面对规划的三维数字城市数据管理

冉慧敏,刘全海,李 楼

(1.常州市测绘院,江苏常州 213002; 2.常州市地理信息智能技术中心,江苏常州 213002; 3.武汉大学测绘学院,湖北武汉 430070)

面对规划的三维数字城市数据管理

冉慧敏1,2∗,刘全海1,2,3,李 楼1,2

(1.常州市测绘院,江苏常州 213002; 2.常州市地理信息智能技术中心,江苏常州 213002; 3.武汉大学测绘学院,湖北武汉 430070)

三维数据的有效管理是丰富集成应用的基础。在大量三维模型生产的基础上,如何实现既具有几何又具有纹理与属性信息的三维模型原始数据的有效管理,同时与应用系统进行无缝集成对接是当前三维数字城市的一个难点。本文通过对三维数字城市的数据体系与模型的研究,提出了对于各类三维模型的一体化集成与管理方法。以常州为例,通过数据的管理与三维应用系统的集成,实现了三维数据的高校管理与应用。

三维数字城市;数据模型;数据管理

1 引 言

虚拟仿真和三维重建技术的发展使得其在城市规划、房地产开发、智慧旅游、智能交通、城市应急管理等领域得到广泛应用,也出现了针对不同应用所需要的各类不同标准的三维模型数据。在建模方式与三维应用平台上,各类平台层出不穷,百花齐放。总体来说,虚拟仿真和三维重建技术在城市规划领域中的应用范围最广、精度要求最高、对三维视图的效果要求最高,代表着三维数字城市的发展方向[1]。由于三维数据的数据量大,结构复杂,需要包括三维的几何、纹理、属性多种信息,其原始数据的管理是一件较为复杂的事情,且许多学者更注重于研究三维模型的数据生产与应用。但研究三维数据管理的人还有很多,但大都存在实际操作问题,一是灵活度欠缺,二是未与应用系统进行集成。

通过分析,本文认为目前三维数据管理要解决如下几个方面的问题,一是如何将数据管理灵活度提升,也就是对于三维数据无论是按照图幅,还是按照颗粒度更小的单元,如何管理好。二是如何做好三维模型的常态化更新与历史数据管理,由于三维模型在空间拓扑关系方面比二维要复杂得多,更新一个建筑物可能对周围地物、地形都要做相应更改,而模型更新工作又是三维模型数据库的一项重要的、频繁的维护工作。在数据管理中实现便捷更新,切实提高数据更新效率是至关重要的。三是如何与应用系统进行无缝集成,最终做到管理方便快捷,更新及时。

2 面对规划的三维数据组织

2.1 三维数据分类

(1)规划角度

从规划角度,三维模型一般分为:地形地貌三维模型、现状建(构)筑物三维模型、规划设计三维模型等。不同的模型类别,其基础数据的采集获取方式各异、模型制作方法和工艺流程多样[9]。

(2)地物具体类别

从地物具体类别,三维模型类型分为地形(Terrain)、建筑(Building)、道路(Road)、植被(Plant)、市政设施(Municipal)和其他(Other)等,编码应分别按ter、bui、roa、pla、mun和oth对应。花台、水池等和地面构成统一体的面应归到地形类型中,竖直的灌木、乔木等应归到植被类型,电线杆、井盖、消火栓等应归到市政设施类型中。本文在参考了城市建模相关规范的基础上,结合常州市三维建模相关经验,将三维模型类型进行分类,具体内容如表1所示:

表1 三维模型分类图

(3)其他数据类别

三维数字城市数据框架还包括其他数据类型,如相关矢量数据(如地形图、管线图等)、规划成果数据(总体规划、详细规划、专项规划等)、规划方案资料(建设项目规划方案、图片资料、经济技术指标等)等。这些数据应当与相关规划业务、相关三维模型数据有机联系起来,才能有效提供城市规划服务。在建立城市三维数据库时,应当充分考虑不同类型的数据,保证数据组织的合理性、更新的便捷性。

2.2 高精度三维城市模型的一体化数据组织

三维城市模型涉及多种数据类型,包括原始资料、影像数据、地形数据、矢量数据、三维模型数据等,并且城市级的三维建模数据量较为庞大,通常达到TB级别。此外,随着日益迫切的地上、地下、室内、室外三维空间数据的一体化管理、多用户协作、数据及功能服务共享、数据安全等方面的系统需求,如何有效地将所有数据进行合理组织并将生产出来的三维模型数据进行统一管理也是三维城市建模的一项重要研究内容。

当前的三维数据大多采用文件管理方式,具体有两种方式:①按规划单元管理,将大范围三维空间数据分成多个规划单元分别管理,这一方式很难满足一体化管理和无缝漫游的要求;②按城市片区管理,采用松散的大文件管理方式,这一方式难以保证数据的安全性和高效性。

因此,采用大型关系数据库对三维空间数据进行一体化管理已成为必然选择。然而,目前地上、地下三维空间数据的一体化管理尚未采用真三维的空间数据模型,而已有的三维空间数据模型大都局限在特定的专业领域,其通用性和扩展性不强,难以满足地上、地下三维空间信息的语义表达、动态更新、一致性维护以及综合分析应用的需求。

2.3 一体化数据模型

数字城市建设工程复杂而庞大,涉及多类地物的几何位置、形态特征和相互关系,同时还包含了人口、资源、环境、社会经济基础信息以及各行各业的专题信息。目前,关于数字城市的概念模型并没有形成某种规范,缺乏统一框架体系和标准体系。概念模型的研究也呈现出多种多样的状态,国内研究的学者也比较多[3～7]。根据地物的空间位置及其基本特点,本文在综合了一些参考文献后,从纵向层次,将三维数字城市中涉及的空间地物分为以下几类:

(1)地上空间对象:如居民楼、各种建(构)筑物、亭廊、电力设施、树木花草等。

(2)地面空间对象:主要是指附贴在地面上的空间对象,包括道路、草地、绿化带以及湖泊、池塘、河流等。

(3)地下空间对象:如地下管网、地下停车场、巷道、地下建筑物、地层、构造、矿体、其他地质体等。

图1 一体化三维空间数据模型[8]

针对地上、地下和室内、室外三维空间实体的基本特点,需要从概念上建立其统一表达的通用三维空间数据模型。如图1所示,地上、地下三维空间实体集成表示的统一数据模型通过几何层、多尺度表达层和专题语义层三个层次进行完整的表达。在几何层,通过点、线、面、体等基本元素实现地上、地下三维空间实体几何表达的统一;在多尺度表达层,通过LOD对象实现地上、地下三维空间对象的多尺度表达;在专题语义层,对建筑物模型、道路网络模型、地质体模型(由于城市三维规划较少涉及地质建模,本文暂未对地质三维建模展开研究)等专题进行面向专题语义的扩展。其中,在DEM表面层次上确保合理的空间划分与区域识别;在地上下立体层次,解决地理实体在二维抽象表示中产生的地上下交叠问题,满足三维立体空间层面的实体精确表达与分析需求;基于语义层次关系进一步详细描述相关实体的三维内部结构或组成关系[8]。

2.4 一体化数据更新

数据是系统建设的基石,三维数据库系统需要存储和管理大量的空间数据和属性数据,一般数据处理工作占整个系统建设周期的50%左右,好的数据管理方式对系统的实现起到显著的促进作用。三维数据库建设时,为了满足规划的需求,系统数据必须包括三维景观数据以真实地表现现实世界,包括必要的规划属性数据以进行规划指标的统计分析,还需包括一定的规划用地二维矢量数据以粗略地表现规划方案,其中三维景观数据在城市规划中又具体表现为三维城市模型。虽然系统数据简明的可概括为:三维城市模型、规划相关的属性数据和二维矢量数据,但是现有数据并不遵循一定的数据标准,系统原始数据类型复杂、种类繁杂、数据来源多样[10]。

三维模型的数据组织是数据管理工作的基础,本文在上节提出的数据模型基础上,结合常州市实际三维建库经验,设计了一套基于图幅的三维数据组织与管理方法。限于篇幅,本节主要针对三维源数据建设(包括原始三维模型数据(.MAX文件)、三维交换模型(.x格式,提供三维场景发布用)、图幅数据、纹理数据以及三维模型相关属性数据等)工作中涉及的空间数据库实体关系及数据更新方式做简要介绍。

(1)数据库结构设计

本文以三维空间数据库实体关系(源数据部分)为例来介绍相关内容。

根据三维模型数据特点以及建库要求,本文对空间实体的关系进行了认真研究。由于在实际三维建模时,多半以建模单元或其他类型的图幅等作为任务派发的区域界线。本文提出了基于图幅的三维模型数据组织方法,基于图幅方式的三维模型数据组织需要研究其纵向和横向组织的技术特点和要求,以满足三维模型在图幅方式下的得到有效和合理地组织。

针对三维源数据的建设,图2描述了三维空间数据库实体之间的关系,三维原始模型数据按类别分别存入不同的模型表,以图幅为单元对各类模型进行管理。同时,建立了三维模型及对应中间交换模型的一对多关系。三维原始模型及中间交换模型分别通过相应的字段与各类模型对应的纹理表建立关联。

图2 三维空间数据库实体关系图

三维模型的属性信息一部分直接存储在三维模型对应的表中,同时建立与对象ID相关联的扩展的属性字段,扩展的属性直接与传统的二维GIS相关数据进行绑定,从而实现二维跟三维的关联,保留了原有的二维GIS数据结构,实现了数据的重复利用。

(2)数据更新设计

随着时间的变迁,城市建设在不断发展,三维模型数据也越来越多,所以需要定期对三维数据库进行更新,针对不同的三维模型数据有着不同的更新方式。主要有以下几种方式:

①对象级更新。

以三维城市建模为对象,以对象为单位进行更新。优点是更新方式比较简单,缺点是对象没有空间位置概念,同时本身建模对象的命名实时在变,导致后期管理容易混乱。

②图幅级更新。

以图幅为更新单位,只要当前图幅数据进行变更,以图幅变更为需求提交要求进行更新。优点是更新管理起来简单,只要管理到图幅即可。缺点是每次更新数据量大,即使实际更新部分数据量非常小,更新的数据量都是一个图幅的数据[7]。

结合城市三维管理实际情况,三维模型的变化往往带来周边地物模型的相应变化,例如房屋变化往往导致关联的地块模型发生变化,单纯的独栋建筑的变化一般较少出现。因此,图幅更新方式更适用于三维数据的更新管理,图幅作为城市空间划分的组织区域是长期不变,也方便跨部门应用,大大方便后期管理和共享应用。综合对象级更新方式和图幅级更新方式的优缺点,三维空间数据库建设的设计更新模式可按照图3实施。

图3 三维数据库更新机制

3 实践与分析

通过实践,本文以常州为例基于Oracel、3ds Max开发了面对规划的三维数据管理系统,且与三维平台进行联动,最终形成了时空三维数据的管理与应用体系。

通过对三维数据的管理与应用,大大减少人工以文件方式对三维数据进行管理的时间和成本,使数据管理更为正规了,尤为重要的是为历史数据的管理提供了相应的技术路径。

如图4所示,本文根据常州的实际情况,对于建筑、地形、植被、道路、市政、规划方案等类型进行了全面管理,对于各类数据的元数据、模型数据进行统一管理,如可以进行场景质检,对于质检通过的数据可以进行入库。

图4 模型库管理软件

如图5所示,针对原始库中的数据,通过发布数据的管理,可以动态监测相应数据的更新情况,对于已更新的数据可动态发布,最终形成三维的时空数据应用。

图5 模型库动态监测与发布管理软件

4 结 语

本文对面向规划的三维城市数据模型的管理行了研究与实践。详细分析了智慧城市时期对于三维的数字城市数据管理的需求特征。结合常州市在三维数据管理的经验对面对规划的城市数据分类进行了分析,对三维数据的组织与结构进行了分析,解决了三维数据原始数据与三维平台一体化数据管理的关键问题。但数字城市内涵很广,目前将三维所需要的信息进行了管理,下一步还需进一步将所有二维的、影像、DEM、街景等信息进行集中管理,进行进一步的集中与集成。

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Three-dimensional Digital City Data Management for Urban Planning

Ran Huimin2,3,Liu Quanhai1,2,3,Li Lou1,2
(1.School of Geodesy and Geomatics,Wuhan University,Wuhan 430070,China; 2.Changzhou Surveying and Mapping Institute,Changzhou 213002,China; 3.Changzhou Geospatial Information Intelligence Technology Center,Changzhou 213002,China)

Effective management of three-dimensional data is the basis of rich integrated application.On the basis of a large number of three-dimensional model production,how to achieve both a three-dimensional geometric model of effective management but also has texture and properties of the original data,and seamless integration with the application system is a difficulty of current three-dimensional digital city.In this paper,through the study of three-dimensional digital model of the city's data system to proposed a three-dimensional model of integration for all types of integration and management methods.In case of Changzhou,through systems integration of data management and 3D applications,to achieve a three-dimensional data efficient management and applications.

three-dimensional digital city;data model;data management

2014—07—08

冉慧敏(1980—),女,工程师,主要研究方向三维数字城市建设理论。

住房和城乡建设部科学技术项目计划(2013-S5-4)