智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)三維可視化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)

智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)三維可視化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)摘要：智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)平臺是測繪地理信息領(lǐng)域數(shù)字城市建設(shè)的有機(jī)延續(xù)。新一輪國家機(jī)構(gòu)改革優(yōu)化測繪地理信息管理職能后，自然資源部于2019年1月印發(fā)了《智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)平臺建設(shè)技術(shù)大綱（2019版）》，進(jìn)一步完善了智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)平臺的建設(shè)方向和內(nèi)容。三維空間是時(shí)空四維環(huán)境的基礎(chǔ)，特別是納入地下空間數(shù)據(jù)、建筑信息模型數(shù)據(jù)等新型測繪產(chǎn)品數(shù)據(jù)后，如何對各類基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)進(jìn)行有效集成，實(shí)現(xiàn)更加全面、高效、優(yōu)化的智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)三維可視化，是新政策和技術(shù)背景下智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)平臺建設(shè)需要研究的問題之一。關(guān)鍵詞：智慧城市；時(shí)空數(shù)據(jù)；三維可視化引言時(shí)空數(shù)據(jù)平臺作為智慧城市的核心基礎(chǔ)之一，既是最為基礎(chǔ)的信息資源，又是其他信息交換、共享與協(xié)同應(yīng)用的載體，為其他信息在三維空間和時(shí)間交織構(gòu)成的四維環(huán)境中提供時(shí)空基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)基于統(tǒng)一時(shí)空基礎(chǔ)下的規(guī)劃、布局、分析和決策。時(shí)空數(shù)據(jù)平臺需對跨區(qū)域、跨網(wǎng)絡(luò)、跨部門、跨實(shí)體的各類獨(dú)立的政務(wù)數(shù)據(jù)源、互聯(lián)網(wǎng)資源、物聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)資源進(jìn)行整合，并通過挖掘海量數(shù)據(jù)的內(nèi)在價(jià)值，最終服務(wù)政府部門及民眾。但在平臺實(shí)際建設(shè)過程中，面臨數(shù)據(jù)島狀分散資源匯集困難、運(yùn)營成本高昂、網(wǎng)絡(luò)安全隱患等問題。1智慧城市概念2008年11月IBM提出“智慧地球”概念，近兩年來“智慧地球”戰(zhàn)略已經(jīng)得到了各國的普遍認(rèn)可，數(shù)字化、智能化必定是未來社會發(fā)展的大趨勢，智慧地球的提出為智慧城市的出現(xiàn)奠定了基石，智慧城市是智慧地球的體系形式。智慧城市的宗旨，是在城市的日常管理與平日的建設(shè)運(yùn)行過程中，充分運(yùn)用先進(jìn)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)管理模式智慧化、管理過程智慧化、管理手段智慧化的目的，從而為城市人口提供更加和諧智慧的生活環(huán)境。大數(shù)據(jù)時(shí)代的智慧城市與傳統(tǒng)智慧城市有著顯著區(qū)別，在數(shù)據(jù)層方面，傳統(tǒng)智慧城市是由政府掌控的自上而下的單一信息，具體實(shí)施中存在資源割裂，有大數(shù)據(jù)但使用率較低或沒有使用的問題，而大數(shù)據(jù)時(shí)代的智慧城市則是由公眾參與式的開放式城市數(shù)據(jù)，政府上下強(qiáng)調(diào)信息化和數(shù)據(jù)基于云的應(yīng)用。在平臺層方面，傳統(tǒng)智慧城市多以展示為主，缺乏底層數(shù)據(jù)整合和共享，大數(shù)據(jù)時(shí)代的智慧城市提出城市級通用平臺建設(shè)，整合信息，有底層數(shù)據(jù)支撐及強(qiáng)大的基本保障。2智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)三維可視化設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)時(shí)空數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新在采集傳統(tǒng)基礎(chǔ)測繪數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，為實(shí)現(xiàn)時(shí)空數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，并解決傳統(tǒng)采集方法在實(shí)際應(yīng)用中存在周期長、成本高的問題，本文采用衛(wèi)星遙感影像技術(shù)采集時(shí)空數(shù)據(jù)的各類信息，對負(fù)責(zé)區(qū)域范圍內(nèi)的城市地表信息變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并結(jié)合無人機(jī)設(shè)備和網(wǎng)格化采集方式，輔助其完成對各類時(shí)空數(shù)據(jù)信息的采集。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對各類基礎(chǔ)時(shí)空數(shù)據(jù)的信息增量更新，設(shè)置天空、地面和人三位一體化的信息增量更新。通過無人機(jī)、網(wǎng)格采集、攝像頭和傳統(tǒng)采集方式完成對衛(wèi)星遙感影像中各類時(shí)空數(shù)據(jù)信息的采集。在實(shí)際操作過程中，不同時(shí)相所產(chǎn)生的衛(wèi)星遙感影像可能會存在一定的差異，并且負(fù)責(zé)城市區(qū)域內(nèi)的分發(fā)節(jié)點(diǎn)也可能存在差異，因此在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)當(dāng)結(jié)合前后時(shí)相的衛(wèi)星遙感影像技術(shù)，通過制定固定采集和更新間隔的方式，實(shí)現(xiàn)對時(shí)空數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)更新。除此之外，對于智慧城市建設(shè)而言，時(shí)空數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值更進(jìn)一步地體現(xiàn)在微觀層面上的統(tǒng)計(jì)分析以及宏觀層面上的可視化展現(xiàn)。因此，在建設(shè)智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)平臺時(shí)，需要通過不同的方式實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析和可視化展現(xiàn)。在傳統(tǒng)建設(shè)技術(shù)中，不同時(shí)空的大數(shù)據(jù)信息主要是按照國家、省份或市進(jìn)行分區(qū)，由于不同地區(qū)可能存在相同的地理?xiàng)l件要素，因此在采集時(shí)空數(shù)據(jù)信息時(shí)，經(jīng)常會出現(xiàn)對統(tǒng)一地理要素的重復(fù)采集。因此，為了避免這一現(xiàn)象，提高時(shí)空數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新的效率，有必要構(gòu)建更新和同步機(jī)制。機(jī)制中應(yīng)當(dāng)明確分級分類和共建共享生產(chǎn)模式，針對智慧城市中的分級建設(shè)進(jìn)行梳理。同時(shí)，分區(qū)對各類時(shí)空數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并在條件允許的情況下對三級地理要素進(jìn)行統(tǒng)一整合，以實(shí)現(xiàn)渠道共享。數(shù)據(jù)集成存儲根據(jù)類型和內(nèi)容的不同，時(shí)空數(shù)據(jù)具有眾多數(shù)據(jù)格式。統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，集成存儲各類數(shù)據(jù)是三維可視化的基礎(chǔ)和前提。因此，設(shè)計(jì)一種三維數(shù)據(jù)格式，應(yīng)滿足并實(shí)現(xiàn)以下需求：①支持各類三維數(shù)據(jù)格式之間的相互轉(zhuǎn)換；②針對多源數(shù)據(jù)集成進(jìn)行硬件渲染優(yōu)化，在符合底層渲染硬件指令要求的基礎(chǔ)上兼顧數(shù)據(jù)組織和渲染效果；③具備可擴(kuò)展能力，便于其他新數(shù)據(jù)格式的擴(kuò)展集成，且保證數(shù)據(jù)的向下兼容。細(xì)節(jié)層次構(gòu)建構(gòu)建細(xì)節(jié)層次模型（LOD）是提升三維可視化效率的常用技術(shù)手段。模型簡化和層級組織的方法策略是決定LOD構(gòu)建效果的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，將直接影響三維可視化的渲染效率和響應(yīng)速度。在模型簡化方面，首先根據(jù)頂點(diǎn)對三維模型輪廓的貢獻(xiàn)程度計(jì)算權(quán)重值；再以權(quán)重值為依據(jù)生成每個(gè)頂點(diǎn)的聚類單元，并依次判斷聚類單元內(nèi)是否存在其他頂點(diǎn)；然后判斷頂點(diǎn)間的距離是否大于預(yù)設(shè)值，以確定是否合并頂點(diǎn)信息；重復(fù)上述流程即可實(shí)現(xiàn)模型的簡化。在層級組織方面，利用場景圖來組織數(shù)據(jù)，再優(yōu)化不同層級場景中數(shù)據(jù)的分布。場景圖是多層級樹或圖結(jié)構(gòu)，每個(gè)層級被賦予調(diào)度信息，根據(jù)用戶視點(diǎn)參數(shù)讀取所在層級的調(diào)度信息，從而決定不同層級數(shù)據(jù)在場景中的分布以及各層級間的細(xì)節(jié)過渡。通過上述方法構(gòu)建LOD，可在顯著減少格網(wǎng)數(shù)的前提下，使數(shù)據(jù)的幾何形態(tài)和紋理精度基本滿足原有的視覺效果，并能保障不同層級場景中數(shù)據(jù)的加載效率，尤其對大數(shù)據(jù)量、大場景的三維可視化有較好的效果。計(jì)算資源調(diào)度三維可視化是利用計(jì)算資源加載并展示三維數(shù)據(jù)的過程，數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載是影響效率的關(guān)鍵步驟。由于數(shù)據(jù)量大而網(wǎng)絡(luò)帶寬固定且有限，三維可視化過程中，數(shù)據(jù)加載往往需等待數(shù)據(jù)請求和傳輸完成。采用多線程數(shù)據(jù)調(diào)度機(jī)制可有效提升三維可視化效率。首先利用多線程技術(shù)使數(shù)據(jù)請求、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)加載等過程相互獨(dú)立，將計(jì)算資源均衡分配到各個(gè)步驟中去，避免因串行等待影響效率；然后可多線程技術(shù)同時(shí)執(zhí)行，最大化利用計(jì)算資源，增加各過程的效率；最后考慮線程之間的交互和數(shù)據(jù)共享，選取一個(gè)線程作為管理線程，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)請求與加載，其余線程作為下載線程，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。管理線程與各下載線程在發(fā)送數(shù)據(jù)請求與數(shù)據(jù)下載完畢時(shí)進(jìn)行線程間的交互，下載線程之間保持相對獨(dú)立。結(jié)語建設(shè)智慧城市是一項(xiàng)國家戰(zhàn)略，也是貫徹落實(shí)黨的十九大關(guān)于建設(shè)“數(shù)字中國，智慧社會”的有力舉措。智慧城市時(shí)空數(shù)據(jù)與云平臺擁有泛在服務(wù)能力，與百姓的生活息息相關(guān)，是智慧城市的“基石”，能夠?yàn)轭I(lǐng)導(dǎo)決策提供專業(yè)、權(quán)威的時(shí)空數(shù)據(jù)服務(wù)。參考文獻(xiàn)范梓騰.數(shù)字政府建設(shè)的議題界定:時(shí)空演進(jìn)與影響因素:基于省級黨委機(jī)關(guān)報(bào)的大數(shù)據(jù)分析[J].中國行政管理,2021(1):42-51.黎慧斌,萬寶林.基于時(shí)空大數(shù)據(jù)與云平臺的教育專項(xiàng)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京測繪,2020,34(7):905-909.樊文平,王鴻康,劉紅平,等.ESDA與大數(shù)據(jù)支持下的城市化