李寅超,曹天馳,韓妍嬌
(哈爾濱市勘察測(cè)繪研究院,黑龍江 哈爾濱 150010)
隨著傾斜攝影測(cè)量技術(shù)的不斷完善,實(shí)景三維模型越來(lái)越多地應(yīng)用于我國(guó)的城市精細(xì)化管理[1]、智慧社區(qū)[2]、智慧園區(qū)[3]等應(yīng)用場(chǎng)景中。世界各地基于實(shí)景三維模型構(gòu)建的智慧城市[4]、城市信息模型平臺(tái)[5]正在不斷出現(xiàn),越來(lái)越多的城市管理數(shù)據(jù)匯聚在以三維模型為基底的系統(tǒng)平臺(tái)之上。
原始的實(shí)景三維模型僅僅是具有三維坐標(biāo)的“一張皮”,為了將城市管理的各類數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型關(guān)聯(lián),就需要對(duì)模型進(jìn)行單體化以實(shí)現(xiàn)地理實(shí)體的屬性查詢。當(dāng)前的實(shí)景三維模型單體化方法主要分為兩個(gè)方向,一個(gè)方向是在實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)上進(jìn)行單體化分割,如基于模型頂點(diǎn)ID標(biāo)簽的單體化[6]和模型切割重建單體化方法[7]。另一方向是將矢量數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)疊加實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分割[8]。
在城市精細(xì)化管理應(yīng)用中,常常需要在建筑模型單體化的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)建筑物分層分戶單體化。在近幾年新建小區(qū)可基于房產(chǎn)分層分戶矢量中的建筑物面和層高信息實(shí)現(xiàn)分層三維白模自動(dòng)生成[9]。然而大量的老小區(qū)實(shí)現(xiàn)建筑物分層主要通過(guò)手工對(duì)建筑物分層分戶紙質(zhì)圖矢量化后實(shí)現(xiàn)分層[10],基于傾斜模型全自動(dòng)生成老小區(qū)分層信息又要耗費(fèi)人力檢核[11],要將城市全部建筑物分層分戶需要消耗大量的人力。因此,本文提出一種方法,基于實(shí)景三維模型和基礎(chǔ)地理信息提取建筑物高度、樓層層數(shù)和建筑物平面信息,動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型分層,以提高實(shí)景三維模型分層數(shù)據(jù)制作的效率。
為了實(shí)現(xiàn)實(shí)景三維模型建筑物分層,本文綜合利用實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)、大比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù),通過(guò)提取建筑物層數(shù)、頂部高程、底部高程、底面輪廓等信息,然后通過(guò)Python腳本自動(dòng)生成建筑物各樓層矢量面數(shù)據(jù),通過(guò)矢量面與實(shí)景三維模型疊加實(shí)現(xiàn)建筑物分層,具體流程如圖1所示。
圖1 建筑物分層提取流程圖
自動(dòng)化建筑物分層數(shù)據(jù)生成,需要獲取建筑物的各層房高數(shù)據(jù)。此處以居民住宅小區(qū)建筑物為例,一般住宅小區(qū)建筑物包含商服功能區(qū)與住宅功能區(qū)。兩個(gè)功能區(qū)往往層高不同、平面結(jié)構(gòu)不同,因此需要分別量測(cè)。
具體量測(cè)包含的內(nèi)容可表示為:
BS={(NBF,HtBF,HbBF),(NLF,HtLF,HbLF)}
(1)
式(1)中BS為待提取建筑物的量測(cè)內(nèi)容,BF為待提取建筑物的商服功能區(qū),LF為待提取建筑物的住宅功能區(qū),BF、LF均可為空,但不能同時(shí)為空。NBF、NLF分別為商服功能區(qū)、住宅功能區(qū)總樓層數(shù),建筑物總樓層數(shù)N=NBF+NLF。HtBF、HtLF分別為兩區(qū)的頂部高程,HbBF、HbLF分別為兩區(qū)的底部高程,一般情況下HtBF=HbLF。
自動(dòng)化建筑物分層數(shù)據(jù)生成,依據(jù)建筑物底面輪廓作為基準(zhǔn),生成建筑物各樓層的矢量面數(shù)據(jù)。建筑物底面數(shù)據(jù)可通過(guò)城市大比例尺基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)獲取建筑物面數(shù)據(jù),然后將其中的飄樓、簡(jiǎn)易房屋等面合并成為建筑物底面輪廓面。將合成的建筑物底面輪廓面與實(shí)景三維模型制作時(shí)生成的真正射影像進(jìn)行疊加對(duì)比,如發(fā)現(xiàn)有變化及時(shí)更新修正。確保建筑物底面輪廓面與實(shí)景三維模型的輪廓面保持一致。
商服功能區(qū)、住宅功能區(qū)各樓層通過(guò)建筑物底面輪廓確定平面范圍,通過(guò)頂部、底部高程確定各層的高度,從而確定每個(gè)樓層的三維空間范圍,則一棟建筑物任意樓層可表示為:
(2)
其中,B(i)為建筑物第i樓層,PG為第i樓層底面輪廓,Ht(i)為第i樓層頂部高程,HbBF(i)為第i樓層底部高程。設(shè)商服功能區(qū)第i樓層的層高為HBF(i),則:
(3)
由此可得商服功能區(qū)第i樓層的頂部高程和底部高程為:
HtBF(i)=HBF·i+HbBF
(4)
HbBF(i)=HBF·(i-1)+HbBF
(5)
基于上述推導(dǎo),商服功能區(qū)各樓層數(shù)據(jù)均可通過(guò)2.1、2.2節(jié)數(shù)據(jù)提取結(jié)果表示。住宅功能區(qū)各樓層數(shù)據(jù)推導(dǎo)原理與商服功能區(qū)相同,此處不再贅述?;谝陨蠑?shù)據(jù)提取結(jié)果,可實(shí)現(xiàn)房屋各樓層面自動(dòng)生成。
本文通過(guò)超圖iDesktop與ArcMap相結(jié)合完成方法的實(shí)現(xiàn),其中超圖iDesktop在實(shí)景三維數(shù)據(jù)操作及處理方面較為出色,ArcMap在二維數(shù)據(jù)Python腳本自動(dòng)化處理方面較為出色。
哈爾濱市于2019年完成城區(qū)實(shí)景三維模型建設(shè),并于2020年對(duì)數(shù)據(jù)更新擴(kuò)充,目前建模面積為 800 km2。本文以哈爾濱市某小區(qū)建筑物為例,分別提取了該小區(qū)一棟建筑物的實(shí)景三維模型OSGB數(shù)據(jù)、實(shí)景三維模型對(duì)應(yīng)的真正射影像IMG數(shù)據(jù),以及小區(qū)內(nèi)大比例尺地形圖中建筑物SHP矢量數(shù)據(jù)。
首先,通過(guò)超圖iDesktop的“查詢坐標(biāo)值”工具提取了建筑物住宅功能區(qū)、商服功能區(qū)的頂部高程、底部高程數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集位置示意如圖2所示:
圖2 數(shù)據(jù)采集位置示意
然后,通過(guò)ArcMap將數(shù)據(jù)采集結(jié)果錄入建筑物面矢量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)屬性字段及錄入結(jié)果如圖3所示:
圖3 數(shù)據(jù)采集結(jié)果
根據(jù)2.3節(jié)推導(dǎo)出的建筑物每層的層高計(jì)算公式,利用ArcMap的Toolbox工具新建Toolset,然后將自動(dòng)計(jì)算分層數(shù)據(jù)的Python腳本綁定至Toolset,Python腳本核心代碼邏輯示意如圖4所示:
圖4 核心代碼邏輯示意
Toolset參數(shù)設(shè)置界面如圖5所示。通過(guò)“自動(dòng)分層”Toolset可在“輸入層”處選取數(shù)據(jù)采集要素層,在“頂部高程”“底部高程”處選取對(duì)應(yīng)的字段名稱,在“結(jié)果層”處選取分層結(jié)果輸出圖層。
圖5 Toolset參數(shù)設(shè)置界面
執(zhí)行Toolset,分層數(shù)據(jù)自動(dòng)生成后保存至結(jié)果圖層,將結(jié)果圖層以建筑物面為底,以建筑物底部高程作為基礎(chǔ)高程,根據(jù)頂部高程和底部高程之差作為拉伸高度進(jìn)行拉伸后結(jié)果如圖6所示。
圖6 建筑物分層提取結(jié)果
利用本文的半自動(dòng)分層方法實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)分層數(shù)據(jù)已經(jīng)在哈爾濱市基礎(chǔ)地理信息共享與服務(wù)系統(tǒng)中試用,并在平房區(qū)智慧城市建設(shè)、哈爾濱市智慧社區(qū)建設(shè)進(jìn)行了試點(diǎn)建設(shè)。項(xiàng)目的在線應(yīng)用采用SuperMapiClient3DforWebGL開(kāi)發(fā)包搭建,應(yīng)用中首先通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊實(shí)景三維模型的建筑物獲取點(diǎn)擊位置的經(jīng)緯度以及高程參數(shù),然后根據(jù)參數(shù)與建筑物分層提取結(jié)果中矢量面進(jìn)行空間匹配,最后將矢量面以頂部高程、底部高程之差為高度并以底部高程和經(jīng)緯度為錨點(diǎn)拉伸成體,最終以貼模型效果展示在應(yīng)用場(chǎng)景中。選中的樓層以亮黃色標(biāo)識(shí),試點(diǎn)項(xiàng)目效果如圖7所示:
圖7 試點(diǎn)項(xiàng)目效果
經(jīng)過(guò)試點(diǎn)建設(shè)后,通過(guò)人機(jī)交互的半自動(dòng)方法實(shí)現(xiàn)了樓層分割的精度與工作效率的雙重提升。與建筑物總高度自動(dòng)分層相比更準(zhǔn)確,不會(huì)因?yàn)闃琼數(shù)母叱烫崛″e(cuò)誤或商服與住宅區(qū)樓層高度不一致而導(dǎo)致樓層分割錯(cuò)位。與手動(dòng)進(jìn)行實(shí)景三維模型建筑物分層切割或手動(dòng)建立分層白模相比,時(shí)間消耗更少。目前城市管理逐漸精細(xì)化過(guò)渡,下一步研究工作考慮結(jié)合不動(dòng)產(chǎn)權(quán)證書(shū)房屋分戶圖數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)真正的分層分戶數(shù)據(jù)。分層分戶數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)可以大大提高城市管理、社會(huì)治理的工作精準(zhǔn)度以及工作效率,從而實(shí)現(xiàn)城市管理服務(wù)的飛躍。