的问题。针对这个问题,国内外学者提出了很多可行的解决方案,主要从场景可见性剔除、多分辨率模型简化、基于图像与GPU的加速绘制以及模型数据组织等方面着力,满足了复杂场景的可视化和空间分析需求。

三维GIS在智慧城市中的典型应用

三维GIS作为智慧城市建设的有效方式,日益渗透到了城市生活的方方面面。下面以长沙市3个“智慧城市”相关项目案列为基础,展示三维GIS在“智慧城市”建设中所取得的成绩。

1、"智慧长沙”城市三维仿真基础数据建设项目

项目通过传统人工建模、倾斜摄影建模等多种方式完成长沙市560平方公里三维仿真精细模型数据建设,模型精度包含国标Ⅰ、Ⅱ级精度,实现了“地上与地下”统筹、“规划与现状”统筹的三维仿真数据建设覆盖面积和覆盖率的全国领先。同时通过将图形数据、属性数据与文本数据等转化为以三维立体表现形式呈现的数据成果,为三维仿真技术在全市智慧城市方面的应用提供了数据支撑,有效保障“智慧长沙”城市三维仿真的辅助与决策。

2、基于三维GIS与BIM数据的某区规划审批动态管理平台建设项目

项目以3D GIS与BIM技术在城市规划及城市建设运营管理领域的应用研究为基础,利用研究成果指导该区工程项目建设审批和管理平台设计及基础数据建设,通过充分利用建筑信息模型数据、城市三维仿真数据、基础地理信息数据、规划业务数据,建立该区规划审批动态管理平台,满足该区工程建设项目审批信息的实时共享,实现该区建设项目审批工作从传统的二维审批,过渡到3DGIS与BIM结合的三维审批,有效提高全区工程建设项目行政审批效率,提升规划精细化管理水平。

3、湖南某区三维仿真辅助决策与演示平台建设项目

项目在三维仿真模型数据、720全景图建设基础上,构建了集辅助决策、招商展示、公众发布功能于一体的三维仿真辅助决策与演示平台。通过对三维仿真、720全景展示等新兴技术的融合,为智慧城市管理工作提供基础数据与底层平台,为城市的智慧运营提供数据支撑,为逐步建立覆盖城市规划、建设、管理全过程的智慧城市应用奠定数据基础和提供技术支持,有效提升相关工作的可操作性,极大地辅助了该区规划审批与管理工作。
结束语

三维GIS是GIS技术的重要发展形式。当前已形成了二维GIS、三维GIS、实时GIS的新格局,在“智慧城市”建设中具有不可替代的重要作用,但是三维GIS在智慧城市的实际应用中仍存在不少需要逾越的障碍。为了实现更加高效的智慧城市建设,三维GIS在数据模型的高效获取、数据组织与管理、场景渲染与空间分析等方面仍有很大的优化空间。

文、图 / 易海泉

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