摘要
本研究基于SU三维建模技术的ArcScene数字社区可视化，旨在通过地理信息技术与三维建模技术相结合，实现社区管理信息系统的数字化与可视化。本研究结合了实景数字社区概念并应用于社区管理，利用组件式GIS技术和SketchUp软件与ArcScene相结合的三维建模技术，以展示和管理社区内的空间地物数据。本研究还介绍了三维模型建立的过程，其成果包括对哈尔滨市南岗区燎原街道水利社区的三维建模及场景漫游、实景社区管理信息系统的功能分析及UI界面设计、GIS空间分析技术在实景数字社区建立的应用等，实现了对社区的空间信息和数据信息的综合展示与管理。未来的研究可以进一步完善数字社区的功能和用户体验，提升社区管理的效率和便利性。
关键词：ArcScene；SketchUp；数字社区；三维建模；三维可视化
ABSTRACT
This study is based on ArcScene digital community visualization using SketchUp 3D modeling technology, aiming to achieve digitalization and visualization of community management information systems through the combination of geographic information technology and 3D modeling technology. This study combines the concept of real-life digital communities and applies it to community management. It utilizes component based GIS technology and 3D modeling technology that combines SketchUp software with ArcScene to display and manage spatial feature data within the community. This research also introduced the process of 3D model building, and its achievements include the 3D modeling and scene roaming of Liaoyuan Street Water Conservancy Community in Nangang District, Harbin City, the functional analysis and UI interface design of the live community management information system, the application of GIS Spatial analysis technology in the establishment of the live digital community, etc., realizing the comprehensive display and management of the spatial information and data information of the community. Future research can further improve the functions and user experience of digital communities, and enhance the efficiency and convenience of community management.
Key words: ArcScene; SketchUp;Digital community;3D modeling;3D visualization
第1章 绪 论
1.1 研究背景
近年来，在“新基建”的发展背景下智慧城市已成为国内各行业争相入局的重点领域，而作为智慧城市范畴下的一个重要产业发展方向，社区已成为新型智慧城市建设的主要末端。数字政府、数字社会、数字经济和数字基建加快发展，新型基础设施日益完善，为社区数字化转型提供了有力支撑[2]。加速数字化转型，这既是时代发展的趋势，也是我国社会发展的必然。
在传统社区管理中，存在着资料分散、存储方式单一、管理方式落后等问题，导致社区要素无法有效直观地展现[3]。此外，缺乏统一的数字社区标准体系以及数据孤岛现象的存在，进一步限制了信息共享和满足需求的能力[4]。而以上社区治理层面的问题若长久不能得以解决，则会导致空间集约利用不足、服务设施矛盾突出、社区治理粗放混乱等更严重的问题产生[5]。为克服这些问题，则需更科学化、精细化、智能化、场景化地对社区加以治理。
随着测绘和计算机技术的进步，数字社区领域中对地理信息的应用越来越受到学术界的欢迎[5]。GIS在数字社区管理中所起到的最重要的作用就是提供组件式GIS技术、三维实景展示、交通路网分析等技术支撑。例如，通过将Sketch Up软件与Arc Scene软件相结合，可以有效地展示和管理社区内的空间地物数据，包括二维平面数据和三维立体数据[6]。从而达到数字社区可视化，为社区管理者和居民提供更直观、全面的社区信息展示，促进社区管理的现代化和智能化发展[7]。三维数字社区的可视化研究与应用，旨在改善传统社区管理方式的局限性，提高社区管理的效率和便利性，弥补传统社区管理信息系统的不足，为社区管理者和居民提供更好的用户体验和信息获取途径[8]。
1.2 研究意义
数字社区可视化研究与应用具有以下重要意义：
改善社区管理方式：相较于传统社区粗放、被动的治理方式，数字社区可视化的治理手段可针对社区内不安定因素及风险隐患加以预警，对重点人员、重点场所实时监控[9]。同时对社区运行数据进行深度挖掘与应用，提高社区管理的时效性及决策力。
促进智慧社区建设：针对传统社区管理存在的基础设施建设水平参差不齐，缺乏统筹规划等问题，可利用GIS与三维建模技术结合对社区进行3D设计修正及模拟建造，完成对社区空间信息全面管理以及场景设计的工作[10]。同时，数字社区技术所具备的智能数据获取与分析计算功能，可解决数据采集低效滞后，数据更新不及时等问题，为智慧社区的规划、管理和决策提供支持，推动社区的现代化和智能化发展。
推动信息共享与合作：数字社区管理系统的建设促进了社区内部和社区间的信息共享与合作。通过建立统一的数字社区标准体系，避免了数据管理混乱，缺乏统一标准等问题，不同社区之间可以更方便地共享数据和信息资源，避免孤岛数据现象的出现，促进跨区域的合作与交流，实现资源共享和优势互补[11]。
提升居民生活品质：数字社区可视化使居民能够以直观的方式了解社区的各种地物要素信息[12]。居民可以通过智慧社区系统实现监管来访社区人员、查询物业服务信息、了解社区周围交通路网概况等功能。以上举措解决了传统社区通行便利不足，便民利民服务缺失，社区安全私密性不良，弱势群体关怀服务不善等问题，提升了居民对社区管理的参与度和满意度，为住户提供了更良好的居住体验。
通过对当前影响数字社区技术发展各种因素的研究可见，数字社区可视化研究与应用具有重要的实际意义和推动作用。通过优化社区管理方式、促进智慧社区建设、推动信息共享与合作、提升用户体验等优势，可以为社区管理和居民生活带来诸多益处。
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国内研究现状
自上世纪八十年代以来，“城市规划管理信息系统”开始在我国不少城市使用，随着GIS技术、MIS技术等的发展和推广，更多的城市将地理信息技术与城市规划及管理技术相结合，并投入到城市的规划设计和管理服务的使用中[6]魏成钢。在新基建的推动下，新型智慧城市建设正迎来新的发展阶段，三维数字社区作为新型智慧城市建设过程中的主要单元，拥有丰富的创新技术应用场景[14]。与此同时，全国范围内智慧社区建设热潮的开启，也打开了智慧社区行业的广阔发展前景，据《2021-2026年中国智慧社区行业发展前景及投资风险分析报告》数据显示，2020年我国智慧社区规模为5405亿元，同比增长约19%，预计未来我国智慧社区市场规模将破5800亿元[15]。
国内学者对三维数字社区构建的研究可分为两类：一是针对数字社区的实景模型搭建、多平台交互应用、系统设计与开发等技术的研究与应用。如国内学者李麟(2010)着重分析城市数字社区的综合管理需求，对数字社区信息管理系统进行总体设计，应用RIA开发技术、ArcGIS Server地图服务平台，使用.net和C#开发语言实现系统的设计[16]；宋毅(2012）运用三维GIS技术，对数字社区进行三维可视化的信息管理系统的设计，实现了多种技术的融合应用，具有较强的实用意义[17]。二是综合考虑多种如行政要素、管理要素、地域要素等影响因子而对国内数字社区规划与应用的研究。如国内学者张啸雷(2010)在数字社区的建设方面进行研究，他从社区信息化模式的主体出发，将国内的数字社区管理模式分为三类：北京模式、杭州模式和广州模式[18]。其中北京模式主要是由政府进行统一的投资管理，杭州模式中政府不承担运作的角色，政府负责“搭台”，企业负责“运作”，广州模式是通过政府与基层的合作来完成数字社区的搭建；国内学者张岚在《数字化社区》一书中提出数字社区应通过数字化信息的处理、网络通信技术、控制技术等手段来整合各种信息资源，为现代社区的管理和服务提供远程、异地的分布式管理[19]。又如山东省莘县以皇行社区、尚都社区为试点，开展智慧社区建设，探索建立了“1+3+N”建设模式（“1”即全县智慧社区一张图，“3”即社区治理、物业服务、居民应用三大公用系统，“N”即因地制宜建设若干智慧社区应用场景）。上述研究秉着以人为本、集约高效的主旨，全面打通了数字社区数据壁垒，在提高社区治理水平、优化公共服务、促进便民惠民等方面发挥着重要作用。
1.3.2 国外研究现状
针对地理信息技术与数字社区领域的交互融合，国外的学者较为注重基于地理数据的利用与分析以及可视化研究。美国的社会学家考夫曼提出，应借助地理信息技术对地理研宄的专业性，提供所管辖社区的地理数据，从而提高社区管理水平，进而达到解决集体特定问题的作用[20]；新加坡学者Feng Yan在其著作中以新加坡本土的公众参与的地理信息系统(PPDIS)作为研究对象，得到的研究数据显示，接近九成的从事社会活动的居民都住在公共社区，城市管理的核心就是对这类公共社区的管理，并提出了数字社区的管理核心内容[21]。从国际大范围来看，较多发达国家已完成了政府与企业的内部信息化阶段，目前趋于智慧社区技术革新的研究与发展。通过融合BIM模型、IOT技术、虚拟现实技术等，提供满足社区未来发展需求的集成性管理系统，构建“社区数字孪生”。与此同时越来越多基于Web 3D开发技术搭建的数字孪生社区，利用SU建模的方式将社区内的建筑、道路、绿化等各种设施按照1：1建模还原，并结合PBR物理渲染材质系统，渲染出小区实景效果，并投放至数字社区管理系统，实现社区可视化数字监管大屏的投用，在数字社区领域取得相当程度的突破[22]。
与此同时，国外的数字社区发展随着时代的推移也注入了更多新生要素，如构建居民网安防护墙、扩大智能感知设施、生活垃圾分类处理等应用。譬如，哥伦布市政府从促进经济发展、完善信息基础设施、引入高校和科研机构支持、实现绿色可持续发展等方面促进本市智慧社区建设，使该市入选全球智慧社区论坛示范城市[23]；日本的“i-japan 战略2015”为社区居民、租户搭建交流互动的智慧社区平台，提出互联互通下的公共服务要聚焦于电子化政府治理、医疗健康信息服务、教育与人才培育三大领域，使公民能够充分体会到使用智慧社区平台能够获得的巨大吸引力[24]。同时在业态组合、空间功能规划做到了有针对性地布局，起到了支持地区文化的培育及区域价值提升的作用；英国的“digital Britain”计划，着重构建基于云端成熟的网络安全、终端安全、数据安全等安全体系，全面构建居民网络安全屏障，以提供更好的数字保护和推广全民数字应用[25]。
1.4 相关方法介绍
1.4.1 三维建模技术
1、针对大型场景快速建模的倾斜摄影建模
通过倾斜摄影测量技术，使用无人机对建筑物的5个面进行2次影像环绕拍摄，完成数据采集。将采集后的数据导入“云端地球”软件，选择场景影像并添加所采集数据的文件夹完成数据上传[26]。首先进行定位预览，预览后自定义建模区域，将所需建模建筑主体进行圈选，设置几何精度及定位类型（GPS/RTK/PPK）后，即可开始自动根据所采据倾斜影像数据完成三维模型的创建。建模任务完成后可下载OSGB文件，为后续路径漫游功能的实现作以铺垫。
将解压后的OSGB文件导入DasViewer软件，可通过“颜色调节”功能调整饱和度使画面色彩更加鲜艳；可使用“视图背景”功能，添加天空盒等漫游场景；使用“路径漫游”工具对漫游的视角进行调节，增加视点并设置视点时长，选择画面传输帧数（60fps）并加以录制，完成路径漫游。
2、针对小型场景精细建模的SU三维建模
应用已获取的空间矢量数据，在ArcGIS、CADMapper等软件中进行数据预处理，以及添加空间参考和坐标信息等工作，完成MultiPath模型的创建。但因ArcGIS对其编辑功能不强，因此本研究采用ArcGIS与SketchUp交互建模的方式。
运用SketchUp ESRI插件，将前期已完成预处理的白模数据全部导入SU后进行编辑与修改。本研究中燎原街道水利社区的三维建模工作利用了SketchUp中的高级纹理编辑器、实时阴影、交互式地形建模等功能，完成了研究区楼体建筑、社区景观、公共设施的场景精细建模。最后，将在SketchUp完成编辑后的模型重新导入ArcScene中并以保存于Geodatabase中，避免纹理丢失等问题的出现，并进行场景漫游。
1.4.2 ArcGIS中的实景漫游技术
ArcGlobe以及ArcGIS Pro都可以实现基于较大数据量的场景展示，支持对栅格和矢量数据无缝的显示，ArcGlobe基于全球视野，所有数据均投影到全球立方投影(World Cube Projection)下，将数据分块并按级别建立缓存和索引，使场景显示更接近现实世界，适用于全市，全省，全国甚至全球大范用内的数据展示[27]。为提高显示效率，ArcGlobe按需将数据缓存到本地，矢量数据可以进行栅格化，使得即使在ArcGlobe中显示海量数据仍可以高速的展示与漫游。ArcGlobe中用户可以选择是否将矢量数据栅格化后显示，该功能对注记数据的显示也有很大帮助，用户可以选择将注记(Annotation)附着显示于地球表面或像广告牌一样面向当前用户。
ArcGIS Pro可以将完成SU精细建模后的数据直接根据研究区坐标加载于地图中所处位置，并可以使用指南针作为方向指示，通过不同的操作方式查看透视图、顶视图、侧视图等视角。ArcGIS Pro也设置地图缩放标尺，可实现通过场景固定比例缩放的方式来查看细节。完成任意拖动、地图调用、导航、鹰眼、测距等功能的操作。
ArcScene将所有数据投影到当前场景所定义的空间参考中，默认情况下，场景的空间参考由所加入的第一个图层空间参考决定，ArcScene中场景表现为平面投影，适合于小范围内精细场景刻画。ArcScene会将所有数据读入场景中完全显示，因此会占用大量显存，物理内存和虚拟内存，这也是ArcScene适于小数据量小场景精细展示的原因之一。ArcScene是一个适合于展示三维透视场景的平台，可以在三维场景中漫游并与三维矢量与栅格数据进行交互，ArcScene是基于OpenGL的，显示场景时ArcScene会将所有数据加载到场景中，矢量数据以矢量形式显示，栅格数据默认会降低分辨率来显示以提高效率。但ArcScene对传统的三维分析功能支持的更好，例如Desktop中3D Analyst工具条在ArcScene中被很好的支持，并支持TIN模型的显示，并且可实现如飞行动画、关键帧动画、时间动画等功能的录制。本次研究区范围较小且需对场景进行精细的刻画，故选择ArcScene作为场景展示及漫游平台。
第2章 Arcsence数字社区介绍
2.1 实景数字社区的概念与特点
传统数字社区的概念是指通过将地理信息技术、智能数据分析、便民服务管理等手段与可视化监管技术加以融合，整合社区信息资源实现社区管理信息化。建设社区电子政府、电子商务企业，并且通过发展公共卫生、便民服务、绿色节能等建立智慧化社区。使住户与住户、社区工作者及政府部门之间的关系更加密切，对社区资源的利用更为便利和有效，以满足居民日益增长的信息需求和服务需求，从而大幅度提高社区居民的现代化生活质量。
而实景数字社区则是在传统3S技术、BIM/CIM模型、大数据分析的基础上，融合IOT、AI、数字孪生等虚拟现实技术完成数字社区的可视化与物联感知，其本质是建设空间信息基础设施并在此基础上深度开发和整合应用各种信息资源。完成服务于B端（运营主体）的社区规划、建设和管理；服务于C端（居民端）的平安监管、物联感知、便民服务；以及服务于G端（政府）的资源环境改善、经济社会的可持续发展建设。
实景数字社区具有几个关键特点。首先，它们通过三维模型实现社区的交互式探索，用户可以导航和可视化社区内的各种要素。其次，它们集成了不同类型的数据，包括地理空间数据（如地形、建筑物和基础设施）以及与社区设施、人口统计和服务相关的属性数据。第三，它们通过提供空间和统计分析工具，促进数据分析和决策制定，使社区管理者能够更好地了解社区动态并做出明智的决策。
2.2 实景数字社区的设计流程
实景数字社区旨在以实景三维为空间底板，构建拥有空间维度、时间维度和信息维度的数字社区信息模型，以二三维一体化模式将社区实体信息进行集成化展示。利用实景数字社区的三维成果和数字化手段，为社区的智慧改造提供直观的数据呈现预演，助力社区内空间布局的优化，挖掘存量土地潜力。实景数字社区的建设流程具体如下：
1、辖区现状调查：建立全面精准的社区数据体系
围绕社区业务现状和需求，对业主基础信息、房屋建筑信息、公共服务设施等多指标体系深入调研分析，以实景三维为空间底板，构建立体化、可视化、动态化的数字社区信息模型。基于信息模型及调查的各类指标数据，建立社区现状调查数据库，生成现状调查分析报告，从而为社区的现状要素评估提供数据支撑。
2、体检评估：促使社区评估工作更加智能便捷
基于现状调查数据库和数字社区评估指标体系开展评估，综合诊断分析社区存在的问题，结合问题在挖掘存量土地潜力、补齐配套短板、优化空间布局等方面提出合理建议，形成社区前期策划咨询服务报告，为及时有效地进行社区治理提供科学依据。
3、规划设计：制定可视化社区规划方案
基于实景三维可视化数据成果，对社区的建筑形态、空间布局、路网关系等关键要素进行研究；通过对辖区内要素的空间叠加分析、指标智能校验，统筹多层面规划管控要求，保障方案顺利落地实施，实现规划设计管理由二维平面向三维立体研究模式转变。
4、建设实施：支撑过程管控精细化
以社区建设工程的BIM模型为载体，融合规划指标、数字档案、可视化成果等数据资源，实现项目预算、进度、成本、人员、企业、物料等数字化、立体化管理，确保项目工程质量和工期要求，满足规划设计标准，实现数字社区建设的精细化过程管控。
5、运营管理：实现管理一体化、智能化
以前期获取的实景三维数据为空间底座，对全周期各阶段信息进行集成组织管理，通过大数据挖掘和可视化展示，在绿色节能、平安监管、物联感知、便民服务等方面提供数字化、智慧化解决方案，实现高效服务和价值提升，构建安全、舒适、绿色、智能的居住环境。
2.3 实景数字社区系统的设计与开发
2.3.1 可行性分析
在设计和实施实景数字社区系统之前，结合其运营成本、现状调查、辖区规划政策等因素进行可行性分析是必要的，以下是可行性分析的具体方式：
1、操作可行性：数字社区系统的开发应虑到系统的易用性、可维护性和可扩展性。系统的操作设计应打通用户感知，功能描述清晰晓畅，操作步骤简单易懂，确保系统在投入使用后用户能够顺利运行。评估系统在实际操作中的可行性，不仅可以为后期的存储扩容、功能扩展等提供技术研判，更可在极大程度上保障服务质量满足用户的需求和期望。
2、技术可行性：评估数字社区系统开发所需的技术和资源是否可行。考虑到系统的复杂性，需要确保有足够的技术能力和资源来开发和维护系统，包括软件开发、数据管理和场景可视化等方面的技术。
3、经济可行性：评估数字社区系统开发、运营、维护、存储扩容、技术升级等成本和效益。考虑到系统搭建、决策部署和长期管理的成本，以及系统能够带来的经济效益，经济可行性分析有助于确定系统开发的投资回报率和可行性，提高社区管理效率，改善居民生活质量。
通过可行性分析，可以预判开发实景数字社区系统开发过程中将面临的壁垒，并确定适合的技术和资源。可行性分析为系统开发的决策提供了重要的依据和指导，同时促成提质降本增效节能的开发理念。
2.3.2 需求分析
要开发一个有效的实景数字社区系统，关键是分析系统用户的需求，这其中包括确定社区管理者、居民和其他利益相关者的具体需求。实景数字社区系统的需求分析应该包含不同使用对象在不同使用场景下的分析，从而为满足这些需求所需的功能设计做准备工作。以下是对系统使用对象需求的分析：
1、社区管理者需求功能分析：
（1）数据管理和更新：社区管理者需要能够管理和更新社区的地理数据、建筑物信息、基础设施数据等。系统应该提供数据导入、编辑和更新的功能，以确保数据的准确性和时效性。
（2）可视化呈现：社区管理者需要能够可视化呈现社区的三维模型和相关数据。系统应该提供丰富的可视化功能，包括地形展示、建筑物渲染、基础设施可视化等，以便管理者直观地了解社区的情况。
（3）数据分析和决策支持：系统应该提供数据分析和决策支持工具，使社区管理者能够从数据中获取有价值的信息，进行数据挖掘、趋势分析和预测，从而支持社区规划和决策制定。
2、居民用户需求功能分析：
社区信息查询：居民需要能够方便地查询社区相关的信息，如公共设施、交通状况、社区活动等。系统应该提供用户友好的界面和搜索功能，以满足居民的信息需求。
交互与参与：居民希望能够参与社区建设和决策，提出意见和建议。系统应该提供互动平台和反馈机制，促进居民的参与和沟通，增强社区的凝聚力和共同治理意识。
3、其他利益相关者需求功能分析：
实时监测与预警：其他利益相关者，如政府部门、环境保护机构等，可能需要实时监测社区的环境指标、资源利用情况等。系统应该提供实时数据采集和监测功能，并能够生成报警和预警信息，以便及时采取措施。
数据共享与合作：利益相关者可能需要与社区管理者和其他组织进行数据共享和合作。系统应该提供数据共享和协作平台，促进数据交流和合作项目的推进。
2.3.3 应用场景及功能设计
1、安防可视化监管功能
社区安全是住户考虑的重中之重，持续提高社区安全保障是社区管理的核心工作之一，管控人员出入，避免社区人员混杂；提升消防安全系统，让居民可以清楚了解社区状况，突发情况也可以根据现场情况和人员位置及时安排，以最大程度保障居民人身安全；加强社区监控管理系统，保障居民财产安全。
2、特殊人群管理功能
于社区而言，实实在在的便捷生活才是人们真正想要的生活状态，兼顾老人、儿童、青年、中年的智慧社区才更具有长远意义。社区人多口杂，智慧社区应将重点放在人们日常生活的升级上。及时高效有针对性地处理不同类型业主的问题，成为评判社区服务的一项重要标准。例如，针对离退休人员、党团组织群体、困难居民，应设立特定通道，避免居民办事流程繁琐效率不高的情况出现。
3、智慧物业管理功能
通过智慧物业管理功能，居民可在平台支付物业费、水电费等日常管理费用；也可通过此功能预约物业的家电维修服务、入户家政服务、管线疏通服务等，对于故障保修自动派发维修工单，并可实时检查维修进度，也可以对物业维修人员进行评估，如果态度不好，可以直接投诉；平台实时生成回访率、满意度、投诉率、维护完成率等数据，提高物业的服务质量。管理者使用此功能则可提高收费率，减少人员收费漏洞；也可以在平台上发布物业通知、社区活动，避免传统通知不到位。
4、智慧来访通行功能
通过“人脸识别+车牌识别绑定”的形式，车辆进出自动关联人员相应权限，申请、审批、识别、出行、注销等通行场景完整闭环，权限范围内，快速识别，快速通行。如有亲戚朋友来访，无需要物业登记并反复联系确认。业主可以进行邀请，通过输入访客的手机号码和车牌号码，会生成一个临时密码并发送到访客的手机上，他们可以在24小时内通过密码直接进入社区，以避免繁琐的程序。访客离开时可代缴停车费，优化了业主和访客的体验。社区大门配置人脸识别设备（含体温测量）与道闸，配合实景数字社区，实现进出权限控制（兼顾流行病高发期间的体温检测）。
简而言之，实景数字社区的建设是将智能城市的概念引入社区。以居民体验和物业便利为出发点，构建以人为本的智能管理体系，有望使人们的工作和生活更加方便、舒适、高效，促进社会发展。
2.4 本章小结
本章第一部分针对概念及特点的综述为实景数字社区的研究与应用提供了理论基础。通过对实景数字社区的新兴技术如数字孪生、IOT、BIM模型的研究，为社区的可视化管理与物联感知设计工作完成铺垫。在实景数字社区的前期工作中应完成现状调查、体验评估、规划设计等基础调研，为后续的可行性分析工作提供信息支持。通过模拟居民用户、管理人员以及政府机构三类主体用户的使用角度出发，结合经济、政策、技术、操作性等要素进行可行性分析及需求分析，有助于确立系统开发的目标和方向。最后依据以上分析结果，对系统的功能进行设计并完成在应用场景中的使用模拟，为实景数字社区系统的实际应用提供指导。
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