面向城市規(guī)劃的三維GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 揚(yáng)，劉增良，楊 軍

(北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京100038)

面向城市規(guī)劃的三維GIS設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李 揚(yáng)，劉增良，楊 軍

(北京市測繪設(shè)計(jì)研究院，北京100038)

以三維輔助規(guī)劃管理系統(tǒng)建設(shè)為例，從數(shù)據(jù)建設(shè)和系統(tǒng)建設(shè)兩個(gè)層面，對(duì)如何運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、GIS和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，建設(shè)面向城市規(guī)劃的GIS進(jìn)行探討。

三維;城市規(guī)劃;GIS

一、引 言

地理信息技術(shù)是一種能把現(xiàn)實(shí)世界中對(duì)象的空間位置和相關(guān)屬性有機(jī)地結(jié)合起來的技術(shù)，借助其特有的空間分析功能和可視化表達(dá)，不僅可滿足用戶對(duì)空間信息管理的要求，而且可輔助各種決策。地理信息技術(shù)應(yīng)用于我國城市規(guī)劃，始于20世紀(jì)80年代中期。目前，地理信息技術(shù)已應(yīng)用到城市規(guī)劃的各個(gè)方面，從空間戰(zhàn)略研究、總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)、各種專項(xiàng)規(guī)劃的編制和研究到建設(shè)項(xiàng)目的審批中地理信息技術(shù)都發(fā)揮著重要作用。但城市規(guī)劃的主要研究內(nèi)容和對(duì)象為各城市要素形成的多維城市空間，現(xiàn)實(shí)的多維環(huán)境很難從二維形態(tài)中準(zhǔn)確表達(dá)出來，二維工具也難以滿足多維形態(tài)下的空間分析和決策需求［1］。虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它利用計(jì)算機(jī)技術(shù)生成一個(gè)逼真的、具有視、聽、觸等多種感知的三維虛擬環(huán)境，用戶通過使用各種交互設(shè)備，同虛擬環(huán)境中的實(shí)體相互作用，使之產(chǎn)生身臨其境感覺的交互式視景仿真和信息交流，是一種先進(jìn)的數(shù)字化人機(jī)接口技術(shù)［2］。利用三維GIS技術(shù)輔助城市規(guī)劃已成為行業(yè)發(fā)展的新的趨勢(shì)［3］。

本文將以三維輔助規(guī)劃管理系統(tǒng)建設(shè)為例，對(duì)面向城市規(guī)劃的三維地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行探討。

二、數(shù)據(jù)建設(shè)

1.數(shù)據(jù)分類

面向城市規(guī)劃的三維GIS涉及的數(shù)據(jù)包括:三維模型、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和規(guī)劃信息。

2.三維模型建設(shè)

城市規(guī)劃是一個(gè)以土地空間使用為主要表征的多信息處理復(fù)合過程［4］。用于城市規(guī)劃的三維建模，其內(nèi)容既要真實(shí)反映城市全貌，又要求較高的平面和高程精度。目前，進(jìn)行可量測三維建模制作的方法多種多樣，如基于傾斜攝影測量技術(shù)進(jìn)行三維建模、基于三維激光掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行三維建模、基于地形圖進(jìn)行三維建模。并且我國測繪行業(yè)也沒有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型的生產(chǎn)、分類進(jìn)行規(guī)范。

本課題選用基于測繪基礎(chǔ)資料進(jìn)行三維建模，并對(duì)相關(guān)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，形成一套較為完整的工藝流程，并選取了約30 km2的區(qū)域作為試點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證工藝的可行性。

基于測繪基礎(chǔ)資料制作三維模型，首先需要準(zhǔn)備基礎(chǔ)資料，包括地形圖、DEM;其次，資料收集整理齊全后，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)資料采集，即外業(yè)現(xiàn)場采集地物紋理照片、通過航測手段基于立體像對(duì)獲取建筑物主體頂部高程數(shù)據(jù)、基于1∶500比例尺地形圖制作1 m格網(wǎng)DEM，對(duì)大范圍更新區(qū)域進(jìn)行地形圖修測;最后，建模人員基于以上數(shù)據(jù)資料開展三維模型制作。制作過程包括使用Photoshop軟件進(jìn)行紋理的處理，使用3ds Max軟件進(jìn)行模型制作、模型整合，利用三維平臺(tái)進(jìn)行場景整合等步驟。具體工藝流程如圖1所示。

3.基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括地形圖數(shù)據(jù)、DLG數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、DEM數(shù)據(jù)，以及政務(wù)版電子地圖數(shù)據(jù)、地址地名數(shù)據(jù)等。

圖1 工藝流程圖

4.規(guī)劃信息

規(guī)劃信息基本可以分為4類:規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和文檔資料。如圖2所示。

圖2 規(guī)劃專題數(shù)據(jù)列表

三、系統(tǒng)建設(shè)

1.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在總結(jié)二維GIS應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，三維輔助規(guī)劃管理系統(tǒng)擬運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)、地理信息和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，拓展面向城市規(guī)劃的三維GIS應(yīng)用，為規(guī)劃部門提供一個(gè)在三維虛擬城市中進(jìn)行城鄉(xiāng)規(guī)劃研究、規(guī)劃編制及項(xiàng)目管理的環(huán)境，為規(guī)劃精細(xì)化管理和科學(xué)決策提供有力的技術(shù)支撐。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

(1)數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、專題數(shù)據(jù)、三維模型。基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)和專題數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方式與傳統(tǒng)的二維GIS系統(tǒng)類似。對(duì)于三維模型，目前大多數(shù)三維系統(tǒng)均采用文件的方式管理三維模型。本課題采用數(shù)據(jù)庫的方式對(duì)三維模型進(jìn)行管理。將三維模型以二進(jìn)制文件的方式存入MySQL數(shù)據(jù)庫，并建立相應(yīng)的索引以提高系統(tǒng)運(yùn)行的效率。為海量三維模型的無縫瀏覽提供技術(shù)支撐。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

(2)管理層

管理層包括地形管理工具、場景管理工具、專題數(shù)據(jù)管理工具、POI管理工具、用戶權(quán)限管理工具和日志管理工具。

(3)功能層

系統(tǒng)在總結(jié)了二維系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合三維的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的功能，如三維瀏覽、快速導(dǎo)航、點(diǎn)選查詢等。

(4)應(yīng)用層

基于功能層提供的基本功能，三維輔助規(guī)劃管理系統(tǒng)可以在城市規(guī)劃各個(gè)階段和各個(gè)層面得到廣泛的應(yīng)用。如可作為決策部門向領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)的一種全新模式;可作為規(guī)劃方案評(píng)估的一種有效途徑;可作為基礎(chǔ)設(shè)施布局分析的一種全新手段。

2.功能設(shè)計(jì)

(1)功能概述

三維輔助規(guī)劃管理系統(tǒng)的基本功能包括三維瀏覽、圖層管理、信息查詢、方案調(diào)整與方案管理、空間分析、輔助匯報(bào)、后臺(tái)管理7大部分。

(2)三維瀏覽

系統(tǒng)具備城市級(jí)場景快速展示的能力，用戶不僅可隨心所欲地從任意角度觀看三維場景，而且可以通過動(dòng)畫導(dǎo)航、特定場景、導(dǎo)航圖等多種方式進(jìn)行快速定位和瀏覽。

(3)圖層管理

按照上述介紹的數(shù)據(jù)分類，在圖層管理中設(shè)計(jì)了3個(gè)根目錄，依次命名為三維模型、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)和規(guī)劃信息。每個(gè)根目錄下包含各類數(shù)據(jù)的子目錄，用戶可根據(jù)實(shí)際需要控制各圖層的顯示或隱藏。

(4)信息查詢

在信息查詢中，三維輔助規(guī)劃管理系統(tǒng)不僅可以查詢二維GIS數(shù)據(jù)的屬性信息，而且可通過點(diǎn)選某模型，查詢?cè)撃Ｐ蛯?duì)應(yīng)的屬性信息。例如建筑物的“兩證一書”的數(shù)據(jù)，建筑物所在地塊的控規(guī)情況等。

(5)方案管理

針對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)中利用規(guī)劃效果圖查看規(guī)劃方案只能從固定角度查看，具有一定的局限性的問題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了方案管理功能。利用該功能，用戶可通過多屏對(duì)比的方式從不同角度、不同方位來觀察各個(gè)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，比較不同方案對(duì)城市景觀，對(duì)周圍建筑的影響，以直觀的方式評(píng)估各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。若用戶對(duì)某方案的體量和位置不滿意，還可利用該功能對(duì)規(guī)劃模型的體量和位置進(jìn)行調(diào)整。

(6)空間分析

結(jié)合三維的特色，系統(tǒng)開發(fā)了三維特有的分析功能，如空間量測、通視分析、視域分析、日照分析等。圖4和圖5分別為日照分析和可視域分析的示意圖。

圖4 日照分析

圖5 可視域分析

(7)輔助匯報(bào)

輔助匯報(bào)功能主要用于輔助規(guī)劃部門向上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)匯報(bào)演示，該功能支持在三維平臺(tái)中打開PPT，并添加特定場景超鏈接信息。用戶可通過點(diǎn)擊PPT中的超級(jí)鏈接快速定位到三維場景，并實(shí)現(xiàn)PPT和三維場景的無縫切換。

(8)后臺(tái)管理

后臺(tái)管理功能用于對(duì)用戶、權(quán)限和各類數(shù)據(jù)的管理。

四、應(yīng)用與展望

該系統(tǒng)采用邊建設(shè)邊應(yīng)用的方式，雖然目前該系統(tǒng)尚未正式上線，但已在政府決策中發(fā)揮了重要的作用，得到了各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。在以后的建設(shè)過程中，將進(jìn)一步深入挖掘用戶的需求，進(jìn)一步完善系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的二維分析功能，最終實(shí)現(xiàn)用戶從二維系統(tǒng)向三維系統(tǒng)的無縫過渡。

［1］ 陳曉勇，丁松慶.三維虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2006，29(5):94-96.

［2］ 羅海欽.虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在柳州市城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用［J］.測繪與空間地理信息，2010，33(1):127-130.

［3］ 王海鷹，張新長，康停軍.面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)方法的探討與應(yīng)用［J］.測繪通報(bào)，2011(3):29-33.

［4］ 李揚(yáng)，賈光軍，劉增良，等.基于Virtools平臺(tái)的輔助規(guī)劃審批系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)［J］.測繪通報(bào)，2011(1): 52-55.

［5］ 李永泉，韓文泉，黃志州.數(shù)字城市三維建模方法比較分析［J］.現(xiàn)代測繪，2010，33(2):33-35.

Design and Realization of the 3D GIS for Urban Planning

LI Yang，LIU Zengliang，YANG Jun

0494-0911(2012)06-0074-03

P208

B

2011-07-27

北京市科技計(jì)劃資助課題(Z090006016709003)

李 揚(yáng)(1983—)，女，湖北武漢人，碩士，主要研究方向?yàn)镚IS與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。