基于Skyline的三維城市規劃信息系統的設計與實現

摘 要：三維城市規劃信息系統可提供城市立體直觀的表現形式，可為規劃相關人員進行規劃決策提供技術支持，提高規劃管理水平和工作效率。Skyline 軟件體系下的TerraExplorer Pro在三維顯示、瀏覽及開發等方面具有明顯優勢。文章以該軟件為平臺，以本校區為例，設計和開發了基本滿足輔助城市規劃需求的三維城市規劃信息系統，能夠為城市規劃決策者進行決策提供一定的技術支持。

關鍵詞：城市規劃；Skyline；三維地理信息系統；TerraExplorer Pro

1 概述

隨著3DGIS技術的不斷進步，以及城市規劃要求的不斷提高，二維GIS技術支撐下所建立的城市空間信息管理體系向三維的轉變成為必然趨勢。目前城市規劃3DGIS的研究取得了一定的研究成果。尹長林，許文強提出了針對地形和建筑物可視性分析的數學幾何模型[1]。祁信舒，趙祺提出三維城市規劃管理系統的功能設計及實現方案，為城市規劃設計向信息化方向推進提供技術支撐[2]。李揚等從數據建設和系統建設兩個層面，探討了建設面向城市規劃的GIS[3]。曾忠平總結了三維GIS城市規劃信息系統的應用層次和特征[4]。馮琰從模型數據、要素類別和精細程度三個方面分析了三維城市模型（3DCM）的數據內容[5]。Skyline軟件自2004年進入我國市場，以其在三維GIS領域的出色表現迅速得到國內大范圍的研究和應用。Skyline的研究主要包括三維建模、三維數據建庫、三維數據發布、行業3DGIS構建和應用等方面。李志偉基于Skyline與ArcGIS Server開發了上海市土地資源可視化系統，該系統彌補了二維GIS抽象性的同時兼具二維GIS的空間分析功能[6]。李佼研究構建了崇明島生態建設三維GIS平臺，為管理人員提供基于三維場景共享的異地協同決策支持[7]。盧

闖、常德海、王鈺分別就Skyline在農業資源[8]、虛擬校園[9]、油田地面[10]三維可視化等方面的應用及其中進行了研究。綜上所述，Skyline技術在3DGIS構建方面技術基本成熟，基于Skyline實現三維城市規劃信息系統切實可行且對城市規劃工作具有重要意義。

2 基于Skyline的三維城市規劃信息系統分析

為了能充分利用二維城市規劃信息的成果，同時在直觀的三維場景中進行城市規劃輔助決策及規劃效果的多方位展示，目標系統應該是一個具備城市規劃輔助決策能力的三維城市規劃信息系統，需具備二維場景構建與管理、三維場景構建與管理、場景漫游、規劃輔助分析、空間量測等功能。系統以規劃項目作為一個獨立的業務邏輯單元，每個項目可以包含多個規劃方案，一個規劃方案對應一系列的城市規劃三維場景，系統的所有軟件功能應用于一個規劃方案。從數據需求上來說，該系統需要三維場景數據（建筑物的高度，坐標，紋理等）、矢量數據和屬性數據。通常來說二三維城市規劃信息數據中的矢量數據和屬性數據包括總體規劃圖、分區規劃圖、控制規劃圖、修建性詳細規劃圖、三維建筑模型等，以及項目建設規劃的其他附加數據如規劃文檔、規劃表格等。文章以湖南城市學院新校區數據作為三維城市規劃項目示例，目標系統將基于地理信息系統、圖形圖像處理、三維建模與仿真、數據庫等技術開發，以新校區地形數據、高分辨率數字正射影像數據、規劃成果數據等作為數據基礎。

3 基于Skyline的三維城市規劃信息系統總體設計

系統旨在針對城市規劃分析，尤其是控高分析、視線分析、日照分析等的需要，開展三維場景下的規劃輔助分析。這些分析功能的實現都依賴于邏輯層的Skyline三維規劃輔助分析模型的構建。城市規劃的過程是一個不斷調整、完善的過程，因此，需要對方案的場景進行調整和修改，系統需要提供方案設計者對模型的交互控制接口。此外系統需要通過訪問數據庫，調用數據到應用程序進行分析以完成用戶提交的分析任務。系統體系結構如圖1。

系統分為三個層次，底層是數據層，中間是業務邏輯層，最高層為應用層。數據層主要是空間數據庫和文件數據庫，業務邏輯層通過調用數據層中的數據和業務功能響應應用層的應用請求，應用層主要是應用界面交互表現等的實現。系統數據存儲主要采用兩種存儲方式，二維矢量數據及屬性數據存放在Geodatabase空間數據庫中，景觀模型、地形文件、影像數據等以文件方式存放本地進行管理，三維場景中的二維建筑物數據、三維數據以及屬性等通過ObjectID關聯訪問。

圖1 系統體系結構圖

系統應用層包含的功能模塊主要有基本工具模塊、測量工具模塊、二三維對象創建模塊、規劃輔助分析模塊和三維漫游模塊。

（1）基本工具模塊。該模塊包括選擇對象、選擇區域、添加位置和信息查詢。選擇對象、選擇區域分別實現對窗口內的單個建筑物對象和多個建筑物對象進行選擇。添加位置實現對三維窗口進行特定的視界位置選擇。信息查詢實現城市景觀對象的屬性查詢操作。（2）測量工具模塊。該模塊有水平測距、豎直測距、空間測距、面積測算功能。在三維城市規劃信息系統中可以在水平面、在豎直面以及對三維空間內任意兩點之間的距離進行空間量測，用鼠標確定要測量的起點和終點，系統自動進行測量并顯示結果。利用面積量測對用地進行測量，面積測算應可以對任意多邊形的面積進行計算。（3）二三維對象創建模塊。該模塊提供折線、面、矩形、正多邊形、箭頭、圓、橢圓、弧線、文本標簽、圖像標簽、地形視頻等二維對象建立功能以及建筑物、多邊形、箱子、圓柱體、球體、圓錐體、金字塔、箭頭等三維對象建立功能。可以使用戶在建成場景中添加或創建規劃建筑物進行比較分析。（4）規劃輔助分析模塊。基于Skyline的三維城市規劃信息系統中的規劃輔助分析模塊要能夠實現通視分析、圓頂輻射分析、通視分析、地形剖面分析、控高分析以及生成最優路徑、生成等高線等三維規劃輔助分析功能，這些功能實現可以幫助使用者進行城市規劃決策。（5）三維漫游模塊。該模塊將提供環繞漫游、直線漫游、弧線漫游三個功能。三維場景漫游功能可以使用戶對整個規劃場景進行身臨其境的漫游，通過點擊地物信息以及放大縮小等操作，使用戶快速漫游至選擇地物進行仔細觀察，以幫助規劃人員直觀的感受規劃效果。

4 基于Skyline的三維城市規劃信息系統實現

4.1 系統開發構建的步驟

系統開發構建主要分為三個步驟——數據的準備，三維場景的構建，系統界面設計和功能的開發。

（1）數據準備。系統準備了規劃建筑數據、二維地形數據、影像數據和屬性數據。規劃建筑數據用于獲取建筑物各部分的詳細信息。提供3D幾何模型的數據支持。這類數據需要人工判讀和手動輸入，工作量大，適宜于少量、重要建筑物的精細建模。二維地形數據主要是城市勘測獲得，包括了校園的基礎地理數據（如道路，水系、建筑物等）、建立DEM所需要的等高線和高程點，此外包含大量屬性信息：建筑物年代、結構、權屬等。此類數據可用于建立屬性庫外，還可快速通過生成建筑物的草模。影像數據包括校園遙感影像數據、規劃效果圖和建筑物紋理照片。（2）三維場景構建。包括地形模型生成，建筑物等景觀粗模和精細模型的構建。系統采用TerraBuilder軟件構建校園地形模型生成地形圖，用3D MAX軟件構建校園景觀數據，然后在TerraExplorer中生成三維場景。（3）系統界面設計和功能的開發。系統界面設計主要使用由TerraExplorer提供的3DWindow、NavigationMap兩個TerraExplorerX控件以及Visual Studio 2010開發平臺自帶的Button公共控件完成。系統功能實現主要利用TerraExplorer API結合VS.net、C#完成三維GIS功能實現。

4.2 系統實現關鍵技術——TerraExplorer Pro API

TerraExplorer Pro API是TerraExplorer Pro家族中的基礎開發環境，是一套面向三維GIS應用系統開發者的新一代組件式GIS開發環境。TerraExplorer Pro API基于Microsoft的COM組件技術標準和腳本語言標準，以ActiveX控件的方式和腳本語言的方式提供強大的三維GIS功能，適用于用戶快速開發專業三維GIS應用系統或三維地圖網站。TerraExplorer Pro API由ActiveX控件和數量眾多的自動化對象構成，因此，可以方便地嵌入到流行的可視化高級開發語言環境中進行二次開發。文章利用C#高級開發工具在面向對象編程、可視化程序設計等方面的優勢，結合TerraExplorer Pro API提供的ActiveX組件，開發三維GIS應用系統。系統中采用的接口主要有：（1）IMenu：提供了標準TerraExplorer Pro 菜單命令的調用，只需實例化此接口后傳入對應功能的整型參數，就可以調用系統已封裝好的功能。該接口提供接近標準TerraExplorer Pro的菜單命令。使用Invoke方法可以激活TerraExplorer Pro的菜單命令。（2）IObject Manager65：對三維顯示窗口的全部對象進行管理，允許使用者對所有對象進行添加、編輯、刪除操作。對象包括二維文本圖片標簽、線、面、多邊形以及圓，三維模型以及三維幾何體對象等。（3）IInformation Tree65：管理與維護信息樹，包括創建、刪除、修改、排序、重命名以及對象查詢等。（4）IPlane65：對plane和camera操作進行控制，并且控制視野、視域、視角以及飛行模式。

4.3 系統界面和關鍵功能實現

本系統通過使用 3Dwindow 和信息樹控件設計GUI圖形用戶界面（如圖2），這種方式可以讓用戶快速的搭建一個基礎三維平臺，可以允許使用者通過直接調用TerraExplorer Pro的菜單命令來打開一個FLY文件（文件->打開）。從而節省創建一個標準的“瀏覽FLY文件”窗口的時間。功能實現中，主要是采用菜單形式提供對命令的調用，IMenu接口在項目開發中使用較多。主要接口應用情況如下：使用IMenu接口實現對TerraExplorer Pro菜單功能的調用，主要調用了測量工具、規劃輔助分析的菜單功能。使用IObjectManager65接口實現創建二維對象和創建三維對象功能。使用IInformationTree65接口主要實現對信息樹進行管理維護。使用IPlane65接口實現三維漫游功能。如圖3所示為三維空間中兩點距離量算結果。如圖4系統通過繪制多邊形選擇區域完成面積測算。

系統實現了用戶在建成場景中添加或創建三維規劃建筑物的功能，如圖5所示。圖6顯示了在系統中點擊進行通視分析的兩個位置進行分析，a連線代表兩點不通視，與a線垂直的線則代表兩點之間可以通視。圖7顯示系統的地形剖面分析功能，該功能可以對剖線上任一點的高程進行查詢，能夠直觀地了解該點與周圍地形的關系。圖8網狀線即圓頂輻射分析所生成的圓頂輻射區域。

系統實現了控高分析，可以有效輔助城市規劃管理人員協調好空間需求以及高層建筑物的空間布局關系。如圖9b平面表示控高高度，邊線內為控高范圍，控高區域內建筑物高度如果超出控高高度，則將超出部分顯示出來，使建筑物超高的高度以及數量一目了然。

5 結束語

文章就三維城市規劃信息系統的需求和總體設計進行了深入分析。對 Skyline 軟件的二次開發技術進行研究。基于Skyline TerraExplorer Pro API實現了三維城市規劃信息系統中的城市規劃二維場景構建與管理、三維場景構建與管理、場景漫游、規劃輔助分析、空間量測等功能，并以湖南城市學院三維數字校園項目展示了系統的功能應用，系統表明基于Skyline平臺進行三維城市規劃信息系統二次開發方便快捷，系統工具基本滿足了輔助城市規劃的要求，為規劃人員提供了三維可視化的輔助決策手段。

參考文獻

[1]尹長林，許文強.基于3DGIS 的城市規劃可視性分析模型研究[J].測繪科學，2011，36（4）：142-144.

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[3]李揚，劉增良，楊軍.面向城市規劃的三維GIS設計與實現[J].測繪通報，2012，58（6）：74-76.

[4]曾忠平，李宗華，趙中元，等.基于三維GIS的城市規劃信息系統研究[J].重慶建筑大學學報，2007，29（5）：26-30.

[5]馮琰，郭容寰，汪 琦，等.三維城市模型數據組織與管理方法研究[J].測繪科學，2011，36（1）：215-217.

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[8]盧闖.基于Skyline的農業資源三維地理信息系統框架設計與實現[D].中國農業科學院，2011.

[9]常德海.基于Skyline的虛擬校園建設理論與方法研究[D].河南大學，2009.

[10]王鈺.基于Skyline技術的油田地面三維可視化開發與實現[D].長安大學，2009.