智慧园区三维数字化建设的创新设计研究.pdf

特 色 产 业产业创新研究 2023.6 第12 期82作者简介：周文婷，女，贵州贵阳人，副高级工程师；研究方向：数字工程应用。智慧园区三维数字化建设的创新设计研究周文婷 郭 锐（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州贵阳 550081）摘要：智慧园区建设是将人、事、物、地等园区管理要素以数据采集、智能感知、实时传输、动态管理、模拟仿真、有效应用等方式进行处理。通过三维数字化方式，将实际场景以三维的方式呈现出来，并为后续的管理工作提供可靠参考，进而保证园区业务及信息资源的有机融合，实现精细化管理、智能化布局的目的。本文分析了三维数字化建设技术在智慧园区的实际应用，以及合理的园区建设方案，以期实现园区全过程、动态化的运营管理。关键词：智慧园区；三维数字化建设；创新设计研究一、引言互联网信息时代的不断发展，使得人工智能、5G、物联网等全新的技术得到了广泛应用，利用三维数字化方式对实际场景进行全面管理已经逐渐成为现实。园区作为整个城市的发展缩影，应当着重提高其智慧化、自动化、精细化特质。智慧园区的建设使得园区运营管理工作逐渐朝着可视化、可量化的方向发展，满足全新经济发展背景下的转型升级需要，多种新型信息技术的引进，使其具有一定的智能化、信息化特质，实现了多角度、全面性管理，促进智慧园区的平稳、高效运营。二、需求分析一方面，需保证园区的合理规划，避免出现急于表现、盲目施工等问题，并注意保证园区的功能化、特色化、结构化、生态化特征，实现各类管理资源的优化配置。相关人员需要从全生命周期的角度进行考量，避免出现各类安全问题。从实际情况来看，大部分园区引进了较为先进的智能摄像头及传感器等设备，但存在资金花费大、覆盖面积有限、报警体系不配套、事前干预未落实等问题。由此，相关人员需要围绕以上问题，有针对地创建可真实还原园区情境的数字基座，并以此为基础完成后续的布局设计、规划配置等作业。另一方面，也应当注意提高园区整体智能检测能力，重点对资金投入、检测覆盖、及时预警等方面进行处理，尽可能实现对监测管理工作的全过程、全要素数字映射、模拟，并使其进一步完成方针运行、优化升级、虚实交互，为智慧园区的建设工作提供可参考的工作思路1。三、三维智慧园区方案设计三维智慧园区在开展系统设计工作时，应当以可靠性、标准化、实用性、高效安全为主要原则，坚持服务、管理、应用等不同功能的独立性，在保证其扩展性及灵活性的条件下，对收集到的各类数据进行整合、管理、共享，并参考模型效果、场景效果、渲染效果等因素，合理选择可行的三维GIS 数据管理平台，保证满足不同功能、场景的使用需要。（一）设计技术路线三维智慧园区的逻辑架构包含规范政策机制、支撑层、数据层、服务层、应用层五个模块，其中支撑层主要包含网络数据库软件、二三维 GIS 软件、操作系统、服务器等基础设施，可为平台运行提供设备支撑。数据层则包含 GIS 及业务数据库，数据源是指地理信息数据、模型数据、业务数据等，平台可对数据源进行调取、处理，并最终存储在数据库中。服务层主要包含 BI 及地理服务接口，可为各不同场景的仿真、管理工作提供数据支撑。应用层则包含招商引资、园区规划、精细管理、智慧工地等创建三维智慧园区需要的各类情境，涉及园区发展的全流程。（二）三维 GIS 平台选型1.浏览器三维控件技术方案。浏览器三维控件技术方案实际上就是在浏览器端口处加装第三方控件，并以此为基础对数据进行下载、渲染，具有扩大浏览器资源调动能力的优特 色 产 业INDUSTRIAL INNOVATION 产业创新研究83势，可直接运用 Direct3D 三维绘图编程接口及 OpenGL 开放图形库，使得原本无法开展三维渲染作业的浏览器可流畅运行相应程序，保证了三维运行效率。但其缺点在于配套的三维运用系统仅适用于 IE 浏览器，无法与其他浏览器兼容。由此，相关人员在使用此种技术方法时，应提前安装相应的运行环境，将极大降低用户的使用体验感。另外，由于 IE 浏览器具有一定的使用权限，因此无法满足程序运行的需要，在数据处理量较大或内容过于复杂时，极易出现卡顿等问题，且这一问题无法通过优化程序进行解决2。2.WebGL 技术方案。WebGL 即网络图形库实际上就是一类三维绘图协议，可适用于任何种类的 Web 浏览器，并以交互式二、三维图形的方式呈现出来，用户不需要另外加装插件。WebGL 可将硬件三维加速渲染工作融入网页的上下文，并利用 GPU 终端图形处理器构建并展示流畅的三维园区场景模型。WebGL 技术的发展实现了现代浏览器的三维渲染，并不需要额外使用拓展插件，保证了系统的可维护性及跨平台能力。现阶段，随着用户的使用需要不断提高，WebGL 技术方案迎来了极大的发展机遇，但受到 WebGL 技术自身因素的限制，使其无法满足本地应用的需要，应对该技术进行进一步的优化升级。3.流媒体技术方案。流媒体技术方案主要是在云游戏的基础上进行优化得到的，其本质是在线视频流，具有一定的交互性特点。在云游戏的运行方式下，游戏可直接在云端服务器上运行、渲染，并将最终得到的画面或指令在压缩后利用互联网传输给用户。该技术方案就是将三维应用以流媒体的方式传送至展示前端，并突破浏览器、系统等不同构件的限制，可随意调用本地计算机的各类数据信息资源，有效提升三维渲染工作效率。利用流媒体技术方案进行设计的缺点在于对硬件设备质量要求较高，需要采用外加显卡或搭建集群等方式满足客户的使用需要。需要注意的是，用户端渲染工作的清晰度及流畅性在一定程度上会受到网络延迟到影响，最后导致客户端交互缺乏稳定性。4.三种引擎比较。从实际应用的角度进行分析，可从以下几方面对以上三种不同技术方案的三维引擎优缺点进行对比分析，最终分析结果如表 1。表 1 三种引擎对比方法模型效果场景效果渲染效果浏览器支持硬件要求用户支持度三维控件技术较好好快仅支持 IE无多用户WebGL 技术好良快现代浏览器无多用户流媒体技术较好丰富较快现代浏览器GPU少量用户通过比较分析可知，三种技术方案各有优缺点，相关技术人员需要综合不同用户的实际使用需要及场景的限制灵活选用不同的设计方案。一般来说，浏览器的三维控件方案更适用于大型及中型场景，在 Mesh 倾斜摄影网格模型及表达精模等方面具有较为良好的使用优势。WebGL 技术方案则更适用于宏观及微观数据展示工作中，在 3Dtiles 三维模型瓦片及 Mesh 倾斜摄影网格模型展示方面具有一定的限制。流媒体技术可支持大型场景，但实际资金花费较高。从实际情况进行分析，园区属于中小场景，采用智慧园区的建设方式可保证园区规划的全覆盖性、全生命周期特性，并满足 GIS业务的使用需要，支持多用户同时开展访问工作。由此，现阶段主要可采用 WebGL 技术方案的方式建设三维 GIS 平台，以满足三维智慧园区建设、管理需要3。四、三维智慧园区的实现（一）数字底座设计三维智慧园区的建设应当充分考虑桥梁、道路、建筑、绿化、地下管线、基础设施等是否满足实际使用需要，有效整合园区的各项地理要素，实现其结构化、非结构化数据的统一处理。1.实景三维场景。相关人员可利用无人机航拍进行倾斜摄影，以航拍申请实地勘测布设像控点设计航线正式拍摄为主要作业流程，获取相应的倾斜影像并对其数据进行处理、解算、优化、建模、精修，最终得到具有超高精确度及分辨率的三维模型。模型需要覆盖园区地形、建筑、绿化、道路、配套设施等各类要素，直观展现其外部场景特性。2.建筑物室内结构。技术人员可利用激光点云技术或BIM 技术对各要素的内部构造进行仿真模拟，使其具有一定的可视化特性，并实现数据协调模拟、功能优化升级等作用，有效弥补倾斜摄影工作不深入、无法获取内部数据等不足。3.地下管线模型。相关人员需要及时收集并整合当前园区内关于地下管线施工、竣工的资料，如给排水、供电电缆、燃气电缆等。可依据各管线的实际特征，从材质、属性、位置等方面进行信息映射，并生成地下管线模型。地下管线在开展三维建模期间，可利用倾斜摄影，获取其高程DEM 数据，并利用相关程序与地面数据进行匹配，实现地下及地上三维模型的有效连接。4.城市部件模型。对于园区内部的城市部件，相关人员需要从内、外业检测两方面，获取相应的城市部件位置信息，可依据不同使用需要灵活选择二维、三维、单位建模等多种表现形式，并利用倾斜摄影的方式进行叠加展示。从实际情况进行分析，城市部件主要可划分为园林绿化、市容环境、公共、交通、其他五类设施。5.公共专题信息。综合外业调查及电子地图相关数据，可定期对园区内部的企业、住宅、医院、商场、学校、公交等位置及园内地名、地址等信息进行梳理及整合，并收集如住建、环保、交通、资源、文化、水利、旅游、教育等行业的信息，保证数据采集的全面性。特 色 产 业产业创新研究 2023.6 第12 期846.感知检测信息。需要对重大工程传感器、路口监控视频、监控电子眼、交通信号灯、充电桩等设备信息进行全方位掌控，并与当地污水口监测站、气象监测站、环保监测站开展数据对接，重视园区内的气候、空气、水质等问题4。（二）平台功能设计1.多源信息集成。大部分园区尚处于初级发展阶段，部分建筑物、便民设施、道路建设等需要进一步完善，利用平台可收集如传感数据、二维矢量、三维模型等不同类型的信息，并利用多样化的存储管理方法，建设一体化空间数据存储平台。该平台可利用物联网等相关知识，实现数据的有效感知、动态汇聚、监测管理，并形成人流车辆、交通安全、视频监管等数据，同时对园区内建筑耗能、设备运行等信息进行读取、融合，为安全园区、绿色园区、智慧园区的建设提供数据支撑。2.二、三维可视化场景。利用三维 GIS 数据平台，可对电子地图、传统矢量、专题图层等进行展示，并满足 360 可量测街景数据、人工建模数据、倾斜摄影模型、地下管线模型、场地数据、单体模型等不同精度数据的融合展示需要，重点突出 GIS 大场景数据、BIM 小场景数据及物联网的数据感知、继承能力，实现全面性、多角度的场景无缝建模。除此之外，该平台也可进行二、三维数据加载展示，同时具有飞行鸟瞰、场景管理、标绘交互、可视化渲染等功能。3.二、三维空间分析。在三维场景模型中，通过平台可获取如空中距离测量、垂直距离测量、水平距离测量、经纬度测量、长度测量、高程测量、面积测量等基本数据。同时利用 GIS 平台也可以对三维数据进行淹没、DEM 土石方、缓冲区、剖面线、通视、日照、可视域、天际线等数据的整合分析，如图 1 所示，提升其空间分析能力。4.园区资产管理。针对行业专题数据、二三维地名地址、POI 数据等资源，GIS 平台系统开发出在线查询功能，可对模型、组合、关键字等进行查询，并对得到的结果进行快速定位、信息调阅，进而了解园区内如住宅区、停车场、道路、景区等场景的实际信息，并综合车辆、物资、房屋、人力等资源，对园区内的特殊物料、设备、资产进行 24 小时全天候跟踪管理。图 1 二、三维空间分析5.园区规划仿真模拟。三维 GIS 平台的应用，可对现有空间底座上的相关数据信息进行叠加比较，并利用三维渲染、动态仿真等方式进行灵活规划，体现出园区的大体设计样貌，及时发现、排除各类隐患问题，避免较为严重的损失及影响。相关人员可利用平台从多个角度对规划蓝图进行展示、对比，帮助相关施工人员可较为直观地掌握并调整园区建筑规划，保证整个园区规划方针模拟工作的成效。当需要对同一项目的多个设计方案进行切换对比时，需要开展双屏或多屏同时对比，并对其规划方案及结果模拟进行可视化展示。相关人员可较为直观地展示各方案优缺点，实现设计方案的进一步优化。另外，从地下管网密度、环境及生态、人口分布等角度进行综合分析，可保证整个园区规划仿真设计的合理性、可行性，便于开展后续的分析、判断、优化工作，避免出现片面化问题。6.感知信息监测预警。智慧园区的建设工作需要保证满足各业主的实际生活、工作需要，提升管理工作的便利性及统一性，融合当前互联网信息技术的优势，提升园区的智能化、集成化管理服务水平，实现公共设备监控系统、安全防范系统、物业管理系统、通信网络系统的统一融合。需要保证 GIS 平台具有公共广播、门禁控制、综合报警、视频监控、监听对讲等功能，并通过综合管理，统一协调资源，实现信息资源的互联互通，保证智能管理园区的治安成效，做好事前预防、事中管理、事后分析工作，对各类风险隐患问题进行提前预知、防范、示警，有效提升智慧园区的应急处理能力，保证园区内广大群众的生命及财产安全5。五、结语数字孪生、智慧园区等建设工作的逐渐深入，实现了园区的经济化、智能化管理，三维 GIS 技术成为当前应用广泛的关键技术之一，在智慧园区的建设中具有极为广阔的发展前景。本文对智慧园区建设中适用的三维模型及三维控件进行了分析，并从数字底座设计及平台功能设计两方面入手分析其实际应用，实现微观与宏观、动态与静态的融合发展，使得智慧园区具有全局可视、精细管理、推演仿真、检测预警等优势，促进整个园区的健康、可持续发展。参考文献：1 董明泽，王冕，李婷娜.基于BIM与3DGIS集成的智慧园区规划与管理J.电子技术与软件工程，2021（24）：176-180.2 陈玥，吴晓晖，张丽娟，等智慧园区的发展与现状 J.智能建筑，2019（01）：49-50.3 张汝石.智慧园区总体架构设计探讨 J.智能建筑，2019（12）：59-62.4 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