廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心 劉琦

自然資源監(jiān)管業(yè)務(wù)需求的增加預(yù)示著二維GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)已經(jīng)不再滿足當(dāng)前高水平國土信息化建設(shè)的要求，三維GIS技術(shù)以其豐富的數(shù)據(jù)資源和強大的空間表達(dá)能力，成為自然資源信息化未來發(fā)展的關(guān)鍵。本文討論了三維GIS數(shù)據(jù)的特點和易智瑞三維GIS技術(shù)的優(yōu)勢，并從國土土地調(diào)查、不動產(chǎn)登記、國土空間規(guī)劃、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用等幾個方面，探索易智瑞三維GIS技術(shù)在自然資源管理中的應(yīng)用，證明易智瑞三維GIS平臺能夠充分發(fā)揮多源空間數(shù)據(jù)的優(yōu)勢和潛力，提高空間數(shù)據(jù)輔助管理和決策的能力，更好服務(wù)于自然資源監(jiān)管工作。

當(dāng)前，二維GIS技術(shù)已經(jīng)在國土空間用途管制、土地規(guī)劃編制和審核、用地用礦審批、自然資源開發(fā)利用監(jiān)管、國土土地調(diào)查、生態(tài)空間優(yōu)化等工作中發(fā)揮了重要作用。隨著自然資源管理業(yè)務(wù)需求的不斷增加，二維GIS已經(jīng)不再滿足當(dāng)前高水平國土信息化建設(shè)的要求，三維GIS技術(shù)應(yīng)運而生。

與二維GIS數(shù)據(jù)相比，三維GIS數(shù)據(jù)的空間表達(dá)能力更強，可將平面關(guān)系與垂直關(guān)系有機結(jié)合，并能夠形象直觀的展示區(qū)域的地形地貌以及建筑特征[1,2]?！蹲匀毁Y源部信息化建設(shè)總體方案》要求：“加快推進各類自然資源、國土空間各類要素的三維實景數(shù)據(jù)獲取和三維地質(zhì)模型庫建設(shè)，建立二、三維一體化的自然資源和國土空間三維實景數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)地上地下三維一體化監(jiān)測評價”[3]?！蹲匀毁Y源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)總體方案》也提到，自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設(shè)需要圍繞自然資源部管理的土地、礦產(chǎn)、森林、草原、濕地、水、海域海島等七類自然資源，構(gòu)建由一個主庫、九個分庫組成的國家級自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫，為自然資源“一張圖”和國土空間基礎(chǔ)信息平臺提供數(shù)據(jù)支撐[4]。由此可見，三維GIS將會成為未來自然資源信息化的主要方向之一。

本文從三維GIS數(shù)據(jù)的特點和易智瑞三維GIS技術(shù)入手，以國土土地調(diào)查、不動產(chǎn)登記、國土空間規(guī)劃、礦產(chǎn)資源開發(fā)利用等幾個工作領(lǐng)域為例，結(jié)合筆者的實際工作經(jīng)驗，對易智瑞三維GIS技術(shù)在自然資源管理中的應(yīng)用進行了探索與討論。研究發(fā)現(xiàn)，三維GIS能夠更立體直觀地展示自然資源場景，充分發(fā)揮自然資源空間數(shù)據(jù)優(yōu)勢，深層次挖掘空間數(shù)據(jù)潛力，進一步服務(wù)自然資源管理的各項工作。

1 三維數(shù)據(jù)的特點

相比二維場景，三維場景從平面到立體，從陸地表層到全空間，實現(xiàn)“地上下、室內(nèi)外、水上下”全空間的一體化描述[5]。實景三維能夠更全面、具體、形象地還原真實自然資源資產(chǎn)情況，易讀易懂，承載信息豐富，可以清晰地識別出各地物的輪廓和紋理，以及和周圍場景的相對關(guān)系，還可以表達(dá)比如地下、水下、室內(nèi)、外立面紋理等二維場景無法表達(dá)的特征。三維場景靈活程度、可拓展能力、易讀性、全面性和信息承載能力更強，表達(dá)效果更好，更符合人們的使用習(xí)慣。

構(gòu)建自然資源實景三維場景，包括數(shù)字高程模型（DEM）、傾斜攝影數(shù)據(jù)、激光點云數(shù)據(jù)、手工建模數(shù)據(jù)、BIM等數(shù)據(jù)源。傾斜攝影具有高分辨率、豐富的地物紋理信息、高效自動化的三維模型生產(chǎn)、逼真的三維空間場景等特點[2]，是三維場景中最常用的數(shù)據(jù)源之一。激光點云數(shù)據(jù)具有快速掃描、實時性強、數(shù)據(jù)量大、定位精度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，為城市三維精細(xì)模型建設(shè)、地物分類提取等提供了全新的手段。手工建模數(shù)據(jù)通過人機交互的模式構(gòu)建重點地物的精細(xì)三維模型，具有精細(xì)程度高、表達(dá)效果好、紋理逼真、層次結(jié)構(gòu)分明、完整性好、前端渲染速度快等優(yōu)點，并可以掛接各零部件的屬性信息，能真正服務(wù)于自然資源的管理和應(yīng)用。BIM在手工建模的基礎(chǔ)上，增加了建筑物內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息，在室內(nèi)定位、智慧園區(qū)建設(shè)、小區(qū)管理、橋梁建設(shè)、公安消防等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。

2 易智瑞三維GIS技術(shù)

GIS行業(yè)內(nèi)較常用的三維GIS軟件主要有Cesium、Skyline、SuperMap和ESRI ArcGIS等[6]。GeoScene是易智瑞信息技術(shù)有限公司在服務(wù)中國用戶多年的經(jīng)驗和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合ArcGIS國際領(lǐng)先的技術(shù)和理念，研發(fā)的新一代國產(chǎn)地理信息平臺，其具有強大的三維數(shù)據(jù)可視化與分析能力，與國產(chǎn)軟硬件兼容適配，融合云計算、大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能等前沿技術(shù)，從多源三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入和創(chuàng)建到三維數(shù)據(jù)空間分析處理再到前端三維可視化，提供了完整的技術(shù)能力[7]。三維前端產(chǎn)品可打造無插件式的三維數(shù)據(jù)快速瀏覽和輕量級的三維數(shù)據(jù)分析，針對大面積用戶具有普適性。

2.1 多源三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入

三維場景的構(gòu)建需要地形、影像、傾斜攝影、點云、手工建模數(shù)據(jù)、BIM以及其他要素數(shù)據(jù)的支持。GeoScene平臺使用OGC i3S標(biāo)準(zhǔn)的SLPK（SceneLayer Package）規(guī)范作為其數(shù)據(jù)規(guī)范，數(shù)據(jù)的加載與顯示遵從OGC i3S的服務(wù)規(guī)范[7]。地形、影像以及其他二維數(shù)據(jù)，可以通過在GeoScene Server上發(fā)布地圖或影像服務(wù)的方式加載到三維場景前端。而傾斜攝影、點云、手工建模數(shù)據(jù)、BIM等三維數(shù)據(jù)，需要借助GeoScene桌面版或其他三維數(shù)據(jù)處理軟件，將三維數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為SLPK來實現(xiàn)數(shù)據(jù)在易智瑞平臺中的加載、分析和共享。GeoScene桌面端軟件支持多種通用三維模型格式的轉(zhuǎn)換和導(dǎo)入，各種三維數(shù)據(jù)的導(dǎo)入流程如圖1所示。

圖1 GeoScene三維數(shù)據(jù)導(dǎo)入Fig.1 3D data import in GeoScene

2.2 三維數(shù)據(jù)空間分析

GeoScene平臺提供了強大完整的二、三維空間分析能力，繼承并拓展了原ArcGIS的地理處理工具，通過搭建業(yè)務(wù)模型有效解決現(xiàn)實世界中的地理空間問題。

專業(yè)的分析工具主要集中在桌面端軟件。桌面端三維分析工具包括空間測量（包括長度、高度、面積、體積等）、三維拓?fù)浞治觯òㄈS閉合、緩沖區(qū)、相交、合并等）、可見性分析（包括通視、視域、天際線、日照分析等）、地表面分析（包括挖填方、坡度、坡向、剖面、陰影等）等。Web瀏覽器端主要提供輕量化的交互式三維分析功能，包括視線分析、剖面分析、空間量測、日照分析、BIM構(gòu)建分析、剖切分析、地形壓平等。

2.3 三維場景渲染優(yōu)化

對于Web端三維應(yīng)用程序來說，為了追求場景畫面真實感，三維場景就會越發(fā)復(fù)雜，模型越發(fā)精細(xì)，便會給圖形硬件帶來極大的負(fù)荷以致于無法達(dá)到實時繪制幀率。例如，Web端加載海量傾斜攝影數(shù)據(jù)的時候，總會面臨場景不穩(wěn)定、加載緩慢、紋理渲染滯后等問題。因此，易智瑞三維GIS采取調(diào)整Lod切換機制、構(gòu)建前置緩存服務(wù)器、增加前端解析數(shù)據(jù)能力、地理索引、流式傳輸、優(yōu)化WebGL渲染邏輯等一系列優(yōu)化措施，滿足數(shù)據(jù)在前端高效渲染的需求。除此之外，平臺能夠針對水面制作具有反射光、地物倒影的水體效果，對整個三維場景制作霧、雨、云、晴等天氣效果，在Web端構(gòu)建更加逼真、生動的前端三維表達(dá)效果。

3 易智瑞三維GIS平臺在自然資源管理中的應(yīng)用

3.1 國土土地調(diào)查

國土土地調(diào)查是全面查實查清土地資源的一項重大的國情國力調(diào)查，搭建以國土土地調(diào)查為核心的三維立體時空數(shù)據(jù)庫，將土地調(diào)查各類數(shù)據(jù)在三維空間中表達(dá)出來，實現(xiàn)土地調(diào)查成果基于三維立體空間的分析應(yīng)用：

(1)土地調(diào)查數(shù)據(jù)在三維場景下的可視化與管理，達(dá)到土地調(diào)查數(shù)據(jù)與三維時空數(shù)據(jù)相互補充、相互融合，實現(xiàn)三維海量數(shù)據(jù)快速調(diào)度，三維仿真地理環(huán)境快速瀏覽，Web版三維場景漫游等。

(2)土地調(diào)查數(shù)據(jù)的三維空間測量，將土地調(diào)查二維數(shù)據(jù)與三維地表模型數(shù)據(jù)相結(jié)合，實現(xiàn)將二維投影面積轉(zhuǎn)換為表面積，完成耕地表面積、林地郁閉度等結(jié)合三維的計算與分析。

(3)土地調(diào)查數(shù)據(jù)的地表面分析，通過將二維矢量投影至三維數(shù)據(jù)，聯(lián)動三維數(shù)據(jù)分析計算坡度、剖面、切面、挖方、填方等，結(jié)合其他自然資源業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)例如土地資源的數(shù)量及動態(tài)變化分析、耕地坡度計算等分析功能。

(4)基于自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫，開展數(shù)據(jù)賦能問題研判，診斷與發(fā)現(xiàn)沖突，例如：通過耕地坡度數(shù)據(jù)三維可視化與坡度計算，完成地方上報耕地坡度的誤差檢查；通過項目審批數(shù)據(jù)與各類自然資源現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)及規(guī)劃數(shù)據(jù)的三維可視化，判斷項目合理性；通過永久基本農(nóng)田與高精度三維地形、影像及坡度的疊加，進行永久基本農(nóng)田一致性判定，摸清基本農(nóng)田坡度分布狀況等。

3.2 不動產(chǎn)登記

在三維模式下，不動產(chǎn)數(shù)據(jù)可進行多維度查詢管理，大至宗地范圍、不動產(chǎn)產(chǎn)權(quán)范圍以及四至關(guān)系，小至不動產(chǎn)在自然幢內(nèi)的具體位置、分層分戶信息甚至不動產(chǎn)內(nèi)部各零部件的分布及信息。Geoscene的單體化技術(shù)由于可為三維實體附加屬性信息，可被高亮查詢與統(tǒng)計，為不動產(chǎn)的三維管理提供了解決方案。

Geoscene平臺一般有以下四種單體化模式：(1)直接運用手工建模數(shù)據(jù)或BIM，導(dǎo)入Geoscene平臺，掛接屬性后，實現(xiàn)不動產(chǎn)的單體化顯示查詢或不動產(chǎn)內(nèi)部零部件查詢。(2)運用不動產(chǎn)自然幢的矢量面，在Geoscene桌面端軟件中將傾斜攝影數(shù)據(jù)進行切割，實現(xiàn)單體化，而后賦予需要管理的單體自然幢屬性信息。(3)運用自然幢矢量面數(shù)據(jù)，批量制作建筑物白膜或分層分戶模型，設(shè)置為半透明后，套合傾斜攝影數(shù)據(jù)進行自然幢單體化查詢。(4)依托Geoscene平臺矢量數(shù)據(jù)的貼地機制，把自然幢矢量面當(dāng)做一層膜將對應(yīng)位置的建筑物完整包裹起來，實現(xiàn)動態(tài)的高亮選中和查詢。比對這四種單體化的方法，方法一需要手工建模技術(shù)，適合某些需要精細(xì)建模的重點建筑物；方法二可以實現(xiàn)真正的單體化，但是耗費的成本較高；方法三適用于分層分戶模型的建立；方法四成本低，但是需要自然幢底面和建筑物吻合程度較高才能實現(xiàn)比較好的效果。實際可根據(jù)源數(shù)據(jù)情況以及需求，選擇合適的模式實現(xiàn)不動產(chǎn)單體化效果。

3.3 國土空間規(guī)劃

基于Geoscene平臺的機器輔助三維城市規(guī)劃決策模塊，可服務(wù)于國土空間規(guī)劃編制、審批、實施和監(jiān)督全過程，綜合建設(shè)工程的周邊環(huán)境，輔助開展建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計情況的評估、調(diào)整和優(yōu)化，為規(guī)劃方案評審提供直觀、生動、全面的輔助決策支持服務(wù)。

(1)規(guī)劃設(shè)計方案三維模型加載。Geoscene支持前端在線加載及后端服務(wù)發(fā)布兩種方式加載規(guī)劃設(shè)計三維模型，前端在線加載必須為GLTF格式的三維模型。通過調(diào)整模型的位置、大小、朝向和高度等參數(shù)，直觀地在自然資源大場景下展示設(shè)計方案，評估方案的合理性，輔助建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案的調(diào)整和優(yōu)化。

(2)三維規(guī)劃設(shè)計分析。利用高精度傾斜攝影數(shù)據(jù)，結(jié)合精細(xì)單體化三維模型，將擬建項目的三維設(shè)計模型與現(xiàn)狀三維模型進行結(jié)合，運用日照分析、視線分析、構(gòu)建分析、模型剖析、地形剖析等三維分析功能，對擬建設(shè)區(qū)容積率、綠地率、建筑密度、建筑高度、建筑規(guī)模等指標(biāo)進行分析，輔助建設(shè)工程設(shè)計情況的評估和分析。

(3)設(shè)計方案比對。通過分屏的方式，實現(xiàn)同一項目不同設(shè)計方案三維模型的同時瀏覽，包括建筑造型、立面風(fēng)格、色彩材質(zhì)等方面，直觀比對不同方案在同一三維場景下的模擬建設(shè)效果。

(4)在施工圖審查階段，開展施工圖三維數(shù)字化審查，提取三維模型中的有用信息，就施工圖中部分剛性指標(biāo)實現(xiàn)計算機輔助審查，減少人工干預(yù)。

(5)在竣工驗收階段，可將設(shè)計三維模型和竣工三維模型進行差異性比對，判斷項目是否按照施工圖施工，差異的部分在哪里，是否造成不良影響，輔助出具審查結(jié)果和驗收報告。

3.4 礦產(chǎn)資源開發(fā)利用

以監(jiān)控礦山開發(fā)利用活動和治理恢復(fù)情況為目標(biāo)，用三維手段進一步提高礦產(chǎn)資源勘查、開發(fā)與保護監(jiān)管的水平。

(1)定期開展無人機航拍，采集礦山正射影像及傾斜攝影數(shù)據(jù)，構(gòu)建多時期露天礦山三維模型。通過三維模型判斷礦產(chǎn)資源分布情況、礦山開采方式、采礦區(qū)地形形變、礦山工作區(qū)地表覆蓋類型、礦山治理恢復(fù)情況、礦山周邊情況等。通過兩期傾斜攝影數(shù)據(jù)計算周期內(nèi)礦石開采量，動態(tài)監(jiān)測礦產(chǎn)資源的變化。

(2)礦山開發(fā)利用地下動態(tài)監(jiān)測，使用激光雷達(dá)掃描技術(shù)，對地下開采礦山定期進行三維數(shù)據(jù)收集，獲取地下礦山點云數(shù)據(jù)，構(gòu)建地下礦山三維模型，摸清地下開采礦山巷道、掘進面、采空區(qū)等情況，監(jiān)測地下開采范圍及開采量變化。

(3)監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)與礦山三維模型的集成，根據(jù)要求在露天開采礦山礦區(qū)范圍內(nèi)、地下開采礦山掘進面、開采面、巷道關(guān)鍵位置、地磅等處安裝可控的高清攝像儀，將視頻信號動態(tài)接入三維平臺，實現(xiàn)在三維平臺上實時查看礦山生產(chǎn)情況。

(4)礦山三維模型與實時監(jiān)控視頻流數(shù)據(jù)的視圖融合，將礦山動態(tài)監(jiān)控視頻與三維場景融合在一起，例如將實時車流監(jiān)控視頻在傾斜攝影對應(yīng)的位置中貼地顯示，使視頻展示的效果更加真實，并運用視頻識別技術(shù)識別物體并打上地理標(biāo)簽，有效還原礦山開發(fā)利用現(xiàn)場的真實情況。

4 結(jié)語

與二維GIS相比，三維GIS更直觀、立體地展現(xiàn)了從地上到地下、從室內(nèi)到室外的現(xiàn)實場景，數(shù)據(jù)表現(xiàn)效果更好，信息載荷量更大，分析方式更豐富更靈活，是未來GIS技術(shù)發(fā)展的重要方向。易智瑞GIS平臺作為行業(yè)內(nèi)常用的GIS平臺之一，具備前沿、強大和穩(wěn)定的三維GIS技術(shù)，包括多源三維數(shù)據(jù)融合技術(shù)、單體化技術(shù)、三維數(shù)據(jù)空間分析、三維場景渲染優(yōu)化技術(shù)等，提供面向全域?qū)嵕叭S數(shù)據(jù)的治理能力，能夠為自然資源管理部門開展自然資源相關(guān)的規(guī)劃、審批、監(jiān)管和分析決策提供服務(wù)，提升國土空間治理能力現(xiàn)代化水平。通過三維平臺，最大限度的挖掘自然資源空間數(shù)據(jù)資源潛力，加快“用數(shù)據(jù)說話、用數(shù)據(jù)決策、用數(shù)據(jù)管理、用數(shù)據(jù)創(chuàng)新”管理新機制的建設(shè)，充分發(fā)揮自然資源數(shù)據(jù)的“底圖”和“底線”作用，提升自然資源管理決策水平，使空間數(shù)據(jù)能夠為國家經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展提供更好的服務(wù)。

引用

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