基于GIS與虛擬現實的土地利用總體規(guī)劃仿真展示平臺設計

李曉燕，姜廣輝，胡 磊，李 瑜

(1．廣州城市信息研究所有限公司，北京 100190;2．北京師范大學資源學院，北京 100875;3．濟寧市國土資源局，濟寧 272017;4．中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

《全國土地利用總體規(guī)劃綱要(2006—2020年)》［1］中提出:土地利用總體規(guī)劃編制和實施過程中，要“建立健全公眾參與制度。對于縣、鄉(xiāng)級，在具體安排土地利用和土地整理復墾開發(fā)方面應當廣泛聽取公眾意見。經批準的土地利用總體規(guī)劃應當依法予以公告，接受公眾監(jiān)督。”目前土地利用總體規(guī)劃的公示普遍采用“紙圖張貼”的方式，規(guī)劃傳播性較差。因此，開展規(guī)劃科學決策和成果有效公開的信息化研究尤為必要。盡管已有豐富的地理信息系統(tǒng)(GIS)和以虛擬現實(VR)技術為主的展覽設計等相關研究，“規(guī)劃公開展示”方面的信息化研究與實踐仍處于探索期，鮮有論著［2］。

以地理信息為主的技術體系實現了帶圖作業(yè)和可視化辦公，為城市管理和國土資源管理提供了強有力支撐。例如土地利用規(guī)劃管理信息系統(tǒng)、建設用地預審審批系統(tǒng)等［3－4］，屬于內部業(yè)務辦理系統(tǒng);也有一些電子沙盤系統(tǒng)，如土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃等［5－7］，是局限于小眾范圍的純三維地理信息系統(tǒng)。然而，現有的展示系統(tǒng)往往存在界面過于僵化、功能操作專業(yè)復雜，難以滿足“公眾展示”的需求。近年來展覽系統(tǒng)得到了蓬勃發(fā)展［5－6］，通過虛擬現實等多媒體技術可模擬三維仿真展示效果，其鮮活的體驗感頗受公眾青睞。這類系統(tǒng)多應用于場景、產品等實體展覽，但受技術體系的制約，尚無法支撐海量地理數據的管理，不能體現規(guī)劃工作的時空性。

針對上述問題，本研究以SkyLine三維地理信息平臺與觸摸屏為依托，跨越GIS與虛擬現實領域的應用壁壘，創(chuàng)新設計規(guī)劃三維模型，研制出規(guī)劃仿真展示平臺，以期實現三維模型與空間數據等海量數據的“一張圖”管理模式，全面、簡潔地展示規(guī)劃原理與成果。研究成果可實現展示平臺的二、三維一體化和虛實結合，對輔助規(guī)劃科學決策，普及社會公眾以實現“開門規(guī)劃”，提高國土資源行政管理部門的公共服務職能有重要作用。

1 設計目標

土地利用總體規(guī)劃仿真展示平臺(以下簡稱“展示平臺”)以土地利用總體規(guī)劃工作宗旨為導向，以影像金字塔、三維地理信息及虛擬現實等技術為支撐，以社會公眾為應用對象，將專業(yè)的規(guī)劃知識與成果系統(tǒng)化、簡易化、普適化，最大程度對外公開，以期顯著提高規(guī)劃的公眾認知度、參與度，提升“開門規(guī)劃”的可行性。

展示平臺以GIS為技術核心，結合多媒體等手段，既區(qū)別于日常的觀光展示(或電子沙盤)系統(tǒng)，又不同于集編輯、分析及查詢等功能于一體的復雜GIS業(yè)務系統(tǒng)，而是以“專業(yè)知識普適化展示”為目標，以“展示”為核心定位的展示系統(tǒng)。

2 技術路線

2．1 運行環(huán)境

展示平臺涉及海量圖形數據的管理與展現，需要大型數據庫管理平臺與地理信息平臺等環(huán)境的支持。相關運行環(huán)境選型如下:

1)操作系統(tǒng)。服務器選用Windows Server 2008系統(tǒng)，客戶端選用Windows 7系統(tǒng)，并且為便于公眾交互操作，采用觸摸屏感應設備。

2)基礎地理信息平臺。選用ArcGIS10進行海量圖形數據的管理。

3)數據庫管理平臺。選用Oracle11g軟件，并與ArcSDE軟件配合對圖形數據進行管理。

4)三維地理信息平臺。選用SkyLine6．1軟件，具備強大穩(wěn)定的系統(tǒng)性能與便捷的二次開發(fā)能力，二、三維聯動較強。

5)觸摸屏設備。選用新諾商橋SIB4601。

2．2 技術路線

嚴格遵循軟件工程的思想，采用面向對象軟件設計方法和基于控件開發(fā)方法。總體技術路線如圖1所示。

圖1 總體技術流程Fig．1 Technical flow chart

借助CAD，GIS和三維建模工具，建立城市景觀、規(guī)劃用途等三維模型。將三維模型、空間數據及其相關屬性數據存儲在服務器端的數據庫中。為保證能夠有較好的響應速度，矢量與柵格數據通過ArcGIS Server發(fā)布，三維模型通過IIS發(fā)布，運行時下載到觸摸屏本地。三維模型通過空間坐標與二維基礎地理數據關聯，通過模型實體標識與業(yè)務數據關聯，實現二、三維一體化。在觸摸屏端，Skyline對三維模型驅動，創(chuàng)建三維場景。仿真規(guī)劃場景是本平臺主要的用戶界面，其他數據的訪問也都要通過對三維模型的操作來實現。

3 數據體系建設

本研究涉及的基礎地理數據、規(guī)劃等矢量數據、城市景觀模型等已有成熟的技術路線，不再詳述建模過程。

3．1 數據庫設計

3．1．1 設計原則

遵循“數據和應用分離”的基本原則，建立關系型數據庫存儲非空間數據，數據之間通過規(guī)則表和關系表實現互訪。同時，為有效利用系統(tǒng)資源，提高效率，建立元數據對數據進行統(tǒng)一管理。

由于環(huán)境和業(yè)務的不斷改變，土地利用現狀、規(guī)劃等數據也會周期性更新。這些歷史數據所呈現的演變過程對規(guī)劃管理具有極其重要的指導意義。因此，本研究采用數據多時態(tài)管理技術，形成包括時間和空間要素的時空數據庫［8］。采用元組時間標記法，將有效時間標記在元組值上以建立時間索引，根據數據編制批次建立不同的時間版本，通過管理版本實現歷史數據和現狀數據的一體化管理;同時，存儲實體的變化，結合時間維信息，進行基于圖層的歷史數據對比。

3．1．2 數據結構與關系

整個數據體系可分為元數據庫、基礎地理數據庫、規(guī)劃數據庫、現狀數據庫、三維模型庫和三維模型屬性庫等。元數據庫通過建立在Oracle數據庫中的一組Oracle表來存儲管理，對于各個數據集均有相應的元數據表來記錄、維護基于庫及基于圖幅的元數據信息，由于數據更新形成的歷史數據和數據版本信息也統(tǒng)一由元數據表維護。

對于主體數據，需要以空間坐標、實體標識等條件建立關聯，實現二、三維數據一體化組織與展現。如圖2所示。

圖2 數據結構與關系Fig．2 Data organization and its relationship

3．1．3 數據組織存儲

為了降低空間數據存儲的冗余度，本研究中數據存儲都是唯一的。同時為了能便捷地查詢到所需數據，在邏輯層，所有數據按照主題、時間和區(qū)域3個維度進行組織分類(見圖3)，建立特定語義上的“規(guī)劃一張圖”展現結構，形成包含存儲、組織和展現的一張圖管理模式。

圖3 數據邏輯組織Fig．3 Logical organization of data

影像數據由高精度、大容量的Tiff文件組成。采用“冗余存儲”策略，即將影像數據按照鑲嵌和柵格目錄兩種組織方式存儲到ArcSDE中，對影像進行分層分塊，并建立金字塔索引，保證其高速調用，快速共享與發(fā)布。在平臺界面展現中，影像數據處于最底層。

對于基礎地理、現狀及規(guī)劃等矢量數據，以“鎮(zhèn)街”為單元存儲于ArcSDE數據集中，同時為了使觸摸屏系統(tǒng)實時瀏覽到三維模型，需將矢量數據按照“規(guī)劃一張圖”管理模式組織成mxd工作空間文件，mxd文件與數據集對應，并通過ArcGIS Server發(fā)布。在平臺界面展現中，矢量數據處于影像數據之上。

三維模型，基礎地形模型MPT文件通過綁定到與MPT一一對應的FLY文件來進行發(fā)布，統(tǒng)一放置固定文件夾下;城市景觀與規(guī)劃三維模型文件則采用“區(qū)縣—鎮(zhèn)街—圖層—三維模型”的層次組織結構進行存儲。在平臺界面展現中，三維模型數據處于矢量數據之上。

音頻等多媒體數據以獨立文件形式存儲，通過漸進傳輸的方式讀取。

3．2 三維模型與場景制作

本研究通過3DMAX9．0制作三維圖標、三維電子書及三維規(guī)劃等模型。以三維圖標替代SkyLine中二維圖標，以更好地體現仿真效果。為了呈現逼真的場景又避免不同層數據之間混淆，只對土地用途分區(qū)建模，根據規(guī)劃用途采集當地主要農作物、植被的種類、形態(tài)、分布等信息，作為模型制作依據。其他規(guī)劃信息以二維矢量圖形呈現。

三維模型制作好后，與矢量數據集成，形成規(guī)劃仿真場景。制作流程見圖4。

圖4 規(guī)劃仿真場景制作流程Fig．4 Production process of simulation scene of planning

4 展示平臺關鍵技術

展示平臺以SkyLine為基礎，采用多媒體技術對SkyLine界面框架進行整改，使之美觀、生動，符合觸摸屏系統(tǒng)操作風格。具體功能設計中，靈活采用數據緩存、三維地理信息、虛擬現實等地理信息與多媒體技術，使各項內容能快捷、準確、生動地表達出來。

多媒體技術通過計算機把圖像、聲音、三維模型等綜合起來，其信息的多樣性和處理方式的多樣化更具表現力，尤其在動態(tài)過程展示方面，比三維地理信息更流暢。系統(tǒng)簡介部分，運用多媒體技術將介紹內容組織起來，主動呈現;規(guī)劃成果展示部分，通過多媒體技術實現重點區(qū)域的動態(tài)三維規(guī)劃過程展示，并嵌入到SkyLine的虛擬仿真場景中。

三維地理信息將抽象的海量空間信息可視化和直觀化。圖形成果展示中，充分運用SkyLine提供的基于真實地理信息的三維場景以準確表達。虛擬現實技術的集成化、虛擬化特征，可彌補三維地理信息在虛擬體驗感、表現形式等方面的不足，使人們結合自己的日常經驗就可以理解。本文通過虛擬現實技術設計了三維電子書、三維規(guī)劃模型融入到三維地理環(huán)境中，建設仿真規(guī)劃場景。

在服務器端采用數據緩存技術，保障觸摸屏端在仿真環(huán)境中訪問影像數據的效率。調度時，緩存中的影像塊可選擇先進先出、先進后出或頻率最小先淘汰等方式，很好地提高了運行效率。

前端展示設計中，將內容分為系統(tǒng)簡介與規(guī)劃成果展示2部分。“系統(tǒng)簡介”在平臺中承擔“引導”職責，人機交互比較少，簡單觸摸點擊即可，留給公眾更多的思考空間。“規(guī)劃成果展示”通過多形式、多維度瀏覽，實現全景與細節(jié)、分專題多層次體驗，強調自主瀏覽，人機交互比較多。2塊內容之間既有所區(qū)別又緊密關聯;展示形式從簡單二維到仿真三維，展示內容則包容建設背景到豐富的規(guī)劃文本、圖形等各類成果。

5 展示平臺實現

5．1 系統(tǒng)簡介

將文字內容與語音、圖片同步匹配，制作成動畫，介紹平臺設計目標、建設意義與使用方法。各項內容自動播放，并選用核心圖片作為后續(xù)成果展示的引導，其界面如圖5所示。

圖5 平臺簡介界面Fig．5 Interface of platform introduction

5．2 規(guī)劃成果展示

5．2．1 文本成果展示

展示內容主要包括《土地利用總體規(guī)劃》文本和相關專題圖。其具體展示方式有如下3種:

1)三維電子書。提取規(guī)劃文本核心內容，制作成形象的三維電子書，通過“虛擬翻頁”操作輕松閱讀，再配以生動的語音講解，實現圖、數、文、聲一體化，從感觀上吸引公眾，引領思路(圖6)。

圖6 文本成果Fig．6 Text files of planning

2)背景圖。根據規(guī)劃各專題圖的制作要求組織發(fā)布圖形數據，作為背景圖與文本介紹建立關聯，自動對照切換，為后面的圖形成果展示做好鋪墊。

3)書簽。在三維電子書頁中設置書簽，用于從當前文本直接切換到對應的“圖形成果展示”。如果對文本已經熟悉，可以略過直接跳轉到當前專題的圖形成果部分。

5．2．2 圖形成果展示

1)二維規(guī)劃展示。圖形數據以顏色或二維符號表達(如規(guī)劃用途以色塊填充)，各圖層按照先后順序疊加。初始畫面展示所有圖層，配合圖層透明度調整、圖層顯隱功能，可了解各層數據內容、數據之間的邏輯關系，初步建立電子數據與實景地物之間的關聯。隨著比例尺放大，市－縣－鄉(xiāng)3級行政區(qū)域的數據逐級呈現，其二維規(guī)劃展示界面見圖7。

圖7 二維規(guī)劃展示界面Fig．7 Interface of 2D maps of planning

2)二、三維一體化展示。三維地形地貌景觀與二維現狀、規(guī)劃矢量圖結合的場景中既有基本三維框架，又有顏色、文字等表達展示主體的屬性信息，形象與抽象結合，便于快速了解規(guī)劃用途分區(qū)、空間管制等全局宏觀信息。例如:土地利用總體規(guī)劃圖、空間管制圖、各類專題圖等(圖8)。

圖8 二、三維一體化展示Fig．8 2－3D coupling maps

3)仿真規(guī)劃全景展示。將三維地型地貌與城市景觀模型、虛擬三維規(guī)劃模型相結合，構建完整的仿真規(guī)劃場景。適于展示規(guī)劃區(qū)域、地塊的細部仿真效果(圖9)。

圖9 仿真規(guī)劃全景Fig．9 Simulation scene of planning

4)飛行展示。包括既定路線、自由飛行2種方式。既定路線飛行是根據展示主題設計飛行路線以引導瀏覽，例如:景區(qū)規(guī)劃、基本農田保護區(qū)(坡度分布)等。飛行的場景可以是二、三維一體化，也可以是仿真規(guī)劃全景。

5)動態(tài)規(guī)劃展示。將重點區(qū)域由規(guī)劃基期的現狀數據演變成最終的規(guī)劃成果數據的過程制作成多媒體文件，嵌入到SkyLine三維場景中，點擊“播放”鍵，即可直觀地看到規(guī)劃前后的景象變化，包括微觀層面具體區(qū)域用途的對應調整，宏觀層面土地利用結構變化。

6)歷史數據對比展示。通過SkyLine中的時間軸，調用時空數據庫中的多期數據進行對比，分析2輪規(guī)劃之間的差異與關聯。考慮到數據瀏覽效率，歷史數據對比功能只應用于二、三維一體化場景中。對比方式可以是多窗口同步對比，也可以通過時間軸拖動實現。

6 結論

本研究創(chuàng)新集成GIS與虛擬現實等技術，將日常展示系統(tǒng)的設計理念與三維地理信息、時空概念與二維輔助決策系統(tǒng)有機結合，設計了規(guī)劃一張圖數據庫與仿真展示平臺，實現了跨領域技術整合、數據整合共享等方面的創(chuàng)新應用，為信息化在社會公共服務方面的研究與實踐，提供了參考依據。

本項設計由表及里，由“二維平面”到“虛實結合的三維立體”，由“靜態(tài)”到“動態(tài)”，形象生動的表達先從感官上給予深刻的立意，進而“以形蓄意”將規(guī)劃依據、成果、意義滲透在各種展示方式中，幫助公眾輕松地理解土地用途分區(qū)管制、土地利用結構調整等專業(yè)知識，實現了日常科普與實際業(yè)務管理意義。該展示平臺有利于促進公眾與國土行政管理部門形成良好的互動機制，提高規(guī)劃公眾參與程度，推動“開門規(guī)劃”的實現。

［1］ 《全國土地利用總體規(guī)劃綱要(2006—2020年)》［M］．北京:中國法制出版社，2008．Outline of National General Planning for Land Use(2006－2020)［M］．Beijing:China Legal Publishing House，2008．

［2］ 潘 健，錢銘杰，袁 濤，等．土地利用規(guī)劃決策與演示系統(tǒng)研究綜述［J］．安徽農業(yè)科學，2011，39(16):10001－10003．Pan J，Qian M J，Yuan T，et al．Land use planning decision－making and demonstration system research［J］．Journal of Anhui Agricultural Sciences，2011，39(16):10001－10003．

［3］ 周 義，曹玉香，欒衛(wèi)東，等．土地利用規(guī)劃信息的社會化與網絡化應用［J］．地球科學與環(huán)境學報，2006，28(2):107－110．Zhou Y，Cao Y X，Luan W D，et al．Application of land use planning information’s socialization on network［J］．Journal of Earth Sciences and Environment，2006，28(2):107－110．

［4］ 孟凡榮，吳洪濤，黎韶光，等．基于“一張圖”的部建設用地審批系統(tǒng)建設［J］．國土資源信息化，2010(6):37－40．Men F R，Wu H T，Li SG，et al．Building of construction－used land approving information system of ministry of land and resources based on“one map”［J］．Land and Resources Information，2010(6):37－40．

［5］ 趙 勇，李滿春，張曉祥．面向土地利用規(guī)劃的電子沙盤技術［J］．現代測繪，2004，27(3):15－17．Zhao Y，Li M C，Zhang X X．Technology of electronic sand table for land use planning［J］．Modern Surveying and Mapping，2004，27(3):15－17．

［6］ 李睿璞，盧新海，馬才學．基于GIS的農地整理三維可視化［J］．農業(yè)工程學報，2010，26(5):302－305．Li R P，Lu X H，Ma C X．Three－dimensional visualization of farmland consolidation planning based on GIS［J］．Transactions of the CSAE，2010，26(5):302－305．

［7］ 唐 幀，張新長，曹凱濱．基于SkyLine的三維技術在城市規(guī)劃中的應用研究［J］．測繪通報，2008，54(5):10－12．Tang Z，Zhang X C，Cao K B．Research on urban planning with three－dimensional technology based on SkyLine［J］．Bulletin of Surveying and Mapping，2008，54(5):10－12．

［8］ 郝忠孝．時空數據庫新理論［M］．北京:科學出版社，2011．Hao Z X．New Theony of Spatio Temporal Database［M］．Beijing:Science Pross，2011．