基于Skyline的三維數(shù)字城市管理及應用平臺建設的研究

PAGEPAGE16題目：基于Skyline的三維數(shù)字城市管理及應用平臺建設的研究專業(yè)：測繪工程【摘要】城市景觀三維可視化是實現(xiàn)數(shù)字城市的第一步,利用Skyline系列軟件和三維建模軟件,基于大比例尺地形圖和城市航空數(shù)字影像圖進行數(shù)字城市景觀三維的建模及其可視化?！叭S數(shù)字城市”同一般二維數(shù)字城市比較而言，優(yōu)勢在于真實三維空間提供的操作方式更簡便，可視化界面更符合真實場景，由于使用簡單可視的數(shù)據(jù)表達，完全有別于以往的二維及專業(yè)的圖形及術語，也使得大眾對決策過程及結果更易于被理解和接受。

【關鍵詞】Skyline;三維數(shù)字城市目錄1概述 32三維數(shù)字城市管理系統(tǒng) 32.1系統(tǒng)介紹 32.2系統(tǒng)技術構架 32.3系統(tǒng)運行環(huán)境 42.3.1軟件配置 42.3.2硬件配置 52.4系統(tǒng)組成 52.4.1三維可視化管理子系統(tǒng) 52.4.2綜合展示子系統(tǒng) 52.4.3智能設備管理子系統(tǒng) 62.4.4協(xié)同辦公系統(tǒng) 62.4.5通用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 62.4.6手持移動設備應用系統(tǒng) 62.4.7地圖服務平臺基于ESRI和ORACLE的應用模式 62.5系統(tǒng)技術特點 62.6系統(tǒng)應用 73三維數(shù)字城市景觀圖的建立方案 74三維數(shù)字城市管理應用平臺案例 74.1獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)簡介 84.2蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)數(shù)字城市管理系統(tǒng) 84.2.1科教創(chuàng)新區(qū)三維漫游 94.2.2部件管理與事件管理 104.2.3樓宇自控 114.2.4GPS車輛跟蹤 114.2.5業(yè)務辦公 124.2.6地下管線 124.2.7智能報警 134.2.8應急疏散預案 135結論和展望 14參考文獻 15致謝 161概述隨著信息技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術已應用于地球科學、工業(yè)和醫(yī)學等領域，為人類探索自然界各種事物及其發(fā)展規(guī)律開辟了廣闊的空間［1-2］。三維數(shù)字城市以其可表達性、可已知性及形象的現(xiàn)實逼真效果，廣泛應用在城市規(guī)劃管理、社會突發(fā)事件處理、應急聯(lián)動、交通消防等部門，為政府和公眾提供科學支持和信息服務。對“數(shù)字地球”“數(shù)字城市”建設更是具有重要的戰(zhàn)略意義［3］。在科學層面上，數(shù)字城市可以理解為“現(xiàn)實城市”的虛擬對照體，是能夠對城市“自然—社會—經(jīng)濟”復合系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)進行高效獲取、智能識別、分類存儲、自動處理、分析應用和決策支持的，既能虛擬現(xiàn)實又可直接參與管理和服務的城市綜合系統(tǒng)工程。在技術層面上，數(shù)字城市是以包括地理信息系統(tǒng)(GIS)、全球衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)(GPS)、遙感(RS)和數(shù)據(jù)庫技術等在內(nèi)的空間信息技術、計算機技術、現(xiàn)代通訊信息網(wǎng)絡技術及信息安全技術為支撐，以信息基礎設施為核心的完整的城市信息系統(tǒng)體系。在應用層面上，數(shù)字城市是在城市自然、社會、經(jīng)濟等要素構成的一體化數(shù)字集成平臺上和虛擬環(huán)境中，通過功能強大的系統(tǒng)軟件和數(shù)學模型，以可視化方式再現(xiàn)現(xiàn)實城市的各種資源分布狀態(tài)，對現(xiàn)實城市的規(guī)劃、建設和管理的各種方案進行模擬、分析和研究，促進不同部門、不同層次用戶之間的信息共享、交流和綜合，為政府、企業(yè)和公眾提供信息服務［4］。本文以蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)數(shù)字城市管理系統(tǒng)為例，介紹了三維數(shù)字城市管理系統(tǒng)，提出了基于Skyline環(huán)境下進行三維數(shù)字城市的制作，利用三維建模軟件和Skyline系列軟件，搭建了虛擬規(guī)劃仿真系統(tǒng)的架構，實現(xiàn)了三維虛擬仿真的可視化、城市規(guī)劃的全方位、自動化設計理念,為人們在真實三維虛擬環(huán)境中輔助城市規(guī)劃提供良好的技術條件和拓展空間。2三維數(shù)字城市管理系統(tǒng)2.1系統(tǒng)介紹三維數(shù)字城市管理系統(tǒng)是為“數(shù)字城市”建設而開發(fā)的基礎框架性平臺?；赟kyline的三維GIS平臺，融合智能設備、業(yè)務管理、虛擬現(xiàn)實、GIS管理、無線通訊等眾多先進技術，實現(xiàn)高效的城市管理與公共服務。數(shù)字城市應用平臺是將三維可視化和信息查詢與管理技術應用于數(shù)字城市建設中，使人們對規(guī)劃設計和城市景觀現(xiàn)狀的描述擺脫基于二維地圖和三維實物模型的表現(xiàn)方式，代之以計算機三維空間表現(xiàn)形式，使得設計師、決策者和用戶對規(guī)劃設計藍圖和城市景觀現(xiàn)狀有直觀、生動的了解和更深刻的認識，從而拓寬城市設計、規(guī)劃和管理人員的視角，使城市規(guī)劃、基礎設施設計更加的科學化，對于城市可持續(xù)發(fā)展研究有很重要的意義。2.2系統(tǒng)技術構架系統(tǒng)整體分為三層，即數(shù)據(jù)層、公共基礎平臺層和業(yè)務應用層（如表2-1）表2-1系統(tǒng)技術構架表業(yè)務應用層Web應用業(yè)務專用客戶端移動設備客戶端指揮大屏幕專用客戶端應用集成規(guī)劃建設系城市設施管公共事件管公共信息服輔助決策統(tǒng)理系統(tǒng)理系統(tǒng)務系統(tǒng)業(yè)務應用系統(tǒng)公共基礎平臺層業(yè)務支撐平臺數(shù)字認證模塊用戶、權限管理模塊工作流控制模塊應用集成管理模塊安全監(jiān)控管理模塊虛擬現(xiàn)實管理模塊業(yè)務評估管理模塊無線數(shù)據(jù)采集模塊GIS基礎平臺數(shù)據(jù)共享平臺數(shù)據(jù)發(fā)布網(wǎng)絡三維GIS數(shù)據(jù)管理接口數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù)建模元數(shù)據(jù)管理數(shù)據(jù)通用管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務總線數(shù)字化城市公共基礎平臺數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)訪問基礎數(shù)據(jù)城市網(wǎng)絡地理編碼庫業(yè)務數(shù)據(jù)庫元數(shù)據(jù)庫其他專業(yè)與部件庫數(shù)據(jù)庫數(shù)字化城市管理數(shù)據(jù)中心2.3系統(tǒng)運行環(huán)境2.3.1軟件配置（1）服務器端操作系統(tǒng)：WindowsNT/2000/2003server等；（2）應用終端操作系統(tǒng)：Windowsxp/2003/vista/7等；（3）數(shù)據(jù)庫：Oracle/MSSqlServer等；（4）GIS平臺軟件?Skyline系列軟件?EsriArcGIS系列軟件?Supermap系列軟件2.3.2硬件配置（1）系統(tǒng)服務器?CPU：3000MHz以上配置；?內(nèi)存：4GB以上（2）客戶端機器?CPU：3000MHz以上配置；?內(nèi)存：2GB以上；顯卡：獨立顯存256M以上（3）手持設備?裝有WindowsCE5.0及以上版本及WindowsMobile的各類嵌入式設備(Windowsmobile5.0、Windowsmobile6.0系列等)?系統(tǒng)環(huán)境：.NETCF2.0或安裝.NETCF3.5運行環(huán)境；存儲空間要求：12MB；內(nèi)存要求：12MB或以上2.4系統(tǒng)組成系統(tǒng)由三維可視化管理子系統(tǒng)、綜合展示子系統(tǒng)、智能設備管理集成子系統(tǒng)、協(xié)同辦公子系統(tǒng)、通用數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)、手持移動設備應用系統(tǒng)、地圖服務平臺組成。2.4.1三維可視化管理子系統(tǒng)三維可視化子系統(tǒng)提供虛擬現(xiàn)實三維展示，建筑物、城市部件、事件的查詢、定位、屬性維護等功能。?理人員可以進行三維城市部件的查詢、定位、并根據(jù)權限對屬性進行維護；?管理人員可以進行三維城市事件的查詢、定位、并根據(jù)權限對事件進行處理；?與二維GIS數(shù)據(jù)庫緊密結合，二維城市部件更新后，三維系統(tǒng)保證實時同步；?能夠疊加多源多比例尺的數(shù)據(jù)，支持直接從ArcSde、OracleSpatial、Shp、WFS、WMS讀取數(shù)據(jù)，同時支持從帶x,y,z坐標的數(shù)據(jù)庫讀取數(shù)據(jù)；?利用桌面版的通用數(shù)據(jù)管理程序，對城市部件三維模型進行更新，場景發(fā)布。2.4.2綜合展示子系統(tǒng)綜合展示子系統(tǒng)(主要應用在指揮大廳或者房地產(chǎn)項目展示)?利用3072*768大屏幕投影，顯示效果極佳；?從各個角度對建筑物外部、內(nèi)部結構進行展示，同時可以打開每層對應室內(nèi)全景圖；?多屏分屏顯示不同內(nèi)容，各屏幕之間可以進行內(nèi)容切換控制；?操作交互性強，支持游戲手柄，支持多種飛行模式；?系統(tǒng)通訊指令擴展方便，可以方便的增加展示內(nèi)容；?綜合展示子系統(tǒng)中，可以方便的引入智能設備管理子系統(tǒng)中的各種智能樓宇設施監(jiān)控信息；?為應急指揮提供基礎平臺；?為房地產(chǎn)項目綜合展示提供基礎平臺。2.4.3智能設備管理子系統(tǒng)智能設備管理子系統(tǒng)(主要應用在智能樓宇的集成管理)?將消防、門禁、視頻監(jiān)控、智能分析等各種智能設備整合到一起；?允許在線瀏覽，對訪問權限進行逐級控制，安全性強；?自動提示報警信息，并可發(fā)送報警信息到手機；?與城市部件、事件三維可視化管理子系統(tǒng)緊密集成，可以方便的進行定位、查看信息，發(fā)起處理流程。2.4.4協(xié)同辦公系統(tǒng)協(xié)同辦公系統(tǒng)是數(shù)字城市管理協(xié)同辦公平臺，它不僅實現(xiàn)了管理者之間、管理者與業(yè)務之間溝通上的協(xié)同，還實現(xiàn)了業(yè)務、組織、應用、系統(tǒng)之間的協(xié)同，能有效提升組織管理效率。?具有可配置的門戶平臺，支持各種子系統(tǒng)與現(xiàn)有系統(tǒng)集成；?多樣化的任務通知手段，各級任務可以實現(xiàn)上下級自動流轉；?支持可視化的用戶自定義流程；?管理者可以可視化的工作流方式跟蹤流程的具體狀況，實現(xiàn)事中全面控制，事后跟蹤了解；?強大的安全體系保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行；?強大的擴展能力為用戶管理的持續(xù)性提供保駕護航。2.4.5通用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)通用數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實現(xiàn)了對二維數(shù)據(jù)和三維數(shù)據(jù)的管理和更新，其主要功能包括數(shù)據(jù)輸入輸出、批量處理、在線數(shù)據(jù)更新和三維場景模擬等。?系統(tǒng)采用C/S模式，提供強大數(shù)據(jù)編輯維護功能；?系統(tǒng)實現(xiàn)二三維數(shù)據(jù)聯(lián)動更新；?支持多源數(shù)據(jù)的導入導出；?支持數(shù)據(jù)的批量更新；2.4.6手持移動設備應用系統(tǒng)手持移動設備應用系統(tǒng)包括地圖瀏覽、地名查詢、部件查詢、事件拍照、事件上報和GPS定位等功能，實現(xiàn)了市政巡查事件的現(xiàn)場記錄和對城市部件的信息化迅速管理。2.4.7地圖服務平臺基于ESRI和ORACLE的應用模式?采用ArcServer和ArcSDE作為數(shù)據(jù)服務器構成數(shù)據(jù)管理層，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問，調(diào)用、查詢統(tǒng)計，數(shù)據(jù)的更新，網(wǎng)上服務等數(shù)據(jù)對外服務功能。?利用FlexAPI實現(xiàn)地圖數(shù)據(jù)的瀏覽，編輯，客戶端數(shù)據(jù)的加載等。?利用ArcGisServer實現(xiàn)OGC標準服務WMS、WFS的發(fā)布，為網(wǎng)絡三維GIS系統(tǒng)提供柵格、矢量數(shù)據(jù)源。2.5系統(tǒng)技術特點（1）基于Skyline三維GIS平臺，融合業(yè)務管理、智能設備、GIS管理、虛擬現(xiàn)實、無線通訊等眾多先進技術，實現(xiàn)高效的城市管理與公共服務；（2）業(yè)務人員和管理者可以利用三維地圖直觀、快捷的對轄區(qū)進行日常事務管理；（3）城市管理者可以利用區(qū)內(nèi)的高清攝像頭對城市部件、人員闖入等進行監(jiān)控和分析；（4）城市管理者可以對城市巡查人員的位置信息進行精確定位，以提高其工作效率，該功能還可以擴展到保安、物業(yè)人員管理等；（5）城市管理者可以利用此平臺動態(tài)的制定應急處置流程，模擬疏散流程等等；（6）系統(tǒng)支持標準WebService、OGC服務和ArcGisMapService等資源的注冊和管理；（7）多節(jié)點，多數(shù)據(jù)源空間數(shù)據(jù)聚合技術；（8）系統(tǒng)提供豐富的的地圖查詢和出圖功能，滿足不同部門的業(yè)務需求。2.6系統(tǒng)應用系統(tǒng)主要應用于數(shù)字城市管理應用系統(tǒng)、數(shù)字海洋三維地理信息系統(tǒng)、房地產(chǎn)項目綜合展示系統(tǒng)、大型商場導購系統(tǒng)、三維虛擬社區(qū)系統(tǒng)、城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)、社會治安管理系統(tǒng)、城市交通管理系統(tǒng)、數(shù)字環(huán)保管理系統(tǒng)等九個部分。3三維數(shù)字城市景觀圖的建立方案Skyline是一套優(yōu)秀的三維數(shù)字地球平臺軟件。憑借其成熟的三維數(shù)字化顯示技術，可以將海量的遙感航測影像、數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)以及其他二三維數(shù)據(jù)進行集成進而搭建一個對真實世界進行模擬的三維場景［5］。美國的Skyline軟件是國外領先的三維地球可視化軟件之一，能夠為客戶提供一站式服務。Skyline進入國內(nèi)市場后積極參與三維數(shù)字城市建設和三維互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)服務，廣泛應用于城市發(fā)展的各個領域。在國土資源信息管理、地籍信息管理調(diào)查、三維數(shù)字城市建設、三維數(shù)字校園建設等方面都有成功的應用實例［6-9］。傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)大多基于二維數(shù)據(jù)結構，能直接表現(xiàn)的只有平面信息，而高度只是作為屬性信息關聯(lián)于其中。為更加逼真有效地再實現(xiàn)現(xiàn)實世界，三維可視地理信息系統(tǒng)以及虛擬漫游技術得到了廣泛關注，并已成功地運用到城市管理、環(huán)境保護、項目展示等眾多領域［10-11］。三維景觀圖以直觀的三維地形、地物代替了抽象的地圖符號,這就使得地圖超出了傳統(tǒng)的地理信息符號化、空間信息水平化和地圖內(nèi)容凝固化、靜止化的狀態(tài),進入了動態(tài)、時空變換、多維的可交互的地圖時代。同時,三維景觀圖的建立也使我們對地圖的認識方式發(fā)生了巨大的變化,并為各種空間分析創(chuàng)造了良好的條件［9］。目前三維數(shù)字城市景觀圖的建立方案大致有如下三種:一是直接利用傳統(tǒng)GIS中的二維線劃數(shù)據(jù)及其相應高度屬性進行三維建模,各建筑物表面還可加上相應的紋理,但采用這種方法只局限于平頂建筑物的三維重建；二是直接使用3D軟件,比如AutoCAD,3DMAX,美國UGA公司的UG軟件,用它們可以直接做出比較逼真的三維模型。但對于大范圍區(qū)域,如果每個模型都這樣重建不僅費時,而且也不實際；三是利用MultigenCreator虛擬現(xiàn)實應用軟件環(huán)境。該軟件具有簡單、直觀的交互能力,運行在所見即所得、三維、實時的環(huán)境中,它的每一種實現(xiàn)都包含了一個共同的用戶接口和一個適應特定平臺的特殊子系統(tǒng)。更重要的是它建立的三維模型尺寸較小,從而不會影響虛擬環(huán)境的實時性能。但其空間地理信息的表達功能欠佳,不利于建立高精度的數(shù)字城市基礎地理信息數(shù)據(jù)庫和基礎設施信息數(shù)據(jù)庫。利用數(shù)字攝影測量技術進行三維建模。但是該系統(tǒng)軟硬件投資較大,設備昂貴,不能為普通用戶所接受,因而難以普及［12］。本文提出基于Skyline環(huán)境下進行三維數(shù)字城市的制作。下面以蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)數(shù)字城市管理系統(tǒng)為例，利用三維建模軟件和Skyline系列軟件,基于大比例尺地形圖及航空數(shù)字影像圖來實現(xiàn)數(shù)字城市。4三維數(shù)字城市管理應用平臺案例4.1獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)簡介獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)位于蘇州工業(yè)園區(qū)南部，總占地面積10平方公里，其中3平方公里辟為研究生教育基地，將吸引8到10所國內(nèi)外著名大學在城內(nèi)設立研究生院或分支機構，主要從事研究生教育；3平方公里建設創(chuàng)業(yè)園地，吸引研發(fā)機構，探索創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式以及產(chǎn)、學、研一體化新機制；2平方公里為蘇州大學的新校區(qū)，建設蘇大理工學院；其余建設教學科研和生活服務配套設施。4.2蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)數(shù)字城市管理系統(tǒng)蘇州獨墅湖科教創(chuàng)新區(qū)數(shù)字城市管理系統(tǒng)基于三維數(shù)字城市管理平臺，既可以實現(xiàn)傳統(tǒng)二維GIS系統(tǒng)精確定位，又可以直觀的看到建筑、園內(nèi)設施等實景，同時集成視頻監(jiān)控、GPS定位、視頻智能分析等各類工業(yè)監(jiān)控技術，并融合通訊技術，實現(xiàn)科教創(chuàng)新區(qū)內(nèi)部件、事件的動態(tài)管理，及對區(qū)內(nèi)人員、設施的管理和維護(如圖4-1至4-4)。圖4-1數(shù)字城市管理系統(tǒng)圖圖4-2系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖圖4-3大屏幕顯示系統(tǒng)主界圖4-4Web系統(tǒng)主界面4.2.1科教創(chuàng)新區(qū)三維漫游系統(tǒng)可以按照指定路線漫游進行三維場景漫游，也可以按照建筑物分層模型漫游，同時可以實現(xiàn)三維漫游視角的隨意切換，便捷的圖層管理和鷹眼導航。通過建筑物定位，三維屬性信息查詢，則方便查看城市部件的屬性信息和三維建筑物各層的室內(nèi)結構、資產(chǎn)信息、商鋪信息、水電記錄和宿舍信息等（如圖4-5）。圖4-5科教創(chuàng)新區(qū)三維漫游圖4.2.2部件管理與事件管理部件管理是運用地理編碼技術，將城市部件制作成三維模型，按照地理坐標分布到三維場景中，通過網(wǎng)格化城市管理信息平臺對其進行分類管理。實現(xiàn)部件的分類查詢、定位及業(yè)務管理等（如圖4-6）。圖4-6部件管理圖事件管理實現(xiàn)了對手機等移動設備終端上報事件的查詢和定位，并可以啟動工作流（如圖4-7）。圖4-7事件管理圖4.2.3樓宇自控樓宇自控包括消防監(jiān)控、室內(nèi)傳感器監(jiān)控和建筑物的溫度、有害氣體濃度、排風機運轉狀況、空調(diào)系統(tǒng)等監(jiān)測數(shù)據(jù)以及門禁、巡更考勤等建設。對于樓宇自控的報警信息將被系統(tǒng)集成存儲在GIS平臺統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)報警信息的實時共享。同時，通過短信、彩信網(wǎng)關平臺，將報警信息和智能圖像分析報警的圖像在第一時間發(fā)送到工作人員的手機上，實現(xiàn)智能報警（如圖4-8）。圖4-8樓宇自控圖4.2.4GPS車輛跟蹤定位追蹤包括車輛定位和人員定位。利用科教創(chuàng)新區(qū)內(nèi)的3G網(wǎng)絡、車載GPS和移動終端等實現(xiàn)對15輛區(qū)內(nèi)班車和20位巡查人員的GPS定位和運行軌跡追蹤（如圖4-9）。圖4-9GPS車輛跟蹤圖4.2.5業(yè)務辦公業(yè)務辦公是集移動數(shù)字城管、商業(yè)設施管理、市政設施管理、智能監(jiān)測、智能報警和電腦語音呼叫等通訊網(wǎng)關等于一體的跨部門的協(xié)同辦公應用系統(tǒng)。對于這些應用系統(tǒng)，系統(tǒng)采用靈活的可定制的功能模塊管理，通過統(tǒng)一登錄入口，為不同權限的用戶實現(xiàn)不同的顯示界面（如圖4-10）。圖4-10業(yè)務辦公圖4.2.6地下管線（如圖4-11）圖4-11地下管線圖4.2.7智能報警報警信息實時滾動、報警提示、報警點自動定位（如圖4-12）圖4-12智能報警圖4.2.8應急疏散預案通過集成三維GIS、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡、通訊和多媒體等技術，高清晰衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)、重點建筑物三維模型數(shù)據(jù)，進行各種事故模擬仿真，為災前預警分析、災中緊急救助指揮調(diào)度、災情評估、災后重建提供輔助決策支持，提高對突發(fā)事故的處置能力（如圖4-13）。圖4-13應急疏散預案圖5結論與展望隨著城市社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，人口密度的增加和人口的流動性大，提高社會安定團結和加快民生建設等要求也越來越高，如何利用有限資源，展示城市精神和面貌，吸引更多關注，實現(xiàn)更大幅度的跨越發(fā)展，已經(jīng)成為城市的發(fā)展主題。三維虛擬仿真可視化以其強大的功能和廣泛的應用改變了城市規(guī)劃和建筑設計的表現(xiàn)形式,利用城市空間信息平臺建立一個逼真的、立體的、可交互的虛擬城市環(huán)境,可實現(xiàn)城市規(guī)劃的全方位、自動化設計理念,為人們在真實三維虛擬環(huán)境中輔助城市規(guī)劃提供了良好的技術條件和拓展空間。因此，可以