三维实景时空数据库管理平台设计与实现

黄林周，王铁军

（1.武汉大学 测绘学院航空航天测绘研究所，湖北 武汉 430079；2.自然资源部重庆测绘院，重庆 401120）

三维实景技术能实现将一系列二维相片或一组倾斜影像向高分辨率、带有纹理和地理位置信息的三维模型转换[1]，这为用户可视化利用时空数据提供了可能，也在城市规划、建筑设计等领域为政府各部门、各公司单位提供了更便捷和精准的地理信息服务[2]。为了对西藏自治区时空数据进行统一管理，建立三维实景时空数据库是必要环节，从而实现对西藏地区基础测绘数据、地理国情普查数据、城市框架数据、国土调查数据等各种自然资源数据的有效集成，为探清西藏地区自然资源情况提供基础数据。在此基础上，建设三维实景时空数据库管理平台，以实现自然资源数据管理、展示浏览、空间分析、查询统计等功能[3]，为自然资源精细化管理提供基础支撑，这不仅是新时代下新型基础测绘的主要任务之一[4-5]，也是我国信息化基础设施的重要组成部分[6]。

1 任务区数据

1）第三次全国国土调查影像数据，包括任务区优于1 m分辨率的第三次全国国土调查DOM数据和覆盖市级政府所在地区0.2 m分辨率的DOM数据，作为项目任务区影像底图使用。

2）天地图数据，包括2019年天地图融合更新后的矢量数据，内容包括交通、水系、居民地及附属设施、行政区划、地名地址等，作为核心矢量要素补充采集的基础数据使用。

3）地理国情普查数据，包括任务区地理国情普查矢量数据和10 m格网DEM数据，内容包括道路、水系、地理单元等，作为核心矢量要素补充采集的参考资料使用。

4）1∶10 000 DEM数据，包括各市级5 m格网的1∶10 000 DEM数据，作为项目任务区三维地形基础数据使用。

5）城市空间框架数据，包括各市级城市空间框架数据，内容包括道路及附属设施、政区境界、河流、居民地、城市绿地、地名地址等，作为核心矢量采集的补充数据使用。

6）1∶50 000基础地理信息数据，内容包括道路及附属设施、水系、居民地及附属设施、地名、行政区划等，作为系列内部用图制作的基础数据使用。

7）2018年春季导航矢量数据，内容包括交通、地名地址和兴趣点等，作为核心矢量要素补充采集的参考数据。

2 项目总体架构

项目包括三维实景时空数据库及其管理平台，三维实景时空数据库实现自然资源二、三维实景数据的集成和管理[7]；三维实景时空数据库管理平台支持基础地理信息、影像等二维数据以及三维地形数据、房屋单体化模型、精细化模型、分层分户模型等三维数据的管理和展示[8]。平台采用B/S架构模式，主要由基础层、数据层、服务层、可视化层等4个层次构成，总体架构如图1所示。

图1 平台总体架构

基础层为系统建设时期所需的硬件设施，负责构建涉密平台的基础运行环境。数据层负责自然资源三维实景基础数据的存储、处理、入库、管理和服务发布，为服务层提供基础数据[9]；并提供三维实景数据建库、数据更新维护、历史数据管理、数据服务发布等管理功能。服务层提供三维实景数据管理平台运行所需的数据服务和三维分析服务。可视化层可实现自然资源三维实景数据多模式浏览、数据集成浏览、量测分析、查询浏览、多屏对比、统计分析、空间分析、场景标绘、漫游管理等功能，为服务层提供三维可视化渲染和数据管理服务。

3 三维实景时空数据库建库

3.1 数据库建库的技术路线

将待入库的三维实景数据按照一定的目录结构组织整理，根据三维实景数据应用需求进行数据库设计，根据数据库设计要求对三维实景数据进行预处理，并将整理后的数据入库，建立三维实景时空数据库。建库总体工作流程如图2所示。

图2 数据库总体建设工作流程图

3.2 数据库设计

3.2.1 数据库概念设计

三维实景时空数据库的内容包括DOM数据、地形数据、三维模型数据、矢量数据、专题数据等5大类，其中DOM数据由任务区优于1 m分辨率、4个地级市城区0.2 m分辨率、三维实景核心区0.03 m分辨率3个层次的DOM组成；地形数据主要由10 m格网、5 m格网DEM和三维实景核心区0.2 m格网DSM组成；三维模型数据由项目任务区三维地形模型、核心区倾斜模型、房屋单体化模型、标志性建（构）筑物精细化模型和分层分户模型等组成；矢量数据由天地图矢量数据和核心区核心要素组成；专题数据主要由国土空间规划、不动产、地质灾害等专题数据组成。

3.2.2 数据库逻辑设计

三维实景时空数据库基于空间数据库环境下的Geodatabase模型进行逻辑设计，所有数据统一在CGCS2000国家大地坐标系下建库。数据库中按矢量数据、栅格数据、三维模型数据、专题数据、历史数据等进行组织管理，其中矢量数据包括道路、水系、居民地及附属设施、城市绿地等数据集；栅格数据包括DOM、DEM、DSM等数据；三维模型数据包括倾斜三维模型、房屋单体化模型、精细化模型、分层分户模型等；专题数据包括国土空间规划专题数据、不动产专题数据等；历史数据包括历史版本的影像数据、地形数据、三维模型数据等。

4 管理平台开发

4.1 平台接口设计

平台设计的应用接口及其功能如表1所示。

表1 应用接口及其功能

4.2 平台功能设计

平台主要包括多源数据融合浏览、数据叠加浏览、三维场景标绘、三维通用分析、三维实景数据管理、平台系统管理等模块，功能结构如图3所示。

图3 三维实景时空数据库管理平台功能结构图

4.2.1 多源数据融合浏览模块

该模块支持高分辨率DOM、高精度DSM、倾斜模型、房屋单体化模型、矢量等多源数据的三维场景无缝融合展示，三维实景呈现地势、地貌以及城区纹理；提供地图基础浏览、自定义飞行浏览、坐标与高程信息动态浏览等功能。

1）自定义飞行浏览可实现三维场景下自定义飞行路线的添加、编辑、播放、暂停、删除等功能，用户可随自定义路线自由浏览三维实景，如图4所示。

图4 自定义飞行浏览界面

2）多时相数据对比浏览可实现三维场景下同一区域多个时相数据的对比展示浏览，查看同一地区的历史变化情况，如图5所示。

图5 多时相对比和卷帘对比浏览界面

4.2.2 三维场景标绘模块

该模块可在当前三维场景下添加几何图形、特定图标、态势图形等标绘信息，实现对关注区域的解读和管理，如图6所示。

图6 几何标绘与态势标绘界面

4.2.3 三维通用分析模块

该模块提供三维量测、三维定位、坡度坡向分析、视域分析、日照分析等功能：①三维量测可实现三维场景下的高度测量、平面面积测量、地形面积测量等功能，如图7所示；②三维定位可实现行政区划、坐标、地理书签等三维场景快速定位，如图8所示；③坡度坡向分析可实现对指定区域的坡度坡向分析以及分级渲染展示，如图9所示；④视域分析可实现三维场景下对指定点的三维可视区域范围展示，如图10所示；⑤日照分析可实现对建（构）筑物的日照分析，展示一定时间段内阴影覆盖范围，如图11所示。

图7 空间量测界面

图8 行政区划定位界面

图9 坡度坡向分析界面

图11 日照分析界面

5 结语

为实现对西藏地区自然资源情况的全面管理，并为其规划和建设提供地理信息基础，本文利用倾斜摄影测量和三维建模技术获取高分辨率三维模型，基于空间数据库Geodatabase模型建立了三维实景时空数据库，并在此基础上开发了管理平台，为用户提供了数据管理、展示浏览、空间分析、查询统计等功能。