任 超，霍文虎，張 茜，張 旻

(1. 北京市規(guī)劃和國土資源管理委員會，北京 100045；2. 武漢華正空間軟件技術(shù)有限公司，湖北 武漢 430223)

1 新型智慧城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施需求分析

1.1 必要性分析

隨著我國現(xiàn)代化的不斷推進，新型智慧城市的建設(shè)也對城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求。在2014年八部委發(fā)布《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出建設(shè)智慧城市需要“統(tǒng)籌數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)、城市地理空間信息及建（構(gòu)）筑物數(shù)據(jù)庫等資源，實現(xiàn)城市規(guī)劃和城市基礎(chǔ)設(shè)施管理的數(shù)字化、精準(zhǔn)化水平大幅提升，推動政府行政效能和城市管理水平大幅提升”，并把城市三維構(gòu)筑物數(shù)據(jù)庫納入到時空信息基礎(chǔ)設(shè)施中；隨后在2015年國務(wù)院頒布的《全國基礎(chǔ)測繪中長期規(guī)劃綱要(2015-2030)》中，明確了我國要全面建成新型基礎(chǔ)測繪體系，到2020年要建立起高效協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)測繪管理體制和運行機制，形成以基礎(chǔ)地理信息獲取立體化實時化、處理自動化智能化、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化社會化為特征的信息化測繪體系；2016年中共中央國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進一步加強城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》中也提出各級政府要強化城市規(guī)劃工作、塑造城市特色風(fēng)貌、推進城市智慧管理等要求。

國內(nèi)一些專家和學(xué)者在研究新型智慧城市基礎(chǔ)理論時指出，智慧城市是城市全面數(shù)字化基礎(chǔ)之上建立的可視化和可量測的智能化城市管理和運營，包括城市的信息、數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施以及在此基礎(chǔ)上建立網(wǎng)絡(luò)化的城市信息管理平臺與綜合決策支撐平臺[1]。為滿足城市創(chuàng)新型的運營和應(yīng)用需求，新型智慧城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的相關(guān)支撐技術(shù)必須解決可視化、可量測等問題，對三維建模的理論及工程實踐方法提出更高要求。

1.2 支撐技術(shù)分析

三維數(shù)字城市模型在數(shù)字城市地理空間框架建設(shè)中，既是新穎生動的亮點、更是技術(shù)升華的結(jié)晶，越來越為人們所重視，越來越多的城市開展了三維建模和應(yīng)用[2]。但是面向智慧城市運行的物聯(lián)網(wǎng)和傳感網(wǎng)信息的有效承載，急需從外到內(nèi)構(gòu)建一個活生生的實時三維GIS[3]。具體來說，構(gòu)建新型智慧城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該在強調(diào)真實性的前提下具備以下3個特征：

1）可量測建模技術(shù)：可測量建模技術(shù)顧名思義,生產(chǎn)工藝嚴格按照攝影測量的工藝，在計算機中構(gòu)建的模型長、寬、高和空間關(guān)系都嚴格符合測繪精度，最終成果是經(jīng)過質(zhì)量檢查驗收的合格數(shù)字產(chǎn)品[3]。

2）結(jié)構(gòu)化建模技術(shù)：中國工程院劉先林院士在全息三維技術(shù)論述中提到“過去我們對結(jié)構(gòu)化認識不足,過去的三維往往是一張皮，沒有結(jié)果，只有觀看并獲得感性認識,到專業(yè)部門應(yīng)用后還需要重新進行結(jié)構(gòu)化”，無法滿足新型智慧城市的基本需要。因此，新型智慧城市建設(shè)的三維建模技術(shù)必須是結(jié)構(gòu)化的，結(jié)構(gòu)化首先要分層分類，其次是要有結(jié)構(gòu)線，再次要有對象化，實體化[4]。

3）自動化建模技術(shù)：自動化建模技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)手段生產(chǎn)周期長，真實性差、海量數(shù)據(jù)無法及時有效處理的弊端和瓶頸，還解放了大量勞動力，使時空信息基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建成本和預(yù)算大大降低。近年來，傾斜攝影測量和激光掃描測量等高新技術(shù)的精度與速度都有了明顯的提高，大量的研究致力于地物（尤其是人工地物）的三維自動重建，且依據(jù)分辨率、精度、時間和成本等的不同，已有許多適宜的技術(shù)方案可供選擇[5]?？梢哉f，自動化建模技術(shù)的突破和創(chuàng)新已經(jīng)成為新型智慧城市發(fā)展的主要方向，為時空信息基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建提供了有力的技術(shù)支撐。

在當(dāng)前形勢下，新型智慧城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施必須要依托新的技術(shù)手段，為城市構(gòu)建一個真實、時效性強、高精度和對象化的三維環(huán)境，這樣才能夠?qū)π滦椭腔鄢鞘兄谐休d的大數(shù)據(jù)進行精確定位，并進行大數(shù)據(jù)挖掘和精確分析，提升信息表現(xiàn)力和價值，最終滿足現(xiàn)代城市日新月異的發(fā)展變化。

2 全景真三維關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展

2.1 全景真三維關(guān)鍵技術(shù)組成

全景真三維技術(shù)是華正公司研發(fā)的全球第一套基于多傳感器航飛采集、快速處理的自動化數(shù)據(jù)生產(chǎn)工藝，該工藝充分結(jié)合多角度傾斜攝影和機載激光掃描等多傳感器航測技術(shù)的優(yōu)勢，是一種創(chuàng)新型的攝影測量融合機制，為新型智慧城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建提供了全新的解決方案如圖1所示。

圖1 全景真三維生產(chǎn)流程Fig.1 Panoramic photorealistic 3D image production process

該生產(chǎn)工藝實現(xiàn)了多角度傾斜影像數(shù)據(jù)、機載激光點云數(shù)據(jù)高效解算合成處理，最終高度自動化生產(chǎn)真三維模型。與傳統(tǒng)建模手段相比，主要解決以下關(guān)鍵技術(shù)：

2.1.1 基于LiDAR獲得地物空間形狀

全景真三維建模技術(shù)基于LiDAR獲得地物空間形狀，保證了建模精度和效率。機載激光雷達技術(shù)是在航空器上搭載集成了GPS、IMU以及數(shù)碼相機等光譜成像設(shè)備的激光掃描儀掃描地物的技術(shù)，該技術(shù)可快速獲取地表大范圍、高精度的城市DEM和DSM等高程信息。大量理論研究表明，機載LiDAR系統(tǒng)在航高1 000 m的角點定位精度在0.3 m[6]，而在一些工程實踐中表明，應(yīng)用常見的機載LiDAR系統(tǒng)生產(chǎn)的DEM產(chǎn)品通過野外實測檢測點統(tǒng)計其中誤差為±0.12 m[7]。這樣的技術(shù)優(yōu)勢很好地保證了機載激光雷達技術(shù)在城市建模方面的精度和效率優(yōu)勢。

2.1.2 真實統(tǒng)一的建模技術(shù)

全景真三維建模技術(shù)通過傾斜攝影采集、同時從一個垂直、四個傾斜等五個不同的角度采集影像，可以將用戶引入到符合人眼視覺的真實直觀世界，一次飛行可以獲取三維模型需要的全部紋理數(shù)據(jù)，可大大提高三維模型的真實性，后處理流程中嚴格按照攝影測量工藝進行，保證了模型紋理空間位置的精確性，配合由激光點云自動生成的高精度的三維MESH網(wǎng)模型，使得自動紋理映射的結(jié)果與真實環(huán)境完全一致。

同時，全景真三維建模技術(shù)對城市地物沒有歧視，不存在模型分級的概念，所有模型的生產(chǎn)工藝標(biāo)準(zhǔn)均能夠保持一致。這樣可以從技術(shù)角度上保證包括模型種類、精度、紋理精度以及模型效果等指標(biāo)的一致性，保證客觀、完整、真實地還原城市風(fēng)貌。

2.1.3 單體化建模技術(shù)

全景真三維技術(shù)采用了高精度的激光點云作為模型MESH網(wǎng)構(gòu)造的數(shù)據(jù)源，因此，經(jīng)過點云濾波處理，可以區(qū)分地面、植被、建筑物等信息。復(fù)雜的城市環(huán)境中一般按以下設(shè)定的規(guī)則來區(qū)分各類對象：

1）裸露地面：點云中不連續(xù)特征點水平鄰域內(nèi)的局部最低點最有可能是裸露地面點；

2）植被：植被點的第一重回波與最后一重回波的高度差大于某個閾值；

3）建筑物：不連續(xù)特征點可能是建筑物邊緣點；

4）不確定對象：可能包括小汽車、地面上的堆放物以及天井中無法確定類別的區(qū)域。

該生產(chǎn)工藝保證了后期滿足對象化、單體化的真三維建模?；趩误w化的數(shù)據(jù)也是專業(yè)化應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)。

2.1.4 高度自動化工藝

全景真三維技術(shù)生產(chǎn)流程中關(guān)鍵的建模和紋理映射工藝，完全采用華正自主研發(fā)的軟件算法實現(xiàn)，避免人為因素對模型精度造成的影響同時保證了自動化生產(chǎn)的效率。經(jīng)過實際工程項目測算，與基于CAD的三維城市建模方法相比，生產(chǎn)效率可以提高數(shù)十倍。

2.2 全景真三維關(guān)鍵技術(shù)進展

基于傾斜攝影技術(shù)的真三維建模技術(shù)已經(jīng)成為三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展的重要方向，目前國內(nèi)外傾斜攝影技術(shù)相關(guān)應(yīng)用已比較普及。很多單位采用包括Bentley公司的ContextCapture，法國空客公司的StreetFactory等軟件，對傾斜影像進行快速、全自動處理，自動生成城市三維建模，而國內(nèi)對傾斜航空攝影測量技術(shù)的研究尚處于早期階段，在傾斜影像的信息挖掘與行業(yè)應(yīng)用等方面還需進一步地探索與試驗[8]。在當(dāng)前形勢下，華正全景真三維技術(shù)是對國際相關(guān)領(lǐng)域研究的一次突破，與單純基于傾斜攝影技術(shù)自動化建模技術(shù)不同，創(chuàng)新點主要包括以下幾個方面的進展。

2.2.1 建模原理進展

基于傾斜影像匹配生成真三維模型和全景真三維基于激光掃描（LiDAR）+傾斜影像生成真三維模型這兩類技術(shù)，其本質(zhì)就在于構(gòu)建模型MESH網(wǎng)的原理不同：

一是以國外Smart3D、StreetFactory為代表的傾斜影像匹配技術(shù)，是根據(jù)攝影測量基本原理，從大重疊率的傾斜影像立體像對中，利用同名點匹配方式，通過數(shù)學(xué)運算生成三維點云，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)模型。

二是以華正全景真三維影像為代表的LiDAR+傾斜影像技術(shù)，是利用激光掃描地物，通過激光測距原理獲取可靠性較高的三維點云數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建三角網(wǎng)模型。

2.2.2 建模結(jié)構(gòu)進展

相關(guān)工程項目應(yīng)用經(jīng)驗表明，盡管StreetFactory快速地生成了高精度的實景三維模型，但這個模型是通過整體構(gòu)網(wǎng)選擇最佳視角貼紋理而生成，是一個整體的大場景模型，并不是面向?qū)ο蟮姆謱訑?shù)據(jù)[8]。由于這類匹配算法生成真三維模型實際上是生成分區(qū)分塊帶紋理的MESH網(wǎng)，只能滿足“一張皮”的可視化效果，后期很難進行專業(yè)化管理和應(yīng)用；全景真三維自動建模技術(shù)充分利用多傳感器各自的優(yōu)勢，在前期通過激光點云數(shù)據(jù)提取、分類等處理流程，后期數(shù)據(jù)成果實現(xiàn)了分層、單體化和對象化，保證后期專業(yè)級GIS應(yīng)用的需要。

2.2.3 建模精度進展

目前基于匹配技術(shù)自動建模生產(chǎn)還存在一定的技術(shù)局限，如張平、劉怡、蔣紅兵在“基于傾斜攝影測量技術(shù)的“數(shù)字資陽”三維建模及精度評定”中提到三維模型成果中存在某些區(qū)域無法構(gòu)建三角網(wǎng)，致使三維模型缺失或失真等問題，這些區(qū)域主要是水體、密集高樓處、立交橋、植被密集處的建筑物或路面等，導(dǎo)致這些區(qū)域無法構(gòu)建正確的三維模型的原因主要是：①影像的缺失；②紋理特征不明顯等[9]。這種情況造成匹配的結(jié)果具有很大的不確定性、隨機性，匹配出來的三角網(wǎng)不能滿足地物結(jié)構(gòu)定位精度的要求?？梢哉f國內(nèi)傾斜攝影測量技術(shù)仍處于實驗和推廣階段，還存在一些因素限制其發(fā)展[10]。

筆者曾對我國某城市同時選取兩套技術(shù)路線生成的同區(qū)域的DSM數(shù)據(jù)進行了測試（按1:1 000要求作業(yè)），測試結(jié)果表明基于匹配的DSM（共統(tǒng)計22 828個匹配點）高程差大于0.4 m的點占了30%以上，而基于LIDAR生成的DSM（共統(tǒng)計23 000個點）95%以內(nèi)的點的高程誤差小于或等于0.2 m。通過對比發(fā)現(xiàn)，由匹配技術(shù)生成的三維模型背后的三角網(wǎng)并不能滿足其相應(yīng)比例尺的定位精度標(biāo)準(zhǔn)。

總之，全景真三維技術(shù)采用多傳感器技術(shù)，嚴格按照航空攝影測量的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，能夠提供單體對象化的數(shù)據(jù)，滿足數(shù)據(jù)單體掛接屬性，并進行專業(yè)的三維空間分析，這些特點更加適合于新型智慧城市規(guī)劃、國土、公安等專業(yè)應(yīng)用。截止2016年，包括北京城市副中心、西安市、成都市、蘇州市、大連市、宜昌市、遂寧市、泉州市、洛陽市等近20個地市已初步應(yīng)用以“真實、高精度、高效、對象化”等為特點的全景真三維技術(shù)。

3 北京城市副中心全景真三維時空信息基礎(chǔ)設(shè)施探索

3.1 技術(shù)路線

按中共中央政治局組織召開《研究部署規(guī)劃建設(shè)北京城市副中心和進一步推動京津冀協(xié)同發(fā)展有關(guān)工作》的會議精神，北京市2016年需重點落實北京城市副中心城市設(shè)計方案，并要求北京城市副中心首先要摸清家底，能保證城市設(shè)計工作隨時可使用真實的城市三維現(xiàn)狀空間數(shù)據(jù)，全方位觀察和分析城市立體形態(tài)，并為后期智慧城市建設(shè)提供精細化、動態(tài)化、客觀、真實的時空信息基礎(chǔ)設(shè)施。

因此，該項目依托機載多角度傾斜攝影和機載激光掃描，利用自動化全景真三維技術(shù)構(gòu)建了北京城市副中心及周邊地區(qū)305 km2真三維單體化數(shù)據(jù)模型，最終為北京城市副中心提供真實、完整、高精度、多層次三維立體城市規(guī)劃空間地形數(shù)據(jù)體系，全景真三維影像生產(chǎn)流程圖如圖2所示。

圖2 全景真三維影像生產(chǎn)流程圖Fig.2 Panoramic photorealistic 3D image work flow

3.2 主要成果

北京城市副中心項目截止2016年9月底共獲取約305km2機載三維激光雷達（LiDAR）點云和傾斜航空攝影影像；像片控制點共374個，LiDAR精度檢核參考面10個。后期經(jīng)過空三加密、影像勻光勻色、點云數(shù)據(jù)處理、真三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)、加工、質(zhì)檢等環(huán)節(jié)共花費55天完成了測區(qū)范圍內(nèi)高精度DEM、DOM和真三維數(shù)據(jù)成果。

目前，北京城市副中心范圍內(nèi)已建成包括地下綜合管線、城市，規(guī)劃和設(shè)計方案、項目建設(shè)BIM方案等在內(nèi)的城市規(guī)劃建設(shè)管理數(shù)據(jù)庫。并初步形成以三維立體地形圖為載體，通過三維立體報建、三維立體審批、三維立體驗收的全流程模式，構(gòu)建“城市設(shè)計三維圖-設(shè)計方案三維圖-施工圖三維圖-竣工圖三維圖”的新型慧城市時空數(shù)據(jù)中心。

3.3 重要作用

3.3.1 提升城市設(shè)計水平的重要手段

首先真三維數(shù)據(jù)通過多傳感器技術(shù)進行實時、非接觸、自動化方式的數(shù)據(jù)處理和生產(chǎn)，注重對城市形體和空間環(huán)境的客觀還原，排除了人為加工造成的失真和干擾，滿足了城市設(shè)計工作對城市要素真實感知的要求。

其次，北京城市副中心城市設(shè)計工作的核心是對物質(zhì)空間及景觀標(biāo)志的處理，通過在三維的城市空間坐標(biāo)中化解各種矛盾，并建立新的城市立體形態(tài)系統(tǒng)。依托真三維城市設(shè)計平臺，可以使包括規(guī)劃管理部門、規(guī)劃設(shè)計單位、市、區(qū)政府和專家等多部門、多專業(yè)、多領(lǐng)域共同參與，在立體、真實、多專業(yè)成果高度融合的城市空間體系下進行城市設(shè)計，據(jù)統(tǒng)計，僅大運河沿岸七個規(guī)劃設(shè)計方案的多部門會商，方案評審的效率就成倍提高，如圖3所示。

圖3 北京城市副中心各類空間形態(tài)Fig.3 Various forms of urban space in Beijing city sub-center

3.3.2 精細化管理的技術(shù)保障

真三維數(shù)據(jù)為北京城市副中心規(guī)劃工作提供了一種理想的空間載體和支撐體系，在計算機中看到的空間影像與真實世界一致，將用戶引入完全符合人眼視覺的真實、完整、一致和高精度的直觀世界，實現(xiàn)了城市規(guī)劃和管理信息的高度融合，使用者可以足不出戶即可了解到北京城市副中心的全局，為規(guī)劃研究、規(guī)劃編制、規(guī)劃設(shè)計、規(guī)劃審批和決策等提供統(tǒng)一的數(shù)字化助手，并為北京城市副中心土地開發(fā)、建設(shè)、規(guī)劃和精細化管理提供科學(xué)有效的技術(shù)保障。

3.3.3 新型智慧城市建設(shè)的重要時空信息基礎(chǔ)

全景真三維技術(shù)的深化應(yīng)用將最終為北京城市副中心的治理和運營提供一種事半功倍的手段，為確定城市生長坐標(biāo)，實現(xiàn)城市空間管理由平面轉(zhuǎn)變到立體，由無序轉(zhuǎn)變到有序，由靜態(tài)上升到動態(tài)提供了新的思路。下一步北京城市副中心將在城市設(shè)計的基礎(chǔ)上，逐步整合包括人口、法人、房產(chǎn)等基礎(chǔ)普查信息，使多種類型、多種維度和多專業(yè)的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理成為可能，加深城市動態(tài)和靜態(tài)信息的整合，滿足城市管理所需要的人口、應(yīng)急、消防、交通等應(yīng)用和服務(wù)的要求。建設(shè)立足規(guī)劃，統(tǒng)籌服務(wù)“規(guī)劃、建設(shè)、管理”三大環(huán)節(jié)，為城市副中心新型智慧城市建設(shè)提供重要的時空信息基礎(chǔ)，最終實現(xiàn)全周期可視化動態(tài)監(jiān)管、高效審批與科學(xué)決策，如圖4所示。

圖4 北京城市副中心新型智慧城市框架Fig.4 New smart city framework of Beijing city sub-center

4 結(jié)束語

根據(jù)聯(lián)合國的估測，世界發(fā)達國家的城市化率在2050年將達到86%，我國的城市化率也將達到72.9%[11]。新型智慧城市的發(fā)展必然是充分吸收整合了傳統(tǒng)城市可持續(xù)發(fā)展模型、城市空間發(fā)展模型以及城市模擬仿真模型等理念，在反映城市形態(tài)、結(jié)構(gòu)變化本質(zhì)的土地空間擴張規(guī)律的基礎(chǔ)上，通過對城市要素運行數(shù)據(jù)的動態(tài)監(jiān)測、分析、整合與利用，實現(xiàn)對產(chǎn)業(yè)、交通、社區(qū)、文化、生態(tài)等城市各要素資源運行情況的動態(tài)模擬與協(xié)同配置[12]。通過全景真三維技術(shù)構(gòu)建的統(tǒng)一時空信息基礎(chǔ)設(shè)施能夠解決當(dāng)前城市三維建模手段的部分技術(shù)瓶頸，主要通過數(shù)據(jù)采集手段的創(chuàng)新，帶動數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式的創(chuàng)新，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用方式的創(chuàng)新。新型的時空信息基礎(chǔ)設(shè)施將最終為轉(zhuǎn)變城市發(fā)展方式和新型智慧城市建設(shè)提供重要的信息化支撐體系。

下一步全景真三維技術(shù)將結(jié)合無人機、街景掃描等技術(shù)，逐步實現(xiàn)空地一體化、局部更新和全面更新相結(jié)合的數(shù)據(jù)生產(chǎn)方式，為新型智慧城市提供時效性更強、更真實、更精確、對象化程度更高的時空信息基礎(chǔ)設(shè)施?？梢灶A(yù)見，真三維新技術(shù)支持下統(tǒng)一城市時空信息基礎(chǔ)設(shè)施最終將成為建設(shè)新型智慧城市的有力武器，促進政府機構(gòu)改革和職能轉(zhuǎn)變，用創(chuàng)新的手段促進城市治理水平的全面提高。