數(shù)字城市及其核心技術(shù)

范陽(yáng)

摘 要：城市不僅是人類生產(chǎn)與生活的聚集場(chǎng)所也是其文明產(chǎn)生與發(fā)展的核心地。伴隨“數(shù)字地球”的提出，數(shù)字城市也出現(xiàn)在各國(guó)城市建設(shè)的議程中。介紹了數(shù)字城市的內(nèi)涵以及其核心技術(shù)——三維城市建模理論。對(duì)數(shù)字城市建設(shè)有一定指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：數(shù)字城市；三維城市建模

數(shù)字城市的概念是在美國(guó)總統(tǒng)格爾于二十一世紀(jì)前期首次提出并應(yīng)用，隨后，全球各個(gè)國(guó)家先后提出類似的關(guān)于本國(guó)城市的數(shù)字化理念并在經(jīng)濟(jì)、法律、行政等方面得以實(shí)施。[ 1 ]數(shù)字理念快速應(yīng)用于城市規(guī)劃，工程檢測(cè)，交通服務(wù)，政策決定等方面，并在應(yīng)用中進(jìn)一步推廣了數(shù)字應(yīng)用的縱深推廣。

1 數(shù)字城市

數(shù)字城市主要利用信息手段將城市在時(shí)間領(lǐng)域和空間領(lǐng)域進(jìn)行數(shù)字化的虛擬實(shí)現(xiàn)。它主要以計(jì)算機(jī)、多媒體和集成存儲(chǔ)為技術(shù)基礎(chǔ)以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為紐帶，綜合應(yīng)用遙感技術(shù)、GPS定位系統(tǒng)、仿真虛擬模擬、地理信息技術(shù)對(duì)城市建設(shè)有針對(duì)性的進(jìn)行多分種類、多維度、多指標(biāo)的綜合描述。國(guó)際城市發(fā)展研究院（CUDI）在描述城市信息化系統(tǒng)時(shí)認(rèn)為，它實(shí)質(zhì)上是人與城市土地關(guān)系的數(shù)值化，秉承“以人為本”的思想，通過(guò)信息化技術(shù)更快速更及時(shí)的了解城市的運(yùn)行狀態(tài)和發(fā)展規(guī)律，對(duì)城市人與土地之間的關(guān)系進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上的優(yōu)化分配，最終實(shí)現(xiàn)人與環(huán)境、與土地的可持續(xù)發(fā)展。在此之中，它的主要表現(xiàn)與應(yīng)用分別在地表測(cè)繪、政策決策、單位管理、企業(yè)決策、數(shù)字生活等方面。

2 三維城市建模

數(shù)字城市的關(guān)鍵技術(shù)有：三維可視化建模、數(shù)字結(jié)構(gòu)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云儲(chǔ)存技術(shù)、數(shù)據(jù)共享與互聯(lián)網(wǎng)操作、以及超鏈接技術(shù)等。其中，三維可視化信息是數(shù)字城市的核心基礎(chǔ)信息[ 4 ]。

2.1 模型數(shù)據(jù)

三維數(shù)據(jù)庫(kù)是數(shù)字城市在三維建模過(guò)程中的重要組成部分，根據(jù)來(lái)源可以分為：

2.1.1地形地貌三維模型數(shù)據(jù)

地形地貌數(shù)據(jù)的獲取可來(lái)源于遙感等途徑。基于地形地貌的數(shù)據(jù)，得到數(shù)字高程模型，可以模擬出精確的地形；無(wú)論是通過(guò)衛(wèi)星遙感技術(shù)得到的不同清晰度的衛(wèi)星圖，還是以航空攝影得到的高清圖像，都是數(shù)字?jǐn)z影獲取圖像的多種方式之一。在圖像獲取以后，通過(guò)相同的空間參考坐標(biāo)系將圖像加載到高程模型上即可獲取地形地膜在三維上的體現(xiàn)。

2.1.2三維模型數(shù)據(jù)構(gòu)建

對(duì)構(gòu)建物三維的構(gòu)造是三維建模的核心，因而構(gòu)建紋理庫(kù)則是三維數(shù)字城市建模中的一個(gè)重要數(shù)據(jù)庫(kù)，是其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)。紋理庫(kù)在三維城市模型真實(shí)度評(píng)估方面體現(xiàn)著重要的作用。它構(gòu)建的良好程度直接對(duì)3維城市模型數(shù)據(jù)庫(kù)的容量產(chǎn)生重要影響從而對(duì)城市虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)作精準(zhǔn)度產(chǎn)生一定的破壞。

2.2 研究方法

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于三維城市建模的研究主要分為4種：

2.2.1三維城市模型的構(gòu)建（基于三維影像技術(shù)）

在三維城市模型的構(gòu)建（基于三維影像技術(shù)）方面前期，人們主要利用航空取像技術(shù)及DEM技術(shù)疊成城市景觀區(qū)域圖和建筑模型景觀等。伴隨著數(shù)據(jù)獲取技術(shù)的快速推廣應(yīng)用，人們可以通過(guò)衛(wèi)星等快速大量獲取DEM及影像并由此建立大范圍甚至是全城區(qū)的數(shù)字模型從而一次性生成相應(yīng)的城市數(shù)字景觀模型。但缺點(diǎn)是，這種方法構(gòu)造的城區(qū)景觀會(huì)存在一定的紋理失真，真實(shí)感不足等。因此，此類地形景觀模型只是具備一定的瀏覽意義，在相應(yīng)的模型上難以進(jìn)行DIS分析。此類方法只能在構(gòu)造簡(jiǎn)易的城觀模型上有所意義。

2.2.2構(gòu)建的三維城市模型（ 結(jié)合2DGIS技術(shù)）

伴隨互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，2DGIS的應(yīng)用逐漸成熟。當(dāng)前三維數(shù)字城市可以利用現(xiàn)有的2DGIS的空間數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行相應(yīng)的三維擴(kuò)展。有學(xué)者通過(guò)將構(gòu)建物的高程、紋理在2DGIS的基礎(chǔ)上構(gòu)建三維模型，這種方法可以大面積的建立三維城市模型，具有面積大、速度快的優(yōu)點(diǎn)，但也存在著數(shù)據(jù)不足，真實(shí)感差等缺點(diǎn)，因而有學(xué)者提出基于2DGIS和DEM結(jié)合構(gòu)建三維城市模型的方法。這種方法不能對(duì)單獨(dú)模型進(jìn)行處理。

2.2.3基于三維數(shù)據(jù)模型的方法構(gòu)建三維城市模型

此類方法是利用數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量系統(tǒng)將空間物體轉(zhuǎn)為三維模型來(lái)。

2.2.4軟件方法

利用建模軟件來(lái)虛擬構(gòu)建三維構(gòu)建物，與DEM等數(shù)據(jù)疊加生產(chǎn)三維城市模型。國(guó)內(nèi)外主流的三維建模軟件平臺(tái)有3Dmax、Multig-en Creator、SketchUp、Maya、CAD三維建模模塊、City Engine、Skyline等。

2.3 常見(jiàn)建模可視化平臺(tái)

目前，取得行業(yè)領(lǐng)先地位的三維可視化平臺(tái)軟件為以下幾類：

2.3.1 Google Earth

Google Earth是將龐大的航拍、衛(wèi)星、三維圖像融合在一起，它的優(yōu)點(diǎn)是用戶可以在不同的角度瀏覽地球，擁有豐富經(jīng)驗(yàn)、強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力、操作簡(jiǎn)單和超群的用戶體驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)。

2.3.2 SkylineGlobe

SkylineGlobe產(chǎn)品利用航空、衛(wèi)星影像創(chuàng)建三維虛擬場(chǎng)景。Sk-ylineGlobe支持交互式繪圖，它的優(yōu)點(diǎn)是具有三維空間分析能力和大數(shù)據(jù)處理能力。

2.3.3其他

其他三維可視化軟件還有：美國(guó)國(guó)家航空航天管理局發(fā)布的world wind、靈圖的VRMap、中國(guó)武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的GeoGlobe等。

3 結(jié)論

目前，我國(guó)數(shù)字城市發(fā)展日趨成熟，對(duì)比于國(guó)外，仍處于探索和實(shí)踐階段。如何快速、真實(shí)、批量化地建立三維城市模型，并進(jìn)行規(guī)劃分析，這需要進(jìn)一步的探討。我們需要正確的對(duì)待數(shù)字城市實(shí)踐中所發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，從政府、企業(yè)、市民三方面調(diào)動(dòng)，健全數(shù)字城市體系，促進(jìn)城市信息化，使得國(guó)家、企業(yè)、大眾享受數(shù)字城市的成果，進(jìn)而向智慧城市的時(shí)代邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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