江文源，楊如軍，劉 琦，馬驍馳，黃信望，馬紹忠

（廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心，南寧 530000）

0 引言

當(dāng)前，中國(guó)正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型助力高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，自然資源高質(zhì)量發(fā)展對(duì)科技創(chuàng)新提出了前所未有的更高要求，也對(duì)時(shí)空信息技術(shù)創(chuàng)新提出了新的課題。在自然資源管理審批工作中，二維技術(shù)越來(lái)越不適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的要求，傳統(tǒng)的平面圖視角單一，難以表達(dá)地理實(shí)體的高度、紋理和地表起伏等空間信息。自然資源信息化需求重心從客戶端轉(zhuǎn)向了服務(wù)端，從二維平面擴(kuò)展到三維全空間，從室外擴(kuò)展到室內(nèi)，從宏觀拓展到微觀[1]。以Google Earth為代表，地球空間信息的三維可視化以其開(kāi)放性、可量測(cè)性和可挖掘性，成為信息化服務(wù)的基本要求，三維地圖也成為人們進(jìn)行空間信息交互的基本方式和各種門(mén)戶網(wǎng)站信息服務(wù)的基本內(nèi)容[2]。為了適應(yīng)新形勢(shì)下自然資源信息化的新要求，《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》提出推進(jìn)實(shí)景三維數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)，在已有基礎(chǔ)上整合完善，建立三維立體自然資源“一張圖”。自然資源部《實(shí)景三維中國(guó)建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》（以下簡(jiǎn)稱《大綱》）對(duì)實(shí)景三維的建設(shè)目標(biāo)、建設(shè)內(nèi)容等進(jìn)行了細(xì)化。

廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心（以下簡(jiǎn)稱廣西中心）于2009年起逐步建設(shè)和完善廣西自然資源“一張圖”（以下簡(jiǎn)稱廣西“一張圖”）。2011年，開(kāi)始收集整理實(shí)景三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，初步建成與廣西自身?xiàng)l件相符合的“城市主城區(qū)+多測(cè)區(qū)”的廣西實(shí)景三維數(shù)據(jù)格局，數(shù)據(jù)包括傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云、手工建模數(shù)據(jù)、BIM、地形、多面體等。在此基礎(chǔ)上，本文主要研究基于實(shí)景三維技術(shù)的廣西“一張圖”建設(shè)及應(yīng)用方案。同時(shí)，也解決了實(shí)景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、三維場(chǎng)景Web服務(wù)發(fā)布、二三維數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。三維立體“一張圖”在多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的實(shí)踐應(yīng)用證明，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

1 三維立體“一張圖”數(shù)據(jù)融合技術(shù)

1.1 實(shí)景三維數(shù)據(jù)類(lèi)型

《大綱》對(duì)實(shí)景三維數(shù)據(jù)進(jìn)行了定義和歸類(lèi)，本文主要以數(shù)字高程模型、傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云、手工建模、BIM等幾種實(shí)景三維數(shù)據(jù)構(gòu)建三維立體“一張圖”。

數(shù)字高程模型是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實(shí)體地面模型[3]，主要包括1:5萬(wàn)和1:1萬(wàn)DEM數(shù)據(jù)資源。1:5萬(wàn)DEM為國(guó)家級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪成果，覆蓋廣西全域陸地范圍，格網(wǎng)間距為10米；1:1萬(wàn)DEM為省級(jí)基礎(chǔ)測(cè)繪成果，格網(wǎng)間距為2米。

傾斜攝影融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測(cè)量技術(shù)，通過(guò)在同一行平臺(tái)搭載多臺(tái)傳感器，同時(shí)從垂直、前視、左視、右視與后視5個(gè)不同的角度采集影像，獲取地物側(cè)面豐富的紋理信息[4]。通過(guò)全自動(dòng)批量建模技術(shù)生成的傾斜攝影模型為三維GIS的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。傾斜攝影的通用格式是OSGB。

激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)是由三維激光掃描系統(tǒng)獲取的一種高精度三維數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)可通過(guò)非接觸主動(dòng)測(cè)量方式快速完整地獲取目標(biāo)物體表面的三維坐標(biāo)，不受物體形態(tài)、狀態(tài)的影響，精度高、信息豐富、效率高，在測(cè)繪、規(guī)劃、智慧城市等行業(yè)廣泛應(yīng)用[5]。

手工建模數(shù)據(jù)將現(xiàn)實(shí)或虛擬世界的地物通過(guò)3DMax、MAYA等建模軟件手工制作，小場(chǎng)景的渲染效果較好，細(xì)節(jié)展示精細(xì)，輔以光影等效果，但耗時(shí)長(zhǎng)、生產(chǎn)成本高，不適宜大范圍的應(yīng)用場(chǎng)景。

BIM以建筑工程項(xiàng)目的各項(xiàng)信息作為基礎(chǔ)，以三維模式詳細(xì)記錄了建構(gòu)筑物內(nèi)部各零部件的幾何和屬性信息，可實(shí)現(xiàn)建構(gòu)筑物在規(guī)劃、施工、驗(yàn)收、運(yùn)維等階段的精細(xì)化管理。BIM融入自然資源大場(chǎng)景，可從宏觀和微觀角度進(jìn)行三維數(shù)據(jù)管理、瀏覽和分析應(yīng)用。

1.2 二三維數(shù)據(jù)融合

多源異構(gòu)是二維數(shù)據(jù)和實(shí)景三維數(shù)據(jù)的最大特征，數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)多樣且平臺(tái)間無(wú)法互相兼容共享。目前，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)應(yīng)用程序接口（Web Service API）是解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、跨平臺(tái)調(diào)用的主流手段。將二維數(shù)據(jù)和實(shí)景三維數(shù)據(jù)存放在強(qiáng)大的云服務(wù)器，經(jīng)處理后發(fā)布成可調(diào)用的RESTful風(fēng)格或SOAP風(fēng)格的Web服務(wù)API，客戶端通過(guò)URL請(qǐng)求數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)瀏覽。

本文使用ArcGIS Server和廣西中心自主研發(fā)的I3S Server三維場(chǎng)景Web服務(wù)器（以下簡(jiǎn)稱I3S Server）實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)融合。二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS支持的FileGDB或SDE格式的要素類(lèi)，使用ArcGIS Server發(fā)布為符合開(kāi)放地理空間聯(lián)盟（OGC）Web Map Service規(guī)范的Web API。實(shí)景三維數(shù)據(jù)——傾斜攝影模型、激光點(diǎn)云、手工建模數(shù)據(jù)、BIM、地形、多面體等轉(zhuǎn)換為符合OGC I3S標(biāo)準(zhǔn)的場(chǎng)景圖層包（SceneLayer Package，SLPK）格式后發(fā)布到I3S Server，由該Web服務(wù)器提供滿足I3S場(chǎng)景服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)API。

1.3 實(shí)景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

實(shí)景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一般分為以下2種思路。（1）直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SLPK。（2）先轉(zhuǎn)換為ESRI原生數(shù)據(jù)格式——多面體（multipatch）模型，對(duì)模型賦值、紋理貼圖、轉(zhuǎn)換、投影后，再轉(zhuǎn)換為SLPK。依據(jù)三維數(shù)據(jù)類(lèi)型，實(shí)景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分為傾斜攝影、點(diǎn)云、BIM、手工建模等不同的轉(zhuǎn)換流程。

傾斜攝影導(dǎo)入方式一般為以下2種方式。（1）通過(guò)ArcGIS Pro的創(chuàng)建集成網(wǎng)格場(chǎng)景圖層包工具，直接將OSGB轉(zhuǎn)換為SLPK，但大范圍數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換容易出現(xiàn)軟件崩潰的情況。（2）通過(guò)ArcGIS桌面軟件授權(quán)的三維數(shù)據(jù)治理工具，對(duì)OSGB數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化、平移、亮度調(diào)整、合并和坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等操作，可以適應(yīng)大量的數(shù)據(jù)處理和渲染優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效果比較理想。此外，Context Capture、Pix4D、SURE、大疆制圖等國(guó)內(nèi)外主流傾斜攝影測(cè)量建模軟件均支持生成SLPK格式的傾斜攝影數(shù)據(jù)。

點(diǎn)云數(shù)據(jù)的通用格式是LAS。ArcGIS Pro支持LAS格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)加載、渲染、投影、分析等操作，并運(yùn)用創(chuàng)建點(diǎn)云場(chǎng)景圖層包將點(diǎn)云數(shù)據(jù)打包成SLPK格式數(shù)據(jù)。

ArcGIS Pro支持直接讀取Revit格式的BIM數(shù)據(jù)，還可將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)到FileGDB，對(duì)其進(jìn)行幾何、貼圖、屬性的編輯。

目前，常見(jiàn)的手工建模數(shù)據(jù)格式比較多，比如obj、3ds、dae、wrl、fbx等。此類(lèi)數(shù)據(jù)可通過(guò)ArcGIS Pro的導(dǎo)入3D文件工具將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為multipatch模型，符號(hào)化和渲染后轉(zhuǎn)換為SLPK格式數(shù)據(jù)。

1.4 三維場(chǎng)景Web服務(wù)發(fā)布

三維場(chǎng)景Web服務(wù)是指一組符合OGC I3S Web服務(wù)規(guī)范并具備RESTful風(fēng)格的Web API。目前，很多GIS供應(yīng)商都提供了發(fā)布三維場(chǎng)景服務(wù)的Web服務(wù)器，其加載效率和穩(wěn)定性能夠滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。但這些三維場(chǎng)景服務(wù)器的規(guī)模過(guò)于龐大，對(duì)實(shí)施部署、遷移不友好。為此，廣西中心自主研發(fā)了三維場(chǎng)景Web服務(wù)器——I3S Server，支持發(fā)布SLPK格式的傾斜攝影模型、點(diǎn)云、建筑模型、三維模型等三維場(chǎng)景服務(wù)，具有發(fā)布速度快，數(shù)據(jù)完整性和精細(xì)度較好的特點(diǎn)。客戶端通過(guò)請(qǐng)求服務(wù)地址獲取服務(wù)，采取合理化的LOD分級(jí)顯示、緩存機(jī)制等優(yōu)化方法快速加載渲染三維場(chǎng)景。

2 三維立體“一張圖”建設(shè)及應(yīng)用方案

2.1 數(shù)據(jù)資源體系

本文參照《自然資源三維立體時(shí)空數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)總體方案》，從土地、森林、草原、濕地、水、地表基質(zhì)、地下資源、海洋、自然資源監(jiān)測(cè)9類(lèi)數(shù)據(jù)選取核心數(shù)據(jù)內(nèi)容及主要屬性信息，基于統(tǒng)一的空間框架，按照管理層、地表覆蓋層、地表基質(zhì)層、地下資源層4層架構(gòu)分層組織，充分融合二維數(shù)據(jù)和實(shí)景三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建廣西“一張圖”數(shù)據(jù)資源體系，如圖1所示。

圖1 廣西“一張圖”數(shù)據(jù)資源體系

2.2 總體架構(gòu)

本文針對(duì)廣西自然資源業(yè)務(wù)系統(tǒng)需求的特點(diǎn)，基于分布式、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、三維GIS、計(jì)算機(jī)虛擬化等技術(shù)，構(gòu)建了廣西“一張圖”總體架構(gòu)，如圖2所示。該架構(gòu)融入了三維立體“一張圖”數(shù)據(jù)體系，實(shí)現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)在應(yīng)用系統(tǒng)中快速調(diào)度、高效渲染，充分發(fā)揮三維場(chǎng)景真實(shí)、全面、豐富、立體的優(yōu)勢(shì)，為自然資源業(yè)務(wù)系統(tǒng)建設(shè)提供了可參考的二三維一體化解決方案。

圖2 廣西“一張圖”總體架構(gòu)

基礎(chǔ)硬件設(shè)施虛擬化后建立云資源管理層，負(fù)責(zé)云資源管理調(diào)度。中間件資源層包括GIS支撐平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、緩存數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)器、大數(shù)據(jù)分析工具和消息中間件等。借助該資源層構(gòu)建統(tǒng)一的自然資源三維立體“一張圖”數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)而形成可統(tǒng)一調(diào)度的平臺(tái)級(jí)Web服務(wù)資源，包括各種地圖資源、影像資源、三維場(chǎng)景資源、空間分析資源等。具體應(yīng)用系統(tǒng)按需、按角色權(quán)限獲取資源。同時(shí)，通過(guò)統(tǒng)一的政務(wù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源和分析資源在自然資源部門(mén)垂直共享、其他橫向部門(mén)之間共享。

3 三維立體“一張圖”實(shí)際應(yīng)用

3.1 第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查

本例將“一張圖”應(yīng)用到廣西區(qū)域的第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查業(yè)務(wù)系統(tǒng)，構(gòu)建了覆蓋廣西全域的地形場(chǎng)景，通過(guò)疊加廣西的第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查成果，如圖3所示，調(diào)用二三維一體化聯(lián)動(dòng)、交互分析等功能，實(shí)現(xiàn)在地圖上同時(shí)查看地類(lèi)圖斑和實(shí)際地形，為野外調(diào)查監(jiān)測(cè)、基本農(nóng)田劃定、新增耕地檢查及退耕還林等工作提供技術(shù)支撐。

圖3 廣西“一張圖”在第三次全國(guó)國(guó)土調(diào)查中的應(yīng)用

3.2 國(guó)土空間規(guī)劃

近年來(lái)，廣西“一張圖”在市級(jí)城市規(guī)劃管理中得到了廣泛應(yīng)用，特別是在詳規(guī)方案對(duì)比審批方面發(fā)揮了重要作用。圖4（a）為南寧市主城區(qū)的激光點(diǎn)云圖層。采用激光雷達(dá)技術(shù)對(duì)主城區(qū)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以高程渲染不同高度的點(diǎn)云，快速勾勒高精度的城市地形和城市形態(tài)，滿足城市基礎(chǔ)設(shè)施管理、城市規(guī)劃和太陽(yáng)能潛力估計(jì)等需求。

圖4 廣西“一張圖”在國(guó)土空間規(guī)劃中的應(yīng)用

圖4（b）為北海市主城區(qū)的“傾斜攝影+地下管線”實(shí)景三維場(chǎng)景（局部地形修改）。以城市傾斜攝影模型為空間基底，疊加城市地下管線數(shù)據(jù)；使用“地形修改”三維分析功能透視指定范圍內(nèi)的地形和傾斜攝影模型，滿足修建道路、鋪設(shè)管道等業(yè)務(wù)需求。

圖4（c）和（d）以城市傾斜攝影模型為空間基底，導(dǎo)入提前構(gòu)建的手工建模模型，滿足規(guī)劃效果查看、規(guī)劃方案對(duì)比等需求，多用于城市規(guī)劃布局、舊城改造和城市更新等業(yè)務(wù)場(chǎng)景。

圖5（a）～（d）為城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的常用三維分析功能，分別是地形剖析、視線分析、日照分析、構(gòu)件分析。（1）地形剖析。在實(shí)景三維場(chǎng)景中繪制任意折線，分別獲得折線經(jīng)過(guò)位置的傾斜攝影模型和地形模型高程剖面。（2）視線分析。在場(chǎng)景中設(shè)置視點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，分析獲得點(diǎn)到點(diǎn)的透視和遮蔽情況。（3）日照分析。選擇時(shí)間后系統(tǒng)自動(dòng)獲取場(chǎng)景建筑模型和地形模型的朝向、間距、高度等參數(shù)，計(jì)算山體、構(gòu)筑物的陰影投射。（4）構(gòu)件分析。管理BIM、手工建模模型的組裝生成部件，服務(wù)精細(xì)化管理。

圖5 城市規(guī)劃設(shè)計(jì)的常用三維分析功能

3.3 礦山監(jiān)管

自2021年開(kāi)始，廣西“一張圖”試用于礦山監(jiān)管，主要用于解決礦山越界開(kāi)采問(wèn)題。圖6（a）以露天開(kāi)采礦山傾斜攝影模型為空間基底，結(jié)合視屏超融合技術(shù)，以三維視角對(duì)露采礦山實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)管。圖6（b）通過(guò)激光點(diǎn)云、手工建模等方式，建設(shè)地下巷道、開(kāi)采作業(yè)面等地理實(shí)體的實(shí)景三維模型，對(duì)地下開(kāi)采礦山進(jìn)行有效監(jiān)管。

圖6 廣西“一張圖”在礦山監(jiān)管中的應(yīng)用

4 需進(jìn)一步解決的問(wèn)題

廣西“一張圖”在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用，但今后還需深化應(yīng)用，進(jìn)一步優(yōu)化和探討以下問(wèn)題。（1）數(shù)據(jù)獲取成本較高，模型制作流程復(fù)雜，周期長(zhǎng)，技術(shù)門(mén)檻高，不能在短期內(nèi)更新覆蓋廣西全區(qū)的數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，缺乏統(tǒng)一、可實(shí)施性強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)和入庫(kù)的系列規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。（3）實(shí)景三維場(chǎng)景具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類(lèi)多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，對(duì)硬件設(shè)備要求較高，客戶端加載和渲染的穩(wěn)定性及速度還需進(jìn)一步提高。（4）三維空間分析算法未能在更深層次結(jié)合業(yè)務(wù)需求，很多時(shí)候僅停留在“看”的層面。

5 結(jié)語(yǔ)

廣西“一張圖”建設(shè)及其在各類(lèi)自然資源業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用，在一定程度上解決了以往二維地圖立體感不夠強(qiáng)的問(wèn)題，賦予自然資源業(yè)務(wù)系統(tǒng)全新的觀測(cè)視角。同時(shí)，實(shí)踐證明廣西“一張圖”建設(shè)方案具備良好的可行性、可移植性和可擴(kuò)展性，發(fā)展方向正確，應(yīng)用前景廣闊。但隨著計(jì)算機(jī)軟硬件不斷發(fā)展及自然資源管理政策的調(diào)整，立體三維“一張圖”發(fā)展還存在很多未知因素。因此，還要不斷地完善立體三維立體“一張圖”。