城市三維規劃仿真的研究與實踐*
——以廈門市三維仿真規劃應用為例

康 靜

城市三維規劃仿真的研究與實踐*
——以廈門市三維仿真規劃應用為例

康 靜

隨著信息化技術的推進和信息化水平的提高，三維地理信息系統建設已經深入社會應用的各個方面。為更好地實行“陽光規劃”“、科學規劃”，保障城市空間信息資源的獲取、更新和維護得到可持續性、統一性的管理，廈門市規劃委員會利用三維虛擬技術結合已有的基礎地理信息數據，建立了一個輔助城市設計、管理、審批的三維城市規劃仿真系統。以廈門市城市三維規劃仿真系統為例，從廈門三維仿真系統的建設、輔助規劃管理、三維數據與其他部門的應用等幾方面進行了闡述。

三維技術 | 城市規劃 | 數字城市

康 靜

廈門市城市規劃設計研究院

工程師，碩士研究生

*廈門市財政性投資信息化資金資助項目《廈門市城市三維規劃仿真系統》，榮獲“2012年中國地理信息產業優秀工程銀獎”，“2013年福建省優秀城鄉規劃設計二等獎”，“2013年全國優秀城鄉規劃設計三等獎（規劃信息類）”。

0 引言

近年來，隨著數字城市概念的提出和快速普及，全國各個城市對建立三維數字城市的需求日漸增加。城市的急劇發展使得城市規劃建設已擺在十分顯著的位置。城市規劃與建設工程的審批工作是一項法規嚴密、專業性強、既有審批時限又有權限規定、縱橫聯系復雜的集體性工作，審批過程縱橫交錯，資料傳遞環節繁多，要求審批過程的高度協調和統一。目前大多數城市規劃局的業務審批系統雖已實現對城市規劃業務的信息化審批管理，但是這仍是二維的審批模式，難以在應用中再現三維的實體，無法滿足城市的三維空間特征要求，規劃方案無法及時有效、直觀、形象地與周邊形勢相對比，使得規劃方案產生了一定的滯后性和局限性。因此，廈門市規劃委員會建立了一個聚集各種數據信息包括衛星影像、城市三維現狀、規劃、建設、人口、單位、經濟、交通社會保障等綜合數據資源并能夠快速分析和輸出的城市三維仿真系統[3]。

1 項目總體設計

1.1 總體框架設計

廈門三維規劃仿真規劃系統總體框架分為三層：數據層、服務層和應用層（圖1）。其中數據層有三維地理信息系統的全部格式數據，內容包括地形、影像、場景數據等，由CityMaker Builder來進行生產維護；服務層是由CityMaker Sever進行管理，提供三維場景服務、地形影像、查詢分析、矢量數據等服務；最上端為應用層，主要是規劃成果的展示和用來輔助規劃審批決策[2]。

圖1 總體框架設計

圖2 體系結構設計

1.2 體系結構設計

該系統內外網采用物理隔離，外網為B/S構架，內網為C/S構架。外網主要應用于規劃成果的網上公示，內網主要用來展示規劃成果和輔助規劃審批決策（圖2）。

2 三維地理信息系統軟件平臺

廈門城市三維仿真系統采用CityMaker系列軟件平臺，數據生產、城市瀏覽、結合二維屬性的各種分析功能及升級都在CityMaker系列軟件上進行。

CityMaker的框架體系包括：

（1）CityMaker Builder：數據生產與維護平臺，用于三維數據生產、編輯、更新。

（2）CityMaker Server：基于面向服務體系構架（SOA）創建、組織和管理各種空間數據服務，包括地形、影像、模型、矢量等數據服務。

（3）CityMaker Explore：提供了3D GIS應用中的通用功能，包括加載各種矢量、柵格、模型數據或數據服務、三維漫游、模型編輯、空間分析、三維標繪、輸出視頻及圖片等功能。

3 三維仿真系統建設內容

項目的建設目標包括兩大部分的建設。

3.1 三維仿真數據建設

廈門城市規劃三維仿真系統地上部分建設完成約390 km2的現狀及規劃三維模型數據，三維數據基本覆蓋廈門建成區。其中包括約260 km2三維現狀建模（包括鼓浪嶼約1.87 km2的超精細三維現狀建模），約105 km2三維規劃建模，約20 km2夜景三維現狀建模以及5個公共建筑的室內三維現狀建模。其中在完善的地上三維仿真數據及已有管線普查數據的基礎上，還建設完成了涵蓋全市島內、島外建成區給水、污水、燃氣、電力、電信、熱力等9大類33小類的地下管線，管線全長約15萬km，覆蓋城市道路約2萬km。實現地上、地下一體化。

3.2 軟件系統及規劃評審中心建設

3.2.1 公共服務及便民查詢系統

項目開始建設時主要對重點規劃項目提供了公眾服務，后來在最初的基礎上提供更廣大范圍的公眾服務，包括城市多個區域的三維瀏覽。在規劃公示功能上，繼續開發符合社會公眾服務的新功能，包括：興趣點查詢定位、城市導覽、信息發布等。

3.2.2 輔助規劃決策系統

完成了建筑方案的三維審批和規劃設計方案的展示，并結合實際需要添加了規劃指標的計算，多源數據（CAD、GIS）的疊加分析、分類顯示，增加更多的規劃信息查詢，比如在場景中選中建筑物，界面就要彈出這個建筑物的信息如規劃建筑的相應指標建筑物的屬性（如建筑物名稱、層數、高度、容積率、建筑面積、占地面積、建成時間等）。系統能提供三維物體的超鏈接，提供和ACAD、Word、Excel、看圖軟件等的接口，可以隨時調用相關資料，并逐步把應用擴大到了規劃局各業務處室，為科學規劃管理提供更多的依據。

3.2.3 面向政府專網的三維地理信息共享平臺

搭建了面向政府專網的三維地理信息共享平臺，通過三維地理信息共享平臺的建設可以為廈門全市各委辦局提供三維地理信息服務。

該系統以GIS技術為支撐，建立廈門基礎三維地理信息系統在統一坐標系下對數據共享和交換、互通互聯，未來為政府各大職能部門應用系統集成提供支撐平臺，實現跨網絡、跨系統和跨多元異構數據的信息共享交換與集成整合，實現了城市空間信息展現。

3.2.4 建筑資料庫管理系統

在三維數字城市的數據基礎上，建設建筑資料庫，為現狀建筑模型添加應急資料信息，包括建筑結構圖等圖片和文本數據。當發生緊急事件時，通過政務專網的三維地理信息共享平臺，可直接訪問三維數據，并可調取需要的建筑的應急資料，從而快速獲得第一手現場資料，并能夠以三維仿真的方式對現場狀況進行直觀的了解。

建筑資料庫的建設，需要對規劃竣工的資料成果數據進行規整實現url的訪問方式，并在三維地理信息共享平臺基礎上建設建筑資料庫管理系統，實現對建筑資料的錄入、查詢、統計、管理等功能。

3.2.5 城市廣告牌輔助管理系統

城市廣告牌就是城市的名片。加強城市廣告牌的規范管理，對提升城市競爭力、影響力具有重要作用。主要街道上的廣告牌要體現城市文化內涵，彰顯城市精神，體現城市個性，引領城市未來發展。

通過三維地理信息共享平臺，能夠把廈門市的現狀建筑以三維數字城市的方式真實再現出來。在此基礎上建設城市廣告牌管理系統，能夠以三維仿真的形式對廣告牌進行直觀的設置和管理，為城建市政廣告管理部門提供新的管理思路和技術手段。

系統能夠在三維建筑模型的立面上設置廣告牌模型，通過在三維環境下視點的效果評價，直觀了解到廣告牌的設立對周邊環境、對城市景觀的影響。通過建立全市范圍的主要廣告牌模型庫，將可以實現廣告牌數據統一管理，在三維環境下實現快速的效果查看，廣告牌的快速定位等業務屬性查詢。另外，該項目還有一個重點是要與一期建設的輔助規劃決策系統進行對接，為廣告牌的規劃管理提供依據。

3.2.6 三維視頻監控系統

三維視頻監控系統是在三維虛擬城市的基礎上，在能獲取公安、交通、城市應急、市容城管、環保監測和社會等視頻監控資源的前提下，使全市監控資源全面覆蓋城市市區、道路交通、治安卡口、重點企業、居民社區等區域。利用“無線城市”網絡資源，形成有線、無線相結合的視頻監控體系，將城市監控聯網與報警系統向可視化應急指揮調度發展，在預防犯罪和動態控制中發揮預警、應急聯動等作用，便于統一指揮。將城市視頻監控信息資源系統與全市人口信息資源系統、全市空間地理信息資源系統相結合，通過直觀的三維數據場景和視頻數據對照，對現場情況能有更為直觀的了解。同時三維平臺還支持將視頻數據流通過方位矯正后，直接投射在地面高精度的影像數據上，實現靜態的高精度影像和動態的視頻監控數據的集成疊加顯示，從而更為直觀地表達現場的情況，并為對于突發事件的應急指揮提供更有力的輔助工具。

該系統的建設一定要能保證視頻監控信號與目前三維場景及軟件的無縫融合，這樣才能充分發揮三維虛擬城市與現實視頻監控的有效互補。

3.2.7 三維規劃評審中心

在規劃決策系統的基礎上，采用多通道投影技術和屏幕采集技術，開發出多通道的大屏幕版三維規劃決策支持系統，并建設一個三維規劃評審會議室。在該會議室中可以在三通道的投影大屏幕中進行多方案的建筑比對，為規劃方案的評審提供直觀真實的科學依據。

3.2.8 三維市政管線系統

三維市政管線系統是廈門市城市規劃三維仿真系統的第三期項目，在完善的地上三維仿真數據及已有管線普查數據的基礎上建設完成。該系統不僅實現三維設施管理，還提供針對不同管理需求的多種分析功能，如針對大多數需求的橫斷面分析、縱斷面分析、管線比對；針對數據拓撲關系分析的上下游分析、連通分析；針對設施運營管理部門需求設計的關閥搜索、事故影響范圍分析、泄露擴散分析；針對設施安裝鋪設需求設計的工程開挖分析、周報檢測分析；針對設施規劃設計的規劃規則庫、間距分析、埋深檢測等。可以利用系統提供的分析功能進行需要的分析，利用分析結果提供決策支持，從而達到加強設施的管理，為發展創造良好的內部環境的目標。

三維市政管線規劃系統是在CityMaker Build7.0軟件平臺基礎上開發的，可在加載全市地上地下所有三維仿真數據的基礎上進行各類分析、編輯、設計功能，其技術特點如下：

（1）地上地下所有三維數據一體化管理，地下場景和地上場景無縫結合，可以任意上下漫游、瀏覽。

（2）二維數據驅動實時生成三維場景，所有三維市政管線既可通過二維.dwg 或.mdb格式數據驅動生成，也可以在3DMAX里建模后導入。

（3）所有三維管線均可在線編輯，此功能模塊在規劃設計階段對方案評審有較大實際作用。

（4）所有驅動生成的三維管線的材質貼圖均帶光影效果。

（5）三維管線庫整個建成了拓撲網絡關系，可以進行各類分析。

（6）系統平臺可對城市級大數據量的管線庫、設施庫進行管理。

4 輔助規劃管理

三維仿真系統中最要的部分就是為規劃服務，從三維規劃輔助決策到三維規劃管理、覆蓋設計、管理、審批等多管理業務流程，改變以往只能進行定性分析的狀況，支持更多的定量分析，日后可達到與市政相結合、實現地上地下數據和功能一體化的目標。

三維輔助決策系統在CityMaker三維共享平臺的框架下，建設面向規劃和市政的行業解決方案，系統為各類用戶提供三維空間環境下可視化、編輯、管理、分析等功能。將二維GIS數據和三維城市模型相結合。在三維數字城市中，分析二維數據屬性并直接在三維場景中顯示，從而達到二三維聯動。對二維數據進行各種分析，如綠地率、退紅線分析、道路中心導入、建筑指標查詢等。讓管理者可以在三維城市中對二維屬性精確操作、應用在方案評審會及用地專審會上，直觀展現建筑形態、色彩和體量關系，對規劃決策管理起到不可替代的重要作用。

4.1 輔助建設項目規劃設計

基于CAD總平圖方案和設計方案編輯、丈量建筑物高度、核算建筑物面積等精細計算，確保符合城市規劃管理要求。例如底層建筑高度不能超過多少米？道路寬度與紅線的退讓規則？建筑間距不得超過多少米？鏈接現狀照片、設計說明文檔、模型照片、效果圖、dwg文件等，從位置、體量、朝向、色彩、材質等各方面全方位進行比對輔助規劃管理（圖3、圖4）。

4.2 實時指標核算及方案優化

圖3 設計方案和三維效果對比圖

圖4 輔助決策系統中的建筑物屬性查詢

圖5 指標核算

圖6 外網公示系統

圖7 規劃方案對比

圖8 視域分析

在系統中可以對設計方案進行多方位論證，包括位置、體量、色彩、材質、明暗調整、指標核算、方案調整、動態計算和對比形態研究等（圖5）。

4.3 面向大眾服務

應用于規劃管理、項目方案管理、規劃方案公示網絡發布、網絡公示、民意調查，最大程度讓公眾參與進來（圖6）。

4.4 三維分析功能

對建筑物進行方案對比、形態研究，如間距、限高等，以及各種分析包括日照分析、通視分析、路徑選擇、天際輪廓線等（圖7、圖8）。

5 三維仿真系統在規劃管理中的應用

5.1 應用于三維電子報建

為保障系統基礎三維數據的更新和各類規劃、建筑設計方案數據的來源，廈門市規劃委于2011年開展三維報建審批。在建設工程設計方案階段，將建設項目設計方案和建設項目現狀測繪數據按照特定的標準制作完成三維模型，并導入“城市規劃三維仿真系統”中，以作為規劃管理、規劃審批的依據之一。目前，為了響應廈門市政府簡政放權、提高效能的大方針，取消了三維審批，三維模型僅作為工程規劃許可證報送階段的一個材料提供給三維仿真系統入庫使用。2011年9月至今，三維報建更新的建設項目約700件。

5.2 應用于規劃委建設項目方案的外立面評審

2010年12月，廈門市規劃委建立了建筑設計方案公開評審會制度，在建筑項目報送方案設計階段，每周定期集中審批邀請優秀建筑師、社會公眾等相關人員共同參與評審建筑項目的外立面。評審會之前，所有上會建筑項目的都將按照設計圖紙制作好的模型放入三維仿真系統中，方案評審會中應用三維仿真系統配合項目PPT等資料進行評審，會上評審人員通過大屏幕上的三維仿真系統可以直接看到建成好的效果，在三維的場景中可以各個角度任意漫游、對比與周邊建筑的體量關系、色彩是否協調一致、直觀地進行對比和評審。

2010年至今，城市規劃三維仿真系統參與審批評審項目超過2 000個，在大屏幕三維輔助決策系統中完成建設建筑設計方案評審項目已經超過800個。

案例：裕景中心方案評審。

裕景中心因為所處位置比較重要，最初是設計成圖9的前兩個方案，由于平面上設計沒有直觀感受，按照設計好的圖紙把制作好的三維模型放到三維仿真系統中與周邊建筑群對比，立刻給人以龐然大物的感覺，形體設計與周邊極度不協調，與最初的藍圖大相徑庭。經過反復的討論與修改，最終將一個體塊分割成兩個體塊，高低錯落，遙相呼應，與周邊的建筑群極為和諧，取得了滿意的效果，成功地避免了一個黃金地段的設計失誤。

圖9 裕景中心方案對比

圖10 翔安南部核心區城市規劃

圖11 軌道1號線SM廣場站方案設計

5.3 應用于城市規劃設計

在城市設計階段，主要是從宏觀角度出發，在三維的城市空間坐標中化解實際中的各種矛盾，城市規劃決定著未來廈門的樣子。三維城市仿真系統可以提供真實的地貌、道路、周邊建筑、骨干道路等，為規劃師進行城市規劃提供依據[4]，也可以根據規劃設計將規劃方案提前展現到人們面前，為今后片區內具體的單體建筑方案的設計和審批提供參考和幫助（圖10）。

6 三維仿真數據在各行業中的應用

動態更新城市三維數據，通過三維共享平臺對廈門市各行業、部門進行數據服務，并結合各自業務需求，在此基礎上可進行二次開發。現服務的部門有：公安、城建檔案館、國安、規劃展覽館、各區政務中心、國土、海滄、集美區政府、翔安區政府、軌道辦等職能部門。

6.1 在公安預警中的應用

將三維仿真數據提供給公安部門使用，實時更新的三維數據給公安部門提供了準確的三維信息，在安保預警方面可以發揮積極的作用。

6.2 在城建檔案館中的應用

廈門城建檔案館管理著全市的城建檔案，在沒有三維仿真系統以前，經常會出現檔案中的地址與實際中不一致的錯誤，三維仿真系統建成后，將全市域的三維數據都共享給城建檔案館使用，通過已有的檔案數據和三維系統中的實際數據進行對比，可以輕而易舉地解決以上難題，使管理人員足不出戶即可直接對一些明顯錯誤進行糾正。

6.3 在三維展示方面的應用

先后為廈門市集美區政府市民中心數字沙盤提供精細三維模型，為翔安區政務中心提供三維數據，為廈門城市規劃展覽館提供三維展示數據，為多規合一平臺提供基礎數據，為即將建設的鼓浪嶼地理信息系統提供三維數據，包括鼓浪嶼上許多核心建筑的精細模型，為宣傳美麗廈門、提升城市知名度起到了積極的作用。

6.4 與軌道交通部門的合作應用

廈門軌道交通1號線、2號線已經開始建設，大家每天上下班出行都可以看到熱火朝天的地鐵建設場面。軌道交通建設帶來擁堵的同時，也存在著一定危險。將軌道交通設計方案放置三維市政管線系統中，可以非常直觀地看到三維管線與軌道的關系，避免軌道交通與現有管線的沖突。也可以將新建地鐵站的方案設計模型放入三維場景中與周邊環境進行對比，比選出合理的建筑方案[1]（圖11）。

6.5 與電力部門的合作探索

通過與電力部門的合作，開發接口，提供基礎管線數據，提高電力部門線纜管理工作效率。

7 結語

綜上所述，三維GIS相關技術的日趨成熟，很多專業領域，尤其是城市規劃領域對三維GIS的迫切需求，必將推動三維GIS的進一步發展和應用。成熟的三維GIS系統是圍繞城市規劃的需求和應用而拓展的，廈門三維城市規劃信息系統的建立不但能夠對各種城市空間信息進行有效的管理與集成，而且能夠以動態的、形象的、多視角的、多層次的方式模擬城市的現實狀況，為城市空間形態研究、城市設計和城市管理提供具有真實感和空間參考的決策支持信息。建設三維城市規劃信息系統，對改變傳統城市規劃模式，促進城市合理規劃，實現城市可持續發展具有重要的意義。

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Research and Practice on the Three-dimensional Simulation of Urban Planning: A Case Study of Xiamen

With the development of information technology and the improvement of informatization level, the construction of three-dimensional geographic information system has already gone deeply into every aspect of social applications. In order to better implement ‘sunshine planning’, ‘sciences planning’ and ensure that the geospatial information resources obtained, maintained and updated can get management of sustainability and unity, Xiamen Municipal Commission of Urban Planning established a 3D simulation system of urban planning, which is used in the design, management, examination and approval of urban plans. Taking Xiamen as an example, this paper expounds the construction of Xiamen three-dimensional simulation system, the application of the planning management, the application of 3D data connected with other departments and so on.

3D technology | Urban planning | Digital city

1673-8985（2016）01-0106-05

TU981

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