三維數字城市在宜昌市城市規劃中的應用研究

李軍鋒 ，盧立

(宜昌市測繪大隊，湖北 宜昌 443000)

1 引 言

隨著城市經濟與規模的不斷發展，城市規劃在城市發展進程中的重要性日益突出。科技的不斷發展與創新令城市規劃決策的手段也越來越多，不再是以往僅僅在二維空間依靠規劃師的經驗來確定，而是結合三維數字化方式對城市進行控制性與詳細規劃。三維數字城市信息系統可以全面、直觀地展現城市，給人們創造身臨其境的感覺。三維城市規劃輔助決策系統是建立在三維數字城市的基礎上，通過多種數據的表現形式、多種軟件功能模塊來實現對多種城市規劃的方案的查詢、統計、比較、瀏覽和管理，為城市規劃管理者提供極大的便利。近些年，大規模的三維數字城市信息系統已在很多行業部門得到了成功應用［1］。

2 三維建模方法比較

隨著測繪技術的發展，當前的測繪手段越來越豐富、測量精度越來越高，高精度的影像數據獲取也更容易。

三維數字城市建模有多種方法，包括機載激光雷達測量、三維激光掃描測量、傳統的手工建模等方式。

2.1 機載激光雷達測量

機載激光雷達測量系統主要包括:動態差分GPS接收機，用于確定掃描投影中心的空間位置;姿態測量裝置(慣性測量單元IMU)，用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態參數;激光掃描測距系統，用于測量傳感器到地面點的距離;一套成像裝置(現在主要是數碼相機)，用于獲取對應地面的彩色數碼影像。利用激光測距原理和航空攝影測量原理，快速獲取大面積地球表面三維數據的技術［2］。

目前，全國大部分地區已經建設完成連續運行衛星定位服務系統CORS，機載三維激光雷達測量系統可以通過地面CORS 系統，實時、快速地獲取大范圍高精度地表目標點的三維坐標信息以及航空影像數據，并能通過這些數據快速生成數字高程模型(DEM)、數字表面模型(DSM)和數字正射影像(DOM)、城市三維模型等數據。機載激光雷達測量技術具有作業速度快、外業工作量小、測量精度高、測量數據量大等優點，且貼圖紋理更加真實［4］。

通過此方法制作的三維模型場景中由于進行外業時高層建筑物的陰影對其他建筑物的遮擋，就需要通過其他方法對這些陰影進行處理。對于貼近地面的地物貼圖、城市部件等也需要通過其他方法來進行制作。

2.2 三維激光掃描測量

三維激光掃描技術又被稱為實景復制技術，是測繪領域繼GPS 技術之后的一次技術革命。它突破了傳統的單點測量方法，具有高點密度、高空間分辨率、高效率、高精度的優勢。三維激光掃描技術能夠提供掃描物體表面的三維點云數據，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數字地形模型。按照載體的不同，三維激光掃描又可分為車載、地面等類型。

目前三維激光掃描儀的硬件設備問題基本得到解決，數據獲取相對簡單;但數據處理的算法以及軟件的開發研制還相對滯后，需要進行大量的人工干預才能得到較為精確的模型數據。對于結構復雜的建筑物和地形，三維激光掃描技術能夠提高三維建模效率、三維建模的精度。

3 三維數字城市在宜昌規劃中的應用

為了進一步推進宜昌市城市規劃成果的發展應用，更精準直觀地輔助政府科學決策和突發事件應急，促進部門信息化，便捷百姓生活，實現城市規劃管理方式由二維向三維的提升，宜昌市規劃局開展了宜昌市城市規劃三維輔助決策系統和主城區三維建模項目建設工作。

3.1 建模方法

本次項目采用依圖建模的方法，主要是使用3ds Max、SketchUp 等建模軟件，采用地理信息系統技術和虛擬現實技術對城市中各類房屋、公園、標志性建筑物及交通設施等人工構筑物進行數字化建模，并于地形、地貌等自然要素相疊加，形成與真實場景一致的一種方法［3］。該方法建模的一般流程如圖1所示:

圖1 依圖建模流程圖

該種三維建模方法需要現勢性較好的DLG 數據、建筑物的高程信息、建模地物的紋理圖像數據。需要制作人員能夠對DLG 數據進行很好的判讀，才能構建出更加真實、合理的三維模型。示例如圖2所示:

圖2 依圖建模示例

對于城市規劃設計來說，主要研究對象是城市的體形結構以及各城市要素之間的關系，包括城市的天際線、城市邊緣和入口、視線走廊、水景和綠化、建筑物、廣場、街道等，這就需要設計者在設計過程中進行大量的空間形象思維。同時，應從城市使用者的感受出發，分析城市各要素之間的關系［5］。

城市規劃設計的對象是三維的城市空間，考慮到二維設計不夠直觀，給設計者帶來很多不便，也無法評估設計的一些要素。因此，利用三維設計可對城市規劃設計起到很好的輔助作用［6］。

3.2 注意事項

上述的三種三維建模方法各有優勢，但結合規劃輔助決策，使用依圖建模的方法構建城市虛擬模型更符合城市規劃對整個城市進行空間分析、統計、展示等需求。因此，宜昌市規劃三維輔助決策系統所采用的三維模型數據是依照城市地形矢量、柵格數據、城市構筑物的紋理貼圖來制作的。

使用該方法制作三維模型的過程中，需要注意以下幾點:

(1)將地形圖數據導入3ds Max 中，應先對數據進行預處理，將所有數據的標高值改為零;

(2)地形圖使用的是大地坐標，坐標值往往很大，在導入前需要對圖形進行整體平移，避免到3ds Max中，出現點捕捉不準確的情況;

(3)在制作模型前，應對軟件進行一系列的基本設置，如統一單位、比例尺等;

(4)建模過程盡量減少用球體、圓柱體等多面體結構的模型，尤其不能用Nurbs、Patch、布爾運算等方式建模;

(5)對于展示時，在保證仿真效果基本不變的基礎上，可以刪除不必要的面，如建筑物的地面、兩棟建筑重疊的部分等，以減少數據量;

(6)貼圖過程中，對于相同的紋理應使用統一貼圖，避免統一類型貼圖使用多個貼圖;

(7)模型命名與貼圖命名應統一，避免出現重復的命名。

3.3 命名及編碼規則

為了方便對圖層與三維模型的管理，需要制定一定的規則對圖層、模型進行統一命名。根據道路劃分建模地塊，并根據地塊所屬的行政區等信息進行建模區域的命名。劃分的地塊名如圖3所示。

圖3 建模地塊劃分圖

參照DLG 分層，將建模地物分為建筑、道路、小品、植物、水系、地形等六層。如表1所示:

表1 建模地物分層命名表

除了對各層中建模地物的命名進行規定，還要求對應貼圖按照統一編碼來進行，方便貼圖的查找和修改。貼圖的命名需要注意以下幾點:

(1)制作原始貼圖文件名嚴格與材質球命名一致;

(2)材質球的父子層級的命名必須一致;

(3)同種貼圖必須使用同一個材質球;

(4)不允許出現重復命名。

貼圖根據模型所屬的模型分層進行命名，該模型貼圖的名稱為模型名稱+順序編碼。

例如:模型名稱為SXDX01JZ001 的貼圖，命名采用SXDX01JZ001001、SXDX01JZ001002、SXDX01JZ001003…。

3.4 宜昌市規劃三維輔助決策系統功能

宜昌市規劃三維輔助決策系統界面如圖4所示。主要實現以下的系統功能:

圖4 宜昌市規劃三維輔助決策系統界面

(1)數據導入。系統不僅能導入用戶創建的模型，還能夠導入CAD、DLG、DEM、DOM、SDE、Shape、DXF、MAX 等文件，并提供基礎模型庫。

(2)數據瀏覽。系統提供了多種的瀏覽方式，包括:環視、繞視、步行模式、飛行模式等，并能根據需要對顯示模式進行選擇，分類顯示各類模型。

(3)三維空間分析。提供基本的空間量算，包括:距離、長度、高度、面積等。根據規劃輔助的要求，系統還提供通視分析、日照分析、斷面分析、控高分析等。如圖5和圖6所示:

圖5 日照分析示意圖

圖6 通視分析示意圖

(4)信息查詢。實現了建筑物與屬性的雙向查詢，能夠選擇建筑，顯示相關屬性;也能夠通過輸入建筑物名稱，定位到建筑物所在位置。

(5)方案的對比和實時修改。提供多方案多屏對比分析的功能，用戶可以從不同角度，不同方位來同時觀察各個設計方案，比較不同方案對城市景觀，對周圍建筑的影響;可對方案模型根據高度，層數進行垂直方向的調整，根據方案模型基底形狀進行水平方向的調整，或直接對建筑模型進行對比縮放、位置移動以及根據特定要求對建筑模型進行調整(例如:建筑物直接升高到航空限高的高度、建筑模型針對某特定道路紅線進行退距等)，調整后方案的垂直高度、層高、建筑體量、容積率、建筑密度、綠化率等指標自動更新。如圖7所示:

圖7 雙屏方案對比示意圖

(6)數據輸出。能導出方案的效果圖、立面圖、頂視圖等，并能導出方案的經濟指標分析表以及圖片、動畫等。

4 結 論

宜昌市規劃局于2012年底完成規劃三維輔助決策系統的建立，該系統采用了地理信息系統和虛擬現實等先進技術，實現了對城市規劃方案逼真的效果展示和實時的方案修改。并根據需要在規劃委員會上進行了多次三維報建項目的演示。

宜昌市規劃三維輔助決策系統的建立，豐富了城市規劃設計的展示方法、增強了城市規劃設計的表達效果，不僅促進了非專業人士參與規劃，也為規劃師制作和修改方案、推敲設計、提高設計效率、有效利用有限的城市空間、優化資源配備起到了輔助作用。

［1］李琦，劉純波，承繼成．數字城市若干理論問題探討［J］．地理與地理信息科學，2003，19(1):31 ～33．

［2］張祖勛，張劍清．數字攝影測量學［M］．武漢:武漢大學出版社，1997．

［3］楊建思，杜志強，彭正洪等．數字城市三維景觀模型的建模技術［J］．武漢大學學報:信息科學版，2002(3):37 ～40．

［4］陳愛軍，徐光祐，史元春．基于城市航空立體像對的全自動三維建筑物建模［J］．測繪學報，2002，31(1):54 ～59．

［5］趙立珍．城市設計中的仿真技術應用初探［D］．武漢:華中科技大學，2004．

［6］艾麗雙．三維可視化GIS 在城市規劃中的應用研究［D］．北京:清華大學，2004．