三維城市規劃管理審批系統的研究與應用

周曉波，王軍，周偉

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇 徐州　221000)

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三維城市規劃管理審批系統的研究與應用

周曉波*，王軍，周偉

(徐州市勘察測繪研究院，江蘇 徐州221000)

摘要：近年來，智慧城市的建設快速發展，城市規劃作為引領城市建設的藍圖和依據，對城市的發展起著重要的指導作用。傳統的二維設計圖和效果圖缺乏立體感和直觀性，制約了規劃審批技術的革新，三維建模技術已成為解決該問題的研究熱點。通過“徐州市三維城市規劃管理審批系統”的建設，闡述了系統的總體設計和關鍵技術研究，并探討了該系統的推廣應用。

關鍵詞：城市規劃；三維；輔助決策

1引言

隨著城市的快速發展，傳統的城市規劃手段已經不能滿足設計者和決策者的需要，三維GIS作為城市信息化的一個重要組成部分，通過構建直觀、真實感強的虛擬環境給人們帶來更為全面的位置信息，從而實現城市規劃管理模式從二維到三維的轉變，為規劃決策和城市管理提供更為直觀與科學的依據。因此，需要將三維的GIS引入到規劃行業中。

本文以建設“徐州市三維城市規劃管理審批系統”為例，在徐州市三維基礎地理信息系統平臺的基礎上，開發了徐州市三維規劃審批系統，從而為規劃審批提供全新的技術方法，服務于城市的高效快速發展。

2三維城市規劃管理審批系統總體設計

2.1系統平臺總體架構設計

系統在技術上堅持數據、管理、服務與應用相分離的原則，采用SOA架構、B/S模式，建立高效的數據響應機制，實現數據的管理、存儲、交換以及與其他業務應用系統的集成[1]。系統總體架構如圖1所示。

圖1系統總體技術架構圖

系統總體設計架構分為5層：工具層、服務器與數據基礎層、基礎服務層、業務邏輯層和三維表現層。

(1)工具層

工具層提供地形影像處理工具、高精度地形生成工具、模型數據處理工具、矢量數據處理工具等系統工具，實現三維模型數據的精確表現，保證數據的真實美觀，方便三維數據的展示、查詢及檢索。

(2)服務器與數據基礎層

服務器與數據基礎層為系統提供基本的數據服務，將元數據、2D GIS數據、3D GIS數據、搜索數據、分析數據、地址數據、業務數據等多源數據進行預先自動化建模、編譯處理，然后再發布為系統可顯示、搜索和分析的數據，采用數據建庫技術、四叉樹技術、瓦片金字塔技術等進行性能優化。

(3)基礎服務層

基礎服務層將基礎層中獲取到的數據進行處理及存儲，該層是整個平臺的核心，是連接底層數據與上層應用之間的橋梁；同時該層可以為三維表現層提供服務支撐，包括公共訪問服務、2D GIS服務、3D GIS服務、業務應用服務等，實現三維場景的高效瀏覽及展示。

(4)業務邏輯層

業務邏輯層主要進行業務處理，包括業務規則的制定、業務流程的實現等，能調用數據層接口完成數據的融合和分析處理。同時，此層還提供組織機構、LDAP數據等方面的實現，可以快速地進行移植和增強性能。該層是一種弱耦合結構，有利于功能的完善并可以迅速地根據業務變化進行調整。

(5)三維表示層

三維表示層為最終用戶提供數據和信息的正確語法表示變換方法，采用Silverlight技術、AJAX技術提供優秀的用戶體驗，提供三維數據服務接口，支撐各種行業應用，如交通管理、地下管線、城市規劃、國土資源、電力能源等。通過Web瀏覽器以二、三維聯動的展現方式來訪問各種數據，進行查詢、統計、分析等工作。

2.2軟件體系框架設計

徐州市三維審批系統的軟件體系框架包括Web服務端、運維管理子系統、編輯子系統、數據處理工具集。

(1)WEB服務端

WEB服務端基于面向服務的開發和架構，采用Linux服務器，支持數據、服務的分布式部署和負載均衡(LVS或F5)。客戶端無并發訪問和授權數量限制，服務端支持網絡授權模式。服務端支撐的系統功能主要有數據顯示功能、數據權限控制功能、三維分析功能、空間搜索功能，數據的實時更新與發布功能以及對矢量點、線、面數據的進行相關查詢的功能[2]。

本系統所有服務基于Linux系統進行開發，客戶端基于Windows系統開發，主要有以下三方面原因：

①本項目數據有大量的100 K左右的小文件，Linux文件系統對小文件的管理做得比較好，對小文件的讀、寫及索引速度等綜合效率明顯高于Windows文件系統；

②Linux內核的源代碼是以標準規范的32位(在64位CPU上是64位)的計算機來做的最佳化設計，比Windows更加穩定；

③Linux提供了相對于Windows更好的安全性能，對文件和系統的操作權限管理較為嚴格，不容易受到攻擊。

(2)運維管理子系統

運維管理子系統包括服務管理、數據管理和用戶管理三個大的組成部分。其中，服務管理可實現三維平臺的服務配置、IP管理、數據庫信息管理等功能。數據管理可對基礎工具集處理完成的數據進行分類管理、數據配置以及動態物體設置等功能，實現系統中數據的添加、刪除、修改、配置等功能[3]。用戶管理包括數據權限管理、功能權限管理及用戶管理三個部分，通過設定不同用戶的數據和服務訪問權限，控制數據的瀏覽和系統功能的實現。

(3)編輯子系統

編輯更新子系統采用C#進行編程，通過掛接Oracle數據庫，可將三維模型的mesh、紋理和屬性分別進行存儲，并進行高效的展示，從而使用戶在三維環境中進行三維模型的單體化更新，并可實現建筑紋理、屬性的實時更新，為實際后期運維管理提供系統支持。

(4)數據處理工具集

在Web上實現基礎地理實體模型的三維表達和大面積海量數據的快速顯示與分析，是本系統研制的兩個重點問題。本項目在傳統三維模型數據可視化技術基礎上進行了流程和算法優化，對所獲取的不同來源的各種數據需要預先進行自動化建模、編譯處理，然后再發布為系統可顯示、搜索和分析的數據，因此伴隨系統就衍生了三個數據建模、編譯與發布的工具包成果，它們分別是：基礎數據編譯與發布工具包、模型數據批量發布與編譯工具包和管線數據編輯工具包。

3三維城市規劃管理審批系統關鍵技術研究

3.1二、三維一體化技術

本系統基于先進的內核技術，將二三維數據統一到一個球面空間中，真正實現了二三維數據的有機結合[4]。三維管線模型數據是由二維管線數據自動化生成的，兩者使用的是一套統一存儲和管理的數據，實現了數據存儲和管理一體化、查詢和分析一體化。

3.2基于SOA架構

SOA(Service-Oriented Architecture，面向服務架構)是一種粗粒度、松耦合服務架構模型，服務之間通過簡單、精確定義接口進行通訊，不涉及底層編程接口和通訊模型，其基礎是Web Service技術[5]。Web服務應用可以穿越企業防火墻，很好地適應基于Internet計算要求的松散性，實現互聯網環境下的分布式應用。

本系統根據系統服務對象對數據、業務功能的需求封裝了不同層次、不同顆粒的Web服務接口，包括：三維數據服務：提供DEM、DOM、Model、Billbord等數據服務；本地搜索(LBS)服務：提供對POI、建筑物等搜索服務；3D分析服務：斷面分析、連通性分析、水淹分析等服務；氣泡服務：標記等服務；人機交互服務：單點登錄、人員角色、工程項目信息等服務；精細場景服務：街景漫游等服務。

3.3系統快速響應技術

目前相關的三維基礎地理信息系統平臺，面臨的問題有裝載的三維場景不夠大，系統響應速度不夠快。在徐州市三維基礎地理信息系統的建設過程中，采用Linux系統服務器，將DEM、DOM、三維模型3ds Max數據等標準格式的三維數據，通過編譯發布工具轉換成系統特有的數據格式，主要是海量的小文件數據，從而提高服務器的響應速度。對于徐州市約 170 km2的三維數據加載速度能達到28幀每秒。此外，采用基于四叉樹結構的多分辨率LOD技術，在遠視角大場景的情況下，加載低分辨的圖像信息；在近視角小場景的情況下，加載高分辨率的圖像信息，動態調節相關物體的面數及細節程度，從而實現數據的快速加載，提高系統的響應速度。

3.4基于數字攝影測量的快速三維建模工藝

系統中三維數據的生產是基于數字攝影測量技術，基于合格的空三成果進行立體測圖，同時采集DEM和建筑物的特征點線數據，在此基礎上分別生產DOM、TDOM和三維建筑模型，三維建筑模型頂部的紋理從航空影像上直接提取，側面紋理需要通過實地拍照的方式獲取，并在3ds Max中進行編輯、貼圖、烘焙，最終形成與現實場景完全一致的三維模型。本系統分類設計了三維模型制作標準，不同類型的模型采用不同的技術方法建立，按重要性分兩級場景：精細場景(如圖2所示)、標準場景(如圖3所示)[6]。此外，城市主干道、次干道等重要市政道路的路面均采用人工修飾和精度查值，道路景觀帶、行道樹、道路交通指示牌、路中間隔離帶等均進行三維全現(如圖4所示)。

4三維城市規劃管理審批系統推廣應用研究

徐州市三維城市規劃管理審批系統建成之后積極進行研究應用推廣，主要表現在以下幾個方面：

4.1為各行各業提供先進的技術手段和三維信息共享服務

系統為各行各業提供三維立體的基礎地理信息數據，為廣大人民群眾提供美觀、便捷的城市三維展示引導服務，為城市應急指揮和搶險的政府部門提供準確、直觀和現勢的地理空間分析結果。建立三維基礎地理信息系統平臺，可實現三維數據的統一更新維護和資源共享，避免各單位各自為政，重復投資，形成信息孤島，從而降低城市空間數據的更新成本。

4.2城市規劃三維輔助決策

規劃管理部門只有準確掌握規劃方案與周邊現狀地物的相互關系，才可以正確合理地進行城市規劃，并作為施工方建設成果的檢驗標準。近年來我國房地產市場發展迅速，但是方案設計與建設結果不一致的情況屢屢發生，通過城市規劃三維信息化及管理制度建設，采用三維報建和三維竣工的管理方式，既可為城市建設施工提供準確、完整的周邊現狀信息，減少規劃失誤，又可直觀審查建設成果，保證消費者利益[7]。在實際應用過程中，徐州市中心規劃建設超高層項目，該項目位于核心商業區，周邊有多棟超高層建筑同期在建，在規劃方案評審過程中對三個申報的規劃設計方案采用三維現實場景模擬、指標分析、雙屏對比、空間距離量測、天際線分析等技術方法，對該項目建筑體量、建筑風格與彭城廣場周邊建筑的協調性進行分析，選定了最合適的設計方案，如圖5所示。

圖5三維城市規劃管理審批系統多方案比選

4.3有力保障城市地下空間的合理開發利用

城市地下管線是保障城市運行的重要基礎設施和“生命線”，該系統基于二維管線普查數據實現三維可視化管理，滿足地下管線的三維規劃設計、方案審批[8]。在地下管線的規劃設計過程中，能夠合理進行地下管線的選線設計與施工，在該系統中還可以加載設計管線的規劃模型，在快速瀏覽設計管線基本情況的同時，直觀地查看與地上、地面、地下的空間關系，為管線遷建和移建提供依據，如圖6所示。

圖6三維城市規劃管理審批系統地下管線

4.4為“智慧城市”建設奠定堅實的技術和數據基礎

徐州市三維規劃管理審批系統的建成，使城市建設決策者直觀全面地感知城市的現狀，并提供精確的三維地理位置信息，為提高規劃管理的效率提供了科學的決策依據和全新的可視化平臺，為“智慧城市”的建設提供了數據基礎，提升了共享水平。

5結語

從可持續發展的角度，三維城市規劃管理審批系統能夠隨著城市建設的進行而實現三維模型數據的同步更新，使最新的規劃內容能夠及時反映在虛擬化的環境中[9]。系統的建成，可實現對城市地物地貌的可視化管理，輔助城市規劃，有利于對城市資源分布情況進行全面的了解，實現城市資源的合理配置、充分利用，有利于提高重大決策的科學性，對實現城市的可持續發展有重要的意義。

參考文獻

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[9]Qian Zhu，Xia Li，Di Cao. GIS-based 3D Modeling and Visualization in Luohe Basin[C]. 2013 International Conference on Information Technology and Applications.lEEE，2013：328～332.

Research and Application of Three Dimensional Urban Planning Management and Approval System

Zhou Xiaobo，Wang Jun，Zhou Wei

(Xuzhou Surveying and Mapping Research Institute，Xuzhou 221000，China)

Key words：urban planning；three-dimensional；decision support

Abstract：In recent years，the rapid development of smart city construction，urban planning as a guide to the blueprint and basis of urban construction，the development of the city plays an important guiding role. Traditional two-dimensional design and effect diagram lack of stereo and intuitive，which restricts the innovation of planning and approval technology，and the three-dimensional modeling technology has become a hot research topic. Through the construction of “Xuzhou city planning management approval system”，this paper expounds the system’s overall design and key technology research，and discusses the application of the system.

文章編號：1672-8262(2016)03-50-05

中圖分類號：P208.2

文獻標識碼：A

*收稿日期：2016—03—15

作者簡介：周曉波(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要從事數字攝影測繪和三維城市建設相關工作。