原创《焦作市城区实景三维数据平台建设》
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摘 要：随着智慧城市的建设,城市大范围三维数据模型的展示与发布已经成为可能.在保证实景三维数据模型生产速度的情况下,针对城市不同功能区发展、建设情况的不同,采用不同的建设方法与要求,尽可能将建设范围涵盖整个中心城区及其扩展边界,使得实景三维数据成果能够在城市管理中成为基础数据平台.
关键词：城市三维；人工建模；实景三维
1 引言
按照《关于推进数字城市向智慧城市转型升级有关工作的通知》（国测国发〔2015〕11 号）要求,要做好城市时空数据内容的丰富、范围的扩充,着力开展历史、实时、动态、地下、室内、三维、多维地理信息获取与分析处理,并不断提升获取能力和分析处理水平.
通过总结“数字焦作”数据成果的使用经验,二维数据在对“智慧城市”提供基础数据服务时,存在空间数据单一、抽象性较大、专业性要求高等问题.随着三维数据模型建设技术的发展,城市三维模型数据的推广使用逐渐与城市管理紧密结合[1],并将发挥更大作用.
2 城市实景三维模型建设面临的问题
以焦作市为代表的城市正处于发展上升期,城市功能区日渐完善,中心城区规划范围逐渐扩大,三维数据建模需要明确经费,确定实景三维模型的清晰度和建设内容,在数据生产和推广时,存在生产周期长、数据量大等问题.建设实景三维数据模型时,高精度的清晰模型造价高,大范围建设需要耗费大量财力；低精度的实景模型会造成中心城区发达区域内建筑模型不清晰,对实景三维数据的推广使用造成较大障碍[2].
在三维数据生产时,必须考虑三维数据的整体展示效果和城市发展的变化速度.如果数据采集的时间过长,超出一个季度,整个城市的影像数据色彩及地物不是一个季度的景象,致使影像数据在时间轴上无法形成统一整体；三维模型建设的周期过长,城市的发展变化会造成三维数据成果与城市现状不符,降低实景三维数据成果的实用性.此外,三维数据量大,推广使用时对服务器和计算机要求较高,因此,需要稳定可靠的平台来搭载三维数据,展示功能及其他关联数据.
3 实景三维模型建设方案
３.1 三维数据生产技术
对焦作市实景三维数据建模前,首先在焦作市城区选取几个小区域进行三维数据建模实验,分别采用人工三维建模、基于倾斜摄影测量和基于航空摄影测量提高重叠率的实景三维数据生产三种方式.
通过对比实验成果发现,人工三维建模的模型精细、场景美观,建筑信息能根据需要重点展示,但与实地场景存在较差,不能直观展示实地状况.实景三维可真实、直观反映实地状况,建筑模型尺寸与实物相符,能根据不同数据精度完成精模和简模两种数据模型,但对有特殊要求的局部无法达到需求.在获取实景三维数据的方法中,倾斜摄影与正射影像大重叠的方法制作的三维数据模型区别不大,但基于航空摄影测量提高重叠率的方法在数据采集效率上更有优势[3],在应用上,两种数据成果各有特点,应用领域各有所长.
３.2 城市现状分析
城市中心城区人口集中,商业发达,城市建设完善且更新速度慢,但城市管理压力大.建设三维数据模型时需采用精细模型,满足城市管理工作对基础数据的需求；对于重要建筑和地标建筑采用人工建模辅助完善,使得从大场景到局部精细部件还原城市原貌.
城市规划发展区域处于中心城区,建筑密度低、低效用地较多、发展潜力巨大且更新速度快,对精细模型的需求不高.因此,在建设三维数据模型时,可采用简易三维模型数据,让城市规划发展区域的数据成果与中心城区对接,不用浪费大量财力、物力.
３.3 建设方案选择
通过小范围实验,以大范围实景三维模型为基础,在城市规划区范围内、主要建成区范围外的250 平方公里内,采用简易模型；在主要建成区100 平方公里内采用精细模型,同时挑选部分区域采用人工三维模型,重点展示需要的细部纹理,具体建设范围如图1 所示,其中红色为精细模型与简易模型建设分界线.
３.4 数据维护方案
城市实景三维数据要与实地状况相结合,能进行小范围的数据更新,这就要求在三维数据建设时,每一个三维模型必须是独立存在的个体,且具有单体编辑功能,为后期三维模型数据的更新维护做准备.
4 三维模型数据采集技术要求及完成内容
为保证三维建设范围内的影像色彩效果及三维景象的视觉效果,确保三维数据能真实反映城市建设现状,航空摄影数据采集时间不能超过一个月,三维模型从开始建设至投入使用不能超过半年.
（1）完成主建成区100 平方公里精细MESH 三维模型数据获取,主要成果有正射影像、DOM 模型和真三维实景模型.
精细模型的数据要求：建筑屋顶结构、房上房、屋脊、女儿墙、主体结构表现完整；建筑楼体、立面阳台、窗户、大型台阶主体结构表现完整；棚户区、村中村、乡镇街道建筑只表现建筑主体结构,屋顶结构统一以平顶结构表现.所有几何结构边缘垂直直角化、无扭曲结构,建筑与地面直角链接、无褡裢；建筑与建筑间、建筑自身结构无褡裢、建筑无破面[2]；重点道路沿街商铺纹理清晰,真实反映物体表面颜色,同一区域同种物体纹理应协调一致.实景三维精细模型效果如图2 所示.
（2）完成城市规划区350 平方公里（含100 平方公里精细模型数据）简易三维模型数据获取,主要成果有正射影像、DOM 模型和真三维实景模型.数据要求是：建筑结构表现完整,建筑和地面无破面、褡裢,建筑纹理无严重扭曲,河道、水域、湖泊水面要平整,重点桥梁道路表现完整,场景无悬浮物[2].简易模型效果如图3 所示.
（3）主建成区范围内10 条主要街道沿街底商数据及10 条道路两侧建筑采用人工建模,要求建筑纹理与现状基本相符,建筑结构表现完整,每栋建筑都能够独立进行编辑,建筑精度能够符合实景三维模型整体精度情况,沿街底部商业门面表现清晰、完整.
5 结束语
通过对焦作市实景三维建设过程与数据成果分析,城市大范围实景三维数据模型的快速建设基本能够实现.根据城市管理实际情况采用分区域、分级别的建设方案,在时间上实现实景三维模型与城市建设现状基本相符,在空间上尽可能全部包含城市规划范围.同时,建筑模型的单体编辑可让实景三维数据与城市发展变化同步,为数据成果的长期使用提供技术支持.
数据论文参考资料：
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