摘要：实景三维中国建设是落实数字中国建设战略、推进国土空间治理现代化、加快测绘地理信息转型升级的一项重要举措，既是今后数十年国家和地方基础测绘的重大任务，也是一项涉及因素复杂、技术难度极大的科技工程。本文介绍了实景三维中国建设的基本思路，从4D产品到实景三维、从数据供给到时空赋能、从数字化到数智化；提出了实景三维中国总体技术架构，包括由地理实体、地理场景、地理实景等组成的产品体系，以提供时空连接、时空计算、时空智能服务为目标的服务赋能体系，以数智化生产、实体化管理、知识化服务为重点的数智技术体系；继而讨论了实景三维中国的主体技术，包括实体化建模、立体化重构、真实化描述和知识化服务等；最后从推动实景三维中国与“五位一体”总体布局深度融合的角度，探讨了实景三维赋能数字经济、数字治理、数字生活、数字文化、数字生态文明等5个应用场景。为切实做好实景三维中国建设与应用，今后还应加强战略谋划，推动科技创新，促进跨界融合。

关键词：实景三维；总体架构；主体技术；数据产品；服务赋能；数智技术；应用场景

基金项目：国家自然科学基金(42394060); 自然资源部实景三维中国建设总体设计项目

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当前，国家大力推动数字化发展和高质量发展，驱动生产、生活和治理方式的全面深入变革，迫切需要高质量的时空信息、高层次的时空分析及高水平的时空赋能[1-3]。这是因为高质量发展的各项活动都是在地理空间中进行的，具有显著的空间性、连续性等时空特征，需要利用更加精细、更高频度、更为便捷的时空信息，进行发展条件研判、过程监测、趋势预见、跟踪问效等[4-7]。加上我们所处的现实空间具有显著的多维动态特征，在三维数字空间中进行量测、分析及研判，已成为众多高层级数字化应用场景的必然选择[8-11]。

为了有效满足广大用户对时空信息与服务的当前与长远需求，自然资源部近期提出了实景三维中国建设计划，要求将国土空间范围内有关实体与要素数字化，构建起立体、真实的数字空间，与现实空间的实时关联互通，构建新型的国家时空信息基础设施，更好地赋能政府管理决策，助力数字经济发展，服务百姓美好生活[12]。目前实景三维中国建设已纳入《数字中国建设整体布局规划》和国家自然资源保护和利用规划，成为今后数十年国家和地方基础测绘的重大任务[3,13]。可以说，实景三维中国建设是一项内容涉及广、技术难度大的时空信息工程，既涉及理念创新，也面临着新产品研制和新技术研发等科技难题，亟须厘清基本概念，理清研究思路，提出总体架构，突破主体技术，打造重点应用场景，构建协同共建机制，营造良好的应用生态。

针对这一热点问题，本文讨论提出了实景三维中国的总体架构及其构建的主体技术。第1节从产品换代、服务转型、科技升级的角度，讨论提出了实景三维中国建设的基本思路；第2节设计提出了实景三维中国的总体技术架构，包括实景三维产品体系、服务赋能体系、数智技术体系；第3节探讨了实景三维中国的数智化实现路径，提出了实体化建模、立体化重构、真实化描述和知识化服务等主体技术；第4节从推动实景三维中国与数字中国“五位一体”应用深度融合的角度，分析探讨了数字经济、数字治理、数字生活、数字文化、数字生态文明等重要赋能场景；最后，讨论了实景三维中国建设与应用的若干推进方向。

就本质而言，实景三维中国建设是根据国家数字化发展和高质量发展的需求，对传统基础测绘的产品内容、服务模式、技术手段进行升级转型，从4D数据产品走向实景三维产品，将简单的数据供给升级为时空赋能服务，从数字化技术迈向数智化技术。

以往的4D数据产品在各项工程建设与管理决策中发挥了重要作用，但由于其在本质上是2～2.5维的，无法满足在三维空间中量测、分析、研判及模拟（推演）的需要，既难以有效承载和关联各类社会-经济-环境信息，也不能有效支撑数字空间与现实世界的有效映射与实时互联[1,12]。为有效解决三维空间复杂的时空问题，国内外学术界围绕三维时空建模和三维信息产品研制进行了多年的研究探索。如国际摄影测量与遥感学会（International Society for Photogrammetry and Remote Sensing，ISPRS）早在2000年就将三维空间数据模型设计、建模及可视化纳入优先研究领域，其后逐步扩展至多维、复杂的时空动态建模与数字孪生、自动更新及场景化表达等[14-15]。20世纪90年代，英国测绘部门开始采用唯一标识、一体化表达、增量更新等技术手段，生产和提供以地理实体为核心的数字国家框架（digital national framework，DNF）新产品，用于解决社会经济信息空间化关联与集成的难题[16]。近年来，瑞士、荷兰、英国、新加坡等国家测绘部门相继开展了三维新产品研发与应用研究，但名称叫法不一，思路不尽相同，尚未形成统一的概念模型与标准[8-10,17-18]。

顾名思义，实景三维是现实世界自然和人文现象三维立体结构与表观的数字化描述与真实化表达，具有立体化、真实化和实体化三大基本特征，如图1所示。立体化是指通过三维重构与建模，将陆地与海洋、地上与地下、室内与室外、水上与水下的自然和人文要素的空间形态、时空关系及属性等信息数字化，构建起三维空间数字模型[19-22]；真实化则是指将所生成的三维空间数字模型赋予真实的外观、纹理及语义属性[23-25]，并具有较强的实时或时序性，能够形成高度逼真、与现实世界保持一致的地理场景；实体化是按照是否占据一定连续空间位置和范围、单独具有同一属性或完整功能，在三维空间数字模型中划分或区分出多类型、多粒度的基础地理实体，用于关联和集成各类社会-经济-环境信息[1,26]。可以说，实景三维是一种新型的三维时空信息模型，为更加真实地描述和表达多维动态的国土空间提供了新思路、新手段。

图1 实景三维概念内涵

传统的时空信息服务主要是通过目录服务系统和公共服务平台等，向各类用户提供数据服务或底图服务[27-29]。在全社会数字化转型的今天，越来越多的用户希望借助于时空信息，实现无域不达的时空感知、无处不在的时空连接、无时不用的时空计算和无所不及的时空智能，切实地开展深层次、高水平赋能应用[30-34]。因此，实景三维信息产品将通过提供地理实体、地理场景和地理实景等时空关联体，支撑各类数据信息的空间化关联与语义化融合，形成形式多样的时空连接能力[1]；而实景三维信息服务平台要通过资源动态集成、处理动态构建、服务动态推送等，提供丰富多彩的时空计算能力，支撑用户开展动态服务计算[35]；同时，还应提供描述型、诊断型、预测型及方案型的时空知识服务，支撑用户开展时空智能分析[5,36-37]。

从2～2.5维到实景三维建模与赋能应用，涉及诸多技术难题，如数据保障的实时化、信息处理的自动化及服务赋能的知识化。由于现实世界自然和人文现象纷繁多样，时空关系多维动态、错综复杂，单纯依靠数学模型或算法，已很难实现完整描述和时空问题求解[38-39]。因此，需要将计算机人工智能与测绘自然智能有机结合，构建以知识为引导、数据为驱动、算法为基础、服务计算为支撑的时空型混合智能计算范式，提升实景三维信息建模、连接、认知与服务的智能化水平[40-45]。

实景三维中国的总体技术架构包括数据产品体系、服务赋能体系、数智技术体系、标准规范体系以及基础设施和政策法规等，如图2所示。

图2 实景三维中国的总体架构

根据实体化、立体化和真实化的要求，本文对原有4D产品进行继承与扩展，研发地理实体、地理场景和动态实景三类新型产品，构建实景三维数据产品体系，以更好地描述和表达现实世界的地形起伏、自然要素、人工设施和管理单元等。

（1）地理实体产品。现实世界中存在着众多的多类型、多层级、多粒度地理实体，它们占据一定且连续的空间位置或范围，具有同一属性或完整功能，彼此间易于相互区分，可以用作关联和挂接各类社会经济信息的重要时空载体[1,26,46]。值得说明的是，以往地形要素数据产品是采用数据分层，面向地形图制图的矢量模型[47]，对地形地物要素进行离散化抽象描述与表达，缺乏实体化的识别、标定与表达。如，城市道路由主干道路段、次干道路段、人行道、交叉口、路灯、台阶、行树、绿化带等多种实体对象及相互关系构成，但以往采集生产的要素数据是离散化的，每个要素是孤立表达的，实体对象没有形成一个整体，道路、路段、附属设施等实体之间也未建立关系，因而缺乏整体性和关联性[48]。本文提出要设计生产多类型、多层级、多粒度的地理实体产品，对其空间分布、关联关系、属性特征、时间特征、编码方式等进行描述与表达，以便于进行实体化的查询、统计、分析，方便连接各类社会经济信息。

地理实体包含基础类和专题类两种实体类型。前者具有基础性和公共型的特点，后者由专业部门（如文物、水利等）根据其各自的领域需求，在基础地理实体基础上拓展与丰富而成。一般说来，基础地理实体由测绘部门研制生产，如北京市基础地理实体建模分为3个一级类、11个二级类、65个三级类、328个四级类和101个扩展类[49]。在实际工作中，往往需要测绘部门与专业部门本着共建共享、持续更新、深化应用的要求，共同设计，协同建设。鉴于地理实体的多尺度性，需要定义和研制宏观、中观、微观等不同尺度的地理实体产品。如，可采用1∶50 000 DLG转换生产或新测生产覆盖全国陆地及主要岛屿的宏观产品，采用1∶10 000、1∶5000 DLG转换生产或新测生产覆盖省级行政区域的中观产品，用1∶2000、1∶1000、1∶500等DLG转换生产或新测生产覆盖重点管理区的微观产品。此外，根据地理实体的多粒度特性，还应进一步细化设计和研制具有不同粒度的地理实体产品，以实现从整体到局部的地理实体多粒度建模与表达。

图3 实景三维数据产品体系

（2）地理场景产品。当前人们主要使用专业软件或特定平台，分别调用DEM/DSM和DOM等数据，经过数据发布和集成显示，生成反映大区域地形地貌、城市地物的高低起伏、表面纹理等地理环境的三维可视化场景。虽具有一定的三维可视化效果和浏览能力，但其背后并没有形成真正的三维地理场景产品，难以支撑高层次的时空分析与应用[50-52]。为此，应针对地形、城市地表等自然或人文景观，对DEM、DOM、倾斜模型等数据进行融合处理和一体化存储管理，形成一类独立存在、可直接应用的三维地理场景产品，能够有效地支持三维浏览、空间量算、立体分析等，更好地满足数据交换以及现实世界的数字化描述和对地理环境的空间感知与认知等需求。

地理场景产品可表现为地形场景和城市场景。前者主要侧重大区域地理环境的三维表达，目前可研制米级和分米级两类产品。其中，米级产品使用5 m、10 m格网尺寸的DEM/DSM和1 m、2 m分辨率的DOM，覆盖全国陆地及主要岛屿，DEM/DSM以年为周期进行更新，DOM以季度或年度为周期进行更新；分米级产品使用优于2 m格网尺寸的DEM/DSM和优于1 m分辨率DOM数据，覆盖全国重点区域，DEM/DSM以年为周期进行更新，DOM则可按需更新。后者重点是对室内外、地上下各类城市空间的三维场景表达，由各类城市Mesh三维模型产品组成，主要分为分米级和厘米级，覆盖城镇开发边界范围。

（3）地理实景产品。在前述地理场景的基础上，动态地接入物联感知、社会经济、时空轨迹等实时信息，实现地理实体与场景的矢栅一体化存储、融合表达，可形成具有动态特性的地理实景产品。这样就可以利用广泛布设、云互联的多模感知手段，将跨地域、跨行业、多模态的视频、文本等数据资源整合起来，打造形成空间无缝、时间连续的动态地理场景[4]。

根据表达尺度，地理实景可进一步表现为地形实景、城市实景、复合实景等。其中地形实景由宏观、中观地理实体与地形场景复合组成，重点实现对生态空间的数字映射，是城市和复合实景数据的承载基础，支撑大区域地理环境和对象的直观感知和认知；城市实景由中观、微观地理实体与城市场景组成，侧重于对城市空间地理环境和地理对象的感知与认知，重点实现对生产和生活空间的数字映射；复合实景则是各类实景三维及物联感知信息组装形成，侧重于支撑跨层级、跨粒度、跨时相地理环境的感知和认知。

服务赋能是以云网融合、跨域互联的信息化基础设施为支撑，通过构建动态服务计算和开放技术生态，形成实时汇聚、高效连接、融合计算等功能，提供时空连接、时空计算、时空智能等服务能力，如图4所示。

图4 实景三维服务赋能体系

（1）时空连接服务：以往人们主要是通过公共编码、位置匹配或关系计算等，实现不同数据信息之间的时空关联、跨域连接，但面临着自动化程度低、时效性差等困境[53]。实景三维中国将在“数字中国”大厦中起到三维时空框架的作用，利用具有独立身份编码的地理实体和多类型的地理场景等，作为公共锚点或纽带，关联各种自然资源、不动产、生态环境、空间规划等实体或要素，实现跨领域、跨业务的信息挂接，解决信息融通的难题[21]。

（2）时空计算服务：传统集中式计算平台面临的应用拓展难、算法共享难等问题，应综合考虑算力、算法两大因素，构建实景三维大数据平台，实现各种算法的实时调用与有效组合，支撑海量时空大数据的计算处理[54]。为此，要充分整合与实景三维有关的空间分析模型与算法，集成研发实景三维算法商城，使各类用户集各家之所长，低门槛地按需调用时空计算资源，支撑空间计算、时空分析、模拟研判、知识挖掘等，从而构建开放技术生态，提升产业链韧性和安全水平，避免对国内外单一平台的依赖[54-56]。

（3）时空智能服务：在实景三维的数字空间中发现问题，提出解决方案，在现实的“物理空间”或人类活动的“社会空间”发挥作用，是实景三维时空智能服务的重要任务[12,57-58]。如，城市低效空间量大面广、增效潜力巨大，但底数不清、机理不明。可将实景三维和城市用地专题数据融合，开展基于实景三维的城市低效用地实景化识别、精准化评估、智能化优化，实现查得清、判得明、改得准[59]。

为了有效支撑实景三维中国的数据生产、成果管理、赋能服务，应以数字化测绘技术体系为基础，综合运用人工智能、物联网、云计算等新一代信息技术，构建实景三维的数智化技术体系，实现数智化生产、实体化管理、知识化服务。

（1）数智化生产。与4D产品相比，实景三维数据生产的技术更为复杂，包括立体化采集、实体化建模、真实化表达等核心问题，涉及场景模型单体化分割、实体信息语义化映射、点云数据知识化分类等关键技术，需要构建体系化的生产技术平台，以实现地理实体、实景数据等的高效采集、信息提取、重构转换及融合等[12]。

（2）实体化管理。针对传统GIS数据库以图幅、要素管理为特征存在的不足，采用广义地理实体管理的思路，对地理实体、地理场景与地理实景等不同类型数据产品进行逻辑整合集成，建立“物理分散、逻辑统一”的实景三维数据库系统，采用纵向跨尺度、横向跨类型的数据库在线或离线共享互操作技术，建立不同层级基础实体及专题实体的联动更新机制。

（3）知识化服务。实景三维大数据平台应发展公共服务型和自主构建型两类知识化服务，向用户提供描述型、诊断型、预测型和方案型4类时空知识服务，以支撑智能化的时空感知、时空认知和时空管控等[1]。

进一步分析可知，实景三维中国构建不同于传统的4D产品生产，也有别于以往的摄影测量三维重构，以实体化建模、立体化重构、真实化表达、知识化服务为其主体技术，如图5所示。

图5 实景三维中国的主体技术

（1）实体化建模。是基于面向对象的思想，将多维动态现实世界中纷繁多样的地物现象划分为独立的地理实体，通过实体化抽象建模、多粒度采集处理、语义化信息转换，构建成多类型、多层级、多粒度的地理实体模型，实现精准描述与表达[60]。其中实体化抽象建模是根据复杂地物对象的时空特征、几何结构、功能行为及关联关系等，抽象出多类型、多粒度的地理实体，形成有关对象定义与关联逻辑的地理实体概念模型，并制定地理实体唯一编码，对不同类型地理实体语义、位置、形态、过程、关系和属性等进行统一描述与精准刻画[61]；多粒度采集处理则是针对宏观、中观、微观不同尺度下的空间认知和表达需求，进行实体时空分布与属性特征的分解、采集、表达[62]；语义化信息转换是综合运用标识信息关联、空间位置匹配、语义信息关联等手段，解决异构数据结构转换、多复杂度模型整合等问题，实现多源地理实体的语义、空间以及聚合层次关系的自动转换[63]。

（2）立体化重构。近年来人们一直采用摄影测量三维重构、激光扫描数据处理和多源数据整合等技术手段，对空天地遥感、低空和地面测量等多模态数据进行信息处理，生成三维立体模型，但仍面临着自动化手段不足、采集建模成本高、大范围数据更新慢等难题。需要发展多源测量手段的联合建模、基于人工智能的自动构模、立体结构的快速变化检测与增量更新等手段，实现城市密集区复杂场景的自动采集建模、大区域地理实景快速构建，提高效率、降低成本[19-20,64-67]。

（3）真实化描述。指通过纹理映射、属性信息关联、物联感知数据融合等手段，解决多源纹理定向与映射处理、属性信息采集与关联、异构物联感知数据与地理实体、地理场景融合等问题，为三维立体模型添加真实纹理、语义属性和实时动态信息，形成高度逼真的地理实景。其中纹理映射主要通过精确的参数定向及不同视角的纹理数据快速纠正与色彩处理实现，而纹理定向是通过纹理数据与立体影像空三模型的混合区域网平差，实现两者的精确配准[68]。异构物联感知数据融合则是根据感知数据的变化规律和时空相关性，采用概率统计、近邻分析和分类识别等方法，在感知节点、整体或局部网络实现数据清洗，并通过视频关键帧提取、时序变化检测等技术，解析出物联感知数据中获取的关键信息，实现异构物联感知数据的信息融合。属性信息关联是根据地理实体与社会经济、专业信息的内在关系，通过同名实体匹配、多源属性传递、属性协同挂接等方式，丰富地理实体的属性，并保持其现势性[23]。

（4）知识化服务。为实现基于实景三维数据的描述型、诊断型、预测型、方案型知识服务，需研究发展三维时空知识的建模表达、计算推理、智能构建等技术。其中三维时空知识的建模表达是以时空本体构建方法为基础，对传统的知识三元组进行拓展，增加时间维和空间维（X，Y，Z），继而采集领域对象的位置分布、几何形态、属性特征、成因机理、演化过程及相互关系等知识，进行结构化建模，构建时空型知识图谱，实现领域知识的一体化表达与存储[5,69-70]。时空知识计算推理则要通过多元实体的时空关联、知识挖掘、关系推理和事件研判等，支持基于实景三维数据的态势感知、场景认知、形势预判和宏观决策等[71]。时空智能构建是在时空智能计算引擎的支持下，允许用户自主定义应用场景，进行建模和流程编排，进行空间格局解析、结构诊断、成因分析及趋势预测[1]。

打通应用的最后一公里，是实景三维中国建设面临的一大挑战。为此，应大力推动其与“数字中国”建设的深度融合，打造实景三维赋能数字经济、数字治理、数字生活、数字文化、数字生态文明的重要应用场景。

（1）赋能数字经济。数字经济是以数据资源为关键要素，以现代信息网络为主要载体，以信息通信技术融合应用、全要素数字化转型为重要推动力，促进公平与效率更加统一的新经济形态[72-73]。在实景三维时空信息的支持下，经济活动主体可望更好地突破沟通和协作的时空约束，实现跨地域、高效率的供应、生产和服务[1]。目前我国正在大力发展低空经济，但低空环境复杂多变，既有楼宇密布、人口密集、天气多变、飞鸟干扰等动静态、不确定因素，也有低空局部大气湍流、复杂电磁环境等带来的公共安全、噪音污染等隐患。利用实景三维数据，可以更好地进行低空空域规划，研发低空三维导航地图，构建城市空地协同的立体智慧通航系统，从而有效地支撑低空航路规划、空域线路管控、飞行安全预警等，保障低空运行安全，助力低空经济的快速发展。

（2）赋能数字治理。利用实景三维时空信息提供的时空关联、时空计算、时空智能等功能，可以更好地打通线上线下的治理资源，打破层级、地域、部门、业态的限制，实现条块结合与部门联动的治理合力，助力大范围资源的精准分配和时空契合[1,74-75]。如，将实景三维与不动产登记信息有机整合，市场监管部门可以更加直观地了解市场主体的时空分布，方便办理企业注册、变更、注销等业务，从而提高对市场主体服务和监管的能力。

（3）赋能数字生活。数字生活是依托互联网和时空信息等诸多技术，打造各类社会生活服务的信息平台，给人们带来更好的生活方式和更便捷的生活体验[76]。将实景三维数字空间与便民生活资源深度融合，可以实现室内外环境和各类物件的精细管理与分析模拟，建立更多的时空型社会生活服务信息平台，提供基于实景三维的健身、养老、就业、家政等时空信息服务[77]，进一步提升人民群众的获得感、幸福感、安全感。

（4）赋能数字文化。在实景三维时空信息技术的支持下，可以利用我国丰富的文化资源和宝贵的文化遗产，打造出体验性好、互动性强、丰富多彩的新型文化服务业态，实现文化传播与内容升级，促进文旅融合和文物资源活化利用[78-80]。如，将实景三维与文化遗产数据融合，可以打造实景三维文化遗产，构建数字三维博物馆和实景三维旅游服务平台，实现个性化路线规划、三维打卡点推荐与导览、时空轨迹和场景回放，提高游客的个性化体验，助力文化遗产数字留存、虚拟修复及动态监测等[81]。未来还会有越来越多的游戏厂商、社交平台、影视制作公司等加入进来，打造文旅融合的实景三维文化应用新场景。这将有助于消弭城乡、地域间的数字文化鸿沟，让数字文化成果惠及全民[82-83]。

（5）数字生态文明。当前我国经济社会发展已进入加快绿色化、低碳化的高质量发展阶段，建设数字生态文明，推动绿色低碳发展，成为必然[84-86]。利用实景三维时空信息，可以加强对国土空间高质量可持续发展的系统深入研究，辨析资源约束、空间受限、环境影响、灾害风险等问题及其根源，揭示人地关系矛盾的突出地域、时空过程及成因，从而摸清家底与发展条件、优化空间发展格局、实现决策规划的时空推演[25,87-88]，促进人与自然和谐共生。

实景三维中国的理念新颖，内涵丰富，对其深入研究、成功构建与广泛应用，将会有力地支撑国家的高质量发展和全社会的数字化转型。但就总体而言，实景三维中国建设是一项复杂的系统工程，既涉及理论创新、技术突破、体系构建等科技难题，也牵涉观念更新、学科协同、政策保障等非技术因素。今后还要加强战略分析研究，推进关键技术创新，促进跨界对接融合。

（1）加强战略谋划。应本着继承与发展的精神，通过实践—认识—再实践—再认识，创新科学理念，厘清技术逻辑，做好顶层设计和战略谋划。在此基础上，根据国家战略需求和国家地方建设应用的迫切需要，按照“整体规划、协同建设、试点先行、分步推进”的要求，明晰国家、省、市不同层级实景三维建设的内容和技术实现途径，提出分阶段的工程建设任务，并提出资源整合、政策保障等配套措施，以满足当前急需、兼顾未来发展。

（2）推进科技创新。应坚持应用导向和目标导向，加强对实景三维中国建设的理论方法、关键技术和服务模式等方面的创新研究，研建数智化的实景三维技术体系及相应的生产工具，构建权威统一、覆盖全域、动态更新的实景三维中国大数据平台，联合城市管理和行业部门打造形成丰富多彩的应用场景。为此，要积极争取各类科技项目的支持，把基础打牢，把工具做好，把应用做亮。