實景三維模型城市綜合管理應用研究

　　摘 要: 實景三維模型越來越多地應用于城市綜合管理服務信息化中。哈爾濱市于 2019 年完成建城區傾斜攝影實景三維模型采集制作，本文總結了實景三維模型成果在智慧物聯、智慧社區、規劃實施監督等方面展開城市綜合管理相關應用取得的成果，進而指出應用中存在的不足與改進展望。

　　關鍵詞: 實景三維模型; 城市綜合管理; 智慧城市

　　李寅超; 姜波; 劉照; 王純宇 測繪與空間地理信息 2021-11-25

　　我國城市綜合管理隨著物聯網、智慧城市等先進的信息化技術普及而越來越注重管理的科學性，實景三維模型作為一種高精度、高還原度且數據采集制作迅速的三維空間數據，已經越來越多地應用到城市綜合管理應用中。我國多個城市已經開展基于實景三維模型的城市綜合管理相關應用探索。[1-3] 近期，深圳可視化城市空間數字平臺上線，利用實景三維模型作為信息匯聚的底板，實現城市管理的跨部門數據共享，提升城市管理協作效率。[4]哈爾濱市于 2019 年底實現九城區實景三維建模，其一次性覆蓋面積、成果精度均處于同時期全國前列，該成果完成后，受到了哈爾濱市委、市政府主要領導的高度關注，并立即在重大項目決策中發揮了重要作用。其后，該成果被用于智慧物聯、智慧社區、規劃實施監督等應用場景，隨著其廣泛應用，實景三維模型自身以及數據匯聚的問題相繼暴露出來。因此，有必要進行及時的應用成果總結研究，以便更好地將實景三維模型服務于城市綜合管理、智慧城市建設。

　　1 實景三維模型應用特點

　　1.1 實景三維模型數據采集及制作

　　實景三維數據主要通過無人機、有人飛機以及車載移動測量掛載傾斜以及垂直方向的至少 5 個不同視角傳感器獲取數據。相較于傳統手工建模，實景三維模型建模的數據采集過后通過軟件自動化建模，在較短時間內完成大片區域三維建模。哈爾濱市在進行數據制作采用兩架有人運輸機采集全市范圍內數據，并通過復合翼無人機對一些重點區域進行補充數據采集，以填補漏洞并提高精度。兩架有人運輸機分別搭載 AMC5100、SWDC- 5AP100 數字傾斜航攝儀進行數據采集，無人機傾斜航攝系統由大疆經緯 M600Pro 無人機掛載睿鉑 Riy-D2 高分傾斜五鏡頭相機組成，航攝儀如圖 1 所示。采集的數據最終通過街景工廠軟件進行自動化處理形成三維模型。

　　1.2 實景三維模型精度

　　城市管理應用要求三維模型精度較高，需達到《三維地理信息模型數據產品規范》( CHT 9015-2012) 中 I 級成果要求，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輸機和復合翼無人機兩種飛行平臺搭載不同的傾斜攝影航攝儀獲取傾斜攝影原始照片，導致傾斜攝影航攝儀焦距及鏡頭像素不同、飛行高度不一致，但獲取的數據地面分辨率相同，且空三加密使用的控制點資料精度一致，因此，實景三維模型成果精度指標相同。通過外業檢查點與三維模型同名點的檢查，計算三維模型平面與高程中誤差均不超過 0.25 m，實景三維模型成果如圖 2 所示。

　　1.3 實景三維模型與屬性數據關聯

　　模型成果構建完畢后還無法有效進行城市管理相關工作，需要在空間坐標和對應的柵格像元值的基礎上關聯城市管理工作需要的業務屬性數據。目前，傾斜三維模型的屬性數據關聯主要有兩種方法，即模型單體化屬性關聯和矢量數據屬性關聯。要實現模型單體化屬性關聯，首先需要以一定尺度下的地理實體將傾斜三維模型進行分割，如按戶、樓棟或小區等地理實體進行分割; 然后，將相應的屬性數據掛接至分割好的單體實景三維模型上，如圖 3 所示。要實現矢量數據屬性關聯，首先，要保證矢量數據與實景三維模型數據的坐標系一致; 然后，通過貼對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景三維模型套合; 最后，通過矢量要素屬性來表達同一空間位置的實景三維模型所具有的城市管理含義，如圖 4 所示，其中( a) 為實景三維模型，( b) 為含有屬性的矢量數據，( c) 為關聯后的效果。單體化屬性關聯可根據屬性內容查詢到具體的實景三維模型單體，因此，這種方法在數據更新替換時具有一定優勢。而矢量數據屬性關聯在表達不同尺度的屬性信息時，只需替換相應矢量數據即可，不必再對模型切割或拼接，因此，這種方法在多尺度數據展示時具有一定優勢。兩種方法需要根據應用的具體場景來做出選擇。

　　2 城市管理相關案例

　　傾斜三維模型由于真實地還原了現實世界景象，因此，在城市管理中可以更好地展現城市管理要素間的空間關系以及現狀。

　　2.1 智慧物聯

　　平房區是哈爾濱市最早實現全區傾斜三維模型覆蓋的區縣，平房區將全區交通監控視頻流數據通過攝像頭點位與實景三維模型進行掛接，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; 其次還可以將監控視頻與市長熱線、城市管理相關部門共享，實現現場實時查看群眾上報的臨街相關問題，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據接入小區單元人臉識別門禁、車庫車牌識別攝像等傳感器信息，如圖 5( b) 、圖 5( c) 所示，形成了智慧小區管理的雛形。該系統目前可通過三維實景模型展示各類傳感器所在位置，下一步對實景三維模型做單體化處理，并與人臉識別門禁數據相結合，可實時獲得小區內重點關注人群居家及外出情況，如小區內老年人、公安重點關注人員的外出返回情況等，為智慧養老、智慧綜治提供有力的輔助支撐。

　　2.2 智慧社區

　　平房區為實現智慧社區精準化管理，選取兩個小區作為試點，將小區內的常住人口、所在戶口、所住房屋門牌等信息建立數據庫，形成“人-戶-房”的關聯。數據庫與實景三維模型關聯采用了矢量數據屬性關聯方法，矢量數據中僅保存房屋的唯一編碼，調取人、戶信息時通過唯一編碼從數據庫中動態調取。這種方法保證了系統調取的人、戶信息始終與數據庫內容保持一致，如圖 6 所示。

　　2.3 城市規劃管理

　　目前，哈爾濱市已將“多規合一”建設成果中的總體規劃、控制性詳細規劃、土地利用數據與實景三維場景融合展示。用戶可通過相應工具點擊三維場景查看地塊對應的規劃性質，也可通過控制性詳細規劃的地塊編碼直接定位到對應的空間位置。上述功能可為規劃設計人員快速提供準實時的規劃地塊內，以及規劃地塊周邊環境狀況，也可為規劃實施監督相關工作人員快速提供規劃地塊的實施結果情況，從而評估規劃設計與規劃實施結果之間的差異，為城市體檢以及正在進行的國土空間規劃編制提供更為可靠的參考依據，如圖 7 所示。

　　3 結束語

　　在經過上述的應用實踐后，實景三維模型以數據采集自動化程度高、模型現實還原度高等優勢受到城市管理相關行業青睞。但傾斜攝影實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間不同造成的陰影斑塊等問題凸顯出來，給使用者瀏覽數據、分析數據造成一定的困擾。目前，傾斜攝影的空地一體技術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方法耗費時間、人力成本來糾正，目前基于多目標加權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。由于實景三維模型需要通過空間位置關聯各類屬性數據以實現數據的匯聚融合，然而政府各部門數據的匯聚融合經常出現困難。目前，各部門的信息化意識已經較為成熟，基本建立了自己的業務數據庫，但數據庫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務內網也使得數據庫孤島向網絡孤島過渡。中央全面深化改革委員會第十七次會議中明確強調，“打破部門信息壁壘，推動數據共享對接更加精準順暢”[7]。近期各大城市都成立了大數據局，其目的之一就是協調解決各類信息孤島的問題，并實現政府各部門數據共享。在數據共享成為可能之時，實景三維模型將成為各類城市管理數據的匯聚基底，通過空間位置、社會信息、經濟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據信息。