基于GIS的城市規劃三維輔助系統的設計與實現

徐正國，劉　新（山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590）

基于GIS的城市規劃三維輔助系統的設計與實現

徐正國，劉新
（山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266590）

近幾年來，我國城市建設所面臨的空間規劃和空間決策日趨復雜，傳統的基于效果圖和二維平面圖的規劃決策已適應不了城市建設發展的步伐。在真實現狀三維環境和真實虛擬規劃模型相結合的技術方法的基礎上結合城市規劃審批業務，研究了多種三維空間分析技術，開發了實用的系統，并投入工程化應用，取得了良好的效果。

城市規劃；三維GIS；核心業務；三維空間分析

過去城市規劃是基于二維GIS的，且規劃成果多是圖片、文字和CAD圖件。三維GIS具有空間信息展示更為直觀、空間分析更為強大的特點，運用三維GIS技術提供的虛擬環境、實時多方案比較、日照分析、方案展示等功能，能夠使政府規劃部門、項目開發商、公眾等從虛擬環境中看到真實的規劃效果，這樣會使得決策者的宏觀決策更加科學，公眾的參與也可真正實現。

一、數據準備

1.數據分類

數據主要包括三維模型、規劃數據和基礎地理信息數據。

2.三維模型

三維模型主要包括建筑、樹木、水、道路、路燈、小品等。

3.規劃數據

規劃數據包括以下四類：社會經濟統計數據、規劃專題數據、規劃審批數據和文檔資料。如圖1所示。

圖1　規劃數據列表

4.基礎地理信息數據

基礎地理信息數據主要包括DEM數據、DOM數據、路網數據、地名地址數據、電子地圖數據等。

二、三維空間分析方法

1.通視分析

通視分析包括兩種情況：一個是兩點中或者多點之間的可視性分析；另一個是可視域分析，即對于給定的觀察點，分析觀察所覆蓋的區域。點對點的通視分析方法最常用的是視線分析法，先求視線方向的剖面線，然后以剖面線是否與觀察點和目標點所在的直線相交為依據來判斷是否通視，兩種分析過程如圖2所示。可視域的通視分析是點低點通視分析方法的擴展。

圖2　通視分析

2.日照分析

日照分析有兩個關鍵點：一是太陽高度角和方位角如何確定；二是陰影如何生成。陰影生成問題目前主要有三類方法：陰影貼圖算法、平面投影算法和陰影體算法。平面投影算法計算非常簡單，速度非常快，缺點是過于簡化了場景的幾何信息，使其無法準確將陰影投射到曲面和高低起伏的地形上去；陰影貼圖算法實現簡單、快速，非常適合復雜場景的渲染，但處理動態光源（或動態物體）時開銷很大，且容易出現陰影邊緣有嚴重鋸齒的現象；陰影體算法可以實現邊緣非常清晰的影子，質量比較高，但處理過程復雜，適合小場景的陰影渲染。在具體實現時，需結合日照分析的特點和當地實際情況進行優化。首先需要通過計算生成陰影的模型的包圍盒來確定影響區域，減少后續的計算量，然后根據經驗給出一個閾值，如果模型數量超過閾值，則采用陰影貼圖算法生成陰影區域，否則采用陰影體算法得出陰影區域。

3.土方量分析

土方量的計算是指在求取在一定區域范圍內設計標高與自然地面實測標高之間挖或填的土方體積，目前有DTM法、方格網法、斷面法和等高線法四種土方量計算方法。DTM法精度最高，適合地形起伏大、精度要求高的地區的土方量計算，缺點是模型復雜；方格網法計算土方量的數據量小，計算速度快，精度較高，適合較平坦的平原區；斷面法精度不高，適用于狹長地帶，如公路、水渠等，缺點是限制條件多；而等高線法多用于概算山地的土方量。由于方格網法簡明直觀，可生成挖填線，而且城市內多平坦地區，因此在城市規劃中最適合用方格網法。

4.路徑分析

最短路徑不僅僅是指一般地理意義上的距離最短，還可以引申到其他的度量，如時間、費用、線路容量等，所以有時也稱為最優路徑分析。首先利用手動輸入或圖上點擊的方法獲得起點和終點的坐標，然后調用相關服務得到起點到終點間的折點數組，接著借助DEM數據根據折點數組的X、Y坐標獲取其Z值信息并放入數組內，最后利用NewMap Earth API中的Polyline類，將起點和終點間的折線段繪制在三維場景中，從而獲得隨地形起伏的起點到終點的路徑。

5.剖面分析

剖面表示表面高程沿某條線（截面）的變化。首先畫一條線，確定采樣間隔；然后根據采樣間隔獲取到各采樣點的X、Y坐標，并根據DEM獲取其高程信息；最后，根據采樣點數據繪制剖面線。

三、核心業務

結合城市規劃的審批和決策流程，系統實現了從報建項目申請、項目資料提交、項目審批及方案討論、項目公示全流程。下面是系統中項目管理中的功能模塊，如下圖3。

圖3　項目和方案功能模塊

業務流程如下：首先根據申請人提供的資料，建立項目節點。同時將項目位置、項目紅線、項目各項控規指標、有關項目介紹的多媒體信息（圖片、音頻、視頻）等存儲到數據庫中，然后將該項目存在的多個方案的方案指標、方案信息、平面效果圖等也存儲到數據庫中。通過項目資料整理入庫這一環節，實現了項目材料完備性檢查，同時便于以后的數據查找和統計分析。其次，政府工作人員就每個方案的細節及差異，借助三維分析手段，在三維場景中直觀真實地顯示出來。一方面可以查看申請人所提供方案是否符合國家和當地的法律法規；另一方面有助于工作人員進行細致的對比、討論，進行科學決策，給出評審意見。例如在系統中使用日照分析功能時，需先選定具體日期和起止時間，然后在這一時間段內動態演示選中建筑物的日照情況，并統計出該時間段內的日照總時間，檢測建筑物的高度、建筑物間距等指標，從而判斷該建筑物相對于周邊環境是否合適；視域分析功能可以查找給定的范圍內觀察點所能通視覆蓋的區域，可用于查看建筑物某個房間的視野情況、設置雷達站、設置電視臺的發射站等；淹沒分析功能可以模擬洪水來臨時，虛擬規劃模型被淹沒的情況，從而評估其選址是否科學合理；方案對比功能可通過多個屏幕上同時顯示不同方案，更便于工作人員直觀地感受方案的差異，比如每個方案中模型的建設風格、與周圍環境的融洽性、日照情況等，并從中選出最優方案；基本量測功能可通過在三維場景直接測量，了解每個虛擬規劃模型的具體參數，如樓高、基座的面積、每層樓的高度等。如果評審通過，則以填寫的項目資料為依據，進行項目的監督及追蹤記錄，否則進一步修改方案，并討論直至通過。最后，項目在政府監管下，如果通過評審驗收，則項目被標記為結束，否則需要進行修改，直至通過驗收。項目報建審批流程如下圖4。

圖4　項目報建審批流程

四、系統建設

1.系統設計

在總結二維GIS應用的基礎上，安康市規劃管理信息系統運用計算機網絡、地理信息系統、虛擬現實等技術手段，進行面向規劃的三維GIS系統的設計與研發，使規劃部門可以在三維虛擬城市中實現規劃選址、規劃評估、規劃審核及項目管理等業務，為實現規劃的精細化管理和科學化決策提供強有力的技術保障。系統架構圖如圖5所示。

圖5　系統架構圖

2.功能設計

（1）功能概述

系統的總體功能包括圖層管理、三維瀏覽、信息查詢、場景效果、城市規劃、規劃選址、規劃審核、高級功能、后臺管理9大部分。

（2）圖層管理

根據圖1的數據分類，在系統左側的圖層管理面板中設置了4個根目錄，其中包括三維模型、基礎地理信息數據，規劃信息和其他。每個根目錄又包含子目錄，用戶可通過目錄前的勾選框，根據實際需要控制相應圖層的顯示與隱藏。

（3）三維瀏覽

系統具有城市場景快速展示的能力，用戶可從任意角度瀏覽三維場景，也可以查看當前坐標和視角，以及可通過輸入坐標進行快速定位。

（4）信息查詢

在信息查詢中，三維輔助規劃系統不僅可以進行地名地址、控制性詳細規劃等查詢二維GIS數據的屬性信息，也可通過點選或框選的方式選擇某個或某些模型，查詢該模型對應的屬性信息，例如建筑物的視頻介紹、位置信息等。

（5）場景效果

可以查看在不同天氣（晴天、小雨、中雨、大雨、小雪、中雪、大雪、大霧、傍晚等）效果下的城市景觀，也可以查看城市天際線，同時可以通過飛行漫游、特定場景等方式進行快速瀏覽和定位，并可進行場景效果的出圖。

（6）城市規劃

主要包括規劃編制瀏覽、模擬規劃兩大部分。規劃編制瀏覽主要是指控制性詳細規劃和城市總體規劃的顯示。模擬規劃主要包括文本標注、二維標注、三維標注、疊加圖層、路網規劃、復制對象等，其主要目的是對三維場景進行信息的標注、本地圖層的疊加顯示，進行模擬規劃以輔助決策。

（7）高級功能

高級功能主要包括二三維聯動、用戶數據、文檔查看、模型紋理庫、下載中心、版本信息。其中用戶數據主要是用于展示用戶標注、特定場景、飛行漫游路線、運動路線；文檔查看用于輔助規劃部門向上級領導演示匯報；模型紋理庫類似于符號庫，用于顯示現有的模型紋理分類。

（8）后臺管理

后臺管理主要對各種數據和用戶權限進行配置與管理。

該系統于2015年10月份開始進行部署測試，于2015年年底通過驗收。該系統具有操作簡便、與核心業務結合緊密、場景真實逼真、功能眾多等優點，已在政府決策中發揮了重要作用，得到了各級領導的認可。目前這個系統中還存在功能模塊分類混亂、三維分析不夠深入、數據遷移困難等缺點，在以后的建設過程中，需解決上述存在的問題，不斷完善系統，最終實現用戶由二維系統向三維系統的無縫過渡。

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TP

A

1673-0046（2016）8-0179-03