陳 真，張棟梁，周 萌，胡寧溪

(1.珠海市城鄉(xiāng)規(guī)劃編審與信息中心，廣東 珠海 519000；2.武漢大學 經(jīng)濟與管理學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

城市規(guī)劃從規(guī)劃編制到審批實施的各個環(huán)節(jié)都需要同時參照種類繁多，數(shù)量龐大的專業(yè)數(shù)據(jù)。除了傳統(tǒng)表單、文檔等傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，如項目申請表、“一書三證”等外，規(guī)劃行業(yè)更多的是需要參照空間數(shù)據(jù)。所謂空間數(shù)據(jù)是指以圖形作為表達主體的數(shù)據(jù),通常它以點、線、面、體、注記以及它們的組合來代表空間實體，如規(guī)劃成果、用地范圍線和數(shù)字城市模型等，這些數(shù)據(jù)都帶有明確的空間坐標?？臻g數(shù)據(jù)又可細分為二維空間數(shù)據(jù)和三維空間數(shù)據(jù)，三維數(shù)據(jù)由于其直觀的展示效果，已經(jīng)成為重要的規(guī)劃參考。同時，城市發(fā)展是一個動態(tài)過程，所以規(guī)劃管理者除了城市空間外，同樣關(guān)注時間概念，了解城市空間的“過去-現(xiàn)在-未來”，成為規(guī)劃管理者的另一大訴求。

綜上，規(guī)劃管理者對于信息系統(tǒng)的需求，可以概括為三個一體化，即圖文一體化、二三維一體化和時空一體化。在這三方面國內(nèi)外學者已經(jīng)取得一些研究成果。圖文一體化方面，孫紅春和王衛(wèi)安利用大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)（Oracle，DB2或SQL Sever）圖文一體存儲空間圖形幾何要素及其特征的描述屬性，實現(xiàn)了地理信息系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)記錄，提供具有時序概念的GIS功能[1]。二三維一體化方面，陳鵬等針對Skyline 和SuperMap 6R兩類軟件平臺，分析了各自的技術(shù)特點以及二三維一體化實現(xiàn)技術(shù)，實現(xiàn)了三維數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[2-3]。王永峰等研究了基于OSG三維虛擬顯示引擎和Flex系列RIA技術(shù)的二三維一體化系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)及效果[4]。魏金明等提出了一種基于AE組件的二三維一體化GIS系統(tǒng)，并以濟南市為例，證實了系統(tǒng)的有效性[5]。徐澤驊等提出基于Open GL的新型高性能地圖渲染引擎，對于點、線、面等符號和要素實現(xiàn)了快速可視化[6]。時空一體化方面，柴彥威等從時間地理學的時空觀和行為觀入手，分析了時間地理學的規(guī)劃思想在城市規(guī)劃等方面的應(yīng)用與探索[7]。彭玲等基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)手段，科學地揭示了"城市脈動"變化規(guī)律,使平臺數(shù)據(jù)發(fā)揮最大價值[8]。高武俊等在空間模型中引入時間概念，探討時空數(shù)據(jù)模型及可視化技術(shù)[9]。

目前業(yè)內(nèi)研究鮮有將三個方面同時進行探索研究和實踐，規(guī)劃部門作為城市空間發(fā)展的重要統(tǒng)籌部門，對業(yè)務(wù)表單數(shù)據(jù)、包括二維、三維在內(nèi)的規(guī)劃空間數(shù)據(jù)和城市時空變化數(shù)據(jù)有著不可替代的需求，實現(xiàn)圖文一體，二三維一體和時空一體化對規(guī)劃部門全面地快速掌握城市信息和完善城市規(guī)劃管理有重要意義。但是目前絕大多數(shù)規(guī)劃部門難以實現(xiàn)三個一體化，主要原因是數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)共享難、數(shù)據(jù)體量大、系統(tǒng)協(xié)同性低等技術(shù)難點。本文針對以上難點，提出時空圖文二三維一體化建設(shè)思路和對應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)，并在珠海市進行了實踐，取得了良好效果。

1 研究思路

首先采用多源異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)組織方式和時空數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立二三維一體化時空規(guī)劃數(shù)據(jù)資源中心，并基于SOA框架，采用B/S+C/S混合架構(gòu)，集成二三維空間分析功能，搭建規(guī)劃編制時空圖文一體化管理平臺，此外還建立編制項目全過程管理、三維報建、城市設(shè)計方案評審等機制，保障規(guī)劃編制成果及時更新和三維項目成果的常態(tài)化應(yīng)用。具體目標如下：

1）建立二三維一體化的規(guī)劃數(shù)據(jù)資源標準化體系。

2）整合規(guī)劃成果、現(xiàn)狀三維模型、規(guī)劃審批、基礎(chǔ)地理信息等數(shù)據(jù)資源，建立二三維一體化時空數(shù)據(jù)庫。

3）基于“框架+插件+業(yè)務(wù)”原理，集成業(yè)務(wù)工作流和二三維空間分析功能，搭建規(guī)劃編制時空圖文一體化管理系統(tǒng)。

4）建立三維數(shù)字城市在城市規(guī)劃管理全過程常態(tài)化應(yīng)用及與規(guī)劃業(yè)務(wù)緊密銜接的數(shù)據(jù)更新機制。

5）為珠海市各職能部門提供數(shù)據(jù)共享接口。研究思路框架圖，如圖1所示。

圖1 研究思路框架圖Fig.1 Research idea frame

在實現(xiàn)以上目標過程中需要解決多源異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)組織、三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同、海量數(shù)據(jù)的高效動態(tài)渲染等難點。針對這些難點，本文采用了一系列的關(guān)鍵技術(shù)加以解決。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 多源異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)組織模式及優(yōu)化

針對規(guī)劃管理數(shù)據(jù)量大、格式不統(tǒng)一、同構(gòu)和異構(gòu)數(shù)據(jù)并存等問題，本文首先建立數(shù)據(jù)標準化體系標準，統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型、坐標系、數(shù)據(jù)格式、表達方式與命名存儲規(guī)則，然后在數(shù)據(jù)標準化體系的基礎(chǔ)上采用空間數(shù)據(jù)應(yīng)用轉(zhuǎn)換模型，整合多源異構(gòu)的二、三維規(guī)劃數(shù)據(jù)資源，實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)之間的提取、轉(zhuǎn)換、加載與整合，使其形成一個有機整體，如圖2所示，實現(xiàn)多源空間數(shù)據(jù)組織和共享。此外，對于柵格數(shù)據(jù)，由于其數(shù)據(jù)量大，采用建立多分辨率金字塔和空間索引，提高柵格數(shù)據(jù)的加載效率；對于三維模型數(shù)據(jù)，則采用多分辨率模型簡化技術(shù)，針對不同尺度的展示場景，調(diào)用不同分辨率的三維模型，支撐三維模型數(shù)據(jù)加載效率的提升，同時為三維模型的渲染提速創(chuàng)造條件。

圖2 多源異構(gòu)空間數(shù)據(jù)組織模式及優(yōu)化Fig.2 Multi-source heterogeneous spatial data organization model and optimization

2.2 三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同引擎技術(shù)

在多分辨率模型數(shù)據(jù)組織的基礎(chǔ)上，在數(shù)據(jù)調(diào)用時利用多層次三維空間索引快速調(diào)用最適用于當前展示場景的模型數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)傳輸時，多線程調(diào)度及異步通信傳輸能充分發(fā)揮服務(wù)器的計算性能，提升數(shù)據(jù)存取的速率，減少延遲；在數(shù)據(jù)展示時，多級緩存技術(shù)能避免已加載數(shù)據(jù)的再次加載、減少傳輸數(shù)據(jù)量，降低服務(wù)器負載。本文開發(fā)的三維GIS數(shù)據(jù)庫引擎，解決了大范圍三維模型數(shù)據(jù)加載效率慢、多尺度數(shù)據(jù)協(xié)同等難題，并在珠海市已建的160km2三維城市模型數(shù)據(jù)管理中得到良好應(yīng)用，驗證了該引擎的有效性和可靠性（如圖3所示）。

圖3 三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同引擎Fig.3 Collaborative engine for 3D GIS database

2.3 海量數(shù)據(jù)的高效動態(tài)渲染

針對當前普通圖形硬件對海量城市模型數(shù)據(jù)承載能力不足等問題，從數(shù)據(jù)量和算法兩方面進行了優(yōu)化。數(shù)據(jù)量方面，動態(tài)緩存和分級渲染模型等技術(shù)在保證場景視覺效果的前提下減少了參與計算的數(shù)據(jù)量；算法方面，采用了基于GPU的圖形加速渲染優(yōu)化和視點實時選擇性格網(wǎng)細化，充分發(fā)揮GPU圖形計算性能，同時降低CPU負載，保障海量模型的快速加載、流暢渲染與穩(wěn)定運行，如圖4所示。除此之外，采用了城市部件模型智能匹配技術(shù)，對于在場景中大量重復出現(xiàn)并具有固定特征的城市部件，如路燈，樹木等，建立城市部件模型庫，并且每個部件有多種樣式，每個部件可以通過參數(shù)調(diào)整方位、大小。在一個場景中相同部件只用加載一次，避免了因為大量重復地解決城市部件模型引起的數(shù)據(jù)量倍增問題，使數(shù)據(jù)的加載效率和模型的檢索性能大幅提高，如圖5所示。

圖4 海量數(shù)據(jù)的動態(tài)渲染Fig.4 Dynamic rendering of massive data

圖5 城市部件智能匹配Fig.5 Smart matching of city components

3 總體設(shè)計

系統(tǒng)基于SOA框架，采用層次化設(shè)計思想，搭建C/S和B/S混合架構(gòu)，即C/S架構(gòu)的后臺管理子系統(tǒng)和B/S架構(gòu)的二三維時空圖文一體化編制管理系統(tǒng)，并輔以二三維數(shù)據(jù)資源體系、項目全過程管理機制及業(yè)務(wù)驅(qū)動的數(shù)據(jù)更新機制，從技術(shù)和制度兩方面保障系統(tǒng)的建設(shè)和運行。

總體架構(gòu)分為5個層次：

1）基礎(chǔ)設(shè)施層：由硬件、軟件、網(wǎng)絡(luò)及安全設(shè)備等構(gòu)成，為平臺運行提供基礎(chǔ)設(shè)施支撐。

2）核心數(shù)據(jù)層：由基礎(chǔ)地理、規(guī)劃成果、審批和三維模型等數(shù)據(jù)組成，在Oracle數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上集成ArcGIS空間數(shù)據(jù)庫和Skyline三維數(shù)據(jù)引擎，實現(xiàn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)、約束及互訪。

3）數(shù)據(jù)管理層：構(gòu)建二三維目錄體系，管理二三維數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、入庫、更新、維護和安全。

4）數(shù)據(jù)應(yīng)用層：可針對不同的應(yīng)用層面和場合進行功能或數(shù)據(jù)的定制，形成不同的模塊或子系統(tǒng)，靈活滿足用戶需求，如定制項目管理模塊、二三維聯(lián)動分析功能和三維方案評審模塊等。

5）應(yīng)用服務(wù)層：封裝規(guī)劃管理相關(guān)的業(yè)務(wù)功能和數(shù)據(jù)分析功能接口，負責提供基礎(chǔ)、通用和專業(yè)的協(xié)同運行，支持相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用，平臺總體架構(gòu)如圖6所示。

圖6 平臺總體架構(gòu)圖Fig.6 Overall architecture of the platform

4 平臺實現(xiàn)

4.1 圖文一體化

搭建統(tǒng)一的規(guī)劃編制管理平臺框架，實現(xiàn)規(guī)劃編制管理系統(tǒng)、一張圖建庫系統(tǒng)和城市三維系統(tǒng)的全面整合，實現(xiàn)單點登錄，如圖7所示，促進圖文一體化，并為將來系統(tǒng)的接入和擴展奠定基礎(chǔ)。

按照空間編碼體系將城市規(guī)劃管理過程中所參照和產(chǎn)生的圖文信息進行規(guī)范化組織分類，形成基于網(wǎng)絡(luò)的空間數(shù)據(jù)無縫連接且圖文信息動態(tài)連接的綜合信息資源，實現(xiàn)圖文數(shù)據(jù)的整體集成管理。聯(lián)網(wǎng)查詢檢索方式，實現(xiàn)對共享圖文數(shù)據(jù)資源的快速查詢及可視化，包括圖文雙向查詢、圖形綜合查詢、審批進度查詢、項目材料查詢、項目追蹤監(jiān)控、法令法規(guī)查詢和對外公眾查詢等功能。

為了實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與文檔數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理以及動態(tài)查詢顯示，需要在空間數(shù)據(jù)與文檔數(shù)據(jù)之間建立對應(yīng)關(guān)系，通過在空間數(shù)據(jù)的屬性表及文檔數(shù)據(jù)的關(guān)系表中設(shè)定公共標識關(guān)聯(lián)項，便可以利用公共標識項將其關(guān)聯(lián)的圖文記錄掛接起來，實現(xiàn)圖文數(shù)據(jù)的動態(tài)聯(lián)接。

圖7 規(guī)劃編制圖文一體化管理Fig.7 Planning compilation for the management of graphics and documents integration

4.2 二三維一體化

為規(guī)范多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的組織，本文開展了數(shù)據(jù)編碼體系的研究，構(gòu)建了9級數(shù)據(jù)編碼體系，9級15位代碼構(gòu)成，即“綜合分區(qū)碼+分區(qū)碼+片區(qū)碼+規(guī)劃編制單元碼+規(guī)劃管理單元碼+地塊碼+分地塊碼+建筑編碼+校驗碼”。按照數(shù)據(jù)編碼體系，能夠?qū)崿F(xiàn)從市域到建筑物的多層次數(shù)據(jù)銜接。

1）綜合分區(qū)碼：1位代碼，由大寫英文字母A、B、C、D、E等作為代碼。

2）分區(qū)碼：1位代碼，由阿拉伯數(shù)字1～9作為代碼。

3）片區(qū)碼：2位代碼，由阿拉伯數(shù)字01～99作為代碼。

4）規(guī)劃編制單元碼：1位代碼，由小寫英文字母a～z作為代碼。

5）規(guī)劃管理單元碼：由阿拉伯數(shù)字2位代碼，01～99作為代碼。

6）地塊碼：2位代碼，由阿拉伯數(shù)字01～99作為代碼。

7）分地塊碼：2位代碼，由阿拉伯數(shù)字01～99作為代碼。

8）建筑編碼：3位代碼，由阿拉伯數(shù)字001～999作為代碼。

9）校驗碼：1位代碼，范圍為0～9，以前14位編碼為依據(jù)生成數(shù)據(jù)編碼體系如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)編碼體系Fig.8 Data coding system

二維和三維數(shù)據(jù)集成能夠通過建立規(guī)范的編碼體系，建立空間數(shù)據(jù)映射來實現(xiàn)，即將二三維子系統(tǒng)集成于同一個系統(tǒng)中, 二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)同屏顯示，如圖9所示。

圖9 二三維一體化Fig.9 2D&3D integration

4.3 時空一體化

根據(jù)空間數(shù)據(jù)目錄，建立了從城市用地歷史檔案到現(xiàn)狀及規(guī)劃成果的規(guī)劃成果時空“一張圖”，實現(xiàn)了城市用地前世今生的一體化管理。

建立數(shù)據(jù)更新和動態(tài)訪問機制，保障數(shù)據(jù)現(xiàn)勢性。在對數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)整合的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)統(tǒng)一規(guī)范管理，實現(xiàn)規(guī)劃“一張圖”的訪問、應(yīng)用、管理及更新機制，提供數(shù)據(jù)更新工具，實現(xiàn)歷史版本的自動管理和日志記錄。同時系統(tǒng)提供實時動態(tài)訪問機制，采用地圖服務(wù)訪問方式，實現(xiàn)實時動態(tài)訪問數(shù)據(jù)信息資源，保證數(shù)據(jù)的實時性和現(xiàn)勢性，且實現(xiàn)了跨部門數(shù)據(jù)共享利用。

在用地的動態(tài)管理中,需要記錄用地變遷的時空變化過程。為了能便捷地查詢到用地時空變遷信息，通過記錄用地實體的時空狀態(tài)序列，利用連續(xù)地塊變遷必須滿足空間相交性和時間相接性的時空約束條件，設(shè)計基于時空約束條件的空間數(shù)據(jù)組織，實現(xiàn)對用地實體歷史信息的動態(tài)回溯和便捷查詢。利用以“事件”為節(jié)點，添加時間標記，構(gòu)建歷史庫、現(xiàn)狀庫和規(guī)劃庫，并按照時間標記建立時間索引，通過時間表及實現(xiàn)時間管理版本的管理來解決數(shù)據(jù)的時間序列問題，實現(xiàn)用地前世今生的一體化管理。在時間軸上過濾空間數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)任意時間點的數(shù)據(jù)快速回放，同時實現(xiàn)版本合并、回溯等功能，如圖10所示。

圖10 用地的時空一體化管理Fig.10 Management of the time-space integration

5 結(jié)束語

本文針對數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、數(shù)據(jù)共享難、數(shù)據(jù)體量大、系統(tǒng)協(xié)同性低等難點，提出時空圖文二三維一體化建設(shè)思路，運用了多源異構(gòu)的空間數(shù)據(jù)組織模式、三維GIS數(shù)據(jù)庫協(xié)同引擎和海量數(shù)據(jù)的高效動態(tài)渲染等技術(shù)，并在珠海市的規(guī)劃編制管理平臺得以實踐，效果良好。未來研究重點是在智慧城市建設(shè)背景下，如何利用現(xiàn)有技術(shù)進一步豐富數(shù)據(jù)資源建設(shè)，拓展系統(tǒng)應(yīng)用廣度和深度。