實(shí)景三維模型城市綜合管理應(yīng)用研究

　　摘 要: 實(shí)景三維模型越來越多地應(yīng)用于城市綜合管理服務(wù)信息化中。哈爾濱市于 2019 年完成建城區(qū)傾斜攝影實(shí)景三維模型采集制作，本文總結(jié)了實(shí)景三維模型成果在智慧物聯(lián)、智慧社區(qū)、規(guī)劃實(shí)施監(jiān)督等方面展開城市綜合管理相關(guān)應(yīng)用取得的成果，進(jìn)而指出應(yīng)用中存在的不足與改進(jìn)展望。

　　關(guān)鍵詞: 實(shí)景三維模型; 城市綜合管理; 智慧城市

　　李寅超; 姜波; 劉照; 王純宇 測(cè)繪與空間地理信息 2021-11-25

　　我國(guó)城市綜合管理隨著物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市等先進(jìn)的信息化技術(shù)普及而越來越注重管理的科學(xué)性，實(shí)景三維模型作為一種高精度、高還原度且數(shù)據(jù)采集制作迅速的三維空間數(shù)據(jù)，已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到城市綜合管理應(yīng)用中。我國(guó)多個(gè)城市已經(jīng)開展基于實(shí)景三維模型的城市綜合管理相關(guān)應(yīng)用探索。[1-3] 近期，深圳可視化城市空間數(shù)字平臺(tái)上線，利用實(shí)景三維模型作為信息匯聚的底板，實(shí)現(xiàn)城市管理的跨部門數(shù)據(jù)共享，提升城市管理協(xié)作效率。[4]哈爾濱市于 2019 年底實(shí)現(xiàn)九城區(qū)實(shí)景三維建模，其一次性覆蓋面積、成果精度均處于同時(shí)期全國(guó)前列，該成果完成后，受到了哈爾濱市委、市政府主要領(lǐng)導(dǎo)的高度關(guān)注，并立即在重大項(xiàng)目決策中發(fā)揮了重要作用。其后，該成果被用于智慧物聯(lián)、智慧社區(qū)、規(guī)劃實(shí)施監(jiān)督等應(yīng)用場(chǎng)景，隨著其廣泛應(yīng)用，實(shí)景三維模型自身以及數(shù)據(jù)匯聚的問題相繼暴露出來。因此，有必要進(jìn)行及時(shí)的應(yīng)用成果總結(jié)研究，以便更好地將實(shí)景三維模型服務(wù)于城市綜合管理、智慧城市建設(shè)。

　　1 實(shí)景三維模型應(yīng)用特點(diǎn)

　　1.1 實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)采集及制作

　　實(shí)景三維數(shù)據(jù)主要通過無人機(jī)、有人飛機(jī)以及車載移動(dòng)測(cè)量掛載傾斜以及垂直方向的至少 5 個(gè)不同視角傳感器獲取數(shù)據(jù)。相較于傳統(tǒng)手工建模，實(shí)景三維模型建模的數(shù)據(jù)采集過后通過軟件自動(dòng)化建模，在較短時(shí)間內(nèi)完成大片區(qū)域三維建模。哈爾濱市在進(jìn)行數(shù)據(jù)制作采用兩架有人運(yùn)輸機(jī)采集全市范圍內(nèi)數(shù)據(jù)，并通過復(fù)合翼無人機(jī)對(duì)一些重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)充數(shù)據(jù)采集，以填補(bǔ)漏洞并提高精度。兩架有人運(yùn)輸機(jī)分別搭載 AMC5100、SWDC- 5AP100 數(shù)字傾斜航攝儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，無人機(jī)傾斜航攝系統(tǒng)由大疆經(jīng)緯 M600Pro 無人機(jī)掛載睿鉑 Riy-D2 高分傾斜五鏡頭相機(jī)組成，航攝儀如圖 1 所示。采集的數(shù)據(jù)最終通過街景工廠軟件進(jìn)行自動(dòng)化處理形成三維模型。

　　1.2 實(shí)景三維模型精度

　　城市管理應(yīng)用要求三維模型精度較高，需達(dá)到《三維地理信息模型數(shù)據(jù)產(chǎn)品規(guī)范》( CHT 9015-2012) 中 I 級(jí)成果要求，即平面位置中誤差不超過 0.3 m，高程中誤差不超過 0.5 m。哈爾濱市采用有人運(yùn)輸機(jī)和復(fù)合翼無人機(jī)兩種飛行平臺(tái)搭載不同的傾斜攝影航攝儀獲取傾斜攝影原始照片，導(dǎo)致傾斜攝影航攝儀焦距及鏡頭像素不同、飛行高度不一致，但獲取的數(shù)據(jù)地面分辨率相同，且空三加密使用的控制點(diǎn)資料精度一致，因此，實(shí)景三維模型成果精度指標(biāo)相同。通過外業(yè)檢查點(diǎn)與三維模型同名點(diǎn)的檢查，計(jì)算三維模型平面與高程中誤差均不超過 0.25 m，實(shí)景三維模型成果如圖 2 所示。

　　1.3 實(shí)景三維模型與屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)

　　模型成果構(gòu)建完畢后還無法有效進(jìn)行城市管理相關(guān)工作，需要在空間坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的柵格像元值的基礎(chǔ)上關(guān)聯(lián)城市管理工作需要的業(yè)務(wù)屬性數(shù)據(jù)。目前，傾斜三維模型的屬性數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)主要有兩種方法，即模型單體化屬性關(guān)聯(lián)和矢量數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)。要實(shí)現(xiàn)模型單體化屬性關(guān)聯(lián)，首先需要以一定尺度下的地理實(shí)體將傾斜三維模型進(jìn)行分割，如按戶、樓棟或小區(qū)等地理實(shí)體進(jìn)行分割; 然后，將相應(yīng)的屬性數(shù)據(jù)掛接至分割好的單體實(shí)景三維模型上，如圖 3 所示。要實(shí)現(xiàn)矢量數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)，首先，要保證矢量數(shù)據(jù)與實(shí)景三維模型數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系一致; 然后，通過貼對(duì)象操作將矢量要素附著在傾斜三維模型上，或基于矢量要素生成三維的立方體與實(shí)景三維模型套合; 最后，通過矢量要素屬性來表達(dá)同一空間位置的實(shí)景三維模型所具有的城市管理含義，如圖 4 所示，其中( a) 為實(shí)景三維模型，( b) 為含有屬性的矢量數(shù)據(jù)，( c) 為關(guān)聯(lián)后的效果。單體化屬性關(guān)聯(lián)可根據(jù)屬性內(nèi)容查詢到具體的實(shí)景三維模型單體，因此，這種方法在數(shù)據(jù)更新替換時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。而矢量數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)在表達(dá)不同尺度的屬性信息時(shí)，只需替換相應(yīng)矢量數(shù)據(jù)即可，不必再對(duì)模型切割或拼接，因此，這種方法在多尺度數(shù)據(jù)展示時(shí)具有一定優(yōu)勢(shì)。兩種方法需要根據(jù)應(yīng)用的具體場(chǎng)景來做出選擇。

　　2 城市管理相關(guān)案例

　　傾斜三維模型由于真實(shí)地還原了現(xiàn)實(shí)世界景象，因此，在城市管理中可以更好地展現(xiàn)城市管理要素間的空間關(guān)系以及現(xiàn)狀。

　　2.1 智慧物聯(lián)

　　平房區(qū)是哈爾濱市最早實(shí)現(xiàn)全區(qū)傾斜三維模型覆蓋的區(qū)縣，平房區(qū)將全區(qū)交通監(jiān)控視頻流數(shù)據(jù)通過攝像頭點(diǎn)位與實(shí)景三維模型進(jìn)行掛接，接入效果如圖 5( a) 所示。這樣首先方便公安交警在實(shí)景三維中獲取攝像頭位置以及查詢攝像頭攝錄范圍; 其次還可以將監(jiān)控視頻與市長(zhǎng)熱線、城市管理相關(guān)部門共享，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)查看群眾上報(bào)的臨街相關(guān)問題，如街面垃圾堆積、商販攤位占道等問題。哈爾濱市公安局利用傾斜三維模型數(shù)據(jù)接入小區(qū)單元人臉識(shí)別門禁、車庫(kù)車牌識(shí)別攝像等傳感器信息，如圖 5( b) 、圖 5( c) 所示，形成了智慧小區(qū)管理的雛形。該系統(tǒng)目前可通過三維實(shí)景模型展示各類傳感器所在位置，下一步對(duì)實(shí)景三維模型做單體化處理，并與人臉識(shí)別門禁數(shù)據(jù)相結(jié)合，可實(shí)時(shí)獲得小區(qū)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注人群居家及外出情況，如小區(qū)內(nèi)老年人、公安重點(diǎn)關(guān)注人員的外出返回情況等，為智慧養(yǎng)老、智慧綜治提供有力的輔助支撐。

　　2.2 智慧社區(qū)

　　平房區(qū)為實(shí)現(xiàn)智慧社區(qū)精準(zhǔn)化管理，選取兩個(gè)小區(qū)作為試點(diǎn)，將小區(qū)內(nèi)的常住人口、所在戶口、所住房屋門牌等信息建立數(shù)據(jù)庫(kù)，形成“人-戶-房”的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)庫(kù)與實(shí)景三維模型關(guān)聯(lián)采用了矢量數(shù)據(jù)屬性關(guān)聯(lián)方法，矢量數(shù)據(jù)中僅保存房屋的唯一編碼，調(diào)取人、戶信息時(shí)通過唯一編碼從數(shù)據(jù)庫(kù)中動(dòng)態(tài)調(diào)取。這種方法保證了系統(tǒng)調(diào)取的人、戶信息始終與數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容保持一致，如圖 6 所示。

　　2.3 城市規(guī)劃管理

　　目前，哈爾濱市已將“多規(guī)合一”建設(shè)成果中的總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、土地利用數(shù)據(jù)與實(shí)景三維場(chǎng)景融合展示。用戶可通過相應(yīng)工具點(diǎn)擊三維場(chǎng)景查看地塊對(duì)應(yīng)的規(guī)劃性質(zhì)，也可通過控制性詳細(xì)規(guī)劃的地塊編碼直接定位到對(duì)應(yīng)的空間位置。上述功能可為規(guī)劃設(shè)計(jì)人員快速提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)的規(guī)劃地塊內(nèi)，以及規(guī)劃地塊周邊環(huán)境狀況，也可為規(guī)劃實(shí)施監(jiān)督相關(guān)工作人員快速提供規(guī)劃地塊的實(shí)施結(jié)果情況，從而評(píng)估規(guī)劃設(shè)計(jì)與規(guī)劃實(shí)施結(jié)果之間的差異，為城市體檢以及正在進(jìn)行的國(guó)土空間規(guī)劃編制提供更為可靠的參考依據(jù)，如圖 7 所示。

　　3 結(jié)束語

　　在經(jīng)過上述的應(yīng)用實(shí)踐后，實(shí)景三維模型以數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化程度高、模型現(xiàn)實(shí)還原度高等優(yōu)勢(shì)受到城市管理相關(guān)行業(yè)青睞。但傾斜攝影實(shí)景三維模型本身的屋檐下部遮擋、房屋等物體的特征線彎曲以及采集時(shí)間不同造成的陰影斑塊等問題凸顯出來，給使用者瀏覽數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)造成一定的困擾。目前，傾斜攝影的空地一體技術(shù)正在解決建筑物房檐等突出物下方遮擋的問題。[5] 而房屋特征線可通過半自動(dòng)方法耗費(fèi)時(shí)間、人力成本來糾正，目前基于多目標(biāo)加權(quán)最短路徑等特征線提取方法正在嘗試將人力成本降至最低。[6] 陰影斑塊的問題目前通過圖像處理軟件可以得到一定緩解。由于實(shí)景三維模型需要通過空間位置關(guān)聯(lián)各類屬性數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯聚融合，然而政府各部門數(shù)據(jù)的匯聚融合經(jīng)常出現(xiàn)困難。目前，各部門的信息化意識(shí)已經(jīng)較為成熟，基本建立了自己的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)，但數(shù)據(jù)庫(kù)孤島的情況依舊存在，而且近些年各部門建立的彼此不互通業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng)也使得數(shù)據(jù)庫(kù)孤島向網(wǎng)絡(luò)孤島過渡。中央全面深化改革委員會(huì)第十七次會(huì)議中明確強(qiáng)調(diào)，“打破部門信息壁壘，推動(dòng)數(shù)據(jù)共享對(duì)接更加精準(zhǔn)順暢”[7]。近期各大城市都成立了大數(shù)據(jù)局，其目的之一就是協(xié)調(diào)解決各類信息孤島的問題，并實(shí)現(xiàn)政府各部門數(shù)據(jù)共享。在數(shù)據(jù)共享成為可能之時(shí)，實(shí)景三維模型將成為各類城市管理數(shù)據(jù)的匯聚基底，通過空間位置、社會(huì)信息、經(jīng)濟(jì)信息等匯聚融合形成城市信息模型( CIM) ，為城市綜合管理提供全方位的數(shù)據(jù)信息。