重庆三维数字城市项目创新与实践

薛梅，李锋，何兴富

(重庆市勘测院，重庆 400021)

1 引言

数字城市是把地理信息和其他有关信息结合并存储在计算机网络上，让城市内外空间连在一起的虚拟空间［1］。西方国家的数字城市建设经历了网络基础设施建设阶段、城市政府与企业内部信息化建设阶段、城市政府与企业之间的互联网连接阶段以及智能应用建设阶段。我国的数字城市和现实城市建设同步进行、互动补充，以政府投入、政府应用为主的数字城市建设运营模式导致企业和公众参与积极性缺乏、资金来源单一，阻碍了数字城市的健康、可持续发展。

本文在总结国内外数字城市研究现状及问题基础上，针对重庆大库区、大城市、大乡村、大山区实际情况，归纳出建设运营重庆三维数字城市的挑战和思路，从建设运营模式、数据整合框架、软件体系方面开展探索和实践，形成了丰富的技术和应用成果。

2 研究背景

2.1 国内外研究现状

迄今为止，全世界尚未实现完整、成熟的数字城市，但以美国为代表的发达国家和城市已开展大量相关基础性工作［1～3］。在我国已有100多个城市不同程度地开展数字城市建设工作，武汉［4］、苏州［5］、天津、宁波等城市启动了三维数字城市建设并应用于城市规划、建设、管理等领域。

我国数字城市建设虽然在技术和应用上取得显著的成绩，但相对于发达国家仍具有较大的差距，其建设运营具有以下特点:①主要采用政府出资、统一建设、分步应用的模式，数字城市的持续更新和运营需要政府持续投入资金，否则难以实现可持续发展。②表达载体上以二维为主，三维为辅，展示效果不够直观。③应用示范以政府管理为主，企业应用相对较少，企业对数字城市的诉求难以体现。④技术选型以NewMap、SuperMap、ArcGIS等商业软件为主，灵活性受到限制。

2.2 主要问题与解决思路

重庆是我国著名的山城，其依山而建，地势高低起伏，建筑错落有致。在重庆开展三维数字城市建设，面临比平原城市更加巨大的挑战。①基于数字高程模型建立的地形模型难以准确反映山地城市地形和建构筑物的空间关系，必须进行微观地形三维建模，地形建模和动态更新维护工作量大;②城区建设用地紧张，高楼密集，建筑建模工作量大，数据采集处理成本高;③地形复杂、建筑密集导致单位面积的三维模型数据量是平原城市的数倍，对软硬件技术提出了更高要求。

项目从建设模式、技术路线、应用推广方式等方面着手解决以上问题。①多渠道筹措经费，项目前期由重庆市勘测院自行筹措，通过项目方式不断引入其他资金渠道;②基于自主研发的三维基础软件搭建三维数字城市平台，三维仿真与三维GIS融合的技术路线既充分体现山地城市地形、地貌、建构筑物的仿真特点，又可开展空间分析;③遵循总体设计、急用先行的原则，以城市规划建设领域为重要突破，率先开展应用，后期再逐步深化拓展。

3 技术框架

在借鉴国内外先进研究成果和经验基础上，项目形成具有特色的三维数字城市研究路线，如图1所示。高精度山地城市三维地理空间数据构建整合研究解决地上、地下一体化的海量三维空间数据集成、组织、整合、建库管理问题;集景三维数字城市公共平台实现二三维地理信息与三维模型数据的一体化展示与分析应用，实现海量空间数据的分布式访问和高效渲染;开放式应用服务体系基于公共平台为应用系统的快速构建提供良好支持;城市三维协同规划设计平台实现了三维地理环境环境下规划方案的草绘、设计、模拟、评估、反馈及优化，为规划设计企业提供了新的技术工具。

图1 总体技术路线

3.1 建设运营模式研究

三维数字城市产业具有基础性、战略性、高投入性、高风险性和高关联性等特点，应当改变传统的政府出资、政府维护、政府管理、政府应用的建设运营模式，通过政府引导，充分发挥市场机制作用和功能，合理优化配置数字城市资源，开展数字化建设运营。

本文探索一种以企业为主体的三维数字城市建设模式，政府的主要作用是机制保障和政策引导，企业和公众在三维数字城市中占主导作用，其主要内容包括:①改变投资模式，在重庆建设内陆开放高地的建设进程中，多渠道引入外来投资企业、开发建设投资集团等的投资资金，解决三维空间数据库基础覆盖问题;②加强政策引导，通过规划竣工核实阶段引入三维建模，实现三维模型动态更新。重庆市规划局发布文件《重庆市规划局关于在主城区试行三维仿真系统辅助建筑规划管理的通知 渝规发【2012】19号》，文件规定由负责建筑工程竣工三维模型的制作，解决三维数字城市空间数据的动态更新问题;③以企业为主体负责三维数字城市的建设和运营工作，发挥其在规划竣工核实业务、空间信息技术、多专业人才团队上的积累优势，实现长期、稳定、可持续的三维数字化建设团队支撑;④大力促进三维数字城市在企业和公众的应用，特别是面向空间信息技术紧密关联的城市勘察、测绘、规划设计、房地产开发、投资建设集团等企业的应用需求，开发系列应用软件，推动以上行业的技术革新，寻求三维数字城市的赢利点。

3.2 数据整合框架研究

针对山地城市地形起伏大、地质地貌复杂、多雾、用地集约、高楼密集等地点，发展适应这些特点的高新数据获取技术，建立以无人机低空数字摄影测量、地面激光三维扫描、车载移动测量系统为主导的三维空间数据获取、处理、融合体系;形成涵盖地上、地表、地下三维空间数据的完整数据框架，建立地下管线、地质、地下空间、地表实景影像、地面三维模型、三维地形一体化的数据集成处理框架;研究三维地下空间模型数据库的组织方式以及一体化管理技术，实现海量多元异构地下空间数据的高效管理。三维空间数据统一建模框架如图2所示。

3.3 软件体系研究

(1)三维数字城市基础平台软件

项目针对三维数据更新维护困难、场景表达效果不够逼真、应用拓展有限等问题，利用多核处理器、多通道显示器等现代硬件环境，融合地理信息系统和现代图形学的技术特点，自主研发兼具三维仿真效果和地理信息分析功能的平台软件，解决海量三维数据组织、动态渲染与分布式应用等瓶颈问题，实现高仿真虚拟环境下二三维地理信息与三维模型的一体化展示与应用。具有以下特点:①单机和网络一体化。以灵活可扩展的架构，同时支持单机和网络环境下本地数据集、网络数据集的价值，实现高效率的数据调用，为大场景三维数据加载提供基础。②三维模型集成建库全流程化。为三维精细模型、地形模型提供检查、格式转换、集成、入库、动态更新等工具。③高性能的核心渲染引擎。综合采用模型LOD、GPU渲染绘制、高性能缓存、分块场景组织、动态调度和内存控制等技术，实现了在较低内存占用情况下，高帧率的流畅网络化加载和渲染效果。④模块化SDK和插件集架构。基于COM架构实现接口定义，支持跨语言、跨平台二次开发。

图2 三维空间数据统一建模框架

(2)开放式应用体系研究项目从平台开放性、数据开放性和应用开放性三方面着手，建立插件式的开放应用体系，使应用系统的开发更加高效。除了开展公安、市政等三维数字城市常见的示范应用外，大力推进三维数字城市在城市勘察、规划、设计、招商、宣传等企业级应用。该应用体系具有以下特征:①基于面向服务架构，解决当前三维仿真平台交互性弱的问题，提高平台开放性。②数据的建设和更新采用建设企业为主，应用企业为辅的方式，即数据建设企业建立大范围的数据覆盖和更新机制。应用企业通过API的方式整合业务数据。③向相关领域合作伙伴开放API，具有特定权限的相关企业通过API获取平台资源，实现对三维数据的访问、对系统分析API的调用等。

(3)城市三维协同规划设计应用研究

结合重庆山地城市实际，将城市规划设计过程和三维地理环境模拟、评估紧密结合起来，解决了规划设计数据整合集成、参数化驱动的建构筑物三维建模、渐进式规划设计流程、多专业规划设计协同等关键技术问题，在此基础上开展了应用实践，为复杂环境下多专业规划设计提供新的工具和方法。并具备以下功能和特性:①支持分布式、多源、多尺度的地理空间数据、规划设计方案数据的叠加集成展示，利用虚拟地理环境的逼真展示功能，直观模拟设计方案及周边环境的景观效果;②支持在三维虚拟地理环境下的交互式设计，通过草绘、输入参数、导入已有设计等方式，形成各类专业设计方案;③支持设计方案的评估，从安全因素、景观因素、成本因素综合进行设计方案的比较评估，并以此为依据不断调整、改进设计方案;④支持道路、管线、场地、建筑等相关专业的在线协同设计并形成依赖关系。一个方案变化，其他相关专业设计方案的参数提示变化;⑤支持设计意图的直观展示和交互，提供交流平台。

4 应用实践

项目基于以上解决方案，在政府管理、规划设计、勘察服务、公众应用等方面开展了大量实践，取得丰富的成果。

(1)搭建了基于政务网的“三维城市政务平台”。采用分布式共享的方式，发布重庆都市区 3 000 km2地形三维模型、建成区 550 km2精细三维模型。平台实现二三维空间数据一体化集成，为城乡规划管理的方案审批、竣工规划核实工作提供了科学支撑，提供了面向环保、公安、市政行业三维地理空间服务;通过建设江津、长寿、开县、垫江、永川、合川等区县级三维数字城市平台，实现了区县地下、地上三维地理空间数据的集成管理，并面向规划管理、招商引资、城市宣传、管线管理开展了应用，成为区县政府部门的综合管理决策支撑平台。

(2)面向开发投资集团、开发园区管委会、房地产开发商、勘察设计单位等企业提供三维城市规划设计软件及服务，开展道路、场地、管线、建筑设计及优化工作。基于直观、准确的三维地理设计进行城市规划设计，不但可实现设计方案的交互式调整、模拟与评估，提高了规划设计的效率，还可集成区域内规划设计方案，实现多项设计成果的整合。

(3)针对轨道、桥梁、隧道、公共设施等重大基础设施的选址、设计、应急抢险，提供基于地下、地上一体化的可视化管理平台，实现勘察、测绘、设计等多专业一体化的业务咨询，创新了多专业融合的服务新模式，为重庆的重大基础设施施工、运营提供综合性服务。

(4)将三维地理空间数据渲染后发布到互联网，建设“重庆三维地理信息公众服务平台”，并动态叠加轨道交通、公租房等热点信息，为社会公众的生活提供便利，得到社会各界的广泛关注和好评。

(5)灵活应用多种智能终端，将渲染后三维地理空间数据发布到手机、平板电脑等智能终端，为领导、机关用图提供新颖的载体，改变传统纸质地图不易携带、厚重的问题。

5 总结与展望

重庆三维数字城市的建设和运营，充分体现了重庆大城市、大农村、大库区、大山地的特色。项目建立了政府主导，以企业为主体的三维数字城市建设运营模式，通过政策引导，保证了三维数字城市的更新机制;通过多源多尺度、地上地下一体化的海量地理空间数据集成处理，使三维地理空间信息资源得到了有效的整合和统一;通过建立开放的软件体系，为各级政府管理决策、企业应用、产业发展提供了有力的三维地理空间数据保障和先进的技术实现手段。项目后续还需进一步依托政策机制，推进三维数字城市在企业的应用，促进三维地理空间信息的标准化。

［1］李宗华．数字城市空间数据基础设施的建设与应用研究［D］．武汉:武汉大学，2005．

［2］ 江绵康．“数字城市”的理论与实践［D］．上海:华东师范大学，2006．

［3］ 仇保兴．我国数字城市发展的挑战和对策［J］．城市发展研究，2010，17(12):1 ～6．

［4］ 盛洪涛．武汉市三维数字地图系统建设及其应用［J］．城市发展研究，2009(11):102～106．

［5］ 潘吉．三维“数字苏州”建设与应用前景［J］．中国建设信息，2009(14):38～41．