特大型城市三維現狀場景數據庫構建及三維審批應用研究

張 唯，郭容寰，馮 琰，顧星曄

（上海市測繪院，上海 200063）

特大型城市三維現狀場景數據庫構建及三維審批應用研究

張 唯，郭容寰，馮 琰，顧星曄

（上海市測繪院，上海 200063）

城市精細化管理對城市規劃審批工作提出了更高要求，本文以上海為例研究特大型城市三維現狀場景數據庫構建方法和要素內容，根據特大型城市區域發展不均衡和管理需求多樣化特點，提出三維現狀場景精細分級標準，并將三維現狀場景數據納入基礎地理數據庫，實現對三維場景的生產、更新和應用的高效管理。結合上海三維審批管理應用需求，從設計條件、方案咨詢、方案審理和三維竣工等四個環節明確了三維現狀場景的具體應用方法，其中三維竣工成果實現了城市三維現狀場景的動態更新。研究成果可為大型城市三維現狀場景構建和三維審批工作的開展，以及其他相關領域的應用提供有益借鑒。

智慧城市；地圖學與地理信息系統；數據庫；三維現狀場景；三維規劃審批

隨著社會經濟不斷發展，城市建設規模和速度日益加快，以上海為代表的特大型城市，城市建筑數量多、密度大、高層多，這給城市規劃審批管理帶來了嚴峻挑戰。當前上海正在推進“智慧城市”建設，也對上海規劃管理提出了更高要求[1]。傳統的規劃管理依據二維圖紙，無法直觀地表現城市三維空間形態，難以有效地對城市空間布局和景觀風貌進行精確管控。如何利用新技術提高規劃管理科學水平，是目前特大型城市發展亟需解決的問題。隨著計算機軟硬件的發展日趨成熟，將三維技術應用于規劃管理工作，能為城市空間布局與管制提供強有力的技術手段[2]，能有效提高城市規劃管理的決策水平。城市三維現狀場景數據庫的構建是開展三維規劃審批工作的前提，在上海已開展的三維審批工作中，為城市重點地區的規劃審批工作提供了重要依據，有助于塑造和諧、美觀的城市空間形象，進一步提高城市規劃管理水平。

1 城市三維現狀場景

本文所提出的城市三維現狀場景是通過對城市建筑、道路、樹木、小品等要素以三維建模的方式表現，實現對城市現狀面貌的精確還原。相比以往國內其它城市僅依靠城市三維建筑模型進行管理和審批，城市三維現狀場景的要素內容更加豐富，對城市現狀的表達更加精細，能更完整地表現城市現狀面貌，最大限度地保證三維場景和現實場景的相似度，為城市管理的各個領域特別是規劃審批管理提供數據支持。

1.1 場景數據內容

城市是人類生產生活聚集的場所，涉及眾多自然人文要素。城市三維現狀場景要還原城市現狀，既要考慮場景逼真度和精細效果，又要考慮三維場景建模工作量和數據量。因此在構建過程中，必須對場景內容進行梳理和取舍，選取最主要的要素內容進行建模，才能在最大限度保證場景真實性的條件下，盡量減小建模工作量和三維場景的數據量。上海構建城市三維現狀場景的過程中，選取了建筑物、高架橋、地面、樹木和小品等五類主要要素作為場景構建的內容（表1）。

表1 城市三維現狀場景要素內容Table 1 The contents of the 3d status quo scene

1.2 場景精細分級

城市三維現狀場景由建筑物、高架橋、地面等要素構成，場景的構成要素越精細場景也就更逼真，但數據量也相應會更大。考慮到特大型城市面積廣，城市區域發展不平衡，不同區域規劃管理工作的重點側重有所不同，因此在三維現狀場景的構建過程中，需要對不同區域場景構建的精細程度有所區分。

上海城市三維現狀場景構建過程中，提出了精細分級標準。根據城市區域功能定位不同，將整個城市區域劃分為一般區域、商業中心、公共活動中心、交通樞紐、歷史風貌區、重要濱水和風景區、市級中心和副中心等類型，

再結合不同區域規劃審批管理的側重點不同，按照精細程度由低到高依次劃分為標準場景、精細場景和超精細場景三個級別，其中精細場景根據區域性質不同又分為I級和II級兩類（表2）。

表2 城市三維現狀場景精細分級Table 2 The classification of the 3D status quo scene

特大型城市三維現狀場景的構建工作量非常大，將城市按區域不同按需建立相應級別的場景，能最大限度地縮短場景構建和更新周期，降低場景構建成本，滿足不同層次的管理和應用需求。如果特定區域的管理需求有所變化需要提升相應場景的精細級別時，可根據相應的標準對三維現狀場景中的一個或幾種元素進行精細化加工處理，就可快速地提升場景精細級別滿足管理應用需求。上海地區構建標準、精細和超精細的不同級別場景如圖1所示。

圖1 上海城市三維現狀標準、精細和超精細場景Fig.1 The standard, fine and super fine 3D scenes of shanghai

1.3 三維現狀場景構建

城市三維現狀場景包含多種要素，每類要素建模方法有所不同，同類要素因數據源不同采用的建模方法也有所區別[3]。因此城市三維現狀場景的構建必須采用多種方法的融合，通過不同要素的建模和整合，最終形成一個無縫銜接的完整場景。上海城市三維現狀場景構建時，根據區域重要性和數據源不同，對精細程度不同的模型采用了不同的建模方法[4]。重點區域超精細場景（如陸家嘴）構建時，建筑物建模采用了精度達厘米級的機載激光掃描（LIDAR）方法，地面和小品則采用全建模方式表現，樹木采用精細的多面片的三維樹；其它區域的精細場景和標準場景，建筑物的制作主要采取了航空攝影測量方法，其精度稍低但數據處理較簡單、建模效率高，地面采用數字高程模型（DEM）疊合航空影像的方式進行表現，樹木采用了以十字面片樹為主，結合部分多片面三維樹的表現方式。上海城市三維現狀場景的構建方法如圖2所示。

2 三維現狀場景數據庫構建

2.1 三維現狀場景數據庫建設

特大型城市的城市三維現狀場景由于覆蓋范圍廣、數據量極大，且場景分為不同精細等級，傳統的基于文件管理方式已不能滿足要求，特別在場景更新時表現得更為突出[5]。為實現城市三維現狀場景數據的有效管理，借鑒二維基礎地理信息數據的管理方式，在國內首次將城市三維場景納入到基礎地理數據庫，采用大型關系數據庫Oracle存儲三維模型數據，基于ArcGIS平臺管理，通過ArcSDE實現對數據的訪問和操作[6]。數據庫中通過模型表、紋理表、場景信息表、圖幅信息表等，將城市三維現狀場景中的每個“部件”都作為單獨對象，通過空間位置對整個場景的所有要素進行統一管理。場景中的模型經格式轉換，轉換為MultiPatch數據類型，通過空間數據引擎ArcSDE實現對Oracle的增加、刪除和更新操作，達到對三維數據管理和維護的目的。三維現狀場景數據庫的框架如圖3所示。

圖2 三維現狀場景構建方法Fig.2 The construction methods of the 3D status quo scene

圖3 三維現狀場景數據庫框架Fig.3 The framework of the 3D status quo scene database

2.2 數據庫管理系統建設

三維現狀場景數據量大且類型復雜，不便于日常管理和更新維護。針對上海城市三維現狀場景的日常生產、更新和應用的需求，研究了相應的數據庫管理系統對三維模型和屬性數據進行統一管理[7]，包含數據加載、瀏覽、檢查統計、查詢和交換等模塊（圖4）。利用該管理系統，可以實現場景數據的入庫、提取和瀏覽等操作，還可對數據進行查詢、檢查和統計，并可對數據庫中的指定對象進行

更新，在實際工作中滿足了上海城市三維現狀場景的生產和管理應用需求。

圖4 三維現狀場景數據庫管理系統Fig.4 The database management system of the 3D status quo scene

3 城市三維現狀場景的三維審批應用

上海自2013年3月1日起對重點地區的公共設施建設工程，在全國率先啟動建設工程設計方案三維審批規劃管理試點工作。針對試點工作的需求，本文研究解決了三維現狀場景應用存在的難點，實現了大范圍三維現狀場景網絡共享；設計了三維現狀場景的具體應用環節和方法，使審批人員在項目行政審批管理過程中，按需調用三維現狀場景和插入規劃方案，實現城市三維空間的規劃管理[8～11]。

3.1 三維現狀場景共享

上海已建成的地理信息公共服務平臺，利用現代信息服務技術，對各種分布式的、異構的地理信息資源進行組織與管理，在多重網絡環境下實現各種地理信息資源的整合與共享，為政府、企事業單位和公眾提供信息瀏覽、查詢檢索、信息加載、系統搭建等地理信息綜合服務[12]。將城市三維現狀場景通過地理信息公共服務平臺進行服務共享，通過政務網，上海市區兩級規劃管理部門都可根據管理權限瀏覽到相應審批區域的城市三維現狀場景。

同時依托地理信息公共服務平臺的相關三維瀏覽、量測和分析服務，與規劃審批辦公業務系統相結合，審批人員可在“一書兩證”系統中調取三維場景，插入待審批方案，查看待審批項目與周邊建筑在體量、高度等方面的相互關系是否協調，還可在三維場景中實時量測方案的各項指標，分析項目方案對相鄰居住環境所產生的影響。

3.2 應用環節設計

依據《行政許可法》、《城鄉規劃條例》等法律法規要求，本文還對三維技術手段應用于規劃審批的具體環節進行了研究。通過分析從項目準備報建到項目竣工的整個審批流程，明確各個不同階段的應用需求，設計了各環節中三維技術具體應用方法，確立了在設計條件、方案咨詢、方案審理和竣工驗收四個環節，利用三維場景和技術手段輔助規劃審批管理工作[13]。各環節與現狀三維場景數據庫的交互關系如圖5所示。

（1）設計條件環節

審批人員根據試點工作的文件要求，確定建設項目需要進行三維審批并告知行政相對人，行政相對人按需要可通過網絡獲取項目周邊的城市三維現狀場景，輔助項目方案設計，在項目方案設計階段就充分考慮方案與周邊場景的協調性。

（2）方案咨詢環節

需要咨詢專家意見的項目方案，在方案咨詢過程中將設計方案插入城市三維現狀場景中直觀呈現方案建成后成果，還可對多套方案進行比選，為相關專家出具書面咨詢意見提供依據。

（3）方案審理環節

項目方案報建后審理人員在“一書兩證”系統中調取瀏覽三維現狀場景，并“植入”報建方案，同時利用查詢、量測和分析工具，對方案的景觀效果和各項指標進行審理，根據方案的實際情況出具審批意見。

（4）竣工驗收環節

項目建成后城市三維現狀發生了變更，在竣工驗收環節進行三維竣工驗收，建立項目方案驗收的三維模型電子資料并歸檔，可以更新三維現狀場景數據庫。在三維審批應用的過程中，本文還研究了三維竣工的電子模型建模的相關標準，實現了城市三維現狀的動態更新，保證了城市三維現狀數據庫的現勢性。

圖5 城市現狀場景在三維審批的應用環節Fig.5 The application procedures of the 3D status quo scene in Shanghai 3D planning trial

以城市三維現狀場景數據庫的建設為基礎，上海自2013年起開展三維規劃審批試點工作，先后在上海歷史文化風貌保護區、虹橋商務區和國際旅游度假區、佘山和淀山湖等自然風貌保護區等地區的規劃審批管理中，為控制城市空間布局、協調城市風貌景觀發揮積極作用。其中黃浦區179地塊改造項目位于外灘歷史風貌保護區，適用于電子報建三維審批管理范圍。項目設計階段，設計人員根據周邊三維現狀場景指導設計工作的開展，設計了兩套指標都符合規劃要求，但風格差異較明顯的方案。在項目咨詢和審理階段，審批人員和各方專家在三維場景中利用空間量測、定點觀察、視線分析、日照分析、多屏方案比對等技術手段[14]，多角度、全方位地分析了不同方案對外灘歷史風貌保護區周邊歷史風貌景觀所產生的影響，最終選擇了風格與周邊風格協調一致的方案。方案的雙屏對比效果

如圖6所示。

圖6 黃浦區179地塊規劃方案雙屏比對Fig.6 The double screen camparison of the 179 block in Huangpu district

4 結論和展望

直觀的三維場景、有效的三維技術手段能提高城市管理特別是城市規劃管理的科學化水平。本文針對特大型城市三維現狀場景構建范圍廣、數據量大和不易管理的特點，對城市三維現狀場景的內容要素進行了梳理，確立了以建筑物、地面等五類主要模型為場景的內容；結合特大型城市區域發展不均衡、不同區域管理需求多樣化的特點，提出了城市三維現狀場景的分級標準，將特大型城市三維現狀場景劃分為標準、精細和超精細級別；根據特大型城市三維現狀場景應用需求，首次在國內將城市三維現狀場景納入到基礎地理數據庫，利用數據庫對場景進行高效管理，并開發了相應數據庫管理系統實現場景數據庫的提取、導入、應用和更新，構建起了能應用于實際規劃管理審批工作的三維現狀場景數據庫。

同時，結合上海三維審批工作推進的需求，本文利用上海已建設的地理信息公共服務云平臺對三維場景進行服務共享，并系統研究了三維現狀場景應用于審理管理的流程環節和應用方法，從設計條件、方案咨詢、方案審理和三維竣工等四個環節，明確了三維現狀場景如何具體服務于規劃審批工作，所研究的三維竣工的方法，能實現城市三維現狀場景的動態更新，保證三維現狀場景數據庫的現勢性。本文所研究的相關成果，在上海已推行的建設方案電子報建三維審批工作中，得到了實際的應用。

逼真的城市三維現狀場景能應用于城市管理的方方面面，隨著應用的進一步擴展，城市三維現狀場景要素內容、分級標準以及數據庫管理方法上需要根據其它領域的管理需求相結合，標準需要進行一定的補充和細化，同時城市三維現狀場景的更新維護機制和方法也有待進一步的豐富和完善。

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Development of databases for three-dimensional status-quo scenes in massive cities

ZHANG Wei, GUO Rong-Huan, FENG Yan, GU Xing-Ye
(Shanghai Surveying and Mapping Institute, Shanghai 200063, China)

Increased management of large urban centers has created a higher demand for city planning. Using Shanghai as an example, this paper studies database construction for three-dimensional (3D) status quo scenes in massive cities. The contents and production methods for 3D status quo scenes are described, and 3D scene classification standards are systematically proposed. In order to manage and apply 3D scene data, database technology was used to incorporate 3D status quo scenes into a basic geographic database. Taking Shanghai 3D planning approval requirements into account, the application can produce design conditions, program advice and trials, and 3D acceptance surveys. Further, the 3D acceptance survey method can update the 3D status quo scene dynamically. Research in this paper has been used in a Shanghai 3D planning trial that began on March 1, 2013, and thus can provide useful insight into building 3D status quo scenes in other large cities.

wisdom city; cartography and GIS; database; three-dimensional status-quo scene; three-dimensional planning management

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.015

F208

A

2095-1329(2015)02-0066-05

2014-11-21

2015-01-20

張唯(1985-),男,碩士,工程師,主要從事城市三維地理信息研究與應用.

電子郵箱: zhangweiwd2003@163.com

聯系電話: 021-62549550×8143

國家測繪地理信息局現代工程測量重點實驗室開放基金課題(TJES1309)