城市三維模型在規劃管理中的應用研究

林金雙

(臺州市地理信息測繪中心有限公司，浙江 臺州 318000)

城市規劃管理工作是城市建設和發展的重要工作之一。近年來，城市規模的不斷擴大，城市中的建設工程項目呈現爆發式增長，傳統二維規劃管理模式已無法滿足城市發展的需求[1]，越來越多的城市管理者開始研究利用三維可視化、GIS、云計算和物聯網等先進技術應用于城市規劃管理工作中[2]。本文在深入基層規劃管理工作之后，結合城市三維模型，搭建了城市三維輔助決策分析平臺，實現了建設工程項目在全過程動態管理、建設工程項目會商管理、規劃輔助決策分析管理等功能，讓城市規劃管理的決策者能夠更為直觀、準確地了解城市建設工程項目的申報、審批和建設，做出及時和準確的決策，使規劃管理工作更加高效和科學化。

1 總體設計思路

1.1 構建了三維建設工程項目全過程管理模式

本文深入自然資源局及直屬單位等相關部門進行調研，圍繞規劃用地審批、建設工程過程監督、建設工程規劃條件核實等階段構建了三維建設工程項目全過程管理模式，可實時查看建設工程項目的建設用地規劃許可證、建設工程用地紅線檢驗、建設工程規劃許可證、建設工程放線、施工和驗線檢驗、建設工程規劃條件核實等階段的詳細信息[3]。

1.2 構建了城市三維模型數據庫

目前城市三維模型建模的方式有傳統手工建模、傾斜攝影建模、機載LiDAR結合高分辨率航空影像建模等方法。本文采用機載LiDAR結合高分辨率航空影像進行三維建模，制作的三維模型美觀且精度高，適用于城市規劃管理工作。

1.3 搭建了城市三維輔助決策分析平臺

基于城市三維模型數據庫，搭建城市三維輔助決策分析平臺，將城市的建設工程項目業務全部納入城市三維輔助決策分析平臺中，實現二維向三維管理的升級。

2 平臺設計

2.1 平臺框架選擇

城市三維輔助決策分析平臺選擇北京偉景行數字城市科技有限公司自主研發的國產CityMaker平臺作為基礎開發平臺[4]。在CityMaker基礎平臺基礎上，以CityMaker SDK COM庫為底層庫，以VS 2010為集成開發環境，以C#語言為開發語言，采用C/S架構和B/S架構進行系統建設[5]。CityMaker產品體系覆蓋了三維信息系統建設及應用的整個流程，從資源整合、場景構建、數據管理到輔助決策、信息共享發布等，包括CityMaker Builder、CityMaker Server、CityMaker Explorer、CityMaker SDK和CityMaker Network等產品[6]。

2.2 總體框架

城市三維輔助決策分析平臺采用“安全-豐富-高效”的框架設計，包括軟硬件支撐層、數據層、服務層、應用層和用戶層五層。平臺總體框架示意圖如圖1所示。

圖1 平臺總體框架示意圖

軟硬件支撐層包括PC端、移動端、服務器端設備、核心交換機、GIS軟件、CityMaker軟件、虛擬化軟件等，為整個平臺提供軟硬件的安全保障；數據層包括基礎地理信息數據、城市三維模型數據、規劃建設工程項目專題數據、多媒體數據、元數據和運維管理數據等，這些數據構成了城市三維規劃輔助決策數據庫，為平臺提供強有力的數據支撐；服務層包括GIS服務、三維服務、查詢統計和分析服務、數據共享服務、項目管理服務以及運維服務；應用層是基于CityMaker基礎平臺，搭建了城市三維輔助決策分析平臺，對城市規劃管理工作提供建設工程項目全過程管理、建設工程審批管理、建設工程會商管理、規劃輔助決策分析管理、地圖管理和運維管理等功能；用戶層是指平臺的管理或者使用用戶，包括城市管理部門、規劃部門、測繪部門、地產公司和有需求的公眾。

3 城市三維模型建設

3.1 城市三維模型建設流程

本文城市三維模型建設采用的方法是利用機載LiDAR和ADS 80航空攝影進行三維建模。建模大體思路如下：一是建模準備階段，對相關資料進行收集、整理和分析，形成工作方案；二是數據采集處理階段，通過機載LiDAR獲得點云數據，經過處理后的數字高程模型(DEM)、建筑物體框模型(DBM)，ADS 80航空攝影經過處理后獲得數字正射影像(TDOM)和空三加密成果；三是城市三維建模階段，一方面利用數據處理后的成果，建立城市三維的地形和體框模型，另一方面利用實地拍照的方式獲得地物紋理照片，利用3D Max軟件進行三維建模；四是對城市三維模型進行檢查，合格后，最終形成城市三維模型庫。城市三維模型建模的具體流程如圖2所示。

圖2 城市三維模型建模的具體流程示意圖

3.2 城市三維模型建設內容

根據實際情況，對城市的不同地理要素進行建模，模型包括地形三維模型、建筑三維模型、交通設施三維模型、綠化三維模型及其它三維模型五大類[7]。對城市的地理要素添加紋理，同時對光影以及周邊環境進行細致制作，要求能夠精確表現地理要素的紋理和結構。保證城市三維模型空間關系的正確性，屬性信息的完整性，地圖風格的統一與協調。數據文件命名保證規范和統一。城市三維模型建設內容如圖3所示。

圖3 城市三維模型建設內容示意圖

3.3 城市三維模型建模關鍵點

3.3.1 城市三維建筑體框模型建設

城市三維建筑體框模型建模，首先，利用機載LiDAR點云數據、數字正射影像以及建筑物的輪廓圖，生成粗的建筑物屋頂面片模型；其次，參考房屋的DLG數據對粗建筑物模型的形態、鄰接關系、外輪廓邊界位置等進行詳細修改，制作出符合建筑物體框建模技術標準的模型產品；最后，在3D Max軟件中對模型進行模型質量的優化編輯，完成建筑體框模型制作[8]。

3.3.2 模型紋理數據的采集與處理

模型紋理數據采集包括地表紋理、建筑立面和頂面紋理、交通設施紋理等[9]。模型紋理數據獲取的方式有影像數據、照片和軟件處理圖像三種。地形紋理和建筑頂面紋理一般通過城市數字正射影像獲得；建筑立面紋理和交通設施紋理則采用實地拍照獲得。建筑物紋理數據采集示意圖如圖4所示。

圖4 建筑物紋理數據采集示意圖

紋理數據處理應滿足的要求有：紋理數據圖像應色調均勻、自然美觀；紋理影像應與實地情況相符，應真實反映實際材質的圖案、質感、顏色及透明度，真實反映現狀情況和年代特征；紋理數據圖片尺寸應為2的n次冪，不宜超過1 024×1 024像素，且長寬比不宜過大。紋理數據圖像不應含有建模影像以外的其他影像等[10]。

3.3.3 城市三維模型建模

城市三維模型建模包括數據標準化處理、模型貼圖和模型烘焙。數據標準化處理是對生成的體框模型進行標準化處理，減少數據量和對不必要的冗余面進行剔除等；模型貼圖是將現狀照片制作成模型的貼圖，利用Photoshop軟件，選擇一張張合適角度的照片，進行裁切、糾正、調整光影和飽和度等操作，形成模型貼圖；模型烘焙是根據模型要求，烘焙燈光的效果要求冷暖分明，能藝術地表達光線效果，陰影關系分明，能很好地表達模型的體積感。模型烘焙完成后導出osg文件，最終導入CityMaker軟件中。

3.3.4 城市三維模型質量檢查

城市三維模型質量檢查具體步驟：一是制作過程檢查，建模階段檢查模型面數、貼圖精度尺寸，模型是否依據正確的照片而做，地形路網高度位置正確，以數據量檢查和基礎數據的準確性檢查為主等；二是內部驗收，由中標公司質檢部門組織公司相關人員嚴格按照相關驗收標準進行項目驗收;三是最終檢查，數據制作承擔單位提交檢查驗收申請，甲方工作組審核申請并組織檢查驗收，驗收后提出驗收修改意見；四是最終驗收，甲方工作組做最終驗收并提供檢查驗收報告。

4 城市規劃三維輔助決策平臺的實現

城市規劃三維輔助決策平臺的核心功能包括建設工程項目全過程管理、建設工程項目審批管理、建設工程項目會商管理、規劃輔助決策分析管理、地圖管理以及運維管理等。

4.1 建設工程項目全過程管理

建設工程項目全過程管理實現了將建設工程項目分成規劃用地審批、建設工程過程監督、建設工程規劃條件核實和建設項目違法檢查四個階段進行管理，規劃用地審批功能是對建設項目進行控規研究、城市設計研究和項目選址研究之后，最終通過審批，形成建設項目選址意見書；建設工程過程監督功能是對建設工程實施過程的監督，包括建設工程放線、建設用地規劃許可和建設工程規劃許可等；建設工程規劃條件核實功能是對建設工程進行驗收，包括建設工程驗線和工程規劃條件核實；建設工程違法檢查功能是對建設項目從審批-實施-竣工是否存在違法現象進行監督，確保建設項目有序開展。建設工程項目全過程管理流程如圖5所示。

圖5 建設工程項目全過程管理流程示意圖

4.2 建設工程項目審批管理

建設工程項目審批管理是將審批建設項目的方案加載到三維場景中，查看審批項目的各項規劃指標是否符合規劃設計要求，如建筑面積、用地面積、綠地率、建筑高度等。如果方案存在問題，可通過該功能進行指定方案實時動態調整，如高度調整、位置調整、角度調整、體量調整、色彩調整等。還可實現審批建設項目的多個方案多屏對比，通過不同角度、不同方位觀察各個方案，便于決策者分析和判斷最優方案。建設工程項目方案多屏對比示意圖如圖6所示。

圖6 建設工程項目方案多屏對比示意圖

4.3 建設工程項目會商管理

建設工程項目會商管理是自然資源市局、分局和設計單位通過視頻進行建設工程項目的討論，實時對項目提出修改意見以及最終確定項目方案進行決策。

4.4 規劃輔助決策分析管理

規劃輔助決策分析管理分成空間分析和統計分析兩部分。空間分析包括通視分析、視域分析、控高分析、天際線分析、立面分析、紅線退讓分析、分類顯示分析、建筑間距分析等；統計分析包括指標分析、拆遷分析、綠地分析、平衡表等。控高分析結果示意圖如圖7所示。

圖7 控高分析示意圖

4.5 地圖管理

地圖管理實現了數據疊加顯示、數據編輯、場景瀏覽、建設工程項目查詢定位和統計分析等功能。數據疊加顯示是在城市三維模型上疊加建設工程項目，直觀展示建設工程所在的位置和所處的狀態；數據編輯是實時更新建設工程狀態和添加相關信息；場景瀏覽可以在三維模型上快速導航，如特定場景、動畫導航等；建設工程項目查詢定位和統計分析是可以查詢建設工程項目的詳細資料，并對相關數據進行統計分析，以報表的方式提供打印功能。

5 結 論

本文基于城市三維輔助決策分析平臺實現了城市規劃管理二維向三維升級，規劃建設工程全過程管理，展示效果更為逼真和直觀，為領導提供更科學直觀的決策，加快推進城市建設的步伐。與此同時，平臺部署在政務內網，可提供市政府、市建委、自然資源市局和分局等部門共享應用，充分發揮了平臺的應用價值，取得了良好的應用效益。但也存在一定的不足，如三維建模靠人工，建模周期和建模成本較高，大場景三維模型展示效果較慢等。下一步，平臺一方面縮短三維模型更新周期，以滿足各部門的需要；另一方面完善功能開發，為政府提供更好的信息化服務。