上海实践:实景三维锻造超大城市精细化管理利器

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实现“科学化、精细化、智能化”的城市治理,需要空间地理数据向“全域、全息、全空间、多维、高频”推进,实现物理世界的数字孪生。上海市早在2000年就开始探索城市三维地理信息系统(GIS)的建立,随着计算机软硬件的技术发展,经过十多年的积累,于2012年全面推动地理信息网络化应用,形成了以城市三维模型为典型的多维度地理信息服务。2017年,上海市率先开展新型基础测绘试点工作,进一步形成了全空间的城市实景三维生产体系和产品系列。当前,上海市测绘部门围绕市政府“五个新城”(嘉定、青浦、松江、奉贤、南汇)的建设要求,正全力推进高精度全息测绘,将形成全市约一万五千多公里道路、覆盖近两千平方公里的城市实景三维成果。

形成“四全”空间数据模型


“实景三维是新型基础测绘标准化产品,它通过对物理空间进行数字化、实体化、结构化和语义化的三维建模,支持人机兼容理解和物联实时感知数据的挂接,实现数字空间与物理空间精准映射和相互赋能。”上海市测绘院首席专家顾建祥介绍说。

上海市在实景三维建设中形成了以地理实体为核心的“四全”空间数据模型。

一是全空间。

该模型突破传统 GIS以地球为参照的地理空间范畴,将空间信息的尺度扩展到微观和宏观空间,在空间维度上实现全要素覆盖。

二是全类型。

该模型能够描述和表达现实世界中的各种有形和无形的实体类型,包括静态和动态的物体、现象、过程、事件等;在信息表达维度上,能适应智慧城市各种场景表现。

三是全时态。

该模型对应的每一个实体都可以是动态的(包括位置、属性、形态、行为等),具有其存在的生命周期;从时间维度上,实现多时态覆盖。

四是全属性。

该模型是实现地理实体与经济社会属性数据(包括人、车、物、事件)及其他数据的深度融合,全方位地描述表达高精度的二三维一体的地理信息空间模型。

“开展实景三维建设与传统测绘相比,最大的变化是由从测绘视角进行数据建模转变成从应用视角按需多细节多层次建模。”顾建祥说:“例如,传统测绘中对于道路只需要把两条边线画出来,但是在城市管理中这样的地理信息就不够用。从政务应用视角出发,我们必须把道路的覆盖面做出来,到了十字路口还要再单独构一个面。在新型基础测绘中,除了基本的道路要素,道路上用于辅助交通管理的斑马线、停车位等都要做出来。”

“天空地网”全息采集


据介绍,开展实景三维建设,数据生产方式也发生了改变。和传统的全野外数字化、航空摄影和以人工采集为主的数据生产方式不同,其数据生产融合了测地卫星、航空倾斜摄影、移动测量、探地雷达等多传感器,采用互联网的“天空地网”一体化空间信息获取技术以及人工智能、大数据、物联网等技术,实现了地理空间数据智能提取和智能建模升级。

上海城市实景三维建设以“全息实体,应采尽采”为目标,通过新增采集要素,扩充要素的属性等方法,突破传统地形标准的框架;基于人工智能(AI)的要素提取,最终可形成基于地理实体的全息数据采集体系,解决数据采集完整性的问题以及城市空间和管理要素的全覆盖问题。

数据提取时,其生产方式采用综合特征工程与深度学习功能,实现了道路部件实体高精度半自动提取;在地理实体构建中采用基于概略图形的地理实体智能构建技术和基于空间相似性和语义相似性的地理实体智能构建技术,实现了地理实体的高效构建和多源异构业务信息融合,显著提高了生产效率。

数据成果也从传统的形式单一、依比例尺、二维产品或是以可视化表达为主的三维产品向非比例尺、结构化、实体化、可计算、可提供按需组装服务的“1+5+N”的实景三维成果转变,并减少了外业的工作量;以需求为导向实现各类要素按需组装和自动综合,提供多样化地理信息产品,形成了一次采集、多种成果的特点。

其构建的基于地理实体的空间数据库,从服务粒度上,既可以提供各种地理实体的查询、浏览、统计与分析等服务,又可在线获取与导出相应的地理实体数据;从服务对象上,提供面向不同行业的按需组装服务,进一步实现由传统的格式化服务向“一库多能、按需组装”的实时在线的智慧服务迈进。

动态更新让数据活起来


数据更新上,上海市改变以往测绘成果更新入库主要通过年度方式,保持数据服务的现势性,满足各行业对于数据的动态更新需求。

在实践中,上海市形成了基于政府管理的地理信息实时更新机制,即“多测合一”;基于遥感影像的地表覆盖变化发现机制,实现地表覆盖(包括建筑、植被、水系等要素)的周期更新;与互联网企业合作进行数据交换、信息共享、众包等方式,驱动基础地理数据实时更新。

数据融合上,基于虚拟现实融合技术,使用者可以将静态三维模型和动态实时视频相融合,在观看视频画面的同时感知三维视角和空间位置,从而增强视频数据的三维空间“沉浸感”。

“上海国际旅游度假区市政设施运维管理系统”是一个典型的区域型实景三维成果应用典范。打开系统,任意选择度假区内的一处摄像头,本来只能静止的马路上会出现来往穿梭的车辆,给静态的三维场景赋予了真实感。

在高点虚拟视角下,如果使用者同时拼接融合多路实时视频,可以让整个区域“活”起来,从宏观上掌握该区域的整体态势变化,对于指挥调度有很大帮助。

据上海市测绘院技术人员介绍,通过虚拟三维场景可以方便地获取摄像头的覆盖范围,再通过多路摄像头的部署和汇总融合,完全可以对特定区域乃至更大范围的地域形成三维融合视频全覆盖,结合人脸、车牌识别等技术,可以在新冠肺炎疫情防控期间完整的在地理信息场景里面回溯出一条流动轨迹。

数据表达上,根据不同层级城市管理者所关注的城市对象不同,分别呈现大场景、中场景和小场景三种类型。其中,大场景是城市、长三角级别的场景,重点展现城市的整体概貌,属地形级实景三维的呈现。中场景是城市区一级的场景,可展示比大场景更多的细节信息,属城市级实景三维范畴,在网格化管理的应用中也可以涉及部件级实景三维信息。小场景是对街镇、园区、小区、商业楼宇级别的场景展示。

赋能精细化管理


上海拥有近1.3万座玻璃幕墙建筑。通过实景三维城市成果的支撑和其他物联感知信息的接入,上海市相关部门在大屏上实现了玻璃幕墙的精细化管理。如何管理这些玻璃幕墙?

进入上海市住建委的小城云管理系统,大屏的中央地图上展示了上海所有玻璃幕墙建筑的分布,通过实景三维模型直观地展示玻璃幕墙位置和形态。点击具体建筑,可呈现内容翔实的“档案”,包括地理位置、大楼年龄、幕墙结构、维保记录等方面共几十项数据。使用者通过智能算法模型对这些基础档案信息和物联感知设备实时监测数据的反复演算,推导出可能存在隐患的楼宇,赋予红、黄、绿三种风险等级颜色在中央地图上直观展示出来。其中,黄色和红色的建筑将受到重点关注,由线下工作人员进一步排查核实,及时发现玻璃幕墙潜在的各类隐患。

这是实景三维应用于上海城市精细化管理的缩影。如今,在城市规划领域,规划部门可在城市全要素实景模型基础上,把规划指标立体化,进行方案比对,不仅能够提高城市规划决策水平,也能提升建筑设计融合度。上海市目前已在黄浦江苏州河沿岸等重点区域以及市区会审项目方案研究与审批过程中,开展了三维规划辅助决策,有效提升了上海市重点地区整体规划水平。

在交通领域,智慧交通通过移动测量系统等多源传感技术高精度、全要素获取道路、停车场(库)等空间信息,形成语义化的全要素实景模型和高精地图,可为社会提供更加精准的定位导航服务,为交通管理部门疏导车流、缓解交通拥堵提供了实时信息。

“按照确定的建设思路和技术路线,形成的成果基本实现了我们开始就坚持的能用、好用、爱用理念。”上海市测绘院地理信息管理与应用处处长毛炜青说,目前,上海已有多个部门或行业在实景三维的数字底座上生产出了新的产品,成为精细化管理的利器。


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