3DGIS三維城市規劃輔助決策支持系統子模塊的設計與實現

盧嵐，劉牛，劉興權（.長沙環境保護職業技術學院，長沙　40004；.長沙市規劃信息服務中心，長沙　40000；.中南大學地學與環境工程學院，長沙　4008）

3DGIS三維城市規劃輔助決策支持系統子模塊的設計與實現

盧嵐1，劉牛2，劉興權3
（1.長沙環境保護職業技術學院，長沙410004；2.長沙市規劃信息服務中心，長沙410000；3.中南大學地學與環境工程學院，長沙410083）

0　引言

城市規劃三維信息系統能規避平面規劃的缺陷。它可以通過調整建筑單體的紋理、位置、形體、高度，輸出規劃效果圖，甚至是多媒體的動畫展現。決策者能在三維場景中，發現許多不易察覺的設計缺陷，將減少由于事先規劃不周全而造成的無法挽回的損失與遺憾。因此它在城市規劃中起著非常重要的作用。本系統是將地理信息系統、遙感、虛擬現實等技術綜合應用于城市規劃輔助決策的原型系統。系統以長沙市區為重點示范區，根據城市規劃管理的業務流程，結合數字城市的建設要點、建立基于虛擬城市環境的城市規劃輔助信息平臺。系統子模塊有項目管理模塊 、二維地圖管理模塊、界面與視圖控制功能模塊、三維場景制作與管理模塊、場景漫游模塊、三維空間查詢、統計與量測模塊設計、輔助規劃分析與評審模塊和規劃成果輸出模塊。由于篇幅有限，本文只介紹三維場景制作與管理模塊、輔助規劃分析與評審模塊和規劃成果輸出模塊的設計與實現。

1　三維場景制作與管理模塊

該模塊有為用戶提供地形生成、數字正射影像圖疊加、精細模型的導入、基于二維圖層的模型快速生成、草模建立、紋理與材質管理、模型庫創建與管理、場景標注等功能。

1.1三維地形生成

用戶可以選擇場景區域范圍構建該區域的三維場景。

圖1　三維地形創建流程

1.2三維地物模型的導入

用戶指定導入的三維地物模型文件，同時設定導入的空間位置，便可將模型導入到地形場景中。

1.3快速建模

快速建模有兩種實現方案，一是基于建筑物輪廓的數字線劃圖的高度拉伸，一是在場景中自定義立方體。前者適合大規模的粗模建立，后者適合局部區域的建模調整。

圖2　快速建模的流程圖

圖3　從導入的矢量面數據生成三維樓塊示意圖

1.4模型自動接地

模型自動接地，根據模型中心位置的平面坐標，獲得模型中心的目標高程位置。然后利用平移操作將模型接地。

圖4　模型自動接地示意圖

1.5場景特效

1）霧化效果：可以在地形引擎里實現，利用OSG自帶的霧化效果實現；2）雨效：利用OSG自帶的雨效實現；3）視域裁剪：漫游時實現。

1.6三維模型選擇

三維場景中實現模型選擇的方式主要有三種：1）點選；2）框選；3）任意多邊形選擇。對選擇的結果可以進行如下處理：1）建立選集；2）合并選集；3）交叉選集；4）減除選取。

1.7模型編輯

1）模型刪除：模型刪除是從當前場景中，刪除模型節點。可以在方案目錄下刪除，也可以通過選擇集刪除。兩者都是通過刪除場景中對應的建筑物節點來實現。2）模型移動、模型旋轉、模型縮放：這三項均可通過對模型的矩陣變化實現。對于模型移動可以設置移動的坐標值；模型旋轉只限定在繞鉛垂線的旋轉，需要設置旋轉方向和角度。

2　輔助規劃分析與評審模塊

此模塊主要實現與規劃設計相關的規劃分析和方案比較。規劃分析包括指標分析、日照分析和可視性分析、疊加分析，方案評審是基于規劃分析開展的，在規劃分析的基礎上可以進行不同方案的對比。

2.1功能與實現流程

（1）指標分析

根據業務所需，可以動態計算指定區域的經濟指標。在場景中繪制計算范圍，對范圍內的處于顯示狀態的現狀建筑和方案建筑，自動提取建筑的屬性數據，依據國家規范的計算公式，自動計算經濟指標：計算范圍面積、總基底面積、總建筑面積、容積率、建筑密度。

圖5　指標分析參考示意圖

圖6　指標分析實現流程圖

（2）日照分析

系統支持完善的日照分析功能，包括復雜的遮蔽與陰影分析和日照時間計算等內容。日照分析既能定量和定性地處理一個建筑物自身的日照陰影變化情況以及對其他建筑物的日照遮擋情況，還能準確計算日照時間和日照間距，定量分析窗戶等建筑物重要部位的日照情況。典型的日照分析包括以下幾個方面：陰影分析、單點日照時間、多點日照時間、平均日照時間 、日照間距計算 、日照圓錐面 、日照等時線 、數字等日照量模型 、窗戶日照時間分析 、墻面的日照等時線。

（3）視線分析

系統支持完善的可視性功能。所謂可視性分析指的是從一個給定的視點出發所能看到的區域位置及大小。可視性分析包括空間任意兩點之間的通視性分析和空間位置處的可視域分析兩類問題。1）通視性分析：通視性定義為空間上的任意兩點之間在直線方向上的可視性。通視的條件取決于觀測點與目標點之間是否妨礙視線的障礙物，如地形因素或地物因素。2）可視域分析：可視域指在全部或有限范圍內從一個給定的視點上所能看到的區域，根據視點的不同，有單點可視域和多點可視域之分。可視域分析也可以簡單地按視線分析方法掃描整個研究區域，通過判定視點與空間中每個點之間的通視性即可得出一個可視域結果。

圖7　日照分析的實現流程圖

（4）方案對比

將不同的設計方案放在完全相同的環境中進行比較，更容易獲得最優的方案，而且容易發現方案的問題所在，從而促進方案調整得更理想。實現方案對比的關鍵在于分屏顯示三維場景。理論上，可以將當前項目下的所有方案通過分屏的方式，同時顯示在同一界面環境下，為了便于屏幕分割和取得良好的對比效果，系統設計最多可以分為4個分屏。

以下是方案對比實現的流程圖（如圖8）。

圖8　方案對比實現流程圖

2.2接口

表1　輔助規劃分析與評審模塊接口

3　規劃成果輸出模塊

對規劃成果進行全面三維展示，支持多媒體技術融合下的成果匯報。能采用圖片和視頻的方式輸出漫游路徑下的場景，能制作三維專題圖，能制作視頻文件。

規劃成果的輸出主要包括路徑漫游和場景的抓屏，這兩項功能都可以基于OSG的功能實現。

3.1路徑漫游

按照指定的路徑進行漫游對成果演示而言，是非常重要的。在osgViewer中，當第一次按下小寫字母“z”時，開始記錄動畫路徑；待動畫錄制完畢后，按下大寫字母“Z”，保存動畫路徑文件；再次使用osgViewer讀取該動畫路徑文件時，會回放此動畫路徑的內容。

3.2場景截圖輸出

場景截圖的實現較為簡單，可以直接使用OSG:: Image類的readPiexels（）獲取當前視圖的像素信心，從而實現抓圖的功能。具體的流程較為簡單，這里不再詳述。場景截圖時，用戶可以通過系統提供的參數設置面板，設置圖片格式和大小。

3.3添加聲音

給場景添加三維立體聲音可以借助OpenAL實現，它是自由軟件界的跨平臺音效API，OSG在其上封裝出一套新的適合OSG的API來完成OpengAL的功能osgAL。

4　結語

給出了3DGIS三維城市規劃輔助決策支持系統部分子模塊的設計與實現，運行結果表明該系統能滿足用戶需求，能提供可視化的、真實感強的虛擬城市景觀環境，在三維場景下實現城市規劃的輔助設計與審批，為城市規劃方案的評審和制定提供直觀的決策參考。但還需不斷改進和完善。

［1］梁國棟，蒙勝華.三維地理信息技術助力規劃輔助決策［J］.全球定位系統，2013，（4）:208

［2］高海峰，金鑫.基于Skyline三維GIS城市規劃輔助決策系統的設計與實現［J］.科技創新與應用，2012，（3）:20-21.

［3］江丕文，黃新等.城市三維數字景區建模的研究與實現［J］.地理空間信息，2009，7（6）:6～9.

3D GIS；Urban Planning；Auxiliary Decision Aupport System；Sub Module

Design and Implement of 3DGIS Three-Dimensional Urban Planning Aided Decision Support System Module

LU Lan1，LIU Niu2，LIU Xing-quan3
（1.Changsha Environmental Protection Vocational College，Changsha 410004；2.Changsha City Planning Information Service Center，Changsha 410000；3.Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2016）18-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.18.016

盧嵐（1983-），女，湖南城步人，碩士，講師，研究方向為地理信息系統

劉牛（1987-），男，湖南長沙人，本科，助理工程師，研究方向為信息技術在城鄉規劃中的應用

劉興權（1962-），男，湖北天門人，碩士，教授，研究方向為GIS專業教學及GIS工程與應用

2016-04-19

2016-06-10

3DGIS三維城市規劃輔助決策支持系統能規避平面規劃的缺陷。決策者能在三維場景中，發現許多不易察覺的設計缺陷，將減少由于事先規劃不周全而造成的無法挽回的損失與遺憾。介紹該系統子模塊，著重介紹三維場景制作與管理模塊、輔助規劃分析與評審模塊和規劃成果輸出模塊的設計。

三維GIS；城市規劃；輔助決策支持系統；子模塊

The 3DGIS three-dimensional urban planning aided decision support system can avoid the defect of plan.Decision makers can find a lot of design flaws hard to detect in 3D scenes，which will reduce the irreparable loss and regret.Introduces the system sub module and focuses on the design of the 3D scene production and management module，the auxiliary planning analysis and evaluation module and the output module.