羅夢佳

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

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]。產(chǎn)業(yè)園區(qū)是由政府或企業(yè)為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展目標(biāo)而創(chuàng)立的特殊區(qū)位環(huán)境,隨著我國經(jīng)濟增長方式的轉(zhuǎn)變、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的升級,園區(qū)的發(fā)展呈現(xiàn)出了新的趨勢：注重生產(chǎn)、生活、生態(tài)的協(xié)調(diào)發(fā)展;高新技術(shù)企業(yè)增多,科技創(chuàng)新,注重高附加值;園區(qū)管理模式向數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)變[2-4]。作為城市在區(qū)域范圍內(nèi)的縮影,智慧園區(qū)的建設(shè)與智慧城市類似,通過智慧園區(qū)的建設(shè),實現(xiàn)對人、地、事、物、組織等園區(qū)運行管理全要素的智能感知、實時傳輸、動態(tài)管理、高效應(yīng)用。

隨著測繪地理信息、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、5G等新興技術(shù)的發(fā)展,以三維手段對現(xiàn)實世界進(jìn)行描述和管理已經(jīng)成為可能。本文在大量三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)系統(tǒng)建設(shè)案例的基礎(chǔ)上,構(gòu)建園區(qū)三維模型,融合業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù),搭建二三維時空數(shù)據(jù)庫,對比目前主流的三維GIS平臺的優(yōu)劣勢,選擇適用于園區(qū)尺度的三維GIS平臺,設(shè)計并開發(fā)三維智慧園區(qū)系統(tǒng),實現(xiàn)園區(qū)空間信息資源和業(yè)務(wù)資源的融合、園區(qū)設(shè)施的精細(xì)化管理、企業(yè)發(fā)展情況的監(jiān)測、產(chǎn)業(yè)布局的智能分析、領(lǐng)導(dǎo)決策的信息支撐,實現(xiàn)智慧園區(qū)的三維規(guī)劃、建設(shè)、運營全過程管理。

1 三維智慧園區(qū)方案設(shè)計

三維智慧園區(qū)系統(tǒng)的設(shè)計需要遵循先進(jìn)性、實用性、可靠性、開放性、可維護(hù)性、可擴充性、標(biāo)準(zhǔn)化以及高效安全的原則。建設(shè)過程中堅持?jǐn)?shù)據(jù)、管理、服務(wù)、應(yīng)用相分離,在保持靈活性和擴展性的前提下,實現(xiàn)空間數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的整合、管理和共享;綜合考慮模型效果、渲染效率等因素,選擇合適的三維GIS平臺,滿足園區(qū)智慧化管理的不同應(yīng)用場景。

1.1 總體技術(shù)路線

三維智慧園區(qū)的邏輯架構(gòu)如圖1所示,包括支撐層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、表現(xiàn)層以及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范政策機制。

圖1 三維智慧園區(qū)架構(gòu)

支撐層包括服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫軟件、操作系統(tǒng)、二三維GIS軟件等軟硬件設(shè)施,為平臺運行提供軟硬件基礎(chǔ)設(shè)施。

數(shù)據(jù)層包括二三維GIS數(shù)據(jù)庫、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)源包括二維地理信息數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)經(jīng)過抽取、轉(zhuǎn)換存儲到數(shù)據(jù)庫中。

服務(wù)層包括地理信息服務(wù)接口和BI服務(wù)接口,為整個平臺的橋梁和中介,負(fù)責(zé)為應(yīng)用場景提供數(shù)據(jù)服務(wù)和功能服務(wù)。

應(yīng)用層搭建智慧園區(qū)管理所需的各類應(yīng)用場景,包括園區(qū)規(guī)劃、智慧工地、招商引資、精細(xì)化管理、產(chǎn)業(yè)分析等,涵蓋園區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、運營全流程。

1.2 三維GIS平臺選型

三維GIS平臺是三維模型應(yīng)用的重要載體,合適的平臺能夠?qū)崿F(xiàn)高效展示、穩(wěn)定訪問、便捷開發(fā),真正實現(xiàn)三維的價值?？紤]到智慧園區(qū)數(shù)據(jù)的共享需求以及應(yīng)用的迭代周期,本文主要對B/S架構(gòu)進(jìn)行考量,探討三種目前主流的方案的優(yōu)劣勢。

1.2.1 基于瀏覽器三維控件的技術(shù)方案

這種技術(shù)方案是在瀏覽器端安裝第三方控件，通過控件實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的加載、渲染。這種方案的優(yōu)勢在于擴展了瀏覽器對計算機底層資源的調(diào)用能力，通過直接調(diào)用開放圖形庫(OpenGL)、三維繪圖編程接口(Direct3D)極大地提高了三維運行的效率，使本來不具備三維渲染能力的瀏覽器能夠較為流暢地運行三維程序。國內(nèi)應(yīng)用比較多的偉景行、睿城傳奇、超圖等早期都是采用該種技術(shù)方案。但是，基于該類引擎開發(fā)的三維應(yīng)用系統(tǒng)僅限于IE瀏覽器范圍，對于非IE內(nèi)核的瀏覽器無法兼容，并且在應(yīng)用過程中，首先需要安裝運行環(huán)境，檢測運行環(huán)境，過程繁復(fù)，對用戶體驗造成極大困擾[5]。同時，受制于瀏覽器的權(quán)限，這類方案又無法達(dá)到本地程序運行的效率，當(dāng)三維數(shù)據(jù)較為復(fù)雜或數(shù)據(jù)量較大時就出現(xiàn)性能瓶頸，且這一瓶頸是無法通過程序進(jìn)行優(yōu)化的。

1.2.2 基于WebGL的技術(shù)方案

網(wǎng)絡(luò)圖形庫 (web graphics library，WebGL)是面向三維的繪圖協(xié)議，在任何兼容的Web瀏覽器中呈現(xiàn)交互式二三維圖形，而無須使用插件。WebGL為網(wǎng)頁上下文提供硬件三維加速渲染，依托終端圖形處理器(GPU)實現(xiàn)瀏覽器端三維場景和模型的流暢展示[5-6]。

WebGL的出現(xiàn)使得在現(xiàn)代瀏覽器上渲染三維系統(tǒng)成為可能，由于無須插件或?qū)g覽器進(jìn)行擴展，使得系統(tǒng)具有很好的跨平臺性和可維護(hù)性。隨著用戶對系統(tǒng)便捷化、友好化訪問要求的提高，該種技術(shù)方案的引擎被越來越廣泛應(yīng)用，但由于WebGL技術(shù)架構(gòu)本身的限制，無法達(dá)到本地應(yīng)用的性能，下一代網(wǎng)絡(luò)圖形接口(WebGPU)的出現(xiàn)可能會有質(zhì)的飛躍。

1.2.3 基于流媒體的技術(shù)方案

基于流媒體的技術(shù)方案是由云游戲演化而來的。云游戲是以云計算為基礎(chǔ)的游戲方式,本質(zhì)上為交互性的在線視頻流,在云游戲的運行模式下,游戲在云端服務(wù)器上運行,并將渲染完畢后的游戲畫面或指令壓縮后通過網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶。該技術(shù)方案的本質(zhì)是將傳統(tǒng)本地三維應(yīng)用通過流媒體的技術(shù)傳輸?shù)角岸苏故?從而繞過了操作系統(tǒng)、瀏覽器等諸多限制。由于其本地應(yīng)用的特性,可以無限制調(diào)用本地計算機資源,充分提高了三維渲染的效率。但這一解決方案的劣勢在于其硬件要求較高,需要大量高配置顯卡搭建云或集群才能滿足多用戶的并發(fā)。同時客戶端渲染的流暢和清晰度還會受到網(wǎng)絡(luò)延遲的影響,造成客戶端交互的不穩(wěn)定性。

1.2.4 三種引擎的比較

通過較長時間的使用對比,從模型的展示效果、渲染效率、對硬件要求等方面對三種技術(shù)方案的三維引擎進(jìn)行比較分析,結(jié)果如表1所示。

表1 三種引擎對比

可以看出這三種技術(shù)方案各有優(yōu)劣，沒有一種有絕對性的優(yōu)勢，需要結(jié)合不用的用戶需求和應(yīng)用場景，選擇相對合適的方案?？偟膩碚f，基于瀏覽器三維控件的方案適用于大中場景，表達(dá)精模、傾斜攝影網(wǎng)格模型(Mesh)效果較好。WebGL技術(shù)方案適用于宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù)展示和微觀數(shù)據(jù)展示，數(shù)據(jù)能支持少量Mesh和三維模型瓦片(3Dtiles)。流媒體技術(shù)方案近似于本地方案，可以支持較大場景但建設(shè)成本較高。

產(chǎn)業(yè)園區(qū)通常在幾至幾十平方公里,屬于中小場景。智慧園區(qū)的應(yīng)用涵蓋園區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、管理全生命周期,對GIS業(yè)務(wù)和應(yīng)用的快速迭代有較高的需求;用戶涉及各類園區(qū)運行各環(huán)節(jié)的管理人員,需要支持多用戶訪問。因此目前階段,基于WebGL技術(shù)方案的三維GIS平臺比較適用于三維智慧園區(qū)的建設(shè)。

2 三維智慧園區(qū)實現(xiàn)

2.1 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建設(shè)

智慧園區(qū)的建設(shè),標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范需要先行。在測繪與地理信息標(biāo)準(zhǔn)體系框架下,引用現(xiàn)有國家、地區(qū)以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),制定相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范,包括數(shù)據(jù)規(guī)范、服務(wù)規(guī)范、應(yīng)用規(guī)范等等。數(shù)據(jù)規(guī)范明確規(guī)定二維GIS數(shù)據(jù)的加工和表達(dá)要求,三維模型數(shù)據(jù)的加工標(biāo)準(zhǔn),以及后續(xù)數(shù)據(jù)維護(hù)更新的方式等;服務(wù)規(guī)范規(guī)定描述各類地理信息服務(wù)的信息模型以及各類服務(wù)接口的瀏覽器端應(yīng)用開發(fā)接口規(guī)范;應(yīng)用規(guī)范提供系統(tǒng)介紹,方便用戶合理使用系統(tǒng)。

2.2 數(shù)據(jù)資源建設(shè)

2.2.1 二維GIS數(shù)據(jù)

二維GIS數(shù)據(jù)包括線劃電子地圖、影像電子地圖、地名地址數(shù)據(jù)以及地塊、道路、樓宇、基礎(chǔ)設(shè)施等各類園區(qū)管理專題數(shù)據(jù)。

在地形圖的基礎(chǔ)上,經(jīng)過數(shù)據(jù)提取、整理、符號化及保密處理等形成各類圖層,然后在ArcMap軟件中制作符號庫、配置制圖模版,將數(shù)據(jù)庫與配圖模版掛接形成配圖數(shù)據(jù),分塊分區(qū)域?qū)D面注記、要素等進(jìn)行處理,形成符合標(biāo)準(zhǔn)的二維GIS數(shù)據(jù)。

2.2.2 三維模型數(shù)據(jù)

按照開放數(shù)據(jù)模型(CityGML 2.0)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)模型的層次細(xì)節(jié)(levels of detail,LOD)，三維模型可分為LOD0、LOD1、LOD2、LOD3、LOD4等級別。

(1)LOD0。三維地形模型，通常由正射影像和數(shù)字高程模型生成，反應(yīng)地形起伏變化。

(2)LOD1?；夷?沒有屋頂結(jié)構(gòu)的“樓塊模型”,通常以二維矢量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),按照樓高自下而上拉升。

(3)LOD2。三維一般模型,是包含貼圖和樓頂結(jié)構(gòu)的粗模。

(4)LOD3。三維精細(xì)模型，可以采用傾斜攝影等技術(shù)自動化生成實景三維模型,再后期精修解決局部精細(xì)化程度不夠的問題。也可基于平面圖紙和照片,采用手工建模方式生成。

(5)LOD4。室內(nèi)模型,可“步行進(jìn)入”的建筑模型。在LOD3的基礎(chǔ)上,基于室內(nèi)圖紙和照片生成的分層分戶模型或室內(nèi)精細(xì)化模型。

針對智慧園區(qū)建設(shè),可以結(jié)合不同應(yīng)用場景綜合運用不同等級模型,發(fā)揮其各自的效用。本文基于傾斜攝影技術(shù)生成LOD3和LOD4模型,其工藝流程如圖2所示。

圖2 三維模型工藝流程

在明確需求的基礎(chǔ)上,制定三維建模方案,選擇合適的航攝儀、設(shè)計航線。利用無人機或大飛機搭載航攝儀通過多個角度拍攝獲取影像,將影像經(jīng)過相機檢校、定位定姿系統(tǒng)(position and orientation system,POS)數(shù)據(jù)解算、影像預(yù)處理、空中三角測量、外業(yè)像控、三角格網(wǎng)模型構(gòu)建以及映射紋理等處理過程,完成實景三維的全自動建模[7-9],形成Mesh模型。基于Mesh模型,結(jié)合激光雷達(dá)(light detection and ranging,LiDAR)點云數(shù)據(jù)進(jìn)行建筑物模型單體化制作,使用傾斜影像對建筑物進(jìn)行貼圖,使建構(gòu)筑物變?yōu)橐粋€個可單獨處理、編輯的個體,并附著相應(yīng)的屬性信息[10],實現(xiàn)三維模型從看到用的轉(zhuǎn)變。利用影像疊加數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)制作道路地面模型,最終形成園區(qū)范圍內(nèi)完整的三維模型場景。

2.2.3 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)

包括園區(qū)管理中需要的規(guī)劃指標(biāo)、入駐企業(yè)、經(jīng)濟規(guī)模、能耗、環(huán)境監(jiān)測以及視頻攝像頭等各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),對多源異構(gòu)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化、空間化,和地理要素建立關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.2.4 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

結(jié)合實際需要,對上述數(shù)據(jù)資源進(jìn)行分庫存儲,包括基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、二維GIS數(shù)據(jù)庫、三維模型數(shù)據(jù)庫以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫,每個大庫內(nèi)根據(jù)數(shù)據(jù)類型建立相應(yīng)的子庫,并且建立對應(yīng)的目錄與元數(shù)據(jù)庫,為數(shù)據(jù)的高效檢索提供保障。

2.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

整合園區(qū)內(nèi)二、三維地理信息數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)管理數(shù)據(jù),實現(xiàn)地上地下三維立體表達(dá)、室內(nèi)室外信息統(tǒng)一管理，二、三維一體化展示,打造所見即所得的數(shù)字孿生園區(qū)。從園區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、運營等應(yīng)用場景出發(fā),建設(shè)真正服務(wù)于園區(qū)管理的三維信息化系統(tǒng),反演過去,掌握現(xiàn)在,模擬未來,實現(xiàn)園區(qū)的全生命周期管理和決策。

2.3.1 園區(qū)規(guī)劃

基于實景三維模型,將規(guī)劃指標(biāo)可視化管理與展示,判斷現(xiàn)狀建筑和規(guī)劃指標(biāo)的符合度。在對園區(qū)進(jìn)行規(guī)劃、設(shè)計、更新的過程中,將規(guī)劃設(shè)計方案三維立體化,并在實景三維場景中呈現(xiàn),直觀展示對周邊交通、環(huán)境、住房等各項指標(biāo)的影響,科學(xué)評估方案的效果和可行性。

2.3.2 園區(qū)建設(shè)

在園區(qū)建設(shè)階段，基于三維、建筑信息模型、視頻融合等技術(shù)，對工程建設(shè)進(jìn)度、建設(shè)計劃進(jìn)行協(xié)同管理，全面掌握園區(qū)項目建設(shè)情況。

2.3.3 園區(qū)管理

2.3.3.1 產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟

將經(jīng)濟數(shù)據(jù)空間化,實現(xiàn)企業(yè)、樓宇、地塊以及園區(qū)的關(guān)聯(lián)分析,及時掌握園區(qū)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展動態(tài),優(yōu)化產(chǎn)業(yè)布局。利用二、三維數(shù)據(jù)生成空間聚類圖、三維屬性渲染場景,實現(xiàn)抽象數(shù)據(jù)的實景表達(dá)。

2.3.3.2 精細(xì)化管理

基于三維場景,對園區(qū)部件、管線、能耗、環(huán)境監(jiān)測等數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化管理,全面掌握園區(qū)產(chǎn)業(yè)、經(jīng)濟、生態(tài)環(huán)境數(shù)據(jù)指標(biāo)。

2.3.3.3 園區(qū)變遷

以園區(qū)建筑數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),分析建筑的建成年代和滅失年代,基于LOD1或LOD3模型,依據(jù)時間序列,以可視化的方式展示園區(qū)的發(fā)展建設(shè)過程。

2.3.3.4 應(yīng)急安防

在三維場景中融合監(jiān)控視頻,實現(xiàn)三維模型與實時攝像頭的聯(lián)動,對重點出入口、重點活動進(jìn)行監(jiān)控,實現(xiàn)園區(qū)監(jiān)控感知浸入化、實景化。模擬突發(fā)事件,提前準(zhǔn)備搶險、疏散應(yīng)急預(yù)案,提升園區(qū)應(yīng)急響應(yīng)與應(yīng)急處置能力。

2.3.3.5 招商宣傳

對園區(qū)規(guī)劃、要素供給、產(chǎn)業(yè)鏈、資源配套、建設(shè)成果、重點項目、重點技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行綜合呈現(xiàn),成為園區(qū)對外宣傳、招商的可視化載體。

3 討論與分析

近年來,GIS技術(shù)在智慧園區(qū)的建設(shè)中發(fā)揮了重要作用：

(1)要素的準(zhǔn)確定位。GIS對空間位置信息的精準(zhǔn)表達(dá)可以有效地掌握園區(qū)中不同要素的位置以及用于解決與位置相關(guān)的分析和計算[11]。

(2)信息的可視化展示。在空間實體準(zhǔn)確定位、可視化展示的基礎(chǔ)上,通過不同符號、顏色、形狀等表達(dá)方式,展示空間信息的同時也能反映屬性信息。

本文討論的三維智慧園區(qū)建設(shè)方案將傳統(tǒng)的二維平面管理模式轉(zhuǎn)化成三維立體管理模式。在三維模型中對整個園區(qū)內(nèi)的建筑位置、建筑色彩、地上地下基礎(chǔ)設(shè)施布局等都能有全面、直觀的展示,并將業(yè)務(wù)管理、工程項目、視頻監(jiān)控、招商成果等數(shù)據(jù)融合到一個三維可視化平臺,為園區(qū)規(guī)劃、建設(shè)、管理、決策提供可視化支撐。但是,受限于園區(qū)管理方對園區(qū)數(shù)據(jù)的管理權(quán)限,目前平臺中數(shù)據(jù)大部分還是靜態(tài)數(shù)據(jù),缺少物聯(lián)網(wǎng)感知、能耗、人口、交通等實時動態(tài)數(shù)據(jù),未來伴隨更多源數(shù)據(jù)的共享融合,希望可以推動園區(qū)全域全時動態(tài)感知與智能分析,提升園區(qū)的仿真預(yù)測和虛實融合互動能力[12]。

4 結(jié)束語

當(dāng)前,智慧城市、孿生城市、城市大腦建設(shè)工作開展得如火如荼,園區(qū)作為城市的組成部分,其管理更應(yīng)向精細(xì)化、智慧化方向發(fā)展。國家對實景三維中國、城市信息模型(city information modeling,CIM)平臺的推進(jìn)也說明,依托三維虛擬世界,立體的思考和管理世界是國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的應(yīng)有之義。三維GIS技術(shù)作為一項日趨成熟的技術(shù),在智慧園區(qū)的建設(shè)中大有可為。本文對三維智慧園區(qū)建設(shè)中適用的三維模型和三維引擎進(jìn)行了探討,展示了已經(jīng)開展的三維智慧園區(qū)應(yīng)用。三維智慧園區(qū)的建設(shè)不僅僅是輔助園區(qū)管理,更是革新園區(qū)管理模式,實現(xiàn)文字想象到直觀可視,二維平面到三維立體,定點定時到全域全時的全方位管理,推動園區(qū)管理體系和管理水平的現(xiàn)代化。

數(shù)據(jù)是根本,今后,在園區(qū)發(fā)展過程中,三維模型等數(shù)據(jù)的更新問題是要點。研究高效的數(shù)據(jù)采集、更新手段,實現(xiàn)現(xiàn)實園區(qū)和數(shù)字園區(qū)的同步發(fā)展、孿生呈現(xiàn),是智慧園區(qū)發(fā)揮效用的關(guān)鍵。