無三維，不智慧

1.智慧城市與大地圖

“無三維，不智慧”這句話並不代表“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”，這也是目前行業巨頭阿里巴巴在做的事情，這是他們擅長的領域。對於GIS來說我們在整個產業中處於什麼樣的位置呢？根據國家的相關文件精神以及實際生產中自然形成的分工來看，GIS在這場變革中更多承擔著城市基礎“底板”這樣的角色。要弄清楚何為“底板”以及我們需要什麼樣的“底板”，就需要回歸到智慧城市的目標上來，拋開各種文件上以及網絡上一些書面文字的解釋，我們可以將這一目標理解為——以人為本，服務管理，服務民眾。智慧城市建設是一場自上而下的運動，是城市管理者精細化城市管理的需求，同時也是民眾對於擁有美好生活的需求。那麼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據全部組織起來，那“地圖”一定會是一個非常不錯的選擇，而這張“大地圖”應該就這個城市的基礎數據“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“時空大數據平臺”，這個探索從未停止過，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”。那麼什麼樣的空間數據才是“好”呢？我們知道地圖的價值在於幫助我們探索客觀世界，從最早的“象形符號”，“紙質地圖”，“4D產品”，“全景照片”以及現在的“三維地圖”，從製圖的手段上看是越來越複雜了，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。

隨著現在大數據、IoT物聯網以及AI的發展，數據量越來越大，數據粒度越來越細，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衝突的，直接的體現就是公安牽頭的“X標X實”或者城市管理的“塊數據”模式、“網格模式”，這些模式本質上是對傳統地理實體的一種補充，傳統的地理實體管不到網格也管不到戶，缺少業務實體的概念，從這個角度而言就需要對地圖進行數據升維，

從二維到三維，從固定的地理對象到可擴展的業務實體，從室外建築到室內分層到戶，從靜態數據到實時大數據，在“智慧城市”這輪變革中，測繪地理信息需要從數據生產、平臺建設以及應用設計三個維度全面擁抱三維，這樣才能保證GIS這張“空間底板”能夠服務好整個智慧城市建設。

2.三維數據生產

目前主流的三維數據生產包括一下三種方式：人工建模、傾斜建模以及BIM。當然還有很多種其他類型的建模方式，這邊只列舉本人接觸的生產環節種應用比較多的三種方法（比如南師大閭老師團隊的“基於CAD的自動化建模”也是一種比較超前的手段，也有了小範圍的應用案例，希望以後大有作為）。人工建模主要針對小範圍、對模型細節要求比較高得需求，建模週期一般為一平方公里/1人周；傾斜建模已經是目前測繪領域非常普遍得一種大範圍、快速得數據採集手段，主要面向對大規模數據生產得需求；這兩年BIM也逐漸開始和GIS進行融合，作為一種三維數據的來源，這樣可以最大程度上重用現有建築施工過程中沉澱的成果，避免了數據採集的花費。

1.人工建模

三維模型的人工建模分為幾何網格生產和紋理貼圖生產兩部分：（1）幾何網格數據以CAD竣工圖為基礎底板在3d Max進行人工建模；（2）通過遙感影像、街景以及現場照片實拍等手段進行表面紋理的採集，通過對上述兩個生產過程的標準化從而形成滿足工業化需求的標準工藝，大致的內容如下：

• 細節建模表現：對地理要素主體結構、細部結構進行精細幾何建模表現，外立面紋理通常採用能精確反映物體色調、飽和度、明度等特徵的影像或照片。
• 主體建模表現：指僅對地理要素主體進行幾何建模表現，植被、柵欄欄杆等模型僅用單面片、十字片或者多面片的方式表示，外立面無紋理（白模），或採用能基本反映物體色調、飽和度、明度等特徵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製作模型符號來表現地理要素，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，對於應用層是比較友好，不需要做額外的處理，缺點大規模建模代價比較高，不太適更新比較頻繁的場景，目前這種方式比較適合小範圍的三維建設，比如社區和園區，面積範圍在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格模型。具體來說，它通過對獲得的相片數據進行同名點選取、多視匹配、三角網（TIN）構建、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；（2）傾斜攝影；（3）三維重建。傾斜攝影三維模型的質量取決於兩個因素：一是影像質量，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，建築去傾斜影像的分辨率要達到2~3釐米，一般地區要達到5~6釐米，照片平局覆蓋度要達到30度重疊以上。

在無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，降低墜機的風險；目前無人機市場的明星產品大疆精靈Phantom 4 RTK也是屬於多旋翼類型；固定翼飛行效率高，比較適合大面的三維建模，但是購買和保養成本都比較高。

傾斜攝影野外作業比較關鍵的就是航線規劃設定，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、效率等產生影響。航測作業前，綜合考慮飛控距離、電池消耗、地形地貌、建築物分佈、測量精度等因素，使用地面站軟件進行航線規劃和參數設定，飛行高度、地面分辨率及物理像元尺寸滿足三角比例關係。

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

3.BIM

BIM模型的意義在於適度的整合建築核心量體的所有信息。其運用的範圍在於全生命週期的各階段，核心量體的BIM模型能夠作為所有運用的基礎，在個個階段中上載與下載各種不同的建築信息，提供最完整的服務。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的吻合與調整，進而在完工時提交維運廠商進行後續營運階段應用。它於傳統的三維模型不同，傳統的三維模型一般製作表面或者樓層的室內，但是BIM深入到了每個構建，詳細的描述了建築物的所有施工構建，BIM與表面三維模型之間並無可替代性，而是更傾向於一種互補關係。把微觀領域的BIM信息和宏觀領域的表面模型進行交換和結合，形成更豐富的數據體系。

3.三維平臺化

三維數據採集和模型構建結束後，三維數據便進入到了數據應用環節，這塊通常使用GIS平臺對三維數據進行單體化和服務化處理，單體化保證了三維數據的要素化，從而能夠進行屬性掛接；而服務化則保證了三維模型和屬性服務能夠在Web端進行共享使用。

1.單體化

通過模型單體化處理，相當於為傾斜攝影模型“綁定”位置匹配的矢量面數據，服務平臺會將這部分面的信息固定到模型數據中，這樣前端在進行模型點擊的時候，就可以知道要將哪一塊的模型進行高亮。

2.服務化

目前在GIS行業對於三維服務方面有三個主流的三維服務的格式：（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的行業標準，目前ESRI的I3S力壓其他兩家，已經被採納為OGC的標準格式。這三種格式其實大同小異，都是有一個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規則，前端加載的時候會首先加載這個元文件，根據場景的變換動態調整瓦片的請求和場景數據的組織，保證前端數據的多層次瀏覽，每個瓦片又都基於gltf這種緊湊數據格式將組織文件存儲在json中，頂點文件存儲在二進制文件中，這樣一方面可以加速三維瓦片在網絡上的傳輸，同時也方便前端webgl的解譯。

4.三維應用

目前三維的應用主要集中分佈在園區和社區管理類型的基層管理單元，包括智慧警務室和智慧園區，這個級別的應用建設成本較低，週期短，一般為一到兩個月，同時建設成效比較好，能夠在一個系統中組織所有的要素信息，包括企業、人員、物聯設備。通過這種全要素的系統展示和數據集成，打通從數據彙集、數據展示、協同處置與智能決策的管理鏈路，從而構建一個智慧的數字管理單元。

在系統架構上總的來說可以分為感知層、數據層、平臺層以及業務員層，在感知層中就是需要能夠對接各類傳感器的信息，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，對於海康、大華這類視頻廠商這類比較簡單，因為他們有標準化的平臺和符合行業標準的接口，對於一些非規上企業的產品對接起來就需要適配單獨的協議了。物聯設備的結構化數據和需要對接的業務系統的數據都需要匯聚到應用的數據層，形成一個統一的數據倉庫，透明的向上層服務。

在平臺層應用層通過構建三維信息平臺和全要素管理中臺實現業務數據和三維數據的集成掛接，進而實現要素的全生命週期的管理，保證系統數據的鮮活。通過平臺搭建的大地圖“底板”，在應用層就可以根據建設的要求進行數據的全景展示，應用服務構建以及專題的研判分析等。