三维时空一张图应用与探索

丁燕杰

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

随着自然资源工作的不断深入,二维平台已经不能满足业务需要,需要持续深度挖掘二三维一体化平台技术,应用于自然资源管理,提升决策效果[1-2]。本文充分利用挖掘数据内涵,以石景山区为例,利用三维倾斜摄影技术,建成基于三维的时空一体化空间地理信息数据中心。融合多源数据,形成基于时间跨度的多维人口、用地、建筑、公共服务、交通、环境一张图,实现历史、现状、规划的综合对比分析、实现城市时空历史动态演变。开发的综合分析平台,提供了自然资源业务的“三维管理视图”,实用性强,为区域建设提供全面的数据、业务和技术支撑。

1 一张图数据整合

本文以石景山区为例探索了“时空一张图数据整合”实施路径,全面整合全区基础地理数据、遥感影像、二维数据、三维模型、管理数据,形成“时空一张图”空间数据中心。面向现状人口、用地、建筑、公共服务、交通、环境等专题,完成了13中类、228小类的多源地理信息资源建设,更全面地反映了区域建设实施现状,并根据研究内容需要,进行了多源数据融合、整合了模型和算法,完成多种专题数据的综合与关联,统一多源数据的空间和拓扑关系,实现历史、现状、规划的综合对比分析,提高了应用成效[3-5]。

1.1 人口一张图

城市问题日益凸显,城市常住人口分布问题成为最主要的影响因素,精细尺度上的城市常住人口分布是解决城市规划与管理、预警等问题的关键。通过梳理实现区、街道、社区、居住小区各级别常住人口及人口年龄结构情况,形成了精细尺度上的人口一张图,支撑城市公共服务设施的需求评估、供给、质量等方面规划。

1.2 用地一张图

通过整合、利用国土空间规划专题数据,包括国有集体用地使用情况、分区规划、控制性详细规划、规划意见书、建设用地规划许可证、建设工程规划许可证等,形成了多维用地一张图。实现了用地综合查询统计分析、逐年控制性详细规划的动态维护、可利用土地动态管理和项目选址等功能,实现了及时动态的可建设用地监管,提高土地资源管理和利用水平,增强规划决策的科学性。

1.3 建筑一张图

综合对比地形图、地理国情普查、三维倾斜模型、影像图,进行建筑一张图数据融合,形成多时空建筑空间演变对比,并结合保障房、商品房、居住小区等管理数据,形成建筑一张图,支撑重点功能区、低效产业用地等评估。

1.4 公共服务一张图

整合各级各类教育设施、商业设施、文化设施、体育设施、医疗设施、养老机构、社区服务设施现状情况,及各类公共服务设施专项规划。实现公共服务设施一张图,为统筹协调、均衡配置各类公共服务设施空间布局提供支撑。

1.5 交通一张图

实现各级道路、道路规划实施情况、出行流量、职住关系、轨道交通服务、公共交通服务、自行车服务、公共停车、加油站服务一张图,辅助进行交通服务能力评估,推进交通服务规划实施。

1.6 环境一张图

实现城市绿地、水域、公园、风景名胜、重点污染源一张图管理,支撑生态环境管理。

2 多源时空数据融合应用——以建筑为例

2.1 综合梳理对比不同来源数据成果,研究差异存在成因

综合对比了地形图、地理国情普查等建筑规模梳理方法,此前各类现状建筑基础地理信息数据生产时所遵循的行业标准不同,满足质量检查和各项目工作需求,但是各类数据成果从建筑表现形式、属性定义、空间分辨率、数据格式方面均存在不一致。没有权威统一的符合建筑规模测算需求的一张图,导致存在建筑规模数据不一致、数据范围不全、数据没有延续性等问题,需要对各类数据进行清洗、加工、转换、分类、融合[6]。

2.2 利用多源数据,提出现状建筑规模融合技术方法

利用三维倾斜摄影技术,结合地形图、地理国情普查、航空影像数据,提出现状建筑规模统计技术方法,明确每一栋单体建筑的具体大小、建筑形状、地上建筑面积,包含三维倾斜模型上可见的建筑物附属设施、建筑物顶部结构、临时建筑,对属于同一栋建筑物的不同层数的部分进行划分,杜绝地上楼层数不清、解决异型建筑的建筑规模不易确定的问题,使建筑规模计算更加精准,如图1所示。研究成果可用于与规划许可、竣工验收对比,辅助识别存量违法建设。

图1 异型房屋建筑规模计算

2.3 对接规划用地性质标准,进行建筑使用性质分类

依据航空影像、国情监测、三维倾斜模型基础,对接分区规划中用地性质分类标准,设计了住宅建筑、公共建筑、工业仓储、农业建筑、其他建筑等各级建筑使用性质分类技术方法,梳理了各单体建筑使用性质。同时能用于重点功能区、低效产业用地情况分析,为街区指引编制提供基础。

2.4 利用多源数据,开展建筑规模预测分析

利用已规划审批的拟建房屋,结合最新上位规划批复,提出基于时间跨度的建筑规模统计方法,实现了历史、现状、规划的综合对比分析。综合考虑了现存房屋建筑规模数据、拟建房屋建筑规模数据、以及规划房屋建筑规模数据。

建筑规模预测分析方法为以下三部分内容相加:现存房屋建筑规模+拟建房屋建筑规模+规划房屋建筑规模。优先级为:规划>拟建>现存房屋建筑规模,无重叠区域计算。在此基础上,实现了现状与未来规划实施后各阶段建筑规模的综合对比分析,如表1所示。

表1 各阶段建筑规模预测数据来源

(1)现存房屋建筑规模:现状存在建筑的建筑规模。

(2)近期(拟建)房屋建筑规模:已经规划审批建筑工程许可证的建筑规模。

(3)远期(规划)房屋建筑规模:已经审批上位规划方案、还未批建筑工程许可证的建筑规模。

2.5 基于时空跨度,实现建筑规模自动统计

基于时间轴和层次序列技术,利用街景与影像图、二维电子地图、三维模型等相结合,将人、地、房等专题基础地理信息资源要素叠加,实现城市时空历史动态演变。根据上文算法开发的异型房屋建筑量智能统计分析工具(图2)，可以更加直观地查询土地动态演变规律、建筑规模预期成果,实现建筑规模的自动化计算,计算结果精度高、实用性强,大幅提高了工作效率。在区域建设时序管控、可利用地分析、项目选址等方面提供支撑。

图2 自定义区域房屋建筑规模统计计算

3 三维时空一张图在规划管理中的应用

综合分析平台对全区时空数据进行了统一管理,提供了自然资源业务的“三维管理视图”,全面提升了区域精细化管理水平。平台采用Postgresql数据库、ArcGIS server二维引擎、Stamp Server三维引擎,前端技术应用Vue.js、HTML、CSS,后台技术应用Spring、SrpringMVC、Mybaties Java。平台除了线路导航、测量、查询、统计等二三维通用功能外,还提供了包括天际线分析、视域分析、日照分析、街景对比、规划方案审核、BIM项目管理等三维综合应用,实现了专题查询、区域查询、周边查询等三维分析服务,整体兼顾了三维展示效果与二维查询分析能力,实现二三维一体化,提升了区域自然资源空间治理水平[7-9]。

3.1 辅助规划设计

利用三维模型的高精度、高真实性的特点,结合单体化三维模型,将拟建项目三维模型与现状三维模型进行结合,进行日照、高度、通视等分析工作,辅助规划设计。

(1)天际线是指图像中天空与非天空的分界线,把以天空为背景的图像分割成天空与非天空(如山脉、建筑、江河、大地等)区域。通过在区域三维模型,识别立面中的天际线并进行勾绘,分析天际线现状。

(2)视域分析功能用于分析从观察点出发的视域范围内建筑物的遮挡情况,分析视域范围内可见与不可见区域范围。

(3)日照分析用于模拟选定建筑一天中不同时间和一年中重要节气的阴影情况,为建筑物之间的阴影遮挡影响提供参考。

3.2 辅助方案审核

通过导入不同的城市设计方案,对同一地块的土地开发利用状况、国土空间规划管控指标进行分析,如容积率、绿地率、建筑密度、建筑规模、建筑高度管控要求等。对不同的规划设计方案可进行双屏或四屏对比、实时切换比较建筑造型、立面风格、色彩材质、天际轮廓线等内容,提供了三维立体的交互式规划审核方式,更加直观，如图3～4所示。

图3 辅助规划方案审核流程

3.3 辅助规划管理

对于重点项目,以BIM时空信息模型为依托,实现城市规划、建设、管理全生命周期数据融合与精细化管理。

图4 三维规划方案对比分析

4 结束语

本文探索了基于三维的时空一张图建设路径和应用方向,构建时空一张图数据信息资源库,搭建了二三维一体化综合分析平台,建设成果为城市管理提供了新的工作思路。对后续工作开展提出以下工作建议:

(1)形成三维方案审核机制

方案审核需要在行政审批阶段提交统一格式要求的三维城市设计模型,目前并没有全面推行。今后可以考虑根据管理部门三维审批层次深度,制定完善的三维方案模型标准、数据交换工作流程机制,并在重点区域试行。

(2)形成动态更新的自然资源三维立体时空数据中心

未来需要基于三维空间框架,整合“山、水、林、田、湖、草”等自然资源调查监测数据,构建自然资源三维立体时空数据模型,准确表达地上、地表、地下各类自然资源空间关系及属性信息,及时掌握自然资源基础数据及变化情况,支撑自然资源空间分布及变化的科学表达、精准测定和高效分析,有效支撑国土空间规划和自然资源各项管理的业务需求[10]。

(3)实现国土空间动态监测预警机制

面向国土空间规划监测评估工作,针对刚性约束指标构建监测预警模型,统筹存量资源开发利用、建设施工、竣工验收的情况、实现国土空间动态监测、对存在问题及时预警、快速处置、持续跟踪、发挥自然资源管理工作的主动性。