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省级全域三维空间数据库建设及应用以广东省为例

发布时间:2022-04-29 11:05所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘 要:为推进实景三维中国建设,支撑自然资源高水平保护与高效率利用,广东省率先开展省级全域三维空间数据库建设。本文针对全省空天地网数据的海量多源异构特性,研究基于自主可控的空间信息技术,提出了构建数据资源目录体系;以全省高精度地形三维模型为基底,全

  摘 要:为推进实景三维中国建设,支撑自然资源高水平保护与高效率利用,广东省率先开展省级全域三维空间数据库建设。本文针对全省空天地网数据的海量多源异构特性,研究基于自主可控的空间信息技术,提出了构建数据资源目录体系;以全省高精度地形三维模型为基底,全面对接自然资源专题数据,按照多源数据的特性,制定差异化的省级全域三维空间数据库建设技术路线;开展了基于云计算的数据管理及系统设计;研究了三维模型融合衔接、动态单体化、渲染加速、注记动态布局等关键技术,并在广东省进行了应用实践,对自然资源系统三维立体时空数据库研究和建设具有一定的参考借鉴意义。

  关键词:自然资源;数据库;实景三维;大数据;数据模型

自然资源

  0  引言

  自然资源管理工作正经历从单一的要素管理向多要素综合管理的转变。大力推动新型基础测绘体系建设,加快构建实景三维中国,是自然资源部门推进生态文明建设、参与经济高质量发展的重要渠道[1-2]。《自然资源部信息化建设总体方案》等文件明确提出要运用新一代信息技术,以立体空间位置作为组织和联系所有自然资源的基本纽带,形成一个完整的支撑生产、生活、生态的自然资源立体时空模型,建立自然资源三维立体“一张图”,推进政府部门之间的数据共享以及政府与社会之间的信息交互。

  空间数据库是系统描述与特定空间位置相关的真实世界对象的数据集合[3]。以现实世界中实体对象的空间特征为参考,记录与管理目标对象的空间属性变化。目前,空间数据库已被广泛用于自然资源、交通、水利、生态等行业[4]。时空数据库是存贮时间、空间及相关属性等信息的数据库系统,是空间数据库发展的一个新阶段[5]。

  时间变量、空间变量、业务变量的增加,对自然资源三维立体时空数据库提出了更高的要求,与之相适应的技术模式需要更好地对时空数据进行表达与管理[6]。通过多年持续的数据建设工作,广东省构建了覆盖全省范围、多尺度、多时相、多类型的自然资源一体化数据库。在此基础上整合全省三维数据,形成基于三维空间的地理信息和自然资源数据一体化展示和分析能力,这为各类业务全域仿真展现、空间管控提供三维基底支撑,成为自然资源助推经济高质量发展、助力城乡区域协调平衡发展、推进生态文明建设的重要抓手。

  1  省级全域三维空间数据库研究

  1.1  内涵辨析省级全域三维空间数据库是基于统一的三维空间框架和时空数据模型,通过对自然资源调查监测数据的整合、集成与建库,形成物理分散、逻辑一致、动态更新的三维立体时空数据集合,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,有效支撑国土空间规划和自然资源管理的业务需求。

  1.2  设计思路坚持“以数据为核心、以系统为支撑、以应用为驱动”的理念,充分利用已有成果,汇集更新全省地形三维模型,汇集整理各类三维模型成果,融合自然资源专题数据,加强基础测绘与自然资源管理的各项业务工作融合,建成“看得见、用得好、管得住、靠得稳”的时空大数据中心。

  1.2.1  精细化三维立体场景构建以基础测绘成果为框架、数字高程模型为基底、高分辨率遥感影像为背景,采用三维数字地球技术、虚拟现实增强技术,构建各类自然资源成果的精细化三维立体展示场景,通过坡度坡向分析、剖面分析、通视分析、淹没分析、土方分析等三维空间分析技术手段,实现三维立体空间分析可视化表达。

  1.2.2  三维立体时空数据库建立运用大数据存储和计算技术,建设空间大数据基础框架,构建混合存储的自然资源三维立体时空数据库和开放高效的自然资源三维数据计算模式。采用“分库设计”的理念,针对不同类型的地理信息、不同特点的自然资源数据和不同的应用场景,采用空间数据库、NoSQL 数据库、分布式文件系统的混合存储模式。开发高效的自然资源三维数据计算模式,强化三维计算分析和三维可视化能力,探索支持三维管理决策。

  1.2.3  三维立体大数据中心协同建设将自然资源专题数据接入一体化数据库,全面升维,按三维立体空间进行分层组织,构建三维立体时空数据模型,形成“山水林田湖草”一体化的全要素、全覆盖数据库,夯实自然资源信息化的数据基石,实现自然资源数据的集成管理、三维展示、应用服务,为调查监测、综合监管、国土空间规划、“互联网 + 政务服务”提供决策支持。

  1.2.4  空间数据服务新模式运用中台化的大数据管理平台理念,对大数据管理系统相关的各种基础中间件进行吸纳、融合,提取各类数据应用所需数据管理能力的“最大公约数”,以微服务和云计算等技术为驱动引擎,构建集数据管理、分析、共享、应用、安全运维于一体的数据管理与服务系统。

  1.3  技术路线构建数据资源目录体系,以全省高精度地形三维模型为基底,汇集、整理多源多类型的二三维数据资源,集成第三次全国国土调查、国土空间规划、城市地质调查、永久基本农田、自然资源管理和不动产登记等自然资源专题数据,建设省级全域三维空间数据库,形成全省覆盖、内容完整、准确权威、现势性强的统一自然资源基础数据资源。

  1.3.1  数据获取全面对接基础测绘与自然资源专题数据,分析各类三维模型相关内容,为数据库提供可靠、全面的数据来源。

  1.3.2  数据集成根据各类数据来源,确定数据集成方式,制定数据整理及建库方案等,开展数据的整理、建模、入库、服务发布等工作;通过接口开发等工作开展已有的三维模型服务接入工作。

  1.3.3  数据管理对完成建库的数据开展数据组合、数据共享、数据可视化、数据应用等工作,实现二三维一体化数据的分层分级组织与一体化集成管理。开展三维数据库的日常管理,包括海量多源异构的二三维数据快速存储、处理、检查、入库和更新。对数据库目录、数据库安全进行日常管理及数据备份,同时提供数据浏览、查询、建模、分发输出、可视化等功能。

  1.3.4  数据应用面向自然资源系统内部用户、其他政府部门及社会公众的数据共享展示、业务分析需求,利用三维立体可视化技术手段,实现自然资源各类二三维数据在三维场景中的融合、展示和应用。

  2  关键技术

  采用国产三维 GIS、矢量瓦片、LOD 调度、GPU 加速、云渲染、大数据计算等信息技术,集成创新三维时空数据库技术,开展数据管理和系统建设。

  2.1  三维地形与高精度倾斜摄影模型融合衔接技术倾斜摄影数据提供了现实世界建筑物的表面模型,大场景三维地形数据提供了倾斜摄影数据在宏观地理环境中的位置信息及周边环境[7],需要进行叠加使用。通过坐标转换将倾斜摄影模型和地形数据转换到同一空间参考下,基于倾斜摄影模型提取数字表面模型,提取的成果作为参考数据修正现有的三维地形数据高程值,修改倾斜摄影模型边界处的地形高程值,避免陡坡问题。最终实现三维地形与高精度倾斜摄影模型的融合衔接。

  2.2  基于二三维数据关联的实景三维动态单体化技术基于倾斜摄影测量技术获取地面多视角影像并开展实景三维建模是近年快速发展的一种新兴城市三维建模技术。由于建模速度快、真实性强的特点,该技术得到了广泛应用。但利用倾斜摄影技术进行实景三维建模得到的模型通常是近似格网分割的“表皮”模型,其结构为连续的三角面构成的表面模型,不能够区分出建筑、道路、植被等地物单体信息。因此,在进一步开展数据分类、属性挂接等三维应用时,需要对倾斜模型进行对象化(或称单体化)操作。广东省的建设实践统筹考虑应用需求和数据构建成本,采用二维矢量与倾斜摄影模型二三维联动实现倾斜摄影模型数据的动态单体化,从而支撑开展相应的三维应用。

  2.3  LOD 调度下三维模型 GPU 渲染加速技术随着二三维数据采集速度与精度的提升,空间数据体量越来越大,数据种类越来越多,涵盖三维地形、三维白模、倾斜摄影模型、三维精细模型、BIM 及点云数据等。日益丰富的业务应用对二三维数据的展示形式提出了更多的要求,需要采用全部剖分、动态调度和 GPU 渲染等核心技术,通过LOD 技术流畅支持 TB 级的二三维数据,有效提升海量异构二三维数据的浏览性能,确保高效应用。

  2.4  三维注记高性能展示与动态布局技术动态标注是地图表达的难点和热点。三维注记配置是对二维注记配置的维度拓展,二维的研究理论适用于三维,但三维地图的注记放置面临更复杂的情况。视点在三维空间内的任意变换,会改变注记间的透视关系,影响其在屏幕空间上的相对位置,因而难以在预处理阶段计算出注记之间潜在的冲突关系。广东省的建设实践采用“前端 + 后端”分工协助的形式处理三维场景的注记放置和渲染性能问题。后端依靠服务器的计算能力进行初步的注记位置关系处理,渲染为注记瓦片并将其推送至前端,同时提供有效注记内容的位置信息;前端从注记瓦片中获取有效的注记内容,减轻展示时的计算压力,并结合视角进行立体展示。

  3  实践应用在广东省三维空间数据库建设的基础上,本研究开展了应用探索,围绕自然资源业务主题,以驾驶舱模式进行三维立体空间数据、统计数据、多媒体数据的集成展示,并在三维立体场景中进行虚拟仿真,仿真生成的模拟数据可为实际的业务开展与过程优化提供定量化参考。

  3.1  三维用地审批研究立体审批逻辑,设计全省建设用地审批的统计信息和相关空间图层,包括建设项目数量、建设项目占地面积、建设项目地类占用情况等。对建设项目范围进行点选,可以查看单个项目的详情信息和地上地下立体情况。

  3.2  “三旧”改造情况定制研发全省“三旧”改造的立体模拟展示功能,包括项目数量、分布、改造总面积、分类型统计及三维立体模拟等。对改造项目范围进行点选,可以查看单个项目的详情信息,包括项目基本信息、审批信息、图片信息,运用游戏引擎技术模拟项目改造前后的三维场景,支撑空间规划方案比选。

  3.3  交通线路模拟面向低山丘陵、河流众多的复杂地理场景,规划穿越山体的交通路线,对路线中的山体区域进行隧道构建。对非山体区域进行高架铺设,并在独立窗口中分析展示线路高程信息,模拟建成后的通行效果。

  4  总结与展望

  省级全域三维空间数据库及管理系统建设实现了全省二三维数据的高效集成管理和共享应用,形成自然资源“一张底版、一套数据、一个框架”,为自然资源调查监测、国土空间规划、监管分析等自然资源管理工作提供统一的二三维一体化数据服务支撑,提升了三维数据对自然资源业务管理的服务效能和服务水平。下一步,本研究将加强地市级三维数据汇集机制探索,验证和强化系统集成管理能力,构建“数据 - 业务”强关联、高敏捷的三维立体应用服务体系,研究三维数据标准,规范三维数据的管理和服务,从而有效开展实景三维广东建设。

  参考文献:

  [1] 沈镭,郑新奇,陶建格 . 自然资源大数据应用技术框架与学科前沿进展 [J]. 地球信息科学学报,2021,23(8):1351-1361.

  [2] 王维,王晨阳 . 实景三维中国建设布局与实现路径思考 [J]. 测绘与空间地理信息,2021,44(7):6-8.

  [3] 龚健雅. 空间数据库管理系统的概念与发展趋势 [J]. 测绘科学,2001(3):4-9.

  [4] 欧阳斯达 . 基于三维时空数据库的地信时空过程可视化研究 [J]. 现代测绘,2011,34(1):14-16.

  [5] 杨平,唐新明,翟亮,等 . 基于时空数据库的动态可视化研究 [J]. 测绘科学,2006(3):111-113.

  [6] 程昌秀,史培军,宋长青,等 . 地理大数据为地理复杂性研究提供新机遇 [J]. 地理学报,2018,73(8):1397-1406.

  [7] 李云,刘专,彭能舜,等 . 倾斜摄影三维模型的大场景地形融合研究 [J]. 测绘科学,2018,43(7):103-108.

  作者:陈泽鹏1,刘雪俊1,赵国梁2,俞  建1,陈鑫祥1,李姗迟2

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