包头三维数字城市发展研究

薛飞

摘 要： 本文简要介绍了包头市三维数字城市的建设发展情况，总结了关键性技术，分析了当前存在的问题，研究提出了解决的思路和办法，对包头市三维数字城市进一步的发展具有一定的现实意义。

关键词： 三维城市模型； 三维数字包头

1. 引言

随着“数字城市”建设的推进，传统的二维数字地图已不能满足城市三维空间管理的需要。建立三维数字城市成为城市规划、建设、管理部门在空间信息社会化服务中共同追求的目标。

“三维数字城市”是通过对城市地形、建筑及其它人工设施进行三维地理建模，形成覆盖全市的数字城市立体场景，同时结合虚拟仿真等技术，实现城市的三维可视化管理，是提高城市规划编制技术水平，实现科学规划的有效手段，是推进“数字包头”建设，实现公共事务可视化管理的基础保障，可以促进经济社会的全面可持续发展。

包头市于2011年启动了三维数字城市建设工作。经过几年的不断努力，建成了一套数据，二个系统，三个规范，取得了丰硕的成果。

2. 发展情况

包头市三维数字城市建设以虚拟现实技术、三维GIS技术和信息管理技术等为核心，以计算机网络和软硬件平台为依托，以相关国家政策、法规和行业标准等为保障，通过Internet/Intranet等方式真实、直观、充分地展现包头市的城市空间框架，实现城市三维空间信息数据的全方位共享与交换，形成对行政管理和社会的应用与服务。

2.1 一套数据

一套数据是指利用三维仿真技术建成包头市中心城区约150km2的三维精细模型，实现城市景观的三维虚拟重建，精细、生动地反映了城市的整体风貌。主要分为二个层次，第一层是地形地貌模型库，第二层是城市三维模型库。

地形地貌模型库主要利用数字高程模型和数字正射影像生成，采用1∶2000比例尺DEM和DOM数据，平面坐标系采用包头市独立坐标系，高程系统采用1985国家高程基准，地形地貌数据库可以展现真实的三维地理环境。

城市三维模型库主要对城市建筑、道路、水系等进行精细建模，能够真实再现城市景观。首先通过外业实地采集建筑、景观的立面照片，作为三维模型的侧面贴图来源。利用VirtuoZo，在立体环境下采集建筑物顶部三维矢量数据。利用采集的建筑物矢量线通过CCModel软件自动生成建筑物三维体块模型。由于正射影像已经消除了建筑物投影差，使得矢量信息與影像信息能够完美叠加，由此可以对影像顶部纹理信息进行准确裁切，并自动提取，附着在建筑物三维模型数据上。根据外业实景照片，制作侧面纹理贴图。

2.2 二个系统

二个系统是指建成三维数据管理系统和三维规划辅助决策系统。三维数据管理系统可将各种传统的二维矢量数据、航测遥感数据、数字高程模型、三维精细建筑模型无缝集成，实现海量三维模型数据的浏览和管理。三维规划辅助决策系统以规划专业应用为基础，具有空间量测、多方案比较、日照模拟、通视分析等专业分析功能，可以应用于辅助规划编制和城市管理。

2.3 三个规范

三个规范是指针对包头市的实际情况，建设相应的三维数字地图标准体系，包括：《三维数字地图技术规程》、《三维数字地图质量检查与验收规程》和《建设项目建筑（规划）设计方案三维仿真辅助审查数据要求》，作为项目建设和三维技术进一步发展与应用的保障和依据。

2.4 推广与应用

在三维数字城市的应用方面，首先推广了三维规划辅助决策系统在规划评审中的应用。通过三维建模技术，建立起拟建项目及周边的三维仿真环境，使人足不出户就可以领略真实的城市面貌，从而对拟建项目与周边环境关系有直观的认识和把握，为规划管理提供了决策依据。其次拓宽了三维技术的应用载体，将仅限电脑终端使用，推广至ipad移动终端，大大提高了使用的便捷性，为城市形象推广、领导决策提供了便利的工具。

3. 关键性技术

3.1 多源多尺度模型的融合及海量数据管理

与传统的二维数据相比，三维地理信息数据具有数据复杂、数据量庞大的特点，其数据建库组织是一个非常重要的技术和策略问题。主要包括：

（1）数据组织方法。在三维数字城市建设过程中涉及二维和三维数据，对于二维数据可采用传统的数据组织方法，对于三维数据主要采用不规则网格组织模型数据，充分发挥各种数据组织方法的优势：同时，考虑三维模型数据与二维数据的对应，以实现二维数据和三维数据的统一管理。

（2）数据压缩方法。对规则格网的栅格数据（如DEM、DOM数据），建立金字塔数据结构并进行压缩；模型数据则采用LOD方法进行压缩。

（3）空间索引建立。对于海量数据的三维场景，必须建立适当的空间索引以加速三维模型数据的定位与访问，提高数据访问和存储的效率。

3.2 三维建模技术

三维数字城市的三维建模就是重建城市真实地理环境，即以真实的地理空间位置再现城市现状景观（包括地形地貌、城市建筑与道路设施等）。要在计算机中模拟现实世界，就必须建出在多维尺度下外形、光照、质感等各方面都与真实对象相似的对象模型。需要解决以下问题：

（1）建模区域划分。城市包括了建成区、郊区等，建成区包括了新建地区、待改造地区等，首先要对建模区域进行规划，合理划分建模工作片区（格网划分、街区划分），对每个区片设定建模级别，是建模之前首先要开展的工作。

（2）多源数据的整合利用。三维城市模型建设涉及DEM数据、DOM数据、地形图、实拍照片、规划图纸等多种数据源，需要有效整合这些原始数据，并按应用要求，对原始数据进行流程化处理，满足三维模型在几何、细节上的要求。

（3）大范围三维场景模型的快速建立。对于大区域的三维模型的建立，要有一个快速建模的技术和方法，提高模型建立的自动化水平，同时保证模型的质量。

（4）制定建模技术规范技术标准。三维数字城市建模范围大、模型种类多样，统一的建模标准和规范非常重要，它不仅可保证模型建设的质量和效率，使建模工作顺利进行，还可推动和实现三维数据的共享。

4. 存在的问题

4.1 更新速度滞后

三维数字城市的现势性直接关系到其使用价值的优劣，可以说是三维数字城市的生命，只有始终保持其现势性，跟上城市建设发展的步伐，才能及时有效的为城市规划建设管理服务，提供真实可靠的决策依据，才能使三维数字城市在国民经济和社会发展中发挥应有的作用。

目前我市三维数字城市建设已历经六年时间，由于城市建设发展迅速，城市景观发生了很大变化，现有三维数字城市的部分区域已经与现实情况不符，需要及时进行更新。然而，现有每年只能完成3平方公里区域的更新，更新的速度远远滞后于城市建设发展的步伐。

4.2 应用的深度与广度不够

在应用的深度方面，我们的应用仍主要集中在三维城市景观的全景浏览方面，缺乏更深层次的开发应用。

在应用的广度方面，我们的应用仍主要集中在城市规划领域，如资源管理、灾害防范、事故应急处理、环境影响评价等领域的应用仍未涉足。

4.3 人才技术力量薄弱

三维数字城市建设是一项专业技术性很强的工作，三维技术发展也十分迅速，但是我们现有专业技术人员数量却严重不足，技术水平与先进地区差距巨大，人才技术力量的缺乏，势必影响我市三维数字城市建设的可持续发展。

5. 解决的思路

5.1 建立有效的更新机制

为保障三维数字城市的有效利用，必须切实建立三维数字城市更新机制，建设快速更新的技术保障体系，从更新方法、更新周期、更新工作的机构、人员和经费等方面落到实处。为此，我们需要借鉴先进地区的好方法、好经验，结合我们的实际，摸索出一条符合我市实际的快速有效的好方法。

倾斜摄影测量技术是当前国际测绘领域一项新兴、热门的技术。它颠覆了传统航空摄影技术，融合了正射和倾斜影像，通過在飞行平台上搭载多台航摄仪（或传感器）同时从垂直、倾斜等多个不同角度的拍摄将用户引入真实世界。通过对倾斜摄影测量技术的研究可以得知，该技术是大规模城市三维模型建设更新的可行方法。下一步应继续深入研究如何利用倾斜摄影测量技术实际开展工作，同时研究如何解决地面低处模型欠佳的问题，为大规模三维模型更新打好基础。

5.2 积极推广应用

积极开拓三维地图制作、三维辅助分析等更深层次的应用。积极开拓资源管理、灾害防范、事故应急处理、环境影响评价、城市形象展示等领域的应用。

5.3 加强人才队伍建设

三维数字城市建设是提高我市城市管理现代化水平的一项前期性、基础性、公益性的工作，其作用只能加强，不能削弱，这就要求要有一支人员结构合理、业务水平精通的人才队伍。建议引进更多专业技术人才，同时多提供培训深造机会，为三维数字城市建设的可持续发展做好人力资源保障。

6. 结语

经过多年的努力，包头三维数字城市建设已经取得一定的成绩，在辅助城市规划决策管理、城市形象宣传推广方面做出了一定的贡献。但是在发展过程中，仍存在一些问题和不足，笔者提出了解决思路和建议，希望能够为下一步的发展提供一些帮助。