实景三维模型城市综合管理应用研究

　　摘 要: 实景三维模型越来越多地应用于城市综合管理服务信息化中。哈尔滨市于 2019 年完成建城区倾斜摄影实景三维模型采集制作，本文总结了实景三维模型成果在智慧物联、智慧社区、规划实施监督等方面展开城市综合管理相关应用取得的成果，进而指出应用中存在的不足与改进展望。

　　关键词: 实景三维模型; 城市综合管理; 智慧城市

　　李寅超; 姜波; 刘照; 王纯宇 测绘与空间地理信息 2021-11-25

　　我国城市综合管理随着物联网、智慧城市等先进的信息化技术普及而越来越注重管理的科学性，实景三维模型作为一种高精度、高还原度且数据采集制作迅速的三维空间数据，已经越来越多地应用到城市综合管理应用中。我国多个城市已经开展基于实景三维模型的城市综合管理相关应用探索。[1-3] 近期，深圳可视化城市空间数字平台上线，利用实景三维模型作为信息汇聚的底板，实现城市管理的跨部门数据共享，提升城市管理协作效率。[4]哈尔滨市于 2019 年底实现九城区实景三维建模，其一次性覆盖面积、成果精度均处于同时期全国前列，该成果完成后，受到了哈尔滨市委、市政府主要领导的高度关注，并立即在重大项目决策中发挥了重要作用。其后，该成果被用于智慧物联、智慧社区、规划实施监督等应用场景，随着其广泛应用，实景三维模型自身以及数据汇聚的问题相继暴露出来。因此，有必要进行及时的应用成果总结研究，以便更好地将实景三维模型服务于城市综合管理、智慧城市建设。

　　1 实景三维模型应用特点

　　1.1 实景三维模型数据采集及制作

　　实景三维数据主要通过无人机、有人飞机以及车载移动测量挂载倾斜以及垂直方向的至少 5 个不同视角传感器获取数据。相较于传统手工建模，实景三维模型建模的数据采集过后通过软件自动化建模，在较短时间内完成大片区域三维建模。哈尔滨市在进行数据制作采用两架有人运输机采集全市范围内数据，并通过复合翼无人机对一些重点区域进行补充数据采集，以填补漏洞并提高精度。两架有人运输机分别搭载 AMC5100、SWDC- 5AP100 数字倾斜航摄仪进行数据采集，无人机倾斜航摄系统由大疆经纬 M600Pro 无人机挂载睿铂 Riy-D2 高分倾斜五镜头相机组成，航摄仪如图 1 所示。采集的数据最终通过街景工厂软件进行自动化处理形成三维模型。

　　1.2 实景三维模型精度

　　城市管理应用要求三维模型精度较高，需达到《三维地理信息模型数据产品规范》( CHT 9015-2012) 中 I 级成果要求，即平面位置中误差不超过 0.3 m，高程中误差不超过 0.5 m。哈尔滨市采用有人运输机和复合翼无人机两种飞行平台搭载不同的倾斜摄影航摄仪获取倾斜摄影原始照片，导致倾斜摄影航摄仪焦距及镜头像素不同、飞行高度不一致，但获取的数据地面分辨率相同，且空三加密使用的控制点资料精度一致，因此，实景三维模型成果精度指标相同。通过外业检查点与三维模型同名点的检查，计算三维模型平面与高程中误差均不超过 0.25 m，实景三维模型成果如图 2 所示。

　　1.3 实景三维模型与属性数据关联

　　模型成果构建完毕后还无法有效进行城市管理相关工作，需要在空间坐标和对应的栅格像元值的基础上关联城市管理工作需要的业务属性数据。目前，倾斜三维模型的属性数据关联主要有两种方法，即模型单体化属性关联和矢量数据属性关联。要实现模型单体化属性关联，首先需要以一定尺度下的地理实体将倾斜三维模型进行分割，如按户、楼栋或小区等地理实体进行分割; 然后，将相应的属性数据挂接至分割好的单体实景三维模型上，如图 3 所示。要实现矢量数据属性关联，首先，要保证矢量数据与实景三维模型数据的坐标系一致; 然后，通过贴对象操作将矢量要素附着在倾斜三维模型上，或基于矢量要素生成三维的立方体与实景三维模型套合; 最后，通过矢量要素属性来表达同一空间位置的实景三维模型所具有的城市管理含义，如图 4 所示，其中( a) 为实景三维模型，( b) 为含有属性的矢量数据，( c) 为关联后的效果。单体化属性关联可根据属性内容查询到具体的实景三维模型单体，因此，这种方法在数据更新替换时具有一定优势。而矢量数据属性关联在表达不同尺度的属性信息时，只需替换相应矢量数据即可，不必再对模型切割或拼接，因此，这种方法在多尺度数据展示时具有一定优势。两种方法需要根据应用的具体场景来做出选择。

　　2 城市管理相关案例

　　倾斜三维模型由于真实地还原了现实世界景象，因此，在城市管理中可以更好地展现城市管理要素间的空间关系以及现状。

　　2.1 智慧物联

　　平房区是哈尔滨市最早实现全区倾斜三维模型覆盖的区县，平房区将全区交通监控视频流数据通过摄像头点位与实景三维模型进行挂接，接入效果如图 5( a) 所示。这样首先方便公安交警在实景三维中获取摄像头位置以及查询摄像头摄录范围; 其次还可以将监控视频与市长热线、城市管理相关部门共享，实现现场实时查看群众上报的临街相关问题，如街面垃圾堆积、商贩摊位占道等问题。哈尔滨市公安局利用倾斜三维模型数据接入小区单元人脸识别门禁、车库车牌识别摄像等传感器信息，如图 5( b) 、图 5( c) 所示，形成了智慧小区管理的雏形。该系统目前可通过三维实景模型展示各类传感器所在位置，下一步对实景三维模型做单体化处理，并与人脸识别门禁数据相结合，可实时获得小区内重点关注人群居家及外出情况，如小区内老年人、公安重点关注人员的外出返回情况等，为智慧养老、智慧综治提供有力的辅助支撑。

　　2.2 智慧社区

　　平房区为实现智慧社区精准化管理，选取两个小区作为试点，将小区内的常住人口、所在户口、所住房屋门牌等信息建立数据库，形成“人-户-房”的关联。数据库与实景三维模型关联采用了矢量数据属性关联方法，矢量数据中仅保存房屋的唯一编码，调取人、户信息时通过唯一编码从数据库中动态调取。这种方法保证了系统调取的人、户信息始终与数据库内容保持一致，如图 6 所示。

　　2.3 城市规划管理

　　目前，哈尔滨市已将“多规合一”建设成果中的总体规划、控制性详细规划、土地利用数据与实景三维场景融合展示。用户可通过相应工具点击三维场景查看地块对应的规划性质，也可通过控制性详细规划的地块编码直接定位到对应的空间位置。上述功能可为规划设计人员快速提供准实时的规划地块内，以及规划地块周边环境状况，也可为规划实施监督相关工作人员快速提供规划地块的实施结果情况，从而评估规划设计与规划实施结果之间的差异，为城市体检以及正在进行的国土空间规划编制提供更为可靠的参考依据，如图 7 所示。

　　3 结束语

　　在经过上述的应用实践后，实景三维模型以数据采集自动化程度高、模型现实还原度高等优势受到城市管理相关行业青睐。但倾斜摄影实景三维模型本身的屋檐下部遮挡、房屋等物体的特征线弯曲以及采集时间不同造成的阴影斑块等问题凸显出来，给使用者浏览数据、分析数据造成一定的困扰。目前，倾斜摄影的空地一体技术正在解决建筑物房檐等突出物下方遮挡的问题。[5] 而房屋特征线可通过半自动方法耗费时间、人力成本来纠正，目前基于多目标加权最短路径等特征线提取方法正在尝试将人力成本降至最低。[6] 阴影斑块的问题目前通过图像处理软件可以得到一定缓解。由于实景三维模型需要通过空间位置关联各类属性数据以实现数据的汇聚融合，然而政府各部门数据的汇聚融合经常出现困难。目前，各部门的信息化意识已经较为成熟，基本建立了自己的业务数据库，但数据库孤岛的情况依旧存在，而且近些年各部门建立的彼此不互通业务内网也使得数据库孤岛向网络孤岛过渡。中央全面深化改革委员会第十七次会议中明确强调，“打破部门信息壁垒，推动数据共享对接更加精准顺畅”[7]。近期各大城市都成立了大数据局，其目的之一就是协调解决各类信息孤岛的问题，并实现政府各部门数据共享。在数据共享成为可能之时，实景三维模型将成为各类城市管理数据的汇聚基底，通过空间位置、社会信息、经济信息等汇聚融合形成城市信息模型( CIM) ，为城市综合管理提供全方位的数据信息。