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三维城市模型在城镇地籍管理中的应用
来源：国土资源信息化 作者：白红梅 李彦峰 马照亭 发布时间：2008.08.22
0 引言
三维城市模型（Three一Dimensional City Model,3DCM）是指计算机对一个城市内所有固定对象的三维表达，是数字城市建设的一种重要框架数据。近年来，随着空间数据获取手段的不断提升和三维地理信息系统（3DGIS）软件的深入应用，利用自动或手工方式构建三维模型来表达现实世界的对象、对城市景观进行三维的模拟与仿真成为可能。近年来，3DCM已经成为3DGIS领域的一个研究热点，在城市规划、房产销售、公共安全、环保、通讯等方面发挥着十分重要的作用。由于3DCM和3DGIS在表达上的直观性，交互操作上的灵活性，数据管理上的强大性，越来越多的城市管理部门都在研究基于本部门业务的深层次应用。
1 研究现状
地籍管理是强化土地管理的基础性工作，历来是国家行政管理措施之一，是地政工作的重要组成部分。当前主流的地籍管理信息系统已由传统仅能管理属性数据的MIS和缺乏属性管理的CAD系统转变为基于GIS和办公自动化（OA）的图、文一体的办公信息系统，这种基于二维地理信息系统（2DGIS）的地籍管理信息系统能够针对城镇地籍发证工作实现对宗地空间位置的测定、权属信息的查询、宗地图的输出等功能。但2DGIS将现实世界的三维对象抽象表达为二维实体，必然丢失其固有的一些特性，导致了信息传输和分析的歧义与错误。
以地籍管理信息系统输出的宗地图为例，在我们日常的城镇地籍管理中，因宗地图在面积、界址上引发的纠纷屡见不鲜。宗地图主要反映的是现实世界中某一宗地的基本情况，包括宗地权属界线、界址点位置、宗地内建筑物位置与性质，与相邻宗地关系等。目前的地籍管理信息系统最终只能提供给民众一套以二维平面图表示的宗地图，如图1所示。这类宗地图是制图人员根据地图学的知识，经过对现实世界抽象、概括、符号化后展现的成果。认识二维宗地图需要专门的地图学背景，普通民众需在专家的指导和解释下才能理解。一张宗地图凝结了外业人员的现场测绘、权属调查，内业人员的数据整理、符号编制、排版制图等多项辛苦的工作，更关系着权属人的用地权益。但以二维线划和平面符号形式表达的宗地图，一方面因为线条简单、不能给人以自然界的本原感受而遭遇忽视和误解；另一方面，二维宗地图在界址点表达上的不直观也容易导致土地纠纷。
3DCM能够以三维形式描绘真实空间的遮挡、立体交互关系，并能以不加任何抽象的形式直观表现地形、道路、建筑、围墙及其周边环境，3DGIS能够管理并可视化多维数据（比如数字高程模型、纹理、图像、符号、仿真结果）。如果能将先进的三维地理信息系统技术引入到地籍管理中来，将界址点的位置标注在3DCM上的相应位置，可以实现对宗地的形象化管理，避免许多因界址不明、歧义导致的土地纠纷。
2 3DCM应用于地籍管理的流程
为了避免使用二维宗地图给国土测绘和地政管理工作带来的不必要的麻烦，我们尝试引入3DCM来管理城市的地籍管理工作，其工作流程如图2所示。相对于传统的工作流程，新流程仅在现场勘测和内业制图中增加了三维数据的采集和3DCM的制作工作，具体阐述如下。
2.1 现场勘测
国土资源部门针对城镇建设项目用地的现场勘测包括两个阶段：前期的勘测定界是指对采用征用、划拨、使用等方式提供用地的各类建设项目，实地划定土地使用范围、测定界桩位置、标定用地界线、调绘土地利用现状、计算用地面积以供土地管理部门审查报批建设项目用地的测绘技术工作。此阶段遵循“接受委托-查阅有关文件及图件-现场踏勘-实地放样-界址测量-面积量算-编绘勘测定界图”的流程。后期的现场测绘工作是在用户取得土地使用权后领取土地证时进行，是对前期勘测定界图的复核与验证，并编制具备权威信息（权属人、宗地面积、界址点位置等）的宗地图。以3DCM形式制作三维宗地图在上述两阶段工作的基础上进行，除需得到本宗地及其周边的底座信息外，还需补充测调以下内容：l）本宗地及周边建筑物、围墙等的高度数据；2）本宗地及周边环境（河流、道路、路灯、树木等）的纹理数据；3)本宗地及周边地块的权属信息。
2.2 3DCM的制作
根据空间数据来源（获取方式、表达形式）的不同，三维城市模型可以使用多种不同的制作模式。在我国的多数城市，国土或规划部门以数字线划图形式管理、维护和更新着大比例尺二维矢量数据，因此成为3DCM制作的主要数据来源。国土部门在宗地图中使用3DCM，其目的是真实再现宗地及其周边的现实情况，达到几乎与亲临现场同样的效果。因此对宗地内及周边3DCM制作时不能采用示意性纹理、火柴盒状简易模型的自动化生成方式，而要依靠三维建模型工具对其进行详细的构建。
应用于宗地图的3DCM制作时以现场实测的地籍图为底图，使用全站仪测定的建筑物、围墙的高度，使用数码相机拍摄宗地及周边的外观纹理数据，在3dsMax、creator等三维建模型工具中进行分类制作。具体3DCM的制作过程这里从略，但制作时应遵循以下原则：l）真实坐标原则，道路、河流、绿地、建筑物、围墙、界址点、界址线等对象严格按二维地形图的底座坐标来构建三维模型。2）合理取舍原则，由于计算机处理能力和模型制作成本的局限，要重建宗地周边所有地物的全部细节信息往往是不现实的。因此，建立的二维模型应该在表达对象特征的前提下，简化不必要的细节信息，保留甚至夸大最能代表地物显著特征的部分。3）模型、纹理简化原则，在保证模型几何形状和纹理外观的前提下，尽量减少模型使用的三角面片数量和纹理的尺寸，以提高3DCM在可视化软件中的运行效率；尽量使用纹理来弥补几何模型里所表现不出的详细信息，丰富几何图形的细节和材质属性。
此外，道路、河流等地物对象涉及范围较广，可一次制作一条街道或河流，供不同的宗地管理使用；路灯、树木只需根据其沿道路分布的情况，制作不同样式的真实三维符号即可：经过长期积累，可以形成一个城市共用的模型库、符号库、纹理库。中国测绘科学研究院的快速建模软件NewMap 3DBuilder可以根据实测二维底图、模型库、符号库、纹理库以及模型生成规则和对象属性实现自动构建绿地、围墙、树木、道路附属物等对象，能在一定程度上提高城市整体建模的效率。针对晋中市某一宗地及周边建立3DCM的效果如图3所示，左侧为本宗地在现实世界中的情况。
2.3 3DCM的可视化与管理
中国测绘科学研究院的三维地理信息系统软件(NewMap 3DGIS）可以导人3ds、flt、obj等通用格式的三维城市模型数据，并可以实现模型数据的三维交互浏览，如漫游、旋转、缩放、沿路径飞行等。此外，由于3DCM具有与实地完全一致的空间坐标，工作人员能够在三维场景中直接读取界址点位的三维坐标，量取界址线圈定的宗地面积等。
多项宗地制作完成后，NewMap 3DGIS软件还提供了基于关系数据库的模型数据和属性数据一体化管理功能。用户可以实现基于宗地名称、权属信息的查找定位功能，即输人某一项宗地的名称或权属人姓名，可以在全部宗地中快速定位符合条件的三维对象。在三维场景中选择一个对象后，单击鼠标右键就可以查询此宗地的用地性质、占地面积、权属、使用年限等信息。在NewMap 3DGIS软件中统一管理多项宗地并查询宗地属性的界面如图4所示。
2.4 制图输出
NewMap 3DGIS软件另外一个实用的特色在于它能提供高分辨率的制图输出功能。在软件中导入一项宗地的三维城市模型，调整合适的观察角度，软件可以实现相当于当前屏幕分辨率2~16倍的输出精度，完全可以满足大幅面图纸打印输出300dpi的像素需求。
为了让人们在三维宗地图上充分了解此宗地的实地情况，达到与亲临现场同样的效果。制图输出时应首先选择一、两个对宗地及其周边总体情况有所把握的视角输出较高精度的图像；再根据宗地的界址点分布情况有重点地输出各界址点附近的局部三维效果图，相比前述图像，这些图像起着参考与辅助作用，其输出精度相对于前者可以有所降低。
3 应用效果
在上述研究工作的基础上，基于现场勘测的三维数据和数码相机获取的宗地周边图片，经图像剪切、纠正后在模型制作软件3ds Max中构建了某宗地的三维城市模型及界址点模型。将这些模型导入NewMap 3DGIS软件，可以实现本宗地在软件的浏览、查询，量测等管理工作。制作三维宗地图时，调整合适的角度，先输出宗地的总体效果，再针对界址点的分布情况有重点地输出部分界址点附近的局部三维效果图。为了与前期工作的衔接，同时将传统的二维宗地图经布局排版放置合适的位置。最终输出给用户的宗地图效果如图5所示。经过近3个月的实践，用户对三维宗地图的认同感普遍高于传统的二维宗地图。三维宗地图的推广使用，增强了民众对国土测绘和地政管理工作的理解，减少了宗地纠纷，值得广大国土部门借鉴使用。
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