江文源，楊如軍，劉 琦，馬驍馳，黃信望，馬紹忠

（廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心，南寧 530000）

0 引言

當前，中國正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型助力高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵時期，自然資源高質(zhì)量發(fā)展對科技創(chuàng)新提出了前所未有的更高要求，也對時空信息技術(shù)創(chuàng)新提出了新的課題。在自然資源管理審批工作中，二維技術(shù)越來越不適應社會發(fā)展的要求，傳統(tǒng)的平面圖視角單一，難以表達地理實體的高度、紋理和地表起伏等空間信息。自然資源信息化需求重心從客戶端轉(zhuǎn)向了服務端，從二維平面擴展到三維全空間，從室外擴展到室內(nèi)，從宏觀拓展到微觀[1]。以Google Earth為代表，地球空間信息的三維可視化以其開放性、可量測性和可挖掘性，成為信息化服務的基本要求，三維地圖也成為人們進行空間信息交互的基本方式和各種門戶網(wǎng)站信息服務的基本內(nèi)容[2]。為了適應新形勢下自然資源信息化的新要求，《自然資源部信息化建設總體方案》提出推進實景三維數(shù)據(jù)庫建設，在已有基礎上整合完善，建立三維立體自然資源“一張圖”。自然資源部《實景三維中國建設技術(shù)大綱（2021版）》（以下簡稱《大綱》）對實景三維的建設目標、建設內(nèi)容等進行了細化。

廣西壯族自治區(qū)自然資源信息中心（以下簡稱廣西中心）于2009年起逐步建設和完善廣西自然資源“一張圖”（以下簡稱廣西“一張圖”）。2011年，開始收集整理實景三維基礎數(shù)據(jù)，初步建成與廣西自身條件相符合的“城市主城區(qū)+多測區(qū)”的廣西實景三維數(shù)據(jù)格局，數(shù)據(jù)包括傾斜攝影模型、激光點云、手工建模數(shù)據(jù)、BIM、地形、多面體等。在此基礎上，本文主要研究基于實景三維技術(shù)的廣西“一張圖”建設及應用方案。同時，也解決了實景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、三維場景Web服務發(fā)布、二三維數(shù)據(jù)融合等關(guān)鍵技術(shù)問題。三維立體“一張圖”在多個業(yè)務系統(tǒng)中的實踐應用證明，系統(tǒng)穩(wěn)定運行，達到預期目標。

1 三維立體“一張圖”數(shù)據(jù)融合技術(shù)

1.1 實景三維數(shù)據(jù)類型

《大綱》對實景三維數(shù)據(jù)進行了定義和歸類，本文主要以數(shù)字高程模型、傾斜攝影模型、激光點云、手工建模、BIM等幾種實景三維數(shù)據(jù)構(gòu)建三維立體“一張圖”。

數(shù)字高程模型是用一組有序數(shù)值陣列形式表示地面高程的一種實體地面模型[3]，主要包括1:5萬和1:1萬DEM數(shù)據(jù)資源。1:5萬DEM為國家級基礎測繪成果，覆蓋廣西全域陸地范圍，格網(wǎng)間距為10米；1:1萬DEM為省級基礎測繪成果，格網(wǎng)間距為2米。

傾斜攝影融合了傳統(tǒng)的航空攝影和近景測量技術(shù)，通過在同一行平臺搭載多臺傳感器，同時從垂直、前視、左視、右視與后視5個不同的角度采集影像，獲取地物側(cè)面豐富的紋理信息[4]。通過全自動批量建模技術(shù)生成的傾斜攝影模型為三維GIS的重要數(shù)據(jù)來源。傾斜攝影的通用格式是OSGB。

激光點云數(shù)據(jù)是由三維激光掃描系統(tǒng)獲取的一種高精度三維數(shù)據(jù)。三維激光掃描技術(shù)可通過非接觸主動測量方式快速完整地獲取目標物體表面的三維坐標，不受物體形態(tài)、狀態(tài)的影響，精度高、信息豐富、效率高，在測繪、規(guī)劃、智慧城市等行業(yè)廣泛應用[5]。

手工建模數(shù)據(jù)將現(xiàn)實或虛擬世界的地物通過3DMax、MAYA等建模軟件手工制作，小場景的渲染效果較好，細節(jié)展示精細，輔以光影等效果，但耗時長、生產(chǎn)成本高，不適宜大范圍的應用場景。

BIM以建筑工程項目的各項信息作為基礎，以三維模式詳細記錄了建構(gòu)筑物內(nèi)部各零部件的幾何和屬性信息，可實現(xiàn)建構(gòu)筑物在規(guī)劃、施工、驗收、運維等階段的精細化管理。BIM融入自然資源大場景，可從宏觀和微觀角度進行三維數(shù)據(jù)管理、瀏覽和分析應用。

1.2 二三維數(shù)據(jù)融合

多源異構(gòu)是二維數(shù)據(jù)和實景三維數(shù)據(jù)的最大特征，數(shù)據(jù)格式和結(jié)構(gòu)多樣且平臺間無法互相兼容共享。目前，網(wǎng)絡服務應用程序接口（Web Service API）是解決多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合、跨平臺調(diào)用的主流手段。將二維數(shù)據(jù)和實景三維數(shù)據(jù)存放在強大的云服務器，經(jīng)處理后發(fā)布成可調(diào)用的RESTful風格或SOAP風格的Web服務API，客戶端通過URL請求數(shù)據(jù)實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)瀏覽。

本文使用ArcGIS Server和廣西中心自主研發(fā)的I3S Server三維場景Web服務器（以下簡稱I3S Server）實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)融合。二維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為ArcGIS支持的FileGDB或SDE格式的要素類，使用ArcGIS Server發(fā)布為符合開放地理空間聯(lián)盟（OGC）Web Map Service規(guī)范的Web API。實景三維數(shù)據(jù)——傾斜攝影模型、激光點云、手工建模數(shù)據(jù)、BIM、地形、多面體等轉(zhuǎn)換為符合OGC I3S標準的場景圖層包（SceneLayer Package，SLPK）格式后發(fā)布到I3S Server，由該Web服務器提供滿足I3S場景服務標準的Web服務API。

1.3 實景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

實景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一般分為以下2種思路。（1）直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為SLPK。（2）先轉(zhuǎn)換為ESRI原生數(shù)據(jù)格式——多面體（multipatch）模型，對模型賦值、紋理貼圖、轉(zhuǎn)換、投影后，再轉(zhuǎn)換為SLPK。依據(jù)三維數(shù)據(jù)類型，實景三維數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換分為傾斜攝影、點云、BIM、手工建模等不同的轉(zhuǎn)換流程。

傾斜攝影導入方式一般為以下2種方式。（1）通過ArcGIS Pro的創(chuàng)建集成網(wǎng)格場景圖層包工具，直接將OSGB轉(zhuǎn)換為SLPK，但大范圍數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換容易出現(xiàn)軟件崩潰的情況。（2）通過ArcGIS桌面軟件授權(quán)的三維數(shù)據(jù)治理工具，對OSGB數(shù)據(jù)進行校驗、轉(zhuǎn)換、優(yōu)化、平移、亮度調(diào)整、合并和坐標系轉(zhuǎn)換等操作，可以適應大量的數(shù)據(jù)處理和渲染優(yōu)化，轉(zhuǎn)換效果比較理想。此外，Context Capture、Pix4D、SURE、大疆制圖等國內(nèi)外主流傾斜攝影測量建模軟件均支持生成SLPK格式的傾斜攝影數(shù)據(jù)。

點云數(shù)據(jù)的通用格式是LAS。ArcGIS Pro支持LAS格式的點云數(shù)據(jù)加載、渲染、投影、分析等操作，并運用創(chuàng)建點云場景圖層包將點云數(shù)據(jù)打包成SLPK格式數(shù)據(jù)。

ArcGIS Pro支持直接讀取Revit格式的BIM數(shù)據(jù)，還可將BIM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換存儲到FileGDB，對其進行幾何、貼圖、屬性的編輯。

目前，常見的手工建模數(shù)據(jù)格式比較多，比如obj、3ds、dae、wrl、fbx等。此類數(shù)據(jù)可通過ArcGIS Pro的導入3D文件工具將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為multipatch模型，符號化和渲染后轉(zhuǎn)換為SLPK格式數(shù)據(jù)。

1.4 三維場景Web服務發(fā)布

三維場景Web服務是指一組符合OGC I3S Web服務規(guī)范并具備RESTful風格的Web API。目前，很多GIS供應商都提供了發(fā)布三維場景服務的Web服務器，其加載效率和穩(wěn)定性能夠滿足實際生產(chǎn)需要。但這些三維場景服務器的規(guī)模過于龐大，對實施部署、遷移不友好。為此，廣西中心自主研發(fā)了三維場景Web服務器——I3S Server，支持發(fā)布SLPK格式的傾斜攝影模型、點云、建筑模型、三維模型等三維場景服務，具有發(fā)布速度快，數(shù)據(jù)完整性和精細度較好的特點?？蛻舳送ㄟ^請求服務地址獲取服務，采取合理化的LOD分級顯示、緩存機制等優(yōu)化方法快速加載渲染三維場景。

2 三維立體“一張圖”建設及應用方案

2.1 數(shù)據(jù)資源體系

本文參照《自然資源三維立體時空數(shù)據(jù)庫建設總體方案》，從土地、森林、草原、濕地、水、地表基質(zhì)、地下資源、海洋、自然資源監(jiān)測9類數(shù)據(jù)選取核心數(shù)據(jù)內(nèi)容及主要屬性信息，基于統(tǒng)一的空間框架，按照管理層、地表覆蓋層、地表基質(zhì)層、地下資源層4層架構(gòu)分層組織，充分融合二維數(shù)據(jù)和實景三維數(shù)據(jù)，構(gòu)建廣西“一張圖”數(shù)據(jù)資源體系，如圖1所示。

圖1 廣西“一張圖”數(shù)據(jù)資源體系

2.2 總體架構(gòu)

本文針對廣西自然資源業(yè)務系統(tǒng)需求的特點，基于分布式、云計算、大數(shù)據(jù)、三維GIS、計算機虛擬化等技術(shù)，構(gòu)建了廣西“一張圖”總體架構(gòu)，如圖2所示。該架構(gòu)融入了三維立體“一張圖”數(shù)據(jù)體系，實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)在應用系統(tǒng)中快速調(diào)度、高效渲染，充分發(fā)揮三維場景真實、全面、豐富、立體的優(yōu)勢，為自然資源業(yè)務系統(tǒng)建設提供了可參考的二三維一體化解決方案。

圖2 廣西“一張圖”總體架構(gòu)

基礎硬件設施虛擬化后建立云資源管理層，負責云資源管理調(diào)度。中間件資源層包括GIS支撐平臺、數(shù)據(jù)庫、緩存數(shù)據(jù)庫、Web服務器、大數(shù)據(jù)分析工具和消息中間件等。借助該資源層構(gòu)建統(tǒng)一的自然資源三維立體“一張圖”數(shù)據(jù)庫，進而形成可統(tǒng)一調(diào)度的平臺級Web服務資源，包括各種地圖資源、影像資源、三維場景資源、空間分析資源等。具體應用系統(tǒng)按需、按角色權(quán)限獲取資源。同時，通過統(tǒng)一的政務網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源和分析資源在自然資源部門垂直共享、其他橫向部門之間共享。

3 三維立體“一張圖”實際應用

3.1 第三次全國國土調(diào)查

本例將“一張圖”應用到廣西區(qū)域的第三次全國國土調(diào)查業(yè)務系統(tǒng)，構(gòu)建了覆蓋廣西全域的地形場景，通過疊加廣西的第三次全國國土調(diào)查成果，如圖3所示，調(diào)用二三維一體化聯(lián)動、交互分析等功能，實現(xiàn)在地圖上同時查看地類圖斑和實際地形，為野外調(diào)查監(jiān)測、基本農(nóng)田劃定、新增耕地檢查及退耕還林等工作提供技術(shù)支撐。

圖3 廣西“一張圖”在第三次全國國土調(diào)查中的應用

3.2 國土空間規(guī)劃

近年來，廣西“一張圖”在市級城市規(guī)劃管理中得到了廣泛應用，特別是在詳規(guī)方案對比審批方面發(fā)揮了重要作用。圖4（a）為南寧市主城區(qū)的激光點云圖層。采用激光雷達技術(shù)對主城區(qū)點云數(shù)據(jù)進行預處理，以高程渲染不同高度的點云，快速勾勒高精度的城市地形和城市形態(tài)，滿足城市基礎設施管理、城市規(guī)劃和太陽能潛力估計等需求。

圖4 廣西“一張圖”在國土空間規(guī)劃中的應用

圖4（b）為北海市主城區(qū)的“傾斜攝影+地下管線”實景三維場景（局部地形修改）。以城市傾斜攝影模型為空間基底，疊加城市地下管線數(shù)據(jù)；使用“地形修改”三維分析功能透視指定范圍內(nèi)的地形和傾斜攝影模型，滿足修建道路、鋪設管道等業(yè)務需求。

圖4（c）和（d）以城市傾斜攝影模型為空間基底，導入提前構(gòu)建的手工建模模型，滿足規(guī)劃效果查看、規(guī)劃方案對比等需求，多用于城市規(guī)劃布局、舊城改造和城市更新等業(yè)務場景。

圖5（a）～（d）為城市規(guī)劃設計的常用三維分析功能，分別是地形剖析、視線分析、日照分析、構(gòu)件分析。（1）地形剖析。在實景三維場景中繪制任意折線，分別獲得折線經(jīng)過位置的傾斜攝影模型和地形模型高程剖面。（2）視線分析。在場景中設置視點和目標點，分析獲得點到點的透視和遮蔽情況。（3）日照分析。選擇時間后系統(tǒng)自動獲取場景建筑模型和地形模型的朝向、間距、高度等參數(shù)，計算山體、構(gòu)筑物的陰影投射。（4）構(gòu)件分析。管理BIM、手工建模模型的組裝生成部件，服務精細化管理。

圖5 城市規(guī)劃設計的常用三維分析功能

3.3 礦山監(jiān)管

自2021年開始，廣西“一張圖”試用于礦山監(jiān)管，主要用于解決礦山越界開采問題。圖6（a）以露天開采礦山傾斜攝影模型為空間基底，結(jié)合視屏超融合技術(shù)，以三維視角對露采礦山實現(xiàn)實時監(jiān)管。圖6（b）通過激光點云、手工建模等方式，建設地下巷道、開采作業(yè)面等地理實體的實景三維模型，對地下開采礦山進行有效監(jiān)管。

圖6 廣西“一張圖”在礦山監(jiān)管中的應用

4 需進一步解決的問題

廣西“一張圖”在實際應用中發(fā)揮了重要作用，但今后還需深化應用，進一步優(yōu)化和探討以下問題。（1）數(shù)據(jù)獲取成本較高，模型制作流程復雜，周期長，技術(shù)門檻高，不能在短期內(nèi)更新覆蓋廣西全區(qū)的數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)質(zhì)量參差不齊，缺乏統(tǒng)一、可實施性強的數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)和入庫的系列規(guī)范標準。（3）實景三維場景具有數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)種類多、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復雜的特點，對硬件設備要求較高，客戶端加載和渲染的穩(wěn)定性及速度還需進一步提高。（4）三維空間分析算法未能在更深層次結(jié)合業(yè)務需求，很多時候僅停留在“看”的層面。

5 結(jié)語

廣西“一張圖”建設及其在各類自然資源業(yè)務系統(tǒng)中的應用，在一定程度上解決了以往二維地圖立體感不夠強的問題，賦予自然資源業(yè)務系統(tǒng)全新的觀測視角。同時，實踐證明廣西“一張圖”建設方案具備良好的可行性、可移植性和可擴展性，發(fā)展方向正確，應用前景廣闊。但隨著計算機軟硬件不斷發(fā)展及自然資源管理政策的調(diào)整，立體三維“一張圖”發(fā)展還存在很多未知因素。因此，還要不斷地完善立體三維立體“一張圖”。