利用三維仿真技術(shù)輔助城市規(guī)劃決策

李大超

(合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230061)

1 前言

利用三維仿真技術(shù)輔助城市規(guī)劃決策，可以在仿真的城市場(chǎng)景中實(shí)時(shí)互動(dòng)地評(píng)估與分析規(guī)劃方案，為規(guī)劃管理者提供更加直觀與科學(xué)的依據(jù)，這是傳統(tǒng)手段如平面圖、效果圖、沙盤乃至動(dòng)畫等所不能達(dá)到的，是當(dāng)今城市規(guī)劃信息化發(fā)展的重要方向。合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院開(kāi)發(fā)建設(shè)的“三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)”綜合運(yùn)用遙感技術(shù)、地理信息系統(tǒng)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，采用城市大比例尺基本地形圖數(shù)據(jù)、數(shù)字正攝影像數(shù)據(jù)(DOM)和數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)(DEM)建立起具有較高地理精度的城市三維地形場(chǎng)景，在此基礎(chǔ)上，集成建筑物、市政設(shè)施等三維模型，構(gòu)建起整個(gè)城市三維景觀，在電腦中構(gòu)筑真實(shí)的城市面貌，為城市管理者面對(duì)復(fù)雜的城市，實(shí)施科學(xué)的、人文的、生態(tài)的規(guī)劃，提供有力的決策手段。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)與預(yù)期功能

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)目標(biāo):

以數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)和三維建筑模型數(shù)據(jù)為核心，充分利用影像和GIS技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，選取合適的三維平臺(tái)，建立三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)。

總體功能要求實(shí)現(xiàn):

(1)三維城市風(fēng)貌的展現(xiàn):現(xiàn)代衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展為我們提供了更直觀的了解城市風(fēng)貌的條件，在沉浸式三維場(chǎng)景環(huán)境中，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字城市的實(shí)時(shí)互動(dòng)。將城市的復(fù)雜性整體客觀地展示給管理者，利于及時(shí)掌握情況、客觀分析問(wèn)題和正確處理決策。

(2)城市三維地理信息系統(tǒng)的建立:結(jié)合城市基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)(DEM、DOM、DLG、DRG)，將現(xiàn)有的數(shù)據(jù)納入到三維信息系統(tǒng)平臺(tái)中，在實(shí)現(xiàn)城市風(fēng)貌展示的同時(shí)，能提供在三維可視化環(huán)境中的屬性信息查詢和空間分析。

(3)城市規(guī)劃輔助決策:三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)可以生動(dòng)地展示城市的現(xiàn)在和未來(lái)，可以方便地輔助城市規(guī)劃與城市管理工作，為規(guī)劃審批提供決策服務(wù)。

3 三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選取及系統(tǒng)建立

3.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的選取

目前三維GIS平臺(tái)可供選擇的很多，如Google Earth、ESRI的ArcGlobe及ArcScene以及Skyline等。合肥市測(cè)繪設(shè)計(jì)研究院在綜合三維平臺(tái)展示效果及二次開(kāi)發(fā)功能表現(xiàn)力上，選取了Skyline軟件作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。

Skyline 由 TerraBuilder，TerraExplorer，TerraGate 等主要產(chǎn)品組成。TerraBuilder按照精確的三維地理信息模型將大量的影像、高程和矢量數(shù)據(jù)集中在一起并建立三維地理信息數(shù)據(jù)庫(kù);TerraGate則是用于將三維地理信息進(jìn)行Internet發(fā)布的服務(wù)器端軟件。TerraExplorer又可分為 TerraExplorer，TerraExplorer Pro以及TerraDeveloper，其中TerraExplorer Pro允許用戶經(jīng)由編輯、注記及分析資料，創(chuàng)建自己的3D可視化展示環(huán)境;TerraExplorer可允許用戶免費(fèi)瀏覽 TerraExplorer Pro所開(kāi)發(fā)的專用功能并執(zhí)行TerraExplorer所提供的基本功能;TerraDeveloper即TerraExplorer Pro的二次開(kāi)發(fā)包，用戶可利用它定制自己的應(yīng)用程序。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

首先將處理好的數(shù)據(jù)(矢量數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)以及三維模型數(shù)據(jù))放入到三維信息管理與發(fā)布平臺(tái)中，該平臺(tái)為規(guī)劃應(yīng)用系統(tǒng)提供環(huán)境數(shù)據(jù)支持，然后在該平臺(tái)上搭建具體的城市規(guī)劃應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

3.3 三維場(chǎng)景的建立

三維場(chǎng)景的建立主要包括兩個(gè)方面，城市三維地形場(chǎng)景建立及建筑物三維模型建立。

(1)三維地形場(chǎng)景建立

利用數(shù)字正射影像與數(shù)字高程模型建立高精度的三維地形場(chǎng)景。要求DEM、DOM數(shù)據(jù)采用GEOTIFF格式或image格式，GEOTIFF壓縮比采用1∶1，以保證影像精度不受損失。通過(guò)遙感處理軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和編輯，內(nèi)容包括DEM在ArcGIS或Erdas里修改，DEM和DOM的格式、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，使之統(tǒng)一在WGS－84坐標(biāo)系統(tǒng)下;然后利用TerraBuilder軟件進(jìn)行場(chǎng)景生成，獲得MPT場(chǎng)景文件。

(2)建筑物三維模型建立

根據(jù)城市規(guī)劃需求的不同，可以分為一般建筑物粗略建模和城市標(biāo)志性建筑物精細(xì)建模兩種。

①一般建筑物建模

這種建筑模型可以在Skyline軟件TerraExplorer Pro里面來(lái)實(shí)現(xiàn)，其技術(shù)手段是首先根據(jù)影像上建筑的頂面勾畫出該建筑的輪廓，然后在實(shí)地調(diào)查拍攝出建筑的紋理，利用圖像處理軟件進(jìn)行紋理編輯，最后貼上該建筑的紋理，形成建筑模型。這樣的方法優(yōu)勢(shì)是建立的建筑物模型是獨(dú)立的對(duì)象，可以對(duì)每個(gè)建筑模型進(jìn)行紋理編輯和修改，但缺點(diǎn)是不如在專門的三維軟件里建立的模型精美。

②城市標(biāo)志性建筑物精細(xì)建模

采用3ds Max軟件來(lái)進(jìn)行城市標(biāo)志性建筑建模，首先根據(jù)系統(tǒng)需要選擇和確定需要精細(xì)建模的建筑物，接著利用數(shù)碼相機(jī)對(duì)所選擇的建筑物進(jìn)行數(shù)碼拍攝，然后在3ds Max里建立模型，格式為3DS，最后利用其擴(kuò)展模塊轉(zhuǎn)換成.X的格式。需要注意的是在3ds Max里建模要求構(gòu)面盡可能的簡(jiǎn)化，紋理盡量數(shù)據(jù)小，單張紋理要求不多于1024 K。

4 三維仿真技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用實(shí)例

4.1 規(guī)劃方案比較分析功能

通過(guò)模擬實(shí)際的三維場(chǎng)景，使城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)工作不在僅僅建立在二維的規(guī)劃圖紙上，三維的場(chǎng)景模型使規(guī)劃變得簡(jiǎn)單直觀，普通的百姓也能夠參與到城市的規(guī)劃中來(lái)。如某個(gè)城市現(xiàn)在想在道路兩旁進(jìn)行綠化工作，通過(guò)仿真模型，規(guī)劃前后的樣子一目了然，為設(shè)計(jì)者提供了思路。規(guī)劃前后的樣子如圖2、圖3所示。

圖2 道路綠化前模擬圖

圖3 道路綠化后模擬圖

4.2 日照分析功能

在城市建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，日照分析是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)待規(guī)劃建筑物的高度、形狀進(jìn)行模擬，利用TerraExplorer Pro提供的接口，在系統(tǒng)中很容易進(jìn)行日照分析。例如，在城市的某個(gè)小區(qū)旁欲修建一座大廈，大廈對(duì)小區(qū)樓房的日照影響分析情況如圖4～圖6所示。

通過(guò)分析可知，幾乎在整個(gè)上午的時(shí)間里，靠近大廈的樓房幾乎全部被遮擋。

圖4 上午8點(diǎn)分析

圖5 上午10點(diǎn)分析

圖6 中午12點(diǎn)分析

4.3 三維空間信息查詢功能

將前期調(diào)查的建筑物屬性信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù)中，使用戶在點(diǎn)擊具體建筑物時(shí)，能夠顯示其詳細(xì)的屬性信息，在表達(dá)上更加直觀，如圖7所示。

圖7 建筑物屬性信息查詢

5 系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣

“合肥市三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)”主要應(yīng)用于城市規(guī)劃方案審批，目前已經(jīng)在合肥市的濱湖新區(qū)、政務(wù)區(qū)、老城區(qū)的一些重點(diǎn)規(guī)劃項(xiàng)目的方案評(píng)審中得到了實(shí)際應(yīng)用，發(fā)揮了顯著作用。另外，經(jīng)過(guò)適當(dāng)開(kāi)發(fā)，系統(tǒng)可應(yīng)用于災(zāi)難救助與研究:如發(fā)生森林火災(zāi)可直觀察看什么地方有水源;在城市智能交通管理方面:如可以實(shí)時(shí)模擬從任意方向觀察某一交通標(biāo)志是否可見(jiàn)，三維城市模型可以提供所需要的空間數(shù)據(jù);可用于房產(chǎn)管理:系統(tǒng)中每個(gè)城市建筑都帶有樓層、住戶、電話等屬性信息，可直觀查詢、統(tǒng)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生房產(chǎn)管理上的遺漏現(xiàn)象;由此可見(jiàn)，系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于環(huán)境研究與模擬、安全和防衛(wèi)、舊城改造、汽車導(dǎo)航、虛擬旅游、微氣候研究等諸多領(lǐng)域。

總之，凡使用平面地圖的部門都可以利用三維地理信息系統(tǒng)，隨著應(yīng)用成本的下降，不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域，系統(tǒng)中的三維模型可以附帶各領(lǐng)域的專業(yè)屬性，為各行業(yè)的信息綜合運(yùn)用提供基礎(chǔ)框架。

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