陳澤鵬，劉雪俊，趙國梁，俞 建，陳鑫祥，李姍遲

（1. 廣東省國土資源技術(shù)中心，廣州 510075；2. 北京吉威空間信息股份有限公司，北京 100043）

0 引言

自然資源管理工作正經(jīng)歷從單一的要素管理向多要素綜合管理的轉(zhuǎn)變。大力推動新型基礎(chǔ)測繪體系建設(shè)，加快構(gòu)建實景三維中國，是自然資源部門推進生態(tài)文明建設(shè)、參與經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要渠道[1-2]。《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》等文件明確提出要運用新一代信息技術(shù)，以立體空間位置作為組織和聯(lián)系所有自然資源的基本紐帶，形成一個完整的支撐生產(chǎn)、生活、生態(tài)的自然資源立體時空模型，建立自然資源三維立體“一張圖”，推進政府部門之間的數(shù)據(jù)共享以及政府與社會之間的信息交互。

空間數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)描述與特定空間位置相關(guān)的真實世界對象的數(shù)據(jù)集合[3]。以現(xiàn)實世界中實體對象的空間特征為參考，記錄與管理目標(biāo)對象的空間屬性變化。目前，空間數(shù)據(jù)庫已被廣泛用于自然資源、交通、水利、生態(tài)等行業(yè)[4]。時空數(shù)據(jù)庫是存貯時間、空間及相關(guān)屬性等信息的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，是空間數(shù)據(jù)庫發(fā)展的一個新階段[5]。時間變量、空間變量、業(yè)務(wù)變量的增加，對自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫提出了更高的要求，與之相適應(yīng)的技術(shù)模式需要更好地對時空數(shù)據(jù)進行表達與管理[6]。

通過多年持續(xù)的數(shù)據(jù)建設(shè)工作，廣東省構(gòu)建了覆蓋全省范圍、多尺度、多時相、多類型的自然資源一體化數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上整合全省三維數(shù)據(jù)，形成基于三維空間的地理信息和自然資源數(shù)據(jù)一體化展示和分析能力，這為各類業(yè)務(wù)全域仿真展現(xiàn)、空間管控提供三維基底支撐，成為自然資源助推經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展、助力城鄉(xiāng)區(qū)域協(xié)調(diào)平衡發(fā)展、推進生態(tài)文明建設(shè)的重要抓手。

1 省級全域三維空間數(shù)據(jù)庫研究

1.1 內(nèi)涵辨析

省級全域三維空間數(shù)據(jù)庫是基于統(tǒng)一的三維空間框架和時空數(shù)據(jù)模型，通過對自然資源調(diào)查監(jiān)測數(shù)據(jù)的整合、集成與建庫，形成物理分散、邏輯一致、動態(tài)更新的三維立體時空數(shù)據(jù)集合，準(zhǔn)確表達地上、地表、地下各類自然資源空間關(guān)系及屬性信息，及時掌握自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及變化情況，有效支撐國土空間規(guī)劃和自然資源管理的業(yè)務(wù)需求。

1.2 設(shè)計思路

堅持“以數(shù)據(jù)為核心、以系統(tǒng)為支撐、以應(yīng)用為驅(qū)動”的理念，充分利用已有成果，匯集更新全省地形三維模型，匯集整理各類三維模型成果，融合自然資源專題數(shù)據(jù)，加強基礎(chǔ)測繪與自然資源管理的各項業(yè)務(wù)工作融合，建成“看得見、用得好、管得住、靠得穩(wěn)”的時空大數(shù)據(jù)中心。

1.2.1 精細化三維立體場景構(gòu)建

以基礎(chǔ)測繪成果為框架、數(shù)字高程模型為基底、高分辨率遙感影像為背景，采用三維數(shù)字地球技術(shù)、虛擬現(xiàn)實增強技術(shù)，構(gòu)建各類自然資源成果的精細化三維立體展示場景，通過坡度坡向分析、剖面分析、通視分析、淹沒分析、土方分析等三維空間分析技術(shù)手段，實現(xiàn)三維立體空間分析可視化表達。

1.2.2 三維立體時空數(shù)據(jù)庫建立

運用大數(shù)據(jù)存儲和計算技術(shù)，建設(shè)空間大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)框架，構(gòu)建混合存儲的自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫和開放高效的自然資源三維數(shù)據(jù)計算模式。采用“分庫設(shè)計”的理念，針對不同類型的地理信息、不同特點的自然資源數(shù)據(jù)和不同的應(yīng)用場景，采用空間數(shù)據(jù)庫、NoSQL數(shù)據(jù)庫、分布式文件系統(tǒng)的混合存儲模式。開發(fā)高效的自然資源三維數(shù)據(jù)計算模式，強化三維計算分析和三維可視化能力，探索支持三維管理決策。

1.2.3 三維立體大數(shù)據(jù)中心協(xié)同建設(shè)

將自然資源專題數(shù)據(jù)接入一體化數(shù)據(jù)庫，全面升維，按三維立體空間進行分層組織，構(gòu)建三維立體時空數(shù)據(jù)模型，形成“山水林田湖草”一體化的全要素、全覆蓋數(shù)據(jù)庫，夯實自然資源信息化的數(shù)據(jù)基石，實現(xiàn)自然資源數(shù)據(jù)的集成管理、三維展示、應(yīng)用服務(wù)，為調(diào)查監(jiān)測、綜合監(jiān)管、國土空間規(guī)劃、“互聯(lián)網(wǎng)+政務(wù)服務(wù)”提供決策支持。

1.2.4 空間數(shù)據(jù)服務(wù)新模式

運用中臺化的大數(shù)據(jù)管理平臺理念，對大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相關(guān)的各種基礎(chǔ)中間件進行吸納、融合，提取各類數(shù)據(jù)應(yīng)用所需數(shù)據(jù)管理能力的“最大公約數(shù)”，以微服務(wù)和云計算等技術(shù)為驅(qū)動引擎，構(gòu)建集數(shù)據(jù)管理、分析、共享、應(yīng)用、安全運維于一體的數(shù)據(jù)管理與服務(wù)系統(tǒng)。

1.3 技術(shù)路線

構(gòu)建數(shù)據(jù)資源目錄體系，以全省高精度地形三維模型為基底，匯集、整理多源多類型的二三維數(shù)據(jù)資源，集成第三次全國國土調(diào)查、國土空間規(guī)劃、城市地質(zhì)調(diào)查、永久基本農(nóng)田、自然資源管理和不動產(chǎn)登記等自然資源專題數(shù)據(jù)，建設(shè)省級全域三維空間數(shù)據(jù)庫，形成全省覆蓋、內(nèi)容完整、準(zhǔn)確權(quán)威、現(xiàn)勢性強的統(tǒng)一自然資源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資源，技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 省級全域三維空間數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)路線

1.3.1 數(shù)據(jù)獲取

全面對接基礎(chǔ)測繪與自然資源專題數(shù)據(jù)，分析各類三維模型相關(guān)內(nèi)容，為數(shù)據(jù)庫提供可靠、全面的數(shù)據(jù)來源。

1.3.2 數(shù)據(jù)集成

根據(jù)各類數(shù)據(jù)來源，確定數(shù)據(jù)集成方式，制定數(shù)據(jù)整理及建庫方案等，開展數(shù)據(jù)的整理、建模、入庫、服務(wù)發(fā)布等工作；通過接口開發(fā)等工作開展已有的三維模型服務(wù)接入工作。

1.3.3 數(shù)據(jù)管理

對完成建庫的數(shù)據(jù)開展數(shù)據(jù)組合、數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)應(yīng)用等工作，實現(xiàn)二三維一體化數(shù)據(jù)的分層分級組織與一體化集成管理。開展三維數(shù)據(jù)庫的日常管理，包括海量多源異構(gòu)的二三維數(shù)據(jù)快速存儲、處理、檢查、入庫和更新。對數(shù)據(jù)庫目錄、數(shù)據(jù)庫安全進行日常管理及數(shù)據(jù)備份，同時提供數(shù)據(jù)瀏覽、查詢、建模、分發(fā)輸出、可視化等功能。

1.3.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用

面向自然資源系統(tǒng)內(nèi)部用戶、其他政府部門及社會公眾的數(shù)據(jù)共享展示、業(yè)務(wù)分析需求，利用三維立體可視化技術(shù)手段，實現(xiàn)自然資源各類二三維數(shù)據(jù)在三維場景中的融合、展示和應(yīng)用。

2 關(guān)鍵技術(shù)

采用國產(chǎn)三維GIS、矢量瓦片、LOD調(diào)度、GPU加速、云渲染、大數(shù)據(jù)計算等信息技術(shù)，集成創(chuàng)新三維時空數(shù)據(jù)庫技術(shù)，開展數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)建設(shè)。

2.1 三維地形與高精度傾斜攝影模型融合銜接技術(shù)

傾斜攝影數(shù)據(jù)提供了現(xiàn)實世界建筑物的表面模型，大場景三維地形數(shù)據(jù)提供了傾斜攝影數(shù)據(jù)在宏觀地理環(huán)境中的位置信息及周邊環(huán)境[7]，需要進行疊加使用。通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換將傾斜攝影模型和地形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到同一空間參考下，基于傾斜攝影模型提取數(shù)字表面模型，提取的成果作為參考數(shù)據(jù)修正現(xiàn)有的三維地形數(shù)據(jù)高程值，修改傾斜攝影模型邊界處的地形高程值，避免陡坡問題。最終實現(xiàn)三維地形與高精度傾斜攝影模型的融合銜接。

2.2 基于二三維數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的實景三維動態(tài)單體化技術(shù)

基于傾斜攝影測量技術(shù)獲取地面多視角影像并開展實景三維建模是近年快速發(fā)展的一種新興城市三維建模技術(shù)。由于建模速度快、真實性強的特點，該技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。但利用傾斜攝影技術(shù)進行實景三維建模得到的模型通常是近似格網(wǎng)分割的“表皮”模型，其結(jié)構(gòu)為連續(xù)的三角面構(gòu)成的表面模型，不能夠區(qū)分出建筑、道路、植被等地物單體信息。因此，在進一步開展數(shù)據(jù)分類、屬性掛接等三維應(yīng)用時，需要對傾斜模型進行對象化（或稱單體化）操作。廣東省的建設(shè)實踐統(tǒng)籌考慮應(yīng)用需求和數(shù)據(jù)構(gòu)建成本，采用二維矢量與傾斜攝影模型二三維聯(lián)動實現(xiàn)傾斜攝影模型數(shù)據(jù)的動態(tài)單體化，從而支撐開展相應(yīng)的三維應(yīng)用。

2.3 LOD調(diào)度下三維模型GPU渲染加速技術(shù)

隨著二三維數(shù)據(jù)采集速度與精度的提升，空間數(shù)據(jù)體量越來越大，數(shù)據(jù)種類越來越多，涵蓋三維地形、三維白模、傾斜攝影模型、三維精細模型、BIM及點云數(shù)據(jù)等。日益豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用對二三維數(shù)據(jù)的展示形式提出了更多的要求，需要采用全部剖分、動態(tài)調(diào)度和GPU渲染等核心技術(shù)，通過LOD技術(shù)流暢支持TB級的二三維數(shù)據(jù)，有效提升海量異構(gòu)二三維數(shù)據(jù)的瀏覽性能，確保高效應(yīng)用。

2.4 三維注記高性能展示與動態(tài)布局技術(shù)

動態(tài)標(biāo)注是地圖表達的難點和熱點。三維注記配置是對二維注記配置的維度拓展，二維的研究理論適用于三維，但三維地圖的注記放置面臨更復(fù)雜的情況。視點在三維空間內(nèi)的任意變換，會改變注記間的透視關(guān)系，影響其在屏幕空間上的相對位置，因而難以在預(yù)處理階段計算出注記之間潛在的沖突關(guān)系。廣東省的建設(shè)實踐采用“前端+后端”分工協(xié)助的形式處理三維場景的注記放置和渲染性能問題。后端依靠服務(wù)器的計算能力進行初步的注記位置關(guān)系處理，渲染為注記瓦片并將其推送至前端，同時提供有效注記內(nèi)容的位置信息；前端從注記瓦片中獲取有效的注記內(nèi)容，減輕展示時的計算壓力，并結(jié)合視角進行立體展示。

3 實踐應(yīng)用

在廣東省三維空間數(shù)據(jù)庫建設(shè)的基礎(chǔ)上，本研究開展了應(yīng)用探索，圍繞自然資源業(yè)務(wù)主題，以駕駛艙模式進行三維立體空間數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、多媒體數(shù)據(jù)的集成展示，并在三維立體場景中進行虛擬仿真，仿真生成的模擬數(shù)據(jù)可為實際的業(yè)務(wù)開展與過程優(yōu)化提供定量化參考。

3.1 三維用地審批

研究立體審批邏輯，設(shè)計全省建設(shè)用地審批的統(tǒng)計信息和相關(guān)空間圖層，包括建設(shè)項目數(shù)量、建設(shè)項目占地面積、建設(shè)項目地類占用情況等。對建設(shè)項目范圍進行點選，可以查看單個項目的詳情信息和地上地下立體情況，如圖2所示。

圖2 用地審批應(yīng)用界面

3.2 “三舊”改造情況

定制研發(fā)全省“三舊”改造的立體模擬展示功能，包括項目數(shù)量、分布、改造總面積、分類型統(tǒng)計及三維立體模擬等。對改造項目范圍進行點選，可以查看單個項目的詳情信息，包括項目基本信息、審批信息、圖片信息，運用游戲引擎技術(shù)模擬項目改造前后的三維場景，支撐空間規(guī)劃方案比選，如圖3所示。

圖3 “三舊”改造應(yīng)用界面

3.3 交通線路模擬

面向低山丘陵、河流眾多的復(fù)雜地理場景，規(guī)劃穿越山體的交通路線，對路線中的山體區(qū)域進行隧道構(gòu)建。對非山體區(qū)域進行高架鋪設(shè)，并在獨立窗口中分析展示線路高程信息，模擬建成后的通行效果。

4 總結(jié)與展望

省級全域三維空間數(shù)據(jù)庫及管理系統(tǒng)建設(shè)實現(xiàn)了全省二三維數(shù)據(jù)的高效集成管理和共享應(yīng)用，形成自然資源 “一張底版、一套數(shù)據(jù)、一個框架”，為自然資源調(diào)查監(jiān)測、國土空間規(guī)劃、監(jiān)管分析等自然資源管理工作提供統(tǒng)一的二三維一體化數(shù)據(jù)服務(wù)支撐，提升了三維數(shù)據(jù)對自然資源業(yè)務(wù)管理的服務(wù)效能和服務(wù)水平。下一步，本研究將加強地市級三維數(shù)據(jù)匯集機制探索，驗證和強化系統(tǒng)集成管理能力，構(gòu)建“數(shù)據(jù)-業(yè)務(wù)”強關(guān)聯(lián)、高敏捷的三維立體應(yīng)用服務(wù)體系，研究三維數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范三維數(shù)據(jù)的管理和服務(wù)，從而有效開展實景三維廣東建設(shè)。