城市三維模型及其在城市規劃中的應用

韋景堯

（江門市城市地理信息中心）

城市三維模型及其在城市規劃中的應用

韋景堯

（江門市城市地理信息中心）

近幾年隨著我國城市化進程的深入發展，促使許多城市發展問題逐漸顯現，如城市用地緊張、交通狀況下降、人口擴張等眾多問題，城市規劃的完善實施已經成為未來城市建設的主要方向。而地理信息技術的發展，不僅可以有效的促進城市規劃的效率，同時促使地理信息通過服務的方式逐漸進入到人們的入場生活中，提高了人們對城市建設的認知，促進了公眾參與城市的規劃和建設。尤其是三維地理信息系統的發展，打破了過去二位平面模型在復雜的環境中的片面性和局限性。本文首先探討城市三維模型的構建，然后分析城市三維模型在城市規劃中應用的意義，以深圳市羅湖區某一區域的規劃為例深入分析城市三維模型在城市規劃中的應用。

城市三維模型；城市規劃；應用意義

城市三維模型是利用計算機存儲相關數據的真實地理坐標，通過三維的建模軟件按照一定比例在計算機中構建出地理事物的正式特征。目前三維的建模軟件通常是指GIS（地理信息系統）三維模型，以地理的空間數據庫為基礎、利用地理模件的分析方法，提供多種空間的和動態的信息，不僅可以能夠虛擬的表達現實的地理事物，同時還具有三維數據管理和立體空間的分析功能，還能和相關的人文社會信息互相聯系。城市三維模型可以形象、直觀將所要規劃的區域進行多方位、多角度的展示，有助于城市的科學的規劃，促使城市規劃工作的效率和完善。

1　城市三維模型的構建和流程

1.1城市三維模型的構建

1.1.1基于激光掃描技術建模

主要是指利用LiDAR技術并與GPS導航技術和數碼相機相互結合來構建城市三維模型，生成城市建模所需的數字正射影像圖（DOM）、數字高程模型（DEM）以及數字的幾何數據等。采用這種方法建模由于沒有采用較高識別性的影像信息，使得判別地理事物受到影響[1]。

1.1.2基于影像信息建模

采用影像信息進行構建城市的三維模型，利用遙感圖像進行分析，遙感圖像具有空間分辨率高、清晰度明顯，相關人員可以通過獲取建筑物的陰影來獲取建筑物的高度，因此可以通過高分辨率的遙感影像進行城市三維建模，這種方法雖然所需數據資源較少，但是存在獲取信息的誤差較大的缺陷。

1.1.3基于已有成果進行建模

主要是依據已有的測繪數據進行城市三維建模，主要包括由二維的GIS數據構建三維模型或將二維GIS數據和CAD系統進行結合生成不同細節和層次的城市三維模型，可以有效的保證模型幾何位置的精度，既可以呈現建筑物內部的結構特征，又可以展現建筑物三維的空間特征，應用范圍較為廣泛。

1.2城市三維模型的構建流程

城市三維模型的構建是一項較為復雜的過程，具體有：①前期需要準備空間模型構建需要的數據，如遙感圖像、CAD圖像、建筑物和街景的地圖、實地的照片、激光點云數據等。②進行模型的構建，需要獲取模型的空間框架，包括提取地理信息物的高度、提取底物的高程點和屬性等，同時還要確定建筑物的輪廓和內部的結構部件和小品的實地位置等。③獲取模型紋理并進行處理，提取建筑物的實際位置和布局以及具體的細節特征。④空間模型的建立，包括地面、建筑物、城市部件等三維模型。⑤進行三維模型的質量測驗，然后對三維模型的各個場景進行整合。

2　城市三維模型在城市規劃中的應用意義

2.1為城市規劃提供完整的地理信息數據

城市三維模型構建的地理信息系統具有數據內容豐富，信息直觀性強、操作便利等優勢。最重要的是具有強大的三維可視化功能，可以有效實時再現城市的三維景觀，同時還具有地理信息查詢、管理、數據統計和地理空間的分析功能，可以為城市規劃提供一種可視化的、直觀的地理信息三維立體的景觀平臺，為城市規劃的實施提供形象的、準確的基礎資料，有利于提高城市規劃的效率和水平，為城市規劃的實施提供推動力。

2.2促進規劃決策的科學性

城市三維立體空間模型的構建，可以為城市規劃的決策者提供準確直觀的城市規劃、建設和管理的分析數據和優化方案。城市的總體規劃、建筑工程的選址、詳細的城市規劃建設、棚戶區的改造等多項規劃內容都可以利用三維空間模型的建立進行高效的整體分析和決策，不需要動用過多的人力去實地進行考察就可以獲取直觀的地理區域的勘察數據。

2.3提高城市規劃的公眾參與性

城市三維模型構建系統可以形象直觀的展示仿真的規劃成果。打破了傳統二維模型的局限性，實現直觀的視覺效果，從而降低了專業的門檻，非專業的人員也可以通過三維立體模型直觀的了解和評價城市規劃設計的具體的成果，并可以在城市規劃監督平臺中建言獻策，提高公眾參與城市規劃建設的力度，可以增強群眾對城市規劃的監督和建設，提升城市規劃的質量。

3　城市三維模型在城市規劃中的應用

城市規劃的主要目的是規劃城市未來發展的藍圖、城市的總體布局以及具體的工程建設等，因此進行城市規劃時必須要合理的預見城市未來發展的方向、城市中各項構筑物的布局和建設規模等，同時還要對城市的環境狀況進行合理的預測和評價。在本次研究中，將廣東省深圳市羅湖區某一區域的規劃引入到文中作為實例，對城市三維模型在城市規劃中的應用進行了探討。

3.1區域規劃的概況

本區域位于深圳市羅湖區，該區域毗鄰和平路、解放路、河邊北路及深南東路，地勢平坦，相對高差4m，相對高差小。在本區域內，建筑樣式繁多，風格迥異，布局差異萬千，公共文化服務配套設施、市政辦公單位、公共休閑娛樂場所、民房、公共社區、高檔酒店等一應俱全。

3.2規劃編制中的應用

首先將規劃區域的現實數據進行收集和分析，同時城市三維模型中可以通過地物的紋理、遙感影像等為規劃者提供豐富的規劃信息，可以提供二維影像中無法顯示的視角，還可以獲得實地的地理勘察不能獲得扥地理信息。三維模型可以幫助規劃者進行場地選址分析、城市地形改造等諸多作用，減少了規劃者需要到實地考察的工作量，有效的減少成本，提高規劃的效率。城市規劃編制的過程中，需要明確區域的各種控制指標，如街區的街景、機場的凈空、高壓走廊、通道的高程等。這些都可以通過三維模型直觀的進行展示，規劃這可以通過比例尺的計算合理確定構筑物的高度、形式、外型、色彩等。如圖1所示，用1：500的大比例尺地形圖與正射影像，借助3DS Max的UI建筑物基底進行勾勒。

圖1　CAD圖像數據

將由點云生成的DSM和DOM圖像想疊加，再與實地勘查信息相結合，從而形成圖2，在圖2中，可以從不同角度對建筑的高度進行測量，然后通過計算的方式求得建筑的真實高度，并在3DS Max中進行真實建模。人工讀取從街景地圖和實際照片中的建筑物立面幾何信息，將3DS Max中的建筑物局部細節進行完善，20cm以上以模型展現，不足20cm用紋理表達。從而得出最真實的三維模型。

圖2　DSM和DOM圖像的疊加效果

3.3進行城市的三維量測和日照分析

三維量測主要是指城市規劃人員在規劃時要根據相關的規范要求，為了保障城市的整體視覺和空間環境的衛生、提高城市城市構筑物的舒適性和整體感覺的適宜度而進行的城市內部構筑物的空間距離測量、地塊的面積測算、建筑物總的占地面積和表面積等。城市空間的三維量測主要依靠ArcGIS這一具有空間分析能力的軟件來實現，圖3為空間面積測量展示，輕松得出墻的立面面積。通過城市三維模型的建立可以有效的進行城市空間三維的量測，為規劃者提供合理的基礎數據。其次在城市規劃設計中必須要考慮日照的影響，因此可以根據建筑物的形狀和高度等創建三維立體，在軟件系統中分析光照的影響，例如城市某高層建筑物的規劃，要考慮建筑物是否會遮擋住周圍的建筑的光照，所以利用三維模型可以進行日照分析，進行合理的位置選擇和建筑的朝向。

圖3　空間面積量測

3.4創建三維場景

為城市規劃創建三維場景主要包括以下幾個方面：①提供三維地形場景，利用三維的高程模型和數字正射影像可以為城市規劃者提供精度較高的三維地形場景，可以利用遙感數據處理軟件對場景的圖像進行預處理，例如處理DOM、DEM的坐標并進行格式轉換。最后利用Terra Bulider軟件生成三維地形場景。②創建建筑物的三維模型，主要是可以根據城市規劃的實際需求將城市建筑物分為具有標志性的精細建筑物三維模型和粗略的建筑物三維模型。城市建筑物的精細建模通常采用3dsMax軟件，先選擇需要建模的構筑物，然后利用數碼相機進行建筑物的圖像拍攝，最后在系統軟件中生成建筑物的三維模型。精細建筑物模型的構建要保證建模的紋理盡量少，有效的減少建模的構筑面。對建筑物的粗略建模，通常利用Terra Explorer Pro軟件進行建模，主要是根據建筑物的實狀況，勾畫出建筑物的大體輪廓，根據數碼相機所拍攝的建筑紋理，利用圖像處理軟件粘粘建筑物的紋理，最終形成建筑物的三維模型。這種方法的優勢在于可以獨立的創立建筑物的三維模型，并可以根據客戶的要求進行實時修改[2]。

4　結語

目前城市三維模型的建立大都采用規劃建模或者交互式建模的方法，具有精度較高、可視化強、形象逼真的優勢。但是目前城市三維模型在城市規劃中的應用還僅限于視覺的可視化和空間信息的展示方面，今后的城市三維模型發展應該將真實的室內結構、建筑材質、住戶信息等相互聯系的因素予以考慮，與較為成熟的二維GIS模型相互聯系，建立二三維一體化的信息平臺，為城市科學規劃提供有力的支持。

[1]劉玉潔.城市三維模型及其在城市規劃中的應用[D].天津師范大學，2014.

[2]劉明輝.三維建模在城市規劃管理中的應用[J].山西建筑，2011，37（27）：252～253.

[3]張訓虎，朱輝，陳秋偉，等.三維地理信息系統在城市規劃領域應用研究[J].北京測繪，2012（3）：1～4.

[4]谷勝濤.城市三維GIS模型構建方法研究[D].桂林理工大學，2011.

TU984

A

1673-0038（2015）36-0047-03

2015-7-20

韋景堯（1987-），男，助理工程師，本科，主要從事城市規劃設計及地理信息工作。