薛梅，李鋒，何興富

(重慶市勘測(cè)院，重慶 400021)

1 引言

數(shù)字城市是把地理信息和其他有關(guān)信息結(jié)合并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上，讓城市內(nèi)外空間連在一起的虛擬空間［1］。西方國(guó)家的數(shù)字城市建設(shè)經(jīng)歷了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)階段、城市政府與企業(yè)內(nèi)部信息化建設(shè)階段、城市政府與企業(yè)之間的互聯(lián)網(wǎng)連接階段以及智能應(yīng)用建設(shè)階段。我國(guó)的數(shù)字城市和現(xiàn)實(shí)城市建設(shè)同步進(jìn)行、互動(dòng)補(bǔ)充，以政府投入、政府應(yīng)用為主的數(shù)字城市建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式導(dǎo)致企業(yè)和公眾參與積極性缺乏、資金來(lái)源單一，阻礙了數(shù)字城市的健康、可持續(xù)發(fā)展。

本文在總結(jié)國(guó)內(nèi)外數(shù)字城市研究現(xiàn)狀及問(wèn)題基礎(chǔ)上，針對(duì)重慶大庫(kù)區(qū)、大城市、大鄉(xiāng)村、大山區(qū)實(shí)際情況，歸納出建設(shè)運(yùn)營(yíng)重慶三維數(shù)字城市的挑戰(zhàn)和思路，從建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式、數(shù)據(jù)整合框架、軟件體系方面開(kāi)展探索和實(shí)踐，形成了豐富的技術(shù)和應(yīng)用成果。

2 研究背景

2.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

迄今為止，全世界尚未實(shí)現(xiàn)完整、成熟的數(shù)字城市，但以美國(guó)為代表的發(fā)達(dá)國(guó)家和城市已開(kāi)展大量相關(guān)基礎(chǔ)性工作［1～3］。在我國(guó)已有100多個(gè)城市不同程度地開(kāi)展數(shù)字城市建設(shè)工作，武漢［4］、蘇州［5］、天津、寧波等城市啟動(dòng)了三維數(shù)字城市建設(shè)并應(yīng)用于城市規(guī)劃、建設(shè)、管理等領(lǐng)域。

我國(guó)數(shù)字城市建設(shè)雖然在技術(shù)和應(yīng)用上取得顯著的成績(jī)，但相對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家仍具有較大的差距，其建設(shè)運(yùn)營(yíng)具有以下特點(diǎn):①主要采用政府出資、統(tǒng)一建設(shè)、分步應(yīng)用的模式，數(shù)字城市的持續(xù)更新和運(yùn)營(yíng)需要政府持續(xù)投入資金，否則難以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。②表達(dá)載體上以二維為主，三維為輔，展示效果不夠直觀。③應(yīng)用示范以政府管理為主，企業(yè)應(yīng)用相對(duì)較少，企業(yè)對(duì)數(shù)字城市的訴求難以體現(xiàn)。④技術(shù)選型以NewMap、SuperMap、ArcGIS等商業(yè)軟件為主，靈活性受到限制。

2.2 主要問(wèn)題與解決思路

重慶是我國(guó)著名的山城，其依山而建，地勢(shì)高低起伏，建筑錯(cuò)落有致。在重慶開(kāi)展三維數(shù)字城市建設(shè)，面臨比平原城市更加巨大的挑戰(zhàn)。①基于數(shù)字高程模型建立的地形模型難以準(zhǔn)確反映山地城市地形和建構(gòu)筑物的空間關(guān)系，必須進(jìn)行微觀地形三維建模，地形建模和動(dòng)態(tài)更新維護(hù)工作量大;②城區(qū)建設(shè)用地緊張，高樓密集，建筑建模工作量大，數(shù)據(jù)采集處理成本高;③地形復(fù)雜、建筑密集導(dǎo)致單位面積的三維模型數(shù)據(jù)量是平原城市的數(shù)倍，對(duì)軟硬件技術(shù)提出了更高要求。

項(xiàng)目從建設(shè)模式、技術(shù)路線、應(yīng)用推廣方式等方面著手解決以上問(wèn)題。①多渠道籌措經(jīng)費(fèi)，項(xiàng)目前期由重慶市勘測(cè)院自行籌措，通過(guò)項(xiàng)目方式不斷引入其他資金渠道;②基于自主研發(fā)的三維基礎(chǔ)軟件搭建三維數(shù)字城市平臺(tái)，三維仿真與三維GIS融合的技術(shù)路線既充分體現(xiàn)山地城市地形、地貌、建構(gòu)筑物的仿真特點(diǎn)，又可開(kāi)展空間分析;③遵循總體設(shè)計(jì)、急用先行的原則，以城市規(guī)劃建設(shè)領(lǐng)域?yàn)橹匾黄?，率先開(kāi)展應(yīng)用，后期再逐步深化拓展。

3 技術(shù)框架

在借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)研究成果和經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，項(xiàng)目形成具有特色的三維數(shù)字城市研究路線，如圖1所示。高精度山地城市三維地理空間數(shù)據(jù)構(gòu)建整合研究解決地上、地下一體化的海量三維空間數(shù)據(jù)集成、組織、整合、建庫(kù)管理問(wèn)題;集景三維數(shù)字城市公共平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二三維地理信息與三維模型數(shù)據(jù)的一體化展示與分析應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)海量空間數(shù)據(jù)的分布式訪問(wèn)和高效渲染;開(kāi)放式應(yīng)用服務(wù)體系基于公共平臺(tái)為應(yīng)用系統(tǒng)的快速構(gòu)建提供良好支持;城市三維協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三維地理環(huán)境環(huán)境下規(guī)劃方案的草繪、設(shè)計(jì)、模擬、評(píng)估、反饋及優(yōu)化，為規(guī)劃設(shè)計(jì)企業(yè)提供了新的技術(shù)工具。

圖1 總體技術(shù)路線

3.1 建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式研究

三維數(shù)字城市產(chǎn)業(yè)具有基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性、高投入性、高風(fēng)險(xiǎn)性和高關(guān)聯(lián)性等特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)改變傳統(tǒng)的政府出資、政府維護(hù)、政府管理、政府應(yīng)用的建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，通過(guò)政府引導(dǎo)，充分發(fā)揮市場(chǎng)機(jī)制作用和功能，合理優(yōu)化配置數(shù)字城市資源，開(kāi)展數(shù)字化建設(shè)運(yùn)營(yíng)。

本文探索一種以企業(yè)為主體的三維數(shù)字城市建設(shè)模式，政府的主要作用是機(jī)制保障和政策引導(dǎo)，企業(yè)和公眾在三維數(shù)字城市中占主導(dǎo)作用，其主要內(nèi)容包括:①改變投資模式，在重慶建設(shè)內(nèi)陸開(kāi)放高地的建設(shè)進(jìn)程中，多渠道引入外來(lái)投資企業(yè)、開(kāi)發(fā)建設(shè)投資集團(tuán)等的投資資金，解決三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)覆蓋問(wèn)題;②加強(qiáng)政策引導(dǎo)，通過(guò)規(guī)劃竣工核實(shí)階段引入三維建模，實(shí)現(xiàn)三維模型動(dòng)態(tài)更新。重慶市規(guī)劃局發(fā)布文件《重慶市規(guī)劃局關(guān)于在主城區(qū)試行三維仿真系統(tǒng)輔助建筑規(guī)劃管理的通知 渝規(guī)發(fā)【2012】19號(hào)》，文件規(guī)定由負(fù)責(zé)建筑工程竣工三維模型的制作，解決三維數(shù)字城市空間數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)更新問(wèn)題;③以企業(yè)為主體負(fù)責(zé)三維數(shù)字城市的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)工作，發(fā)揮其在規(guī)劃竣工核實(shí)業(yè)務(wù)、空間信息技術(shù)、多專(zhuān)業(yè)人才團(tuán)隊(duì)上的積累優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可持續(xù)的三維數(shù)字化建設(shè)團(tuán)隊(duì)支撐;④大力促進(jìn)三維數(shù)字城市在企業(yè)和公眾的應(yīng)用，特別是面向空間信息技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)的城市勘察、測(cè)繪、規(guī)劃設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)、投資建設(shè)集團(tuán)等企業(yè)的應(yīng)用需求，開(kāi)發(fā)系列應(yīng)用軟件，推動(dòng)以上行業(yè)的技術(shù)革新，尋求三維數(shù)字城市的贏利點(diǎn)。

3.2 數(shù)據(jù)整合框架研究

針對(duì)山地城市地形起伏大、地質(zhì)地貌復(fù)雜、多霧、用地集約、高樓密集等地點(diǎn)，發(fā)展適應(yīng)這些特點(diǎn)的高新數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，建立以無(wú)人機(jī)低空數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量、地面激光三維掃描、車(chē)載移動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)為主導(dǎo)的三維空間數(shù)據(jù)獲取、處理、融合體系;形成涵蓋地上、地表、地下三維空間數(shù)據(jù)的完整數(shù)據(jù)框架，建立地下管線、地質(zhì)、地下空間、地表實(shí)景影像、地面三維模型、三維地形一體化的數(shù)據(jù)集成處理框架;研究三維地下空間模型數(shù)據(jù)庫(kù)的組織方式以及一體化管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量多元異構(gòu)地下空間數(shù)據(jù)的高效管理。三維空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一建?？蚣苋鐖D2所示。

3.3 軟件體系研究

(1)三維數(shù)字城市基礎(chǔ)平臺(tái)軟件

項(xiàng)目針對(duì)三維數(shù)據(jù)更新維護(hù)困難、場(chǎng)景表達(dá)效果不夠逼真、應(yīng)用拓展有限等問(wèn)題，利用多核處理器、多通道顯示器等現(xiàn)代硬件環(huán)境，融合地理信息系統(tǒng)和現(xiàn)代圖形學(xué)的技術(shù)特點(diǎn)，自主研發(fā)兼具三維仿真效果和地理信息分析功能的平臺(tái)軟件，解決海量三維數(shù)據(jù)組織、動(dòng)態(tài)渲染與分布式應(yīng)用等瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高仿真虛擬環(huán)境下二三維地理信息與三維模型的一體化展示與應(yīng)用。具有以下特點(diǎn):①單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)一體化。以靈活可擴(kuò)展的架構(gòu)，同時(shí)支持單機(jī)和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下本地?cái)?shù)據(jù)集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)集的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)高效率的數(shù)據(jù)調(diào)用，為大場(chǎng)景三維數(shù)據(jù)加載提供基礎(chǔ)。②三維模型集成建庫(kù)全流程化。為三維精細(xì)模型、地形模型提供檢查、格式轉(zhuǎn)換、集成、入庫(kù)、動(dòng)態(tài)更新等工具。③高性能的核心渲染引擎。綜合采用模型LOD、GPU渲染繪制、高性能緩存、分塊場(chǎng)景組織、動(dòng)態(tài)調(diào)度和內(nèi)存控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在較低內(nèi)存占用情況下，高幀率的流暢網(wǎng)絡(luò)化加載和渲染效果。④模塊化SDK和插件集架構(gòu)?；贑OM架構(gòu)實(shí)現(xiàn)接口定義，支持跨語(yǔ)言、跨平臺(tái)二次開(kāi)發(fā)。

圖2 三維空間數(shù)據(jù)統(tǒng)一建模框架

(2)開(kāi)放式應(yīng)用體系研究項(xiàng)目從平臺(tái)開(kāi)放性、數(shù)據(jù)開(kāi)放性和應(yīng)用開(kāi)放性三方面著手，建立插件式的開(kāi)放應(yīng)用體系，使應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)更加高效。除了開(kāi)展公安、市政等三維數(shù)字城市常見(jiàn)的示范應(yīng)用外，大力推進(jìn)三維數(shù)字城市在城市勘察、規(guī)劃、設(shè)計(jì)、招商、宣傳等企業(yè)級(jí)應(yīng)用。該應(yīng)用體系具有以下特征:①基于面向服務(wù)架構(gòu)，解決當(dāng)前三維仿真平臺(tái)交互性弱的問(wèn)題，提高平臺(tái)開(kāi)放性。②數(shù)據(jù)的建設(shè)和更新采用建設(shè)企業(yè)為主，應(yīng)用企業(yè)為輔的方式，即數(shù)據(jù)建設(shè)企業(yè)建立大范圍的數(shù)據(jù)覆蓋和更新機(jī)制。應(yīng)用企業(yè)通過(guò)API的方式整合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。③向相關(guān)領(lǐng)域合作伙伴開(kāi)放API，具有特定權(quán)限的相關(guān)企業(yè)通過(guò)API獲取平臺(tái)資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維數(shù)據(jù)的訪問(wèn)、對(duì)系統(tǒng)分析API的調(diào)用等。

(3)城市三維協(xié)同規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

結(jié)合重慶山地城市實(shí)際，將城市規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程和三維地理環(huán)境模擬、評(píng)估緊密結(jié)合起來(lái)，解決了規(guī)劃設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)整合集成、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的建構(gòu)筑物三維建模、漸進(jìn)式規(guī)劃設(shè)計(jì)流程、多專(zhuān)業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)同等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展了應(yīng)用實(shí)踐，為復(fù)雜環(huán)境下多專(zhuān)業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供新的工具和方法。并具備以下功能和特性:①支持分布式、多源、多尺度的地理空間數(shù)據(jù)、規(guī)劃設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)的疊加集成展示，利用虛擬地理環(huán)境的逼真展示功能，直觀模擬設(shè)計(jì)方案及周邊環(huán)境的景觀效果;②支持在三維虛擬地理環(huán)境下的交互式設(shè)計(jì)，通過(guò)草繪、輸入?yún)?shù)、導(dǎo)入已有設(shè)計(jì)等方式，形成各類(lèi)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)方案;③支持設(shè)計(jì)方案的評(píng)估，從安全因素、景觀因素、成本因素綜合進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的比較評(píng)估，并以此為依據(jù)不斷調(diào)整、改進(jìn)設(shè)計(jì)方案;④支持道路、管線、場(chǎng)地、建筑等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的在線協(xié)同設(shè)計(jì)并形成依賴(lài)關(guān)系。一個(gè)方案變化，其他相關(guān)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)方案的參數(shù)提示變化;⑤支持設(shè)計(jì)意圖的直觀展示和交互，提供交流平臺(tái)。

4 應(yīng)用實(shí)踐

項(xiàng)目基于以上解決方案，在政府管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、勘察服務(wù)、公眾應(yīng)用等方面開(kāi)展了大量實(shí)踐，取得豐富的成果。

(1)搭建了基于政務(wù)網(wǎng)的“三維城市政務(wù)平臺(tái)”。采用分布式共享的方式，發(fā)布重慶都市區(qū) 3 000 km2地形三維模型、建成區(qū) 550 km2精細(xì)三維模型。平臺(tái)實(shí)現(xiàn)二三維空間數(shù)據(jù)一體化集成，為城鄉(xiāng)規(guī)劃管理的方案審批、竣工規(guī)劃核實(shí)工作提供了科學(xué)支撐，提供了面向環(huán)保、公安、市政行業(yè)三維地理空間服務(wù);通過(guò)建設(shè)江津、長(zhǎng)壽、開(kāi)縣、墊江、永川、合川等區(qū)縣級(jí)三維數(shù)字城市平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)縣地下、地上三維地理空間數(shù)據(jù)的集成管理，并面向規(guī)劃管理、招商引資、城市宣傳、管線管理開(kāi)展了應(yīng)用，成為區(qū)縣政府部門(mén)的綜合管理決策支撐平臺(tái)。

(2)面向開(kāi)發(fā)投資集團(tuán)、開(kāi)發(fā)園區(qū)管委會(huì)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)商、勘察設(shè)計(jì)單位等企業(yè)提供三維城市規(guī)劃設(shè)計(jì)軟件及服務(wù)，開(kāi)展道路、場(chǎng)地、管線、建筑設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作?；谥庇^、準(zhǔn)確的三維地理設(shè)計(jì)進(jìn)行城市規(guī)劃設(shè)計(jì)，不但可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的交互式調(diào)整、模擬與評(píng)估，提高了規(guī)劃設(shè)計(jì)的效率，還可集成區(qū)域內(nèi)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)設(shè)計(jì)成果的整合。

(3)針對(duì)軌道、橋梁、隧道、公共設(shè)施等重大基礎(chǔ)設(shè)施的選址、設(shè)計(jì)、應(yīng)急搶險(xiǎn)，提供基于地下、地上一體化的可視化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)勘察、測(cè)繪、設(shè)計(jì)等多專(zhuān)業(yè)一體化的業(yè)務(wù)咨詢(xún)，創(chuàng)新了多專(zhuān)業(yè)融合的服務(wù)新模式，為重慶的重大基礎(chǔ)設(shè)施施工、運(yùn)營(yíng)提供綜合性服務(wù)。

(4)將三維地理空間數(shù)據(jù)渲染后發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)，建設(shè)“重慶三維地理信息公眾服務(wù)平臺(tái)”，并動(dòng)態(tài)疊加軌道交通、公租房等熱點(diǎn)信息，為社會(huì)公眾的生活提供便利，得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注和好評(píng)。

(5)靈活應(yīng)用多種智能終端，將渲染后三維地理空間數(shù)據(jù)發(fā)布到手機(jī)、平板電腦等智能終端，為領(lǐng)導(dǎo)、機(jī)關(guān)用圖提供新穎的載體，改變傳統(tǒng)紙質(zhì)地圖不易攜帶、厚重的問(wèn)題。

5 總結(jié)與展望

重慶三維數(shù)字城市的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，充分體現(xiàn)了重慶大城市、大農(nóng)村、大庫(kù)區(qū)、大山地的特色。項(xiàng)目建立了政府主導(dǎo)，以企業(yè)為主體的三維數(shù)字城市建設(shè)運(yùn)營(yíng)模式，通過(guò)政策引導(dǎo)，保證了三維數(shù)字城市的更新機(jī)制;通過(guò)多源多尺度、地上地下一體化的海量地理空間數(shù)據(jù)集成處理，使三維地理空間信息資源得到了有效的整合和統(tǒng)一;通過(guò)建立開(kāi)放的軟件體系，為各級(jí)政府管理決策、企業(yè)應(yīng)用、產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有力的三維地理空間數(shù)據(jù)保障和先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)手段。項(xiàng)目后續(xù)還需進(jìn)一步依托政策機(jī)制，推進(jìn)三維數(shù)字城市在企業(yè)的應(yīng)用，促進(jìn)三維地理空間信息的標(biāo)準(zhǔn)化。

［1］李宗華．?dāng)?shù)字城市空間數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)與應(yīng)用研究［D］．武漢:武漢大學(xué)，2005．

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