面向城市規劃的虛擬景觀建設方法的探討與應用

王海鷹，張新長，康停軍

(中山大學地理科學與規劃學院，廣東廣州510275)

面向城市規劃的虛擬景觀建設方法的探討與應用

王海鷹，張新長，康停軍

(中山大學地理科學與規劃學院，廣東廣州510275)

隨著“數字地球”理論與技術的不斷發展，利用三維GIS技術輔助城市規劃已經成為行業發展的新趨勢。提出一種快捷、有效的城市規劃虛擬景觀建設路線方法，并基于Skyline組件開發虛擬規劃仿真系統，可利用該系統對城市規劃虛擬景觀的應用進行研究，為城市規劃提供輔助決策服務。

Skyline;虛擬景觀;城市規劃;三維GIS

一、引 言

隨著數字時代的來臨與信息技術的飛速發展，GIS技術已經深入應用到國土、規劃、土地管理［1-3］等各個行業。傳統的GIS系統對于三維空間信息的管理、表示與分析能力存在不足，已經不能完全滿足規劃工作的需要，三維GIS就是在這樣的需求背景下產生的。三維GIS可以生成一個場景逼真的虛擬三維城市，規劃人員可以利用系統強大的三維可視化功能和計算分析能力進行深度應用［4］，促進城市合理規劃，實現規劃人員的設計藍圖。

本文以增城市廣州東部汽車產業基地虛擬規劃仿真為例，在TerraSuite技術框架下，通過融合DEM和DOM數據實現三維地形仿真。研究了一種有效的三維模型建設方法，完成面向城市規劃的虛擬景觀建設。開發了虛擬規劃仿真系統，利用該系統對此區域進行了案例研究，通過空間漫游、方案對比、規劃成果展示與審批、規劃信息查詢與分析等方式，為解決城市規劃問題提供了一種有效的輔助決策手段。

二、景觀建設的平臺選擇與分析

1.TerraSuite架構

針對研究區虛擬規劃仿真的具體需求，選擇TerraSuite系列軟件作為三維GIS軟件平臺。Terra-Suite具有靈活、簡便的建模工具，穩定的軟件功能以及組件化的軟件體系，是獨立于硬件之外，多平臺、多功能的軟件系統。

Skyline TerraSuite包含以下三類產品［5］。

1)TerraBuilder。它是迅速創建、編輯和維護三維地形數據庫的合成軟件。它能夠結合影像、DEM、矢量數據，簡潔、快速地創建三維地形數據集。

2)TerraExplorer Pro。它是創建、編輯、注記和發布照片實景效果三維場景的強大、便捷的軟件工具。

3)TerraGate。它是基于網絡實時傳輸海量三維地理數據的高性能服務器軟件，允許用戶通過網絡來訪問地形數據庫。

2.三維建模工具

模型的格式標準與質量對于建立一個成功的三維GIS系統來說是至關重要的。因此，在三維建模軟件選擇上，要考慮通用性、簡潔性等原則。筆者選擇 Google SketchUp［6］與 MultiGen Creator［7-8］軟件作為建模的基本平臺。

Google SketchUp軟件能面向設計過程，界面簡潔、易學易用、命令少，避免了其他三維設計軟件的復雜性，并且生成的模型簡潔、精細，便于導出渲染。利用它能夠快速、高效、低成本地構建城市三維景觀模型，并且，通過該軟件生成的模型具有很好的通用性，可以方便地轉化Skyline系統所支持的格式。

在使用Google SketchUp進行建模和轉換時，通常會產生大量冗余的點、線、面，這些模型必須在轉化的中間階段進行精簡優化。采用實時仿真建模軟件MultiGen Creator對三維模型進行優化處理。MultiGen Creator不僅具有強大的多邊形建模功能，而且有獨創的用于描述三維虛擬場景的層次化OpenFlight數據結構。其模型數據庫可以在獲得極高渲染效率的同時保證實時交互的靈活性，為三維模型的精簡與優化提供了面合并、點合并、LOD技術、數據結構工具和Vsimplify工具等，能夠最大限度地減少數據量。

三、區域概況與數據準備

廣州東部汽車產業基地北至南香山山腳、南至荔新公路、東至仙寧公路西面、西至東凌公司用地，總規劃面積約38 km2，基地以汽車整車及零部件、商貿物流業為主。本研究區為廣州汽車城產業基地的核心區域，包括廣州本田等十幾家大型企業，共約8 km2。

研究需要準備的數據如下:① DEM數據:38幅DEM數據，5 m網格;② DOM數據:16幅高精度航空影像，分辨率0.2 m;③ DLG地形圖:38幅1∶2 000 DLG地形數據;④ 測量及詳規DWG數據:研究區內的竣工測量驗收數據以及詳規數據;⑤ 紋理照片:研究區內相關單位建筑及周邊環境詳細紋理照片。

將所需DLG地形圖、竣工測量圖、詳規圖轉成矢量文件，坐標系采用1980西安坐標系。

四、面向城市規劃的虛擬景觀建設

1.虛擬景觀建設流程設計

結合研究區虛擬規劃的需求分析，提出一種行之有效的虛擬規劃景觀建模方法。該方法如圖1所示，虛擬規劃模型建設主要分為三維地形模型建設、三維建筑模型建設與城市基礎設施建設三個部分。

圖1 虛擬規劃景觀建設流程

2.生成三維地形模型

利用TerraSuite的TerraBuilder軟件對三維基礎空間數據進行處理、建立、更新和維護［9］。需要的原始數據主要是DEM數據和DOM數據，其中DEM數據除了可以對虛擬城市地表進行描述，還可以為虛擬規劃城市的三維模型提供地面高程起算基準。DOM數據提供了城市地表的真實色彩與紋理特征，可以對城市進行直觀描述，也可以提供城市規劃等方面的基本信息。

首先，建立一個新的工程并指定WGS-84坐標系統和橢球信息，將DOM數據與DEM數據配準并設置為同一投影坐標系下(1980西安坐標系，高斯—克呂格投影，DEM一般為TIFF格式，DOM為IMG格式)。利用七參數法將數據轉換到WGS-84坐標下，將數字高程與影像數據疊合生成基于真實世界的三維數字地形場景。

3.制作三維建筑模型

三維建筑模型可分為精細建筑模型與批量建筑模型［12］，對于城市的重點單位要進場拍攝詳細的紋理照片，進行精細三維幾何建模，以滿足項目需求，確保三維模型的可視化質量。在進行精細模型建模時，要按照三維模型建設與檢查流程進行檢查，如圖2所示。

圖2 三維模型建設與檢查流程

(1)精細建筑模型

進行精細建模時，要將竣工測量圖或詳規圖作為底圖，利用SketchUp或Creator等建模工具對城市建筑進行建模，之后進行精簡、優化及轉換，如圖2所示。模型質量要重點檢查模型大小、紋理命名、大小、尺寸和寬高比等指標。調整優化模型的數據結構，設置模型表面的主顏色、可選顏色、渲染狀態等屬性。

對于規劃未建模型，要將模型處理成半透明化用以表示規劃未建的建筑。如圖3所示，調整規劃建筑與現實建筑在紋理色調與透明度方面的對比差異。

圖3

(2)批量建筑模型

對于一般的建筑物模型則不需精細建模，可以利用1∶2 000的DLG數據獲取建筑的面狀圖形。利用ArcGIS軟件的最近距離方法賦予建筑圖形相應的建筑類型及層數、層高等相關屬性，建立建筑圖形與建筑屬性信息的關聯。通過TerraExplorer Pro導入建筑面狀矢量數據生成建筑物，利用VBScripts函數表達式計算求得每棟樓的高度。再對模型的墻面進行紋理貼圖，生成具有真實感的三維建筑模型，如圖4所示。

本文利用該方法批量生成了23 382棟三維建筑模型。以流模式加載后，系統運行流暢。

圖4 批量生成的建筑模型

(3)城市基礎設施模型

要生成虛擬城市景觀，需要大量的地物模型。為使系統運行流暢，不產生遲滯感，需通過流模式、模型簡化、紋理壓縮、紋理共享、Billboard等技術對地物模型進行優化。

不同地物的制作方法有所不同，對于天空、橋梁、花壇等實體模型，采用圖2的技術路線進行制作;對于路燈、樹木模型，采用Billboard及紋理共享技術大批量自動生成;對于道路系統，通過自主開發的道路生成程序，利用線狀SHP數據生成城市道路。

4.城市規劃虛擬景觀模型整合與生成

面向城市規劃虛擬景觀是由三維地形模型、三維建筑模型與城市基礎設施模型三個部分組成。因此要在TerraExplorer Pro中將三個部分分別加載［10］，形成一個完整的城市規劃虛擬景觀。

(1)三維模型定位

三維實體建模模型通常是在模型坐標參考系中描述的。該坐標系只是一種相對于模型位置的局部坐標系。因此，在將三維實體模型導入城市規劃虛擬景觀時，需要對三維實體模型進行定位，賦予真實的空間地理坐標。利用手工方法可以進行定位，但是坐標不精確，而且還需要花費大量的時間，并且在以后的模型更新、編輯、信息讀取中會出現很多問題。本文研究出一種矢量關聯方法，可以實現大批量的三維實體模型在虛擬景觀中的快速、準確定位。

具體做法就是:在模型CAD底圖中選擇建筑圖形的一邊腳點，記錄其精確坐標值。并根據其坐標點轉換為點狀的SHP數據格式。在Creator中找到實體模型的相應腳點，將其腳點坐標平移到模型的局部坐標系原點，保存后以*.x格式導出。然后，在Terra-Explorer Pro中導入點矢量文件，利用矢量關聯方式將所有的*.x格式的實體模型批量導入虛擬景觀。

(2)三維模型整合

在三維實體模型的建設過程中，為達到在虛擬景觀中運行流暢清晰、模型讀取方便等目的，必須對模型進行整合處理。整合內容通常有:對三維地形的改造處理、對精細模型矢量文件的處理與統一加載、對批量生成建筑的加載與流模型處理、對于地物實體模型的集成與加載、對Billboard模型的矢量文件整理與加載、道路模型的轉換與地形的疊加整合。最終，要形成虛擬景觀的目錄體系，通過目錄體系可以有效地管理虛擬景觀的模型。最終生成的城市規劃虛擬景觀如圖5所示。

圖5 面向城市規劃的虛擬景觀

五、面向城市規劃的虛擬景觀應用

結合城市規劃實際需求，設計開發了三維城市規劃輔助審批系統。該系統除實現了三維GIS系統的三維漫游、路徑瀏覽等基本功能以外，還為城市規劃人員提供了測量、陰影分析、對象查詢、方案比較、視域分析等多種三維輔助規劃功能。筆者利用該系統，結合城市規劃虛擬景觀，進行了以下城市輔助規劃的應用研究。

1.規劃成果展示與審批

在規劃設計過程中，一般會有幾種不同的設計方案。在虛擬景觀空間中，可以真實地展示與查詢規劃成果，直觀地表達設計思想，進行經濟統計分析，提高規劃決策的科學性。規劃設計人員可以實時地切換不同的方案，在同一觀察點或同一個觀察序列中感受不同的三維景觀，比較各方案的合理性以及環境美學效果。還可以通過模型生成工具，現場生成規劃方案，對規劃方案進行方位、大小、角度的修改，通過比較后獲得最佳的效果［11］。

由圖6比較可知，規劃方案一的規劃建筑是工業廠房，規劃方案二的規劃建筑是居民住宅，不符合相關的土地使用規定。因此，選擇方案一作為廠區二期建設依據。

圖6 規劃方案比較

2.信息查詢及分析評估

系統提供了三維可視化環境下的信息查詢、分析和統計功能，通過綜合使用這些功能可以詳細研究規劃區域的土地、道路、交通等情況，可方便地了解研究區的現狀與規劃信息，同時還可以查閱相關經濟文化信息，更好地制定規劃方案。

通過對規劃建筑與已建成建筑的透明度設置，可以很清晰地看到廠區的規劃建筑與已建建筑的分布格局。對廠區各建筑進行屬性查詢，可以得到建筑總面積、建筑編號、耐火等級、所屬單位、占地面積、建筑類型等建筑屬性信息，如圖7所示。

圖7 屬性查詢

進一步可以利用面積計算工具得到廠區的用地面積和總建筑面積，進而得到廠區的容積率，判斷其是否符合工業用地規劃標準［12］。利用水平、垂直距離工具獲得規劃建筑的高度、建筑樓距。利用陰影分析工具可以得到建筑在某時間段內的日照總時間，還可以通過視域分析檢查規劃建筑高度相對于周邊建筑是否合適。

六、結束語

通過實踐檢驗，證明本文提出的面向城市規劃的虛擬景觀建設方法與技術流程是可行的、有效的。研究開發的三維城市規劃輔助審批系統可作為規劃成果展示與評審、規劃信息查詢和分析評估的應用平臺，為城市新區建設、三舊改造、征地拆遷等項目提供輔助規劃決策支持。系統以其強大的數據管理、空間分析及三維可視化功能，促進了城市規劃輔助設計從二維平面走向三維空間，其規劃方案的表現形式從傳統效果圖、沙盤模型走向三維浸入式互動體驗，很大程度上改變了城市規劃設計與審批的工作方式，彌補了傳統城市規劃審批過程中的一些不足。

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Discussion and Application of the Method of Virtual Landscape Construction for Urban Planning

WANG Haiying，ZHANG Xinchang，KANG Tingjun

0494-0911(2011)03-0029-05

P208

B

2010-11-26

國家自然科學基金資助項目(40971216)

王海鷹(1980—)，男，湖南益陽人，博士生，主要研究方向為土地利用時空結構變化模擬與三維GIS。