01
智慧城市與大地圖
“無三維，不智慧”這句話并不代表“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，這是他們擅長的領(lǐng)域。對于GIS來說我們在整個產(chǎn)業(yè)中處于什么樣的位置呢？根據(jù)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看，GIS在這場變革中更多承擔(dān)著城市基礎(chǔ)“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(biāo)上來，拋開各種文件上以及網(wǎng)絡(luò)上一些書面文字的解釋，我們可以將這一目標(biāo)理解為——以人為本，服務(wù)管理，服務(wù)民眾。智慧城市建設(shè)是一場自上而下的運(yùn)動，是城市管理者精細(xì)化城市管理的需求，同時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，總的來說是“人，地，事，物，情，組織”，要通過一個形式將這些數(shù)據(jù)全部組織起來，那“地圖”一定會是一個非常不錯的選擇，而這張“大地圖”應(yīng)該就這個城市的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)“底板”。
這張“大地圖”的建設(shè)歷史悠久，從“地理空間框架”，“數(shù)字共享平臺”再到如今的“時空大數(shù)據(jù)平臺”，這個探索從未停止過，但是總體的內(nèi)涵是一致的，就是“做好空間數(shù)據(jù)”、“用好空間數(shù)據(jù)”。那么什么樣的空間數(shù)據(jù)才是“好”呢？我們知道地圖的價值在于幫助我們探索客觀世界，從最早的“象形符號”，“紙質(zhì)地圖”，“4D產(chǎn)品”，“全景照片”以及現(xiàn)在的“三維地圖”，從制圖的手段上看是越來越復(fù)雜了，但是從受眾的角度來看就是地物越來越具象，交互越來越傻瓜。
隨著現(xiàn)在大數(shù)據(jù)、IoT物聯(lián)網(wǎng)以及AI的發(fā)展，數(shù)據(jù)量越來越大，數(shù)據(jù)粒度越來越細(xì)，城市管理的手段也是從粗放到精細(xì)，這種精細(xì)的數(shù)據(jù)現(xiàn)狀和管理模式與現(xiàn)有的傳統(tǒng)地圖表達(dá)手段是沖突的，直接的體現(xiàn)就是公安牽頭的“X標(biāo)X實(shí)”或者城市管理的“塊數(shù)據(jù)”模式、“網(wǎng)格模式”，這些模式本質(zhì)上是對傳統(tǒng)地理實(shí)體的一種補(bǔ)充，傳統(tǒng)的地理實(shí)體管不到網(wǎng)格也管不到戶，缺少業(yè)務(wù)實(shí)體的概念，從這個角度而言就需要對地圖進(jìn)行數(shù)據(jù)升維，從二維到三維，從固定的地理對象到可擴(kuò)展的業(yè)務(wù)實(shí)體，從室外建筑到室內(nèi)分層到戶，從靜態(tài)數(shù)據(jù)到實(shí)時大數(shù)據(jù)，在“智慧城市”這輪變革中，測繪地理信息需要從數(shù)據(jù)生產(chǎn)、平臺建設(shè)以及應(yīng)用設(shè)計三個維度全面擁抱三維，這樣才能保證GIS這張“空間底板”能夠服務(wù)好整個智慧城市建設(shè)。
02
三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)
目前主流的三維數(shù)據(jù)生產(chǎn)包括一下三種方式：人工建模、傾斜建模以及BIM。當(dāng)然還有很多種其他類型的建模方式，這邊只列舉本人接觸的生產(chǎn)環(huán)節(jié)種應(yīng)用比較多的三種方法（比如南師大閭老師團(tuán)隊的“基于CAD的自動化建?！币彩且环N比較超前的手段，也有了小范圍的應(yīng)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(xì)節(jié)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(shù)據(jù)采集手段，主要面向?qū)Υ笠?guī)模數(shù)據(jù)生產(chǎn)得需求；這兩年BIM也逐漸開始和GIS進(jìn)行融合，作為一種三維數(shù)據(jù)的來源，這樣可以最大程度上重用現(xiàn)有建筑施工過程中沉淀的成果，避免了數(shù)據(jù)采集的花費(fèi)。
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(shù)據(jù)以CAD竣工圖為基礎(chǔ)底板在3d Max進(jìn)行人工建模；（2）通過遙感影像、街景以及現(xiàn)場照片實(shí)拍等手段進(jìn)行表面紋理的采集，通過對上述兩個生產(chǎn)過程的標(biāo)準(zhǔn)化從而形成滿足工業(yè)化需求的標(biāo)準(zhǔn)工藝，大致的內(nèi)容如下：
細(xì)節(jié)建模表現(xiàn)：對地理要素主體結(jié)構(gòu)、細(xì)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)幾何建模表現(xiàn)，外立面紋理通常采用能精確反映物體色調(diào)、飽和度、明度等特征的影像或照片。
主體建模表現(xiàn)：指僅對地理要素主體進(jìn)行幾何建模表現(xiàn)，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，外立面無紋理（白模），或采用能基本反映物體色調(diào)、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(xiàn)：指用三維模型符號庫中預(yù)先制作模型符號來表現(xiàn)地理要素，該模型符號僅有位置、角度、尺寸及長寬高比例可以改變。
人工建模的模型在建模的過程中就隱式地完成了單體化，對于應(yīng)用層是比較友好，不需要做額外的處理，缺點(diǎn)大規(guī)模建模代價比較高，不太適更新比較頻繁的場景，目前這種方式比較適合小范圍的三維建設(shè)，比如社區(qū)和園區(qū)，面積范圍在1-2平方公里左右。
2.傾斜攝影建模
傾斜建模它通過攝影測量原理，可以將多種源數(shù)據(jù)、分辨率、任意數(shù)據(jù)量的照片轉(zhuǎn)化為高分辨率的、帶有圖像紋理的三維網(wǎng)格模型。具體來說，它通過對獲得的相片數(shù)據(jù)進(jìn)行同名點(diǎn)選取、多視匹配、三角網(wǎng)（TIN）構(gòu)建、自動賦予紋理等步驟，最終得到三維模型。
傾斜攝影建模包含三重含義：（1）無人機(jī)；（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(shù)量，具體指對同一區(qū)域的照片覆蓋度。從實(shí)際建模的效果來看，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(dá)到2~3厘米，一般地區(qū)要達(dá)到5~6厘米，照片平局覆蓋度要達(dá)到30度重疊以上。
在無人機(jī)的選擇方面有多旋翼和固定翼兩種，固定翼推薦八旋翼，穩(wěn)定性較高，降低墜機(jī)的風(fēng)險；目前無人機(jī)市場的明星產(chǎn)品大疆精靈Phantom 4 RTK也是屬于多旋翼類型；固定翼飛行效率高，比較適合大面的三維建模，但是購買和保養(yǎng)成本都比較高。
傾斜攝影野外作業(yè)比較關(guān)鍵的就是航線規(guī)劃設(shè)定，傾斜飛行需要設(shè)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(shù)設(shè)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)行航線規(guī)劃和參數(shù)設(shè)定，飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關(guān)系。
三維重建階段多采用Smart3D、Photoscan、Pix4D進(jìn)行自動化進(jìn)行三維模型構(gòu)建，軟件建模對象為靜態(tài)物體，輔以相機(jī)傳感器屬性、照片位置姿態(tài)參數(shù)、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(yīng)GIS成果，以供瀏覽或后期加工。常見的輸出格式包括OSGB、OBJ、S3C、3MX等，對于效果不理想的可以通過交換格式導(dǎo)入到其他系統(tǒng)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(yùn)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(yùn)用的基礎(chǔ)，在個個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(tǒng)與組件等內(nèi)容，在設(shè)計的不同階段中結(jié)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(shè)備安裝的參考，在竣工階段確認(rèn)設(shè)計與現(xiàn)場的吻合與調(diào)整，進(jìn)而在完工時提交維運(yùn)廠商進(jìn)行后續(xù)營運(yùn)階段應(yīng)用。它于傳統(tǒng)的三維模型不同，傳統(tǒng)的三維模型一般制作表面或者樓層的室內(nèi)，但是BIM深入到了每個構(gòu)建，詳細(xì)的描述了建筑物的所有施工構(gòu)建，BIM與表面三維模型之間并無可替代性，而是更傾向于一種互補(bǔ)關(guān)系。把微觀領(lǐng)域的BIM信息和宏觀領(lǐng)域的表面模型進(jìn)行交換和結(jié)合，形成更豐富的數(shù)據(jù)體系。
03
三維平臺化
三維數(shù)據(jù)采集和模型構(gòu)建結(jié)束后，三維數(shù)據(jù)便進(jìn)入到了數(shù)據(jù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，這塊通常使用GIS平臺對三維數(shù)據(jù)進(jìn)行單體化和服務(wù)化處理，單體化保證了三維數(shù)據(jù)的要素化，從而能夠進(jìn)行屬性掛接；而服務(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
通過模型單體化處理，相當(dāng)于為傾斜攝影模型“綁定”位置匹配的矢量面數(shù)據(jù)，服務(wù)平臺會將這部分面的信息固定到模型數(shù)據(jù)中，這樣前端在進(jìn)行模型點(diǎn)擊的時候，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；值得一說的是這三種格式均是開源格式，也有相應(yīng)的軟件平臺能夠支持自有格式，有一段時間他們都在爭取能夠成為事實(shí)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前ESRI的I3S力壓其他兩家，已經(jīng)被采納為OGC的標(biāo)準(zhǔn)格式。這三種格式其實(shí)大同小異，都是有一個json格式的元數(shù)據(jù)文件描述了瓦片的組織規(guī)則，一般使用的是八叉樹規(guī)則，前端加載的時候會首先加載這個元文件，根據(jù)場景的變換動態(tài)調(diào)整瓦片的請求和場景數(shù)據(jù)的組織，保證前端數(shù)據(jù)的多層次瀏覽，每個瓦片又都基于gltf這種緊湊數(shù)據(jù)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，同時也方便前端webgl的解譯。
04
三維應(yīng)用
目前三維的應(yīng)用主要集中分布在園區(qū)和社區(qū)管理類型的基層管理單元，包括智慧警務(wù)室和智慧園區(qū)，這個級別的應(yīng)用建設(shè)成本較低，周期短，一般為一到兩個月，同時建設(shè)成效比較好，能夠在一個系統(tǒng)中組織所有的要素信息，包括企業(yè)、人員、物聯(lián)設(shè)備。通過這種全要素的系統(tǒng)展示和數(shù)據(jù)集成，打通從數(shù)據(jù)匯集、數(shù)據(jù)展示、協(xié)同處置與智能決策的管理鏈路，從而構(gòu)建一個智慧的數(shù)字管理單元。
在系統(tǒng)架構(gòu)上總的來說可以分為感知層、數(shù)據(jù)層、平臺層以及業(yè)務(wù)員層，在感知層中就是需要能夠?qū)痈黝悅鞲衅鞯男畔?，比如攝像頭、人臉識別、車輛識別、Wifi探針、煙感、地磁等，這一類的對接相對比較麻煩必須適配各類型的廠商，對于?？?、大華這類視頻廠商這類比較簡單，因?yàn)樗麄冇袠?biāo)準(zhǔn)化的平臺和符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口，對于一些非規(guī)上企業(yè)的產(chǎn)品對接起來就需要適配單獨(dú)的協(xié)議了。物聯(lián)設(shè)備的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和需要對接的業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)都需要匯聚到應(yīng)用的數(shù)據(jù)層，形成一
個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫，透明的向上層服務(wù)。在平臺層應(yīng)用層通過構(gòu)建三維信息平臺和全要素管理中臺實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的集成掛接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)要素的全生命周期的管理，保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的鮮活。通過平臺搭建的大地圖“底板”，在應(yīng)用層就可以根據(jù)建設(shè)的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)的全景展示，應(yīng)用服務(wù)構(gòu)建以及專題的研判分析等。
