01

        智慧城市與大地圖

       “無(wú)三維，不智慧”這句話(huà)并不代表“有三維就大智慧”了，這樣顯然是不對的，起碼目前GIS的肩膀還是太單薄。要做到智慧就必需有一個(gè)擁有上帝視角的“城市大腦”，這也是目前行業(yè)巨頭阿里巴巴在做的事情，這是他們擅長(cháng)的領(lǐng)域。對于GIS來(lái)說(shuō)我們在整個(gè)產(chǎn)業(yè)中處于什么樣的位置呢？根據國家的相關(guān)文件精神以及實(shí)際生產(chǎn)中自然形成的分工來(lái)看，GIS在這場(chǎng)變革中更多承擔著(zhù)城市基礎“底板”這樣的角色。要弄清楚何為“底板”以及我們需要什么樣的“底板”，就需要回歸到智慧城市的目標上來(lái)，拋開(kāi)各種文件上以及網(wǎng)絡(luò )上一些書(shū)面文字的解釋?zhuān)覀兛梢詫⑦@一目標理解為——以人為本，服務(wù)管理，服務(wù)民眾。智慧城市建設是一場(chǎng)自上而下的運動(dòng)，是城市管理者精細化城市管理的需求，同時(shí)也是民眾對于擁有美好生活的需求。那么我們城市管理的要素包含哪些呢，總的來(lái)說(shuō)是“人，地，事，物，情，組織”，要通過(guò)一個(gè)形式將這些數據全部組織起來(lái)，那“地圖”一定會(huì )是一個(gè)非常不錯的選擇，而這張“大地圖”應該就這個(gè)城市的基礎數據“底板”。

        這張“大地圖”的建設歷史悠久，從“地理空間框架”，“數字共享平臺”再到如今的“時(shí)空大數據平臺”，這個(gè)探索從未停止過(guò)，但是總體的內涵是一致的，就是“做好空間數據”、“用好空間數據”。那么什么樣的空間數據才是“好”呢？我們知道地圖的價(jià)值在于幫助我們探索客觀(guān)世界，從最早的“象形符號”，“紙質(zhì)地圖”，“4D產(chǎn)品”，“全景照片”以及現在的“三維地圖”，從制圖的手段上看是越來(lái)越復雜了，但是從受眾的角度來(lái)看就是地物越來(lái)越具象，交互越來(lái)越傻瓜。

       隨著(zhù)現在大數據、IoT物聯(lián)網(wǎng)以及AI的發(fā)展，數據量越來(lái)越大，數據粒度越來(lái)越細，城市管理的手段也是從粗放到精細，這種精細的數據現狀和管理模式與現有的傳統地圖表達手段是沖突的，直接的體現就是公安牽頭的“X標X實(shí)”或者城市管理的“塊數據”模式、“網(wǎng)格模式”，這些模式本質(zhì)上是對傳統地理實(shí)體的一種補充，傳統的地理實(shí)體管不到網(wǎng)格也管不到戶(hù)，缺少業(yè)務(wù)實(shí)體的概念，從這個(gè)角度而言就需要對地圖進(jìn)行數據升維，從二維到三維，從固定的地理對象到可擴展的業(yè)務(wù)實(shí)體，從室外建筑到室內分層到戶(hù)，從靜態(tài)數據到實(shí)時(shí)大數據，在“智慧城市”這輪變革中，測繪地理信息需要從數據生產(chǎn)、平臺建設以及應用設計三個(gè)維度全面擁抱三維，這樣才能保證GIS這張“空間底板”能夠服務(wù)好整個(gè)智慧城市建設。

        02

        三維數據生產(chǎn)

       目前主流的三維數據生產(chǎn)包括一下三種方式：人工建模、傾斜建模以及BIM。當然還有很多種其他類(lèi)型的建模方式，這邊只列舉本人接觸的生產(chǎn)環(huán)節種應用比較多的三種方法（比如南師大閭老師團隊的“基于CAD的自動(dòng)化建?！币彩且环N比較超前的手段，也有了小范圍的應用案例，希望以后大有作為）。人工建模主要針對小范圍、對模型細節要求比較高得需求，建模周期一般為一平方公里/1人周；傾斜建模已經(jīng)是目前測繪領(lǐng)域非常普遍得一種大范圍、快速得數據采集手段，主要面向對大規模數據生產(chǎn)得需求；這兩年BIM也逐漸開(kāi)始和GIS進(jìn)行融合，作為一種三維數據的來(lái)源，這樣可以最大程度上重用現有建筑施工過(guò)程中沉淀的成果，避免了數據采集的花費。

       1.人工建模

       三維模型的人工建模分為幾何網(wǎng)格生產(chǎn)和紋理貼圖生產(chǎn)兩部分：（1）幾何網(wǎng)格數據以CAD竣工圖為基礎底板在3d Max進(jìn)行人工建模；（2）通過(guò)遙感影像、街景以及現場(chǎng)照片實(shí)拍等手段進(jìn)行表面紋理的采集，通過(guò)對上述兩個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的標準化從而形成滿(mǎn)足工業(yè)化需求的標準工藝，大致的內容如下：

        細節建模表現：對地理要素主體結構、細部結構進(jìn)行精細幾何建模表現，外立面紋理通常采用能精確反映物體色調、飽和度、明度等特征的影像或照片。

        主體建模表現：指僅對地理要素主體進(jìn)行幾何建模表現，植被、柵欄欄桿等模型僅用單面片、十字片或者多面片的方式表示，外立面無(wú)紋理（白模），或采用能基本反映物體色調、飽和度、明度等特征的影像或者照片紋理，或紋理庫中紋理圖像。

        符號表現：指用三維模型符號庫中預先制作模型符號來(lái)表現地理要素，該模型符號僅有位置、角度、尺寸及長(cháng)寬高比例可以改變。

       人工建模的模型在建模的過(guò)程中就隱式地完成了單體化，對于應用層是比較友好，不需要做額外的處理，缺點(diǎn)大規模建模代價(jià)比較高，不太適更新比較頻繁的場(chǎng)景，目前這種方式比較適合小范圍的三維建設，比如社區和園區，面積范圍在1-2平方公里左右。

       2.傾斜攝影建模

       傾斜建模它通過(guò)攝影測量原理，可以將多種源數據、分辨率、任意數據量的照片轉化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網(wǎng)格模型。具體來(lái)說(shuō)，它通過(guò)對獲得的相片數據進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)（TIN）構建、自動(dòng)賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。

       傾斜攝影建模包含三重含義：（1）無(wú)人機；（2）傾斜攝影；（3）三維重建。傾斜攝影三維模型的質(zhì)量取決于兩個(gè)因素：一是影像質(zhì)量，具體指影像地面分辨率和清晰度，二是照片數量，具體指對同一區域的照片覆蓋度。從實(shí)際建模的效果來(lái)看，要獲得完整清晰、可供高精度測量的三維模型，建筑去傾斜影像的分辨率要達到2~3厘米，一般地區要達到5~6厘米，照片平局覆蓋度要達到30度重疊以上。

在無(wú)人機的選擇方面有多旋翼和固定翼兩種，固定翼推薦八旋翼，穩定性較高，降低墜機的風(fēng)險；目前無(wú)人機市場(chǎng)的明星產(chǎn)品大疆精靈Phantom 4 RTK也是屬于多旋翼類(lèi)型；固定翼飛行效率高，比較適合大面的三維建模，但是購買(mǎi)和保養成本都比較高。

       傾斜攝影野外作業(yè)比較關(guān)鍵的就是航線(xiàn)規劃設定，傾斜飛行需要設定的包括高度、速度、拍攝間隔、航向間距、旁向間距等，不同的參數設置對航測的精度、效率等產(chǎn)生影響。航測作業(yè)前，綜合考慮飛控距離、電池消耗、地形地貌、建筑物分布、測量精度等因素，使用地面站軟件進(jìn)行航線(xiàn)規劃和參數設定，飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿(mǎn)足三角比例關(guān)系。

        三維重建階段多采用Smart3D、Photoscan、Pix4D進(jìn)行自動(dòng)化進(jìn)行三維模型構建，軟件建模對象為靜態(tài)物體，輔以相機傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數、控制點(diǎn)等信息，在進(jìn)行空中三角測量計算、模型重建計算后，輸出相應GIS成果，以供瀏覽或后期加工。常見(jiàn)的輸出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等，對于效果不理想的可以通過(guò)交換格式導入到其他系統中進(jìn)行模型整飾，比如3d Max。

        3.BIM

        BIM模型的意義在于適度的整合建筑核心量體的所有信息。其運用的范圍在于全生命周期的各階段，核心量體的BIM模型能夠作為所有運用的基礎，在個(gè)個(gè)階段中上載與下載各種不同的建筑信息，提供最完整的服務(wù)。BIM模型，包括量體、系統與組件等內容，在設計的不同階段中結合至核心量體上提供討論，在施工的不同階段提供施工的依循、設備安裝的參考，在竣工階段確認設計與現場(chǎng)的吻合與調整，進(jìn)而在完工時(shí)提交維運廠(chǎng)商進(jìn)行后續營(yíng)運階段應用。它于傳統的三維模型不同，傳統的三維模型一般制作表面或者樓層的室內，但是BIM深入到了每個(gè)構建，詳細的描述了建筑物的所有施工構建，BIM與表面三維模型之間并無(wú)可替代性，而是更傾向于一種互補關(guān)系。把微觀(guān)領(lǐng)域的BIM信息和宏觀(guān)領(lǐng)域的表面模型進(jìn)行交換和結合，形成更豐富的數據體系。

        03

        三維平臺化

        三維數據采集和模型構建結束后，三維數據便進(jìn)入到了數據應用環(huán)節，這塊通常使用GIS平臺對三維數據進(jìn)行單體化和服務(wù)化處理，單體化保證了三維數據的要素化，從而能夠進(jìn)行屬性?huà)旖?；而服?wù)化則保證了三維模型和屬性服務(wù)能夠在Web端進(jìn)行共享使用。

        1.單體化

       通過(guò)模型單體化處理，相當于為傾斜攝影模型“綁定”位置匹配的矢量面數據，服務(wù)平臺會(huì )將這部分面的信息固定到模型數據中，這樣前端在進(jìn)行模型點(diǎn)擊的時(shí)候，就可以知道要將哪一塊的模型進(jìn)行高亮。

        2.服務(wù)化

        目前在GIS行業(yè)對于三維服務(wù)方面有三個(gè)主流的三維服務(wù)的格式：（1）ESRI的I3S；（2）SuperMap的S3M；（3）Cesium的3D Tiles；值得一說(shuō)的是這三種格式均是開(kāi)源格式，也有相應的軟件平臺能夠支持自有格式，有一段時(shí)間他們都在爭取能夠成為事實(shí)的行業(yè)標準，目前ESRI的I3S力壓其他兩家，已經(jīng)被采納為OGC的標準格式。這三種格式其實(shí)大同小異，都是有一個(gè)json格式的元數據文件描述了瓦片的組織規則，一般使用的是八叉樹(shù)規則，前端加載的時(shí)候會(huì )首先加載這個(gè)元文件，根據場(chǎng)景的變換動(dòng)態(tài)調整瓦片的請求和場(chǎng)景數據的組織，保證前端數據的多層次瀏覽，每個(gè)瓦片又都基于gltf這種緊湊數據格式將組織文件存儲在json中，頂點(diǎn)文件存儲在二進(jìn)制文件中，這樣一方面可以加速三維瓦片在網(wǎng)絡(luò )上的傳輸，同時(shí)也方便前端webgl的解譯。

       04

       三維應用

       目前三維的應用主要集中分布在園區和社區管理類(lèi)型的基層管理單元，包括智慧警務(wù)室和智慧園區，這個(gè)級別的應用建設成本較低，周期短，一般為一到兩個(gè)月，同時(shí)建設成效比較好，能夠在一個(gè)系統中組織所有的要素信息，包括企業(yè)、人員、物聯(lián)設備。通過(guò)這種全要素的系統展示和數據集成，打通從數據匯集、數據展示、協(xié)同處置與智能決策的管理鏈路，從而構建一個(gè)智慧的數字管理單元。

       在系統架構上總的來(lái)說(shuō)可以分為感知層、數據層、平臺層以及業(yè)務(wù)員層，在感知層中就是需要能夠對接各類(lèi)傳感器的信息，比如攝像頭、人臉識別、車(chē)輛識別、Wifi探針、煙感、地磁等，這一類(lèi)的對接相對比較麻煩必須適配各類(lèi)型的廠(chǎng)商，對于?？?、大華這類(lèi)視頻廠(chǎng)商這類(lèi)比較簡(jiǎn)單，因為他們有標準化的平臺和符合行業(yè)標準的接口，對于一些非規上企業(yè)的產(chǎn)品對接起來(lái)就需要適配單獨的協(xié)議了。物聯(lián)設備的結構化數據和需要對接的業(yè)務(wù)系統的數據都需要匯聚到應用的數據層，形成一

       個(gè)統一的數據倉庫，透明的向上層服務(wù)。在平臺層應用層通過(guò)構建三維信息平臺和全要素管理中臺實(shí)現業(yè)務(wù)數據和三維數據的集成掛接，進(jìn)而實(shí)現要素的全生命周期的管理，保證系統數據的鮮活。通過(guò)平臺搭建的大地圖“底板”，在應用層就可以根據建設的要求進(jìn)行數據的全景展示，應用服務(wù)構建以及專(zhuān)題的研判分析等。