王曉莉

(山西省煤炭工業(yè)廳煤炭資源地質(zhì)局 地理信息中心，山西 太原030045)

0 引言

要加快“數(shù)字中國”的建設(shè)步伐，重點(diǎn)是加快“數(shù)字城市”建設(shè)步伐，全面完成全國地級(jí)城市以及有條件的縣級(jí)城市的“數(shù)字城市”建設(shè)，為構(gòu)建“智慧中國”奠定基礎(chǔ)。近年來，國內(nèi)一些高校、科研機(jī)構(gòu)開始著手?jǐn)?shù)字城市的理論研究和系統(tǒng)開發(fā)工作，并取得一定進(jìn)展。

汾西礦業(yè)集團(tuán)公司為滿足自身的經(jīng)濟(jì)建設(shè)及發(fā)展，開展了汾西礦業(yè)集團(tuán)公司介休地區(qū)基礎(chǔ)航空攝影，獲取了基礎(chǔ)地理信息的遙感資料，測制了國家基本比例尺地圖、影像圖和數(shù)字化產(chǎn)品，建立了新時(shí)代背景下的介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了航空攝影—測繪產(chǎn)品—三維地理信息系統(tǒng)一站式的新時(shí)代測繪產(chǎn)業(yè)鏈模式。其中，測繪為數(shù)字城市提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集，數(shù)字城市則高效、全方位地充分利用了測繪數(shù)據(jù)并在測繪數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上結(jié)合其他地理屬性信息。

1 技術(shù)路線

1.1 總體技術(shù)路線

首先完成礦區(qū)E 級(jí)GPS 控制網(wǎng)建立，再以低空無人機(jī)航空攝影方式獲取礦區(qū)全要素?cái)?shù)字地形圖(DLG)、數(shù)字正射影像(DOM)、數(shù)字地形模型(DEM)、城市三維景觀模型等空間定位的基本信息數(shù)據(jù)，利用Visual Studio. Net 作為開發(fā)工具、C#作為開發(fā)語言，對(duì)當(dāng)前最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)三維GIS 平臺(tái)Skyline進(jìn)行二次開發(fā)，建立介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)平臺(tái)。總的技術(shù)路線流程如圖1 所示。

圖1 總體技術(shù)路線流程圖

1.2 技術(shù)依據(jù)

平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用1980 西安坐標(biāo)系。高程基準(zhǔn)采用1985國家高程基準(zhǔn)。為了保證汾西礦業(yè)集團(tuán)公司介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)構(gòu)建工程建立在國家統(tǒng)一的測繪基準(zhǔn)和測繪系統(tǒng)上，其成果符合國家測繪產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的要求，生產(chǎn)作業(yè)執(zhí)行的有關(guān)國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范主要有:《數(shù)字城市地理空間信息公共平臺(tái)技術(shù)規(guī)范》(CH/Z 9001 -2007);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影規(guī)范》(GB/T 6962 -2005);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量外業(yè)規(guī)范》(GB/T 7931 -2008);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖航空攝影測量內(nèi)業(yè)規(guī)范》(GB/T 7930 -2008);《城市基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》(CJJ 100);《1 ∶500、1 ∶1 000、1 ∶2 000 地形圖圖式》(GB/T 20257.1 -2007);《1 ∶5 000、1 ∶10 000 地形圖圖式》(GB/T 20257.2 -2006);《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T 18314 -2009);《城市三維建模技術(shù)規(guī)范》(CJJ_預(yù)標(biāo)準(zhǔn))。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取

近些年來，低空無人機(jī)測繪航空攝影系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低空航空攝影所獲取高分辨率影像數(shù)據(jù)，經(jīng)眾多科技人員和生產(chǎn)單位的研究與生產(chǎn)實(shí)踐［5-7］，證實(shí)這種技術(shù)方式能滿足區(qū)域大比例尺DOM、DEM、DLG 數(shù)字產(chǎn)品快速生產(chǎn)的需求。采用無人機(jī)低空航攝系統(tǒng)進(jìn)行區(qū)域基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取時(shí)，應(yīng)注意以下幾個(gè)方面。

1)航空攝影影像應(yīng)清晰、層次豐富、反差適中、彩色色調(diào)柔和鮮艷、均勻，相同地物的色彩基本一致。太陽高度角的選擇應(yīng)保證陰影不大于2 倍。

2)航攝像片平面控制點(diǎn)和平高控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的平面位置中誤差應(yīng)不超過地物點(diǎn)平面位置中誤差的1/5;高程控制點(diǎn)和平高控制點(diǎn)相對(duì)鄰近基礎(chǔ)控制點(diǎn)的高程中誤差應(yīng)不大于1/10 等高距。

3)外業(yè)調(diào)繪采用先室內(nèi)判讀、立體測圖，后野外檢核和調(diào)查，再室內(nèi)修改和補(bǔ)充調(diào)繪的方法。嚴(yán)格依據(jù)實(shí)際地形地貌地物，走到、看到、量到、問清、繪準(zhǔn)，判讀準(zhǔn)確，描繪清楚，符號(hào)運(yùn)用恰當(dāng)，各種注記準(zhǔn)確無誤。

2.2 三維建模技術(shù)

三維建模采用的軟件是美國歐特克公司的三維建模軟件3ds max 2012，建模方式為建筑物外表面的幾何結(jié)構(gòu)建模，用模型和貼圖表現(xiàn)大量的實(shí)體幾何結(jié)構(gòu)。

根據(jù)測區(qū)1 ∶1 000 地形圖和1 ∶5 000 地形圖進(jìn)行模型大小及位置定位，將CAD 電子圖導(dǎo)入3ds max ，在線劃圖的基礎(chǔ)上對(duì)建筑物、道路、街塊等重新描繪，最后再利用描好的輪廓線立體建模。

三維模型包括地形模型、建筑模型、交通設(shè)施模型、綠化模型以及其他模型等，各類模型按照表現(xiàn)細(xì)節(jié)的不同可分為LOD1、LOD2、LOD3、LOD4 四個(gè)細(xì)節(jié)層次，按照表1 的規(guī)定確定。

表1 模型分類與細(xì)節(jié)層次

其中，對(duì)不同細(xì)節(jié)層次地形模型的規(guī)定如下:①地形模型LOD1 應(yīng)為反映地形起伏特征的幾何模型。②地形模型LOD2應(yīng)為反映地形起伏特征和地表影像的模型。③地形模型LOD3應(yīng)為反映地形起伏特征、地表形態(tài)及其影像的模型。④地形模型LOD4 應(yīng)為逼真反映地形起伏特征和地表形態(tài)的模型。

3 成果評(píng)價(jià)

3.1 三維模型評(píng)價(jià)

建筑模型均為精細(xì)模型，其基底輪廓線使用1 ∶1 000 比例尺地形圖中建筑物的基底輪廓線直接生成，并與地形圖保持一致。其立體屋頂、凹凸的陽臺(tái)、一樓突出門廳等幾何結(jié)構(gòu)均用幾何實(shí)體表現(xiàn)，能精確反映建筑的立面、屋頂結(jié)構(gòu)形式等細(xì)節(jié)。

精細(xì)模型使用的紋理材質(zhì)均與建筑外觀保持一致，可實(shí)際反映出紋理的實(shí)際圖案、顏色、透明度等，可區(qū)別出磚、木頭、玻璃等不同質(zhì)地。紋理中沒有包含建模物體以外的物體。

標(biāo)準(zhǔn)模型中使用的紋理的圖案、顏色等均與建筑外觀一致?？蓽?zhǔn)確表現(xiàn)建筑物的幾何實(shí)體結(jié)構(gòu)，部分實(shí)體結(jié)構(gòu)被忽略但不影響建筑物的真實(shí)性。小區(qū)居民樓一些小的角頂、凹凸的陽臺(tái)，一樓突出的門廳等幾何結(jié)構(gòu)采用貼圖表現(xiàn)。

3.2 三維地理信息系統(tǒng)評(píng)價(jià)

介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)采用網(wǎng)頁形式打開，經(jīng)測試該系統(tǒng)在IE8 或IE9 瀏覽器中均可正常打開。系統(tǒng)采用流處理方式加載場景模型，經(jīng)過反復(fù)測試，場景模型的塊流出寬度為1 200 m 左右，在視點(diǎn)小于3 500 m 時(shí)顯示場景模型，模型由遠(yuǎn)到近時(shí)顯示不同精度的紋理，當(dāng)視點(diǎn)小于100 m 時(shí)顯示最清晰的紋理。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)360°全方位自由漫游，可通過鼠標(biāo)滾輪實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退和旋轉(zhuǎn)視角，也可通過鍵盤快捷鍵來控制漫游。系統(tǒng)在正常使用時(shí)會(huì)占用大量電腦資源，但不會(huì)有系統(tǒng)崩潰等內(nèi)存溢出問題，可正常持久運(yùn)行。

系統(tǒng)界面及部分場景如圖2、圖3 所示。

圖2 介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)界面

4 結(jié)語

數(shù)字化是一種先進(jìn)的生產(chǎn)力，如“數(shù)字北京”“數(shù)字太原”“數(shù)字奧運(yùn)”等都會(huì)提升整體的城市形象及國家形象，汾西礦業(yè)集團(tuán)公司介休地區(qū)數(shù)字化標(biāo)志著汾西礦業(yè)集團(tuán)公司新時(shí)代的形象，標(biāo)志著汾西礦業(yè)集團(tuán)公司的精神文明和物質(zhì)文明的建設(shè)走在了信息化時(shí)代的前端。在當(dāng)前階段所實(shí)現(xiàn)的介休地區(qū)“數(shù)字化”三維地理信息系統(tǒng)，可作為企業(yè)內(nèi)員工和社會(huì)各界人士對(duì)汾西礦業(yè)集團(tuán)公司進(jìn)行了解的平臺(tái)和汾西礦業(yè)集團(tuán)公司對(duì)外的企業(yè)名片，為企業(yè)的管理和發(fā)展提供了革命性的手段。

圖3 介休地區(qū)三維地理信息系統(tǒng)部分場景

但是，現(xiàn)有成果仍然有很多不足之處，應(yīng)做更進(jìn)一步的研究工作，具體如下。

1)在現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，加入各種地面監(jiān)控等硬件設(shè)備的實(shí)時(shí)信息，建立一個(gè)完善的三維地面監(jiān)管系統(tǒng)。

2)并入煤炭集團(tuán)下屬各煤礦企業(yè)的地面、地下三維系統(tǒng)，最終建立一個(gè)包括地面信息、煤層、巷道、井下運(yùn)輸、供電、通風(fēng)、防塵、避災(zāi)路線、抗災(zāi)路線、生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)測監(jiān)控、安全管理、設(shè)備管理等信息層的三維空間信息管理平臺(tái)。

3)結(jié)合地下管線、規(guī)劃、土地、綠化、道路、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)、房地產(chǎn)、人口、商業(yè)、工礦企業(yè)、電訊、電力等所關(guān)心的信息，建立數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而建立各種信息管理系統(tǒng)和監(jiān)控與決策系統(tǒng)，如綜合市情系統(tǒng)，企業(yè)規(guī)劃系統(tǒng)、配電管理系統(tǒng)、土地管理系統(tǒng)等等。

［1］ 孫敏，馬藹乃，陳軍.三維城市模型的研究現(xiàn)狀評(píng)述［J］.遙感學(xué)報(bào)，2002，6(2):155 -160.

［2］ 顧朝林，段學(xué)軍，于濤方，等. 論“數(shù)字城市”及其三維再現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)［J］.地理研究，2002，21(1):14 -24.

［3］ 高云瓊，徐建剛，黃照強(qiáng)，等.一種城市三維建模的集成處理方法［J］.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2002，7 (3):282 -286.

［4］ 葉建設(shè)，李學(xué)軍，王林旭，等. 數(shù)字城市應(yīng)用研究與關(guān)鍵技術(shù)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006，18(增刊1):147 -153.

［5］ 王志豪，劉萍. 無人機(jī)航攝系統(tǒng)大比例尺測圖試驗(yàn)分析［J］.測繪通報(bào). 2011(7):18 -20.

［6］ 楊瑞奇，孫健，張勇.基于無人機(jī)數(shù)字航攝系統(tǒng)的快速測繪［J］.遙感信息. 2010(3):108 -111.

［7］ 何敬，李永樹，魯恒.無人機(jī)影像地圖制作實(shí)驗(yàn)研究［J］.國土資源遙感. 2011(4):74 -77.