面向城市規劃的三維GIS設計與實現

李 揚，劉增良，楊 軍

(北京市測繪設計研究院，北京100038)

面向城市規劃的三維GIS設計與實現

李 揚，劉增良，楊 軍

(北京市測繪設計研究院，北京100038)

以三維輔助規劃管理系統建設為例，從數據建設和系統建設兩個層面，對如何運用虛擬現實、GIS和計算機網絡等技術，建設面向城市規劃的GIS進行探討。

三維;城市規劃;GIS

一、引 言

地理信息技術是一種能把現實世界中對象的空間位置和相關屬性有機地結合起來的技術，借助其特有的空間分析功能和可視化表達，不僅可滿足用戶對空間信息管理的要求，而且可輔助各種決策。地理信息技術應用于我國城市規劃，始于20世紀80年代中期。目前，地理信息技術已應用到城市規劃的各個方面，從空間戰略研究、總體規劃、控制性詳細規劃、城市規劃設計、各種專項規劃的編制和研究到建設項目的審批中地理信息技術都發揮著重要作用。但城市規劃的主要研究內容和對象為各城市要素形成的多維城市空間，現實的多維環境很難從二維形態中準確表達出來，二維工具也難以滿足多維形態下的空間分析和決策需求［1］。虛擬現實是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，它利用計算機技術生成一個逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的三維虛擬環境，用戶通過使用各種交互設備，同虛擬環境中的實體相互作用，使之產生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進的數字化人機接口技術［2］。利用三維GIS技術輔助城市規劃已成為行業發展的新的趨勢［3］。

本文將以三維輔助規劃管理系統建設為例，對面向城市規劃的三維地理信息系統設計與實現方法進行探討。

二、數據建設

1.數據分類

面向城市規劃的三維GIS涉及的數據包括:三維模型、基礎地理信息數據和規劃信息。

2.三維模型建設

城市規劃是一個以土地空間使用為主要表征的多信息處理復合過程［4］。用于城市規劃的三維建模，其內容既要真實反映城市全貌，又要求較高的平面和高程精度。目前，進行可量測三維建模制作的方法多種多樣，如基于傾斜攝影測量技術進行三維建模、基于三維激光掃描數據進行三維建模、基于地形圖進行三維建模。并且我國測繪行業也沒有行業標準對模型的生產、分類進行規范。

本課題選用基于測繪基礎資料進行三維建模，并對相關的生產工藝進行研究，形成一套較為完整的工藝流程，并選取了約30 km2的區域作為試點進行試驗，以驗證工藝的可行性。

基于測繪基礎資料制作三維模型，首先需要準備基礎資料，包括地形圖、DEM;其次，資料收集整理齊全后，進行三維數據資料采集，即外業現場采集地物紋理照片、通過航測手段基于立體像對獲取建筑物主體頂部高程數據、基于1∶500比例尺地形圖制作1 m格網DEM，對大范圍更新區域進行地形圖修測;最后，建模人員基于以上數據資料開展三維模型制作。制作過程包括使用Photoshop軟件進行紋理的處理，使用3ds Max軟件進行模型制作、模型整合，利用三維平臺進行場景整合等步驟。具體工藝流程如圖1所示。

3.基礎地理信息數據

基礎地理信息數據主要包括地形圖數據、DLG數據、DOM數據、DEM數據，以及政務版電子地圖數據、地址地名數據等。

圖1 工藝流程圖

4.規劃信息

規劃信息基本可以分為4類:規劃專題數據、規劃審批數據、社會經濟統計數據和文檔資料。如圖2所示。

圖2 規劃專題數據列表

三、系統建設

1.系統設計

在總結二維GIS應用成果的基礎上，三維輔助規劃管理系統擬運用虛擬現實、地理信息和計算機網絡等技術，拓展面向城市規劃的三維GIS應用，為規劃部門提供一個在三維虛擬城市中進行城鄉規劃研究、規劃編制及項目管理的環境，為規劃精細化管理和科學決策提供有力的技術支撐。系統架構如圖3所示。

(1)數據層

數據層包括基礎地理數據、專題數據、三維模型。基礎地理數據和專題數據的存儲方式與傳統的二維GIS系統類似。對于三維模型，目前大多數三維系統均采用文件的方式管理三維模型。本課題采用數據庫的方式對三維模型進行管理。將三維模型以二進制文件的方式存入MySQL數據庫，并建立相應的索引以提高系統運行的效率。為海量三維模型的無縫瀏覽提供技術支撐。

圖3 系統架構圖

(2)管理層

管理層包括地形管理工具、場景管理工具、專題數據管理工具、POI管理工具、用戶權限管理工具和日志管理工具。

(3)功能層

系統在總結了二維系統優勢的基礎上，結合三維的特點，設計了相應的功能，如三維瀏覽、快速導航、點選查詢等。

(4)應用層

基于功能層提供的基本功能，三維輔助規劃管理系統可以在城市規劃各個階段和各個層面得到廣泛的應用。如可作為決策部門向領導匯報的一種全新模式;可作為規劃方案評估的一種有效途徑;可作為基礎設施布局分析的一種全新手段。

2.功能設計

(1)功能概述

三維輔助規劃管理系統的基本功能包括三維瀏覽、圖層管理、信息查詢、方案調整與方案管理、空間分析、輔助匯報、后臺管理7大部分。

(2)三維瀏覽

系統具備城市級場景快速展示的能力，用戶不僅可隨心所欲地從任意角度觀看三維場景，而且可以通過動畫導航、特定場景、導航圖等多種方式進行快速定位和瀏覽。

(3)圖層管理

按照上述介紹的數據分類，在圖層管理中設計了3個根目錄，依次命名為三維模型、基礎地理信息數據和規劃信息。每個根目錄下包含各類數據的子目錄，用戶可根據實際需要控制各圖層的顯示或隱藏。

(4)信息查詢

在信息查詢中，三維輔助規劃管理系統不僅可以查詢二維GIS數據的屬性信息，而且可通過點選某模型，查詢該模型對應的屬性信息。例如建筑物的“兩證一書”的數據，建筑物所在地塊的控規情況等。

(5)方案管理

針對規劃設計中利用規劃效果圖查看規劃方案只能從固定角度查看，具有一定的局限性的問題，本系統設計了方案管理功能。利用該功能，用戶可通過多屏對比的方式從不同角度、不同方位來觀察各個規劃設計方案，比較不同方案對城市景觀，對周圍建筑的影響，以直觀的方式評估各個方案的優缺點。若用戶對某方案的體量和位置不滿意，還可利用該功能對規劃模型的體量和位置進行調整。

(6)空間分析

結合三維的特色，系統開發了三維特有的分析功能，如空間量測、通視分析、視域分析、日照分析等。圖4和圖5分別為日照分析和可視域分析的示意圖。

圖4 日照分析

圖5 可視域分析

(7)輔助匯報

輔助匯報功能主要用于輔助規劃部門向上級領導匯報演示，該功能支持在三維平臺中打開PPT，并添加特定場景超鏈接信息。用戶可通過點擊PPT中的超級鏈接快速定位到三維場景，并實現PPT和三維場景的無縫切換。

(8)后臺管理

后臺管理功能用于對用戶、權限和各類數據的管理。

四、應用與展望

該系統采用邊建設邊應用的方式，雖然目前該系統尚未正式上線，但已在政府決策中發揮了重要的作用，得到了各級領導的認可。在以后的建設過程中，將進一步深入挖掘用戶的需求，進一步完善系統，增強系統的二維分析功能，最終實現用戶從二維系統向三維系統的無縫過渡。

［1］ 陳曉勇，丁松慶.三維虛擬現實系統在城市規劃中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(5):94-96.

［2］ 羅海欽.虛擬現實系統在柳州市城市規劃管理中的應用［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(1):127-130.

［3］ 王海鷹，張新長，康停軍.面向城市規劃的虛擬景觀建設方法的探討與應用［J］.測繪通報，2011(3):29-33.

［4］ 李揚，賈光軍，劉增良，等.基于Virtools平臺的輔助規劃審批系統的設計與開發［J］.測繪通報，2011(1): 52-55.

［5］ 李永泉，韓文泉，黃志州.數字城市三維建模方法比較分析［J］.現代測繪，2010，33(2):33-35.

Design and Realization of the 3D GIS for Urban Planning

LI Yang，LIU Zengliang，YANG Jun

0494-0911(2012)06-0074-03

P208

B

2011-07-27

北京市科技計劃資助課題(Z090006016709003)

李 揚(1983—)，女，湖北武漢人，碩士，主要研究方向為GIS與虛擬現實技術。