城市空間二三維一體化系統建設與應用

于雷 葛寶玉 高瑩瑩 趙希奇 王兆祥

【摘 要】本文采用大數據挖掘、云計算、云存儲等新一代信息技術，基于當前二維GIS平臺軟件（ArcGIS）和自主研發的大型3D GIS平臺軟件，給出了一個二三維一體化的城市空間信息系統建設方案。論述了系統總體結構設計、數據規范及處理、二三維聯動機理和系統主要實現的功能。城市空間信息系統的建設，是實現空間信息管理、共享和應用的關鍵，提高了各行業對空間信息共享應用的管理能力及輔助決策分析能力。

【關鍵詞】ArcGIS；空間信息系統；二三維一體化

一、引言

城市空間信息是智慧城市建設的重要組成部分，是城市發展水平和文明程度的重要支撐?；诔鞘卸S地圖數據與地理信息系統技術建立城市空間二三維一體化系統，使得空間信息數據整理入庫、更新與應用一體化，最大限度地發揮空間數據普查的經濟效益。但是，由于空間信息數據縱橫交錯、上下起伏的空間關系，采用三維模型，提高模型物體的立體感和逼真感，有利于全面、真實反映地上部件的分布情況，為城市的管理者與建設者提供詳實的城市空間信息數據支撐，對智慧城市建設具有重要意義。

基于此，本文將以某城市空間二三維一體化系統為例，介紹如何將地理信息系統、數據規范與處理、二三維組件技術用于城市空間信息管理，實現對空間信息數據進行整理、入庫、查詢、統計分析、二三維聯動，既發揮二維強大的查詢統計分析能力，又能實現城市各類地理數據的可視化。

二、二三維一體化系統設計

系統框架設計：

本系統總體設計為：采用面向對象的分析和設計方法來規劃整個系統的應用，采用虛擬化層、服務層和應用層結構體系?？傮w架構如圖1所示。

虛擬化層采用虛擬化平臺，統一管理分配相應的計算機資源池和存儲資源池，用戶通過“云終端”按需獲取動態資源。

服務層主要為系統提供所需的數據支撐及相應的服務支撐，同時具備大數據存儲、挖掘、處理等能力。

應用層提供了城市空間二三維信息服務系統、地下管網系統和行業應用示范系統。后期結合相關應用，升級成相關的智慧行業。

三、數據規范與處理

數據規范的設計旨在指導城市空間信息數據的普查、符號庫設計、建庫、動態維護和相關工作。它規定了城市空間信息的分類原則、編碼方法與分類代碼，以滿足城市空間信息數據而進行分類的需求。

1、數據規范設計

結合現有國家標準、地方規范及用戶調研的基礎上，將空間信息分為6大類，包括公用設施、道路交通、市容環境、園林綠化、房屋土地及其他設施，共計280個對象種類，并為其設計相關地圖圖式、符號。

2、數據處理過程

數據處理工程的內容包含從數據采集開始，經過二維數據的質檢入庫，數據脫密，三維數據的預處理、場景建設、模型擺放到數據最后發布服務為止，數據處理工程為城市空間信息系統建設提供了準確的數據支持。

a）二維數據處理

對各類采集數據進行質檢、入庫、更新等操作，在數據入庫前綜合的、完整的對數據進行最后的把關檢驗，最終將處理好的數據按照統一的建庫標準進行入庫或更新，并按定義好的分層分類方式進行管理。

b）三維數據處理

首先要對三維模型數據進行預處理，生成平臺支持的數據格式，其次，進行模型擺放或方向角度調整以保證模型在場景中位置和角度的正確性，最后進行模型入庫發布，完成三維場景搭建。

四、二三維聯動機制

為充分利用空間信息系統的分析功能，采用二三維聯動、地上地下一體化展示方式，可以為城市設施管理、規劃應用、安全應急等建設提供輔助決策支撐。

1、二三維聯動的原理

二三維地圖聯動原理是在實現二維地圖坐標與三維地圖坐標的一一映射的前提下，通過信息的互響應機制來實現的。二三維地圖的投影坐標系應保持一致。同時系統建立二維矢量地圖與三維地圖顯示要素的關系。系統通過二三維坐標間的相互轉換實現二三維地圖的同步顯示。

2、二三維聯動的實現

二三維聯動的實現主要體現在：首先是視野同步，即二三維地圖顯示范圍應該是相同的，當任意拖動某地圖進而改變地圖的顯示范圍，另一場景的地圖也應該隨之發生變化。其次是操作同步，當在任意窗口進行放大、縮小、漫游等操作時，另一窗口地圖應同時發生變化，與其保持一致。最后是數據查詢同步，二維地圖某一圖層數據應與三維某一場景數據模型相對應。在對數據進行查詢、統計分析時，二三維聯動可以將二維空間數據要素與三維模型要素相對應，從而實現二維空間數據、三維場景模型及屬性信息的雙向互查。

五、系統功能

1、GIS應用功能

實現二三維地圖數據的疊加顯示，鼠標控制、沿路徑瀏覽、放大、縮小、漫游、地圖打印、量測等基礎GIS功能操作。二三維地圖展示如圖3所示。

2、查詢統計功能

實現在二三維空間內進行信息的查詢統計，包括快速查詢、區劃查詢、網格查詢、單位查詢、空間查詢、名稱查詢、類別查詢、屬性查詢、在線編輯等多種查詢功能，并支持圖表等多種方式展示。

3、三維空間信息瀏覽

城市空間信息系統提供直觀的三維展示，能夠實現空中、地上地下一體化360°視角的瀏覽。包括三維展示功能、三維圖形操作、漫游巡覽、三維場景快照、監控場景接入、空間量算、視圖顯示和地圖框移動。

六、結論

本系統實現了二維視圖與三維視圖的平移、旋轉的聯動和空間數據編輯的二三維同步更新，以及信息顯示、管理、查詢、統計、分析等功能，有效提高了系統使用的靈活性與便捷性。同時，將地上城市部件、地下管線等靜態空間信息數據等多元海量異構數據進行接入、匯集、整合，從而實現對城市空間信息化管理及信息共享，提升城市管理的標準化、信息化、精細化水平，滿足城市現代化建設和可持續發展的切實需求，為智慧城市的建設奠定堅實的基礎。

【參考文獻】

[1]于強，康來成.數字城市二三維一體化解決方案[C].第五屆中國數字城市建設技術研討會論文集，2012.

[2]朱國敏，馬照亭，孫隆，李成名.城市三維地理信息系統中海量數據的數據組織與管理[J].測繪科學.2008.