濟(jì)南城市設(shè)計(jì)三維管控平臺(tái)技術(shù)研究及應(yīng)用

高裕山，楊波，劉馨，劉曉飛

(濟(jì)南市不動(dòng)產(chǎn)登記中心，山東 濟(jì)南 250101)

1 引 言

改革開放以來，我國城市規(guī)劃建設(shè)管理工作成就顯著，伴隨著城市建設(shè)高速發(fā)展，也不同程度存在“千城一面”和“貪大、媚洋、求怪”等現(xiàn)象。從2015年12月召開中央城市工作會(huì)議，到2016年2月中共中央、國務(wù)院印發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市規(guī)劃建設(shè)管理工作的若干意見》[1]，再到2020年4月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部、國家發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市與建筑風(fēng)貌管理的通知》，均要求各地進(jìn)一步加強(qiáng)城市設(shè)計(jì)，強(qiáng)化對城市的空間立體性、平面協(xié)調(diào)性、風(fēng)貌整體性、文脈延續(xù)性等方面的規(guī)劃和管控。隨著三維數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，由于其具有全角度、多層次觀察城市空間整體和局部關(guān)系的技術(shù)特點(diǎn)，能夠通過多種運(yùn)動(dòng)方式展示城市形態(tài)甚至模擬不同階段的發(fā)展演變狀態(tài)，因此在城市設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛。國內(nèi)很多地方在城市設(shè)計(jì)三維管控方面做了探索，但也面臨著兩個(gè)方面的問題，一是空間尺度拓展到城市級時(shí)，如何高效調(diào)度海量數(shù)據(jù)；二是城市設(shè)計(jì)與多層級規(guī)劃關(guān)聯(lián)時(shí)，如何精細(xì)化管控。

2017年7月，濟(jì)南市入選全國第二批城市設(shè)計(jì)試點(diǎn)城市，提出建設(shè)城市設(shè)計(jì)三維管控平臺(tái)，統(tǒng)籌城市設(shè)計(jì)的編制、管理和實(shí)施。基于試點(diǎn)工作研究成果，本文闡述了城市設(shè)計(jì)三維管控平臺(tái)在大尺度空間下實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和高效化應(yīng)用的濟(jì)南案例，以及對相關(guān)技術(shù)探索、改進(jìn)的思路與方法。

2 三維數(shù)據(jù)的管理調(diào)度與可視化

濟(jì)南是歷史文化名城，有多處歷史建筑和歷史街區(qū)，三維建模采用實(shí)景三維為主、手工精細(xì)建模為輔的方式。在大區(qū)域三維建模中國內(nèi)外很多地方做了探索，Li等針對大規(guī)模的城市三維建模，利用傾斜攝影技術(shù)對超過 1 000 km2的區(qū)域進(jìn)行三維建模[2]。Lingua等利用無人機(jī)傾斜攝影技術(shù)對意大利西北部的某個(gè)城市中的古建筑物進(jìn)行了三維建模[3]。Kelly等通過無人機(jī)影像對建筑物進(jìn)行了三維重建的方法驗(yàn)證[4]。這些探索驗(yàn)證了傾斜攝影大區(qū)域建模中的可行性。采用傾斜攝影技術(shù)建模提升了三維模型生產(chǎn)效率[5]，但也帶來了如何高效管理海量數(shù)據(jù)的問題。濟(jì)南市三維數(shù)據(jù)體量較大，包括 1 000余平方公里實(shí)景三維模型、10個(gè)片區(qū)100余平方公里手工三維模型以及全市域簡易三維模型，疊加拼合后數(shù)據(jù)量達(dá)到數(shù)十TB。面對海量數(shù)據(jù)，重點(diǎn)探索高效管理調(diào)度、可視化應(yīng)用等技術(shù)，提升平臺(tái)性能、效率和使用體驗(yàn)。

2.1 多空間列技術(shù)對傾斜攝影數(shù)據(jù)的適配

三維空間數(shù)據(jù)引擎是管理和訪問三維數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)之一[6]，項(xiàng)目中改進(jìn)了CityMaker三維空間數(shù)據(jù)引擎FDE多空間列技術(shù)，將一個(gè)對象的多種空間表達(dá)在同一個(gè)表里存儲(chǔ)(圖1)，實(shí)現(xiàn)了傾斜攝影數(shù)據(jù)和其他類型三維數(shù)據(jù)融合，拓展了海量傾斜攝影數(shù)據(jù)查詢、分析及編輯能力。譬如對建筑做視域或者通視分析時(shí)，先用Polygon開展一次二維空間快速查詢(圖2)，得到初步結(jié)果后，再用網(wǎng)格模型開展更精細(xì)的三維分析，性能會(huì)有較大提升。

圖2 Polygon二維查詢

2.2 構(gòu)件級多精度三維瓦片技術(shù)

瓦片金字塔模型是一種多層分辨率的模型，從金字塔底部到頂部分辨率越來越低。三維瓦片采用八叉樹算法切分空間網(wǎng)格，從上到下瓦片矩陣的行列數(shù)呈倍數(shù)遞增關(guān)系。這種算法把相同空間都裂分為同等精度，在大場景中不夠靈活，如一個(gè)小型構(gòu)筑物或者雕塑，需要高的可視化精度，而大體量建筑則不需要同等精度，都分裂為相同精度，則造成資源浪費(fèi)。構(gòu)件級多精度瓦片技術(shù)是根據(jù)場景的最大尺寸建立第一個(gè)立方體，采用八叉樹算法將立方體分割為八個(gè)子立方體葉節(jié)點(diǎn)，若某個(gè)葉節(jié)點(diǎn)精細(xì)值不滿足設(shè)定值，則繼續(xù)分割該葉節(jié)點(diǎn)，直到所有葉節(jié)點(diǎn)精細(xì)都滿足要求。這種方法降低了海量三維數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)加載與場景復(fù)雜度的關(guān)聯(lián)，提高了大場景三維模型展示效率。

2.3 多級網(wǎng)格索引技術(shù)

傳統(tǒng)索引技術(shù)隨著數(shù)據(jù)量增大，檢索效率逐漸降低。多級網(wǎng)格索引在二維平面上構(gòu)建幾層虛擬網(wǎng)格，每層網(wǎng)格都是由等大的網(wǎng)格組成，這些網(wǎng)格空間相鄰接，每個(gè)空間對象按照其空間范圍和網(wǎng)格相交，空間查詢最終轉(zhuǎn)化成為網(wǎng)格ID的查詢(圖3)。這種方法直接在數(shù)據(jù)的實(shí)現(xiàn)層上設(shè)計(jì)，把空間掃描轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫中線性掃描，最小存儲(chǔ)單位是數(shù)據(jù)庫中的行。多級網(wǎng)格索引與四叉樹索引和R樹索引等傳統(tǒng)索引技術(shù)相比，由于充分利用了關(guān)系數(shù)據(jù)庫特征，在功能和性能表現(xiàn)上更加敏捷，大大提升了檢索效率。

圖3 多級網(wǎng)格索引組織示意圖

2.4 三維渲染引擎的優(yōu)化

在有限的硬件資源下，為提升海量三維數(shù)據(jù)顯示性能，探索采用空間索引和渲染索引兩種索引機(jī)制，將模型和紋理通過雙重三級LOD技術(shù)控制，消耗較小的性能完成快速查詢及繪制渲染。改進(jìn)后的三維渲染引擎，虛擬場景畫面真實(shí)，支持烘焙材質(zhì)和多層紋理，能實(shí)時(shí)生成動(dòng)態(tài)水面、動(dòng)態(tài)貼圖、骨骼動(dòng)畫、物體運(yùn)動(dòng)、雨雪霧等多種畫面特效，光影豐富，逼真地展示城市現(xiàn)狀、規(guī)劃和設(shè)計(jì)方案。

2.5 分布式內(nèi)存緩存技術(shù)

為提高三維數(shù)據(jù)的加載效率，采用MemCache技術(shù)，實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的分布式緩存，提升顯示平滑度和并發(fā)訪問服務(wù)能力。具體方法是先檢查客戶端請求數(shù)據(jù)是否在Memcache中，如果有就直接返回?cái)?shù)據(jù)，不再對數(shù)據(jù)庫做任何操作，如果沒有再去訪問數(shù)據(jù)庫，獲取數(shù)據(jù)返回給客戶端，同時(shí)把數(shù)據(jù)緩存一份到Memcache中。當(dāng)分配給Memcache內(nèi)存空間用完之后，采用LRU(Least Recently Used)策略和到期失效策略，替換掉失效數(shù)據(jù)和最近未使用的數(shù)據(jù)。項(xiàng)目依托于濟(jì)南市政務(wù)云網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，通過分布式內(nèi)存緩存技術(shù)，將三維數(shù)據(jù)調(diào)度和繪制并行處理，實(shí)現(xiàn)了大場景三維模型的無障礙漫游，提升用戶體驗(yàn)。

3 城市設(shè)計(jì)精細(xì)化管理

3.1 要素逐級傳遞

根據(jù)城市設(shè)計(jì)的管控體系，重點(diǎn)圍繞總體城市設(shè)計(jì)、區(qū)段城市設(shè)計(jì)、街區(qū)(地塊)城市設(shè)計(jì)和專項(xiàng)城市設(shè)計(jì)，構(gòu)建指標(biāo)要素體系[7]。縱向上將城市設(shè)計(jì)上下層級的管控內(nèi)容逐級延續(xù)和深化，構(gòu)建整體到局部、結(jié)構(gòu)到要素的控制和引導(dǎo)關(guān)系，上位指導(dǎo)下位，下位落實(shí)上位(圖4)。橫向上將城市設(shè)計(jì)與法定規(guī)劃對應(yīng)關(guān)聯(lián)，把城市設(shè)計(jì)指標(biāo)要素融入法定規(guī)劃(圖5)。具體實(shí)現(xiàn)上，一是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)整編制成果，將不同層級城市設(shè)計(jì)的管控要素提煉、拆解為相應(yīng)的指標(biāo)，建立指標(biāo)庫；二是依據(jù)管控體系建立上下相連、橫向?qū)?yīng)的管控規(guī)則[8]。比如區(qū)段城市設(shè)計(jì)中的“街區(qū)建筑”相關(guān)要素對應(yīng)到街區(qū)(地塊)城市設(shè)計(jì)中，就會(huì)分解為“退界控制”“高度與體量”“界面控制”“建筑設(shè)計(jì)”等更細(xì)化的相關(guān)要素。基于管控規(guī)則，通過數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、對比分析等功能實(shí)現(xiàn)指標(biāo)要素逐級傳遞。

圖4 縱向指標(biāo)分解示意圖

圖5 橫向關(guān)聯(lián)關(guān)系示意圖

3.2 指標(biāo)自動(dòng)校核

指標(biāo)校核是將各類具體的、非抽象的指標(biāo)，在縱向或橫向的邏輯關(guān)系中核驗(yàn)，確保管控指標(biāo)在邏輯上一致。首先是將各層次城市設(shè)計(jì)成果和法定規(guī)劃成果的指標(biāo)要素梳理，形成指標(biāo)因子，構(gòu)建不同層次的指標(biāo)庫，然后通過平臺(tái)的測算與校核功能，對審核對象的各項(xiàng)指標(biāo)與指標(biāo)庫分析對比，自動(dòng)生成校核報(bào)告，輔助審查與審批。如在用地管理中，在管控要素體系的約束下，通過參數(shù)化建模快速生成模擬方案，動(dòng)態(tài)計(jì)算指標(biāo)，開展空間形態(tài)研究和景觀分析，優(yōu)化規(guī)劃條件，提高工作效率和精準(zhǔn)性。

3.3 地上地下一體化動(dòng)態(tài)分析

在審查建筑設(shè)計(jì)方案時(shí)，除了展示和分析建筑的形體、高度、外部風(fēng)貌和空間關(guān)系外，還需要分析建筑內(nèi)部、地下空間的布局和結(jié)構(gòu)。平臺(tái)通過改進(jìn)三維剖切算法(圖6)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)裁剪三維空間，即拖動(dòng)剖面，可從不同角度任意剖切立體空間，形成動(dòng)態(tài)剖面圖(如圖7所示)，為規(guī)劃師、建筑師分析研究地上建筑、小品以及地面道路、地下的管廊、管線、地鐵站點(diǎn)通道等城市立體空間，提供更加全面和便捷的技術(shù)手段。

圖6 三維動(dòng)態(tài)剖切算法流程

圖7 三維動(dòng)態(tài)剖面圖

4 綜合管控平臺(tái)主要應(yīng)用

4.1 城市瀏覽

城市瀏覽模塊提供對城市、街區(qū)和建筑連續(xù)、實(shí)時(shí)、平滑的瀏覽和觀察功能，瀏覽方式包括定制瀏覽、自由瀏覽；觀察包括環(huán)視、頂視、透視、盤旋、定點(diǎn)觀察、反向觀察；瀏覽模式包括標(biāo)準(zhǔn)模式、簡潔模式和透明模式。面向不同對象提供兩種使用方式，一是C/S結(jié)構(gòu)桌面端應(yīng)用，為專業(yè)人員提供豐富的瀏覽功能；二是B/S結(jié)構(gòu)Web端應(yīng)用，為社會(huì)公眾提供便捷直觀的瀏覽場景。

4.2 編制項(xiàng)目成果審查

在編制城市設(shè)計(jì)過程中，需要檢查不同層次城市設(shè)計(jì)成果之間以及城市設(shè)計(jì)與總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃之間的關(guān)系。如果完全依靠人工判斷則會(huì)耗時(shí)費(fèi)力，而且容易出現(xiàn)錯(cuò)判漏判。平臺(tái)成果審查模塊，可在三維空間中分析高度、體量、形體、色彩、退讓等與城市空間環(huán)境關(guān)系，并利用自動(dòng)化沖突檢測和預(yù)警功能對相關(guān)指標(biāo)檢查與校核，輔助規(guī)劃成果審查，快速形成審查報(bào)告，提升審查效率與質(zhì)量。

4.3 建設(shè)項(xiàng)目方案審查

在審批工程建設(shè)項(xiàng)目時(shí)，以三維電子報(bào)建為切入點(diǎn)開展方案審查。平臺(tái)提供建高分析、控高分析(圖8)、貼線率分析、沿街立面分析、通視分析、開敞度分析(圖9)、視域分析(圖10)、天際線分析(圖11)、水淹分析、日照模擬與分析等十幾種三維分析手段，可在項(xiàng)目選址、用地許可和工程許可多個(gè)階段，更精準(zhǔn)地分析、評價(jià)報(bào)批方案的空間形態(tài)、色彩以及與周邊建筑、景觀和諧度等方面因素，輔助項(xiàng)目審批和規(guī)劃決策。

圖8 控高分析

圖9 開敞度分析

圖10 視域分析

圖11 天際線分析

5 結(jié) 語

隨著城市設(shè)計(jì)理論和方法的不斷創(chuàng)新，城市設(shè)計(jì)正從靜態(tài)城市空間擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)城市空間，研究尺度增大，精細(xì)化程度提高，公眾參與程度增強(qiáng)。城市設(shè)計(jì)三維管控的需求在未來會(huì)不斷涌現(xiàn)。本文通過相關(guān)技術(shù)研究，探索建立城市級尺度下城市設(shè)計(jì)三維管控平臺(tái)，服務(wù)于濟(jì)南市城市設(shè)計(jì)的編制、管理及實(shí)施全過程，為全面提升城市設(shè)計(jì)和規(guī)劃管理的精細(xì)化水平，促進(jìn)城市功能完善與環(huán)境品質(zhì)提升，進(jìn)一步彰顯“山泉湖河城”相融合的泉城特色風(fēng)貌，提供信息化支撐。