三維地理信息技術(shù)助力規(guī)劃輔助決策＊

梁國棟，蒙勝華

（河南省地質(zhì)測繪總院，河南 鄭州450006）

0 引 言

三維地理信息系統(tǒng)（3D－GIS）是城市地理信息系統(tǒng)向動態(tài)、多維和網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的產(chǎn)物，是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality－VR）技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合體。所謂3D－GIS就是從數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)到空間查詢和建模分析都建立在三維（x，y，z）數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上的地理信息系統(tǒng)。人們是生活在三維空間中的，如果再算上時(shí)間維，則是生活在（x，y，z，t）組成的四維空間中的。現(xiàn)實(shí)生活中的三維現(xiàn)象普遍存在，如飛機(jī)在天上飛行，汽車在地面奔馳，礦井在地下延伸。地球上的一切物體或活動都可以用一對（x，y，z）來描述它們的空間位置，用一對（x，y，z，t）來描述它們的空間、時(shí)間位置。3D／4D－GIS研究的突破必然推動GIS在地質(zhì)、礦業(yè)、環(huán)境、海洋、城市以及相關(guān)信息管理領(lǐng)域的應(yīng)用。利用地理信息系統(tǒng)（GIS）采集、存儲、管理、分析和描述各類型空間地理數(shù)據(jù)，并將此信息屬性賦予基于VR技術(shù)構(gòu)建三維模型，使之能就特定目標(biāo)進(jìn)行分析、處理，實(shí)現(xiàn)對城市規(guī)劃的輔助決策。

3D－GIS在城市規(guī)劃行業(yè)中有多種應(yīng)用形式，目前作為商品成果出現(xiàn)的有“數(shù)字城市管理系統(tǒng)”、“三維地圖系統(tǒng)”等。雖然其名稱不同，但都采用同樣技術(shù)架構(gòu)。即利用GIS提供的三維空間坐標(biāo)找到真實(shí)地物與虛擬模型之間拓?fù)潢P(guān)系和邏輯順序，最終將計(jì)算機(jī)環(huán)境中模擬的各種城市規(guī)劃要素映射到實(shí)際工作當(dāng)中。

2 城市景觀規(guī)劃管理的基本問題

2.1 城市景觀規(guī)劃管理現(xiàn)狀

近年來我國大部分城市進(jìn)入城市化快速發(fā)展期，城市建設(shè)大規(guī)模展開，人們對城市景觀逐漸關(guān)注，城市管理者也逐漸重視城市景觀的規(guī)劃管理工作。目前我國大部分城市的城市景觀規(guī)劃管理的具體工作由城市規(guī)劃行政主管部門負(fù)責(zé)實(shí)施，由于城市景觀規(guī)劃管理的理論水平以及技術(shù)手段還不夠完善，而且各地沒有完全建立起有效的管理體制和運(yùn)行機(jī)制，規(guī)劃管理者相對缺乏對城市景觀應(yīng)有的綜合調(diào)控能力。

2.2 目前城市景觀規(guī)劃管理實(shí)施過程中的主要問題

按照目前法定要求所編制的控制性詳細(xì)規(guī)劃難以對建筑的外部空間環(huán)境和城市空間環(huán)境進(jìn)行感性化建構(gòu)。在城市景觀規(guī)劃管理中，往往需要依賴管理人員自身經(jīng)驗(yàn)和感覺，容易造成在空間環(huán)境和形態(tài)上管理失控[3]。

城市景觀規(guī)劃的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是制作方案工作模型，但這往往只能獲得局部景觀的鳥瞰形象和靜態(tài)效果，規(guī)劃管理者難以進(jìn)行實(shí)施整體景觀空間的把握和管理，使得城市景觀形成沒有得到有效的控制。

規(guī)劃管理者在對城市規(guī)劃方案進(jìn)行審查時(shí)，經(jīng)常需要將方案與其周邊整體環(huán)境進(jìn)行綜合分析。由于傳統(tǒng)技術(shù)手段難以進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)成果的綜合分析，因此對城市建設(shè)方案視察時(shí)需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力，導(dǎo)致城市景觀規(guī)劃管理缺乏及時(shí)性和系統(tǒng)性。

3 三維地理信息技術(shù)在城市景觀規(guī)劃輔助決策中的實(shí)例分析

中山斗門區(qū)塊是奉化市中心城區(qū)規(guī)劃的核心地塊，根據(jù)市規(guī)劃局的要求，對該區(qū)塊進(jìn)行了三維方案的建模工作，借助三維可視化技術(shù)和與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，重現(xiàn)中山斗門區(qū)塊的三維實(shí)景及規(guī)劃方案，并結(jié)合GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)景觀規(guī)劃方案的對比分析和建筑的日照分析，為中山斗門區(qū)塊規(guī)劃和管理工作的深化提供輔助決策手段。

3.1 構(gòu)建城市三維仿真空間環(huán)境

在具體實(shí)踐中，常借助三維地理信息系統(tǒng)軟件的可視化分析模塊和3DMax等建模工具，結(jié)合最新的航片數(shù)據(jù)、地形圖及有關(guān)城市規(guī)劃、土地利用資料，來構(gòu)建城市的三維仿真空間環(huán)境，如圖1所示。

圖1 城市三維仿真空間環(huán)境構(gòu)建的技術(shù)路線

為構(gòu)造研究區(qū)域的實(shí)際地表，須建立精確的數(shù)字高程模型。數(shù)字高程模型的獲取有多種方法，目前通過航空相片、航天遙感相片提取DEM方法使用比較方便和普及。三維地形表面就是在DEM疊加正射影像，生成真三維地形地面。再在建模環(huán)境中構(gòu)造模型，完成建筑物和其他特征建模和紋理貼圖[1]。接著將模型精確地疊加在三維地形表面上，構(gòu)造城市三維建筑模型。之后建立起與模型相關(guān)的各類屬性信息數(shù)據(jù)庫，以支持三維環(huán)境下的目標(biāo)信息查詢。

3.2 三維地理信息系統(tǒng)技術(shù)在城市景觀規(guī)劃管理中主要應(yīng)用

3.2.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案數(shù)字化三維瀏覽和審批

將規(guī)劃設(shè)計(jì)方案制作成三維模型，并將其結(jié)合到現(xiàn)狀城市三維仿真空間環(huán)境中，生成規(guī)劃審批三維模型。通過實(shí)景模擬，規(guī)劃管理者可以在計(jì)算機(jī)中從任意視角、高度來觀察該方案，視察該方案與周邊環(huán)境的關(guān)系，從而系統(tǒng)地全面地提出對方案的視查意見，實(shí)現(xiàn)對城市景觀規(guī)劃的科學(xué)審批和管理，如圖2所示，為中山斗門區(qū)塊三維方案場景。該方案的三維審批流程如下：1）將該方案的紅線數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)方案圖轉(zhuǎn)換為ARCGIS的shp格式導(dǎo)入到三維平臺中來疊加分析，檢查方案和規(guī)劃紅線是否有沖突；2）將制作的三維方案導(dǎo)入到三維平臺中來，檢查方案的整體色調(diào)與周圍的環(huán)境是否一致；3）如果有多套設(shè)計(jì)方案的可以都導(dǎo)入三維平臺中來，進(jìn)行立體對比；4）在三維平臺中對方案進(jìn)行容積率、控高、綠化率、日照時(shí)間進(jìn)行分析。

圖2 中山斗門區(qū)塊三維方案瀏覽

3.2.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)方案比較

在城市景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，一般會有幾種不同的設(shè)計(jì)方案，要擇優(yōu)選擇，可將不同的設(shè)計(jì)方案制作成多種三維模型，并將其分別結(jié)合到城市三維仿真空間環(huán)境中，以生成供審批的三維模型，這有助于規(guī)劃管理者比較不同的景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，并從中擇優(yōu)審批，如圖3所示，為斗門區(qū)塊與市政府地塊間分別采用地下通道和人行天橋連接的兩個(gè)方案的對比。

圖3 兩種方案對比

3.2.3 虛擬城市景觀三維分析研究

通過虛擬城市景觀三維分析研究，規(guī)劃管理者可以根據(jù)要求對城市重要地段的規(guī)劃技術(shù)方案的色彩設(shè)計(jì)、布局、空間體量關(guān)系，以及建筑與環(huán)境之間的關(guān)系進(jìn)行分析評價(jià)，從而在城市開發(fā)建設(shè)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益、環(huán)境效益中，追求相應(yīng)的平衡點(diǎn)。同時(shí)規(guī)劃管理者還可以利用模擬的三維景觀跟蹤城市形態(tài)的建設(shè)發(fā)展，并根據(jù)城市建設(shè)發(fā)展不同階段的要求，及時(shí)調(diào)整相應(yīng)的控制性詳細(xì)規(guī)劃以及城市設(shè)計(jì)方案，以更好地指導(dǎo)城市景觀建設(shè)。

1）空間量測[4]是三維地理信息系統(tǒng)的基本功能之一，包括坐標(biāo)量測、距離量測（兩點(diǎn)距離、連線距離、空間距離、水平距離、地表距離）、高度量測（高度量測、高差量測、累計(jì)高差）、面積量測（正投影面積、地表面積）等功能，通過這些功能可以實(shí)現(xiàn)對地理數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量化處理和應(yīng)用。

圖4 距離量算

2）實(shí)時(shí)陰影即根據(jù)日照時(shí)間實(shí)時(shí)顯示地物陰影[2]，可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛟O(shè)計(jì)要求，設(shè)置太陽（光源）的高度，并按照一定的傾斜角度，計(jì)算地物陰影大小與位置，并通過光源位置變化，實(shí)時(shí)計(jì)算陰影并顯示出來，方便管理及應(yīng)用，如圖5所示。

圖5 日照實(shí)時(shí)陰影分析

4 結(jié) 論

三維地理信息技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的進(jìn)步而迅速發(fā)展起來的一門新的計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，綜合應(yīng)用GIS、遙感、多媒體及虛擬現(xiàn)實(shí)等現(xiàn)代化技術(shù)，具有區(qū)域景觀仿真的能力，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、直觀、快捷的動態(tài)規(guī)劃，支持區(qū)域規(guī)劃和管理工作的深化，這是傳統(tǒng)規(guī)劃方法的一種創(chuàng)新。當(dāng)3D－GIS中描述的對象隨時(shí)間變化比較緩慢且變化的歷史過程無關(guān)緊要時(shí)，可以用“數(shù)據(jù)更新”的方式來處理時(shí)間變化的影響。然而，在某些應(yīng)用中，被描述的對象隨時(shí)間變化很快（例如云量變化、日照變化等）或者歷史數(shù)據(jù)也必須予以保存（例如地籍變更、海岸線變化、環(huán)境變化、多年礦產(chǎn)資源調(diào)查信息、多尺度區(qū)調(diào)信息等）。在這種情況下，時(shí)間就必須作為一個(gè)與空間同等重要的因素引入到3D－GIS中來，這樣便產(chǎn)生了四維GIS或時(shí)態(tài)GIS的概念。四維GIS或時(shí)態(tài)GIS的不斷發(fā)展不僅在城市規(guī)劃、建筑設(shè)計(jì)等領(lǐng)域有廣闊的前景，而且在其他分析、評價(jià)、決策等部門如國土資源調(diào)查，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋地質(zhì)、礦山、環(huán)境、海洋等方面都有積極的作用。

[1]劉增良，楊 軍，張保鋼.面向城市規(guī)劃的三維建模技術(shù)探討與應(yīng)用[J].北京測繪，2009（6）：1－3.

[2]張生德，王 磊.三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].中國圖象圖形學(xué)報(bào)，2001，6（9）：935－939.

[3]尹海林.城市景觀規(guī)劃管理研究－以天津市為例[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.

[4]郭麗萍.基于ArcGIS Engine的三維地形可視化與分析系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2007，12（1）：1－6.