三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

周曉波，王軍，周偉

(徐州市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 徐州　221000)

?

三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

周曉波*，王軍，周偉

(徐州市勘察測(cè)繪研究院，江蘇 徐州221000)

摘要：近年來(lái)，智慧城市的建設(shè)快速發(fā)展，城市規(guī)劃作為引領(lǐng)城市建設(shè)的藍(lán)圖和依據(jù)，對(duì)城市的發(fā)展起著重要的指導(dǎo)作用。傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)圖和效果圖缺乏立體感和直觀性，制約了規(guī)劃審批技術(shù)的革新，三維建模技術(shù)已成為解決該問(wèn)題的研究熱點(diǎn)。通過(guò)“徐州市三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)”的建設(shè)，闡述了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)研究，并探討了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：城市規(guī)劃；三維；輔助決策

1引言

隨著城市的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃手段已經(jīng)不能滿足設(shè)計(jì)者和決策者的需要，三維GIS作為城市信息化的一個(gè)重要組成部分，通過(guò)構(gòu)建直觀、真實(shí)感強(qiáng)的虛擬環(huán)境給人們帶來(lái)更為全面的位置信息，從而實(shí)現(xiàn)城市規(guī)劃管理模式從二維到三維的轉(zhuǎn)變，為規(guī)劃決策和城市管理提供更為直觀與科學(xué)的依據(jù)。因此，需要將三維的GIS引入到規(guī)劃行業(yè)中。

本文以建設(shè)“徐州市三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)”為例，在徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了徐州市三維規(guī)劃審批系統(tǒng)，從而為規(guī)劃審批提供全新的技術(shù)方法，服務(wù)于城市的高效快速發(fā)展。

2三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在技術(shù)上堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)、管理、服務(wù)與應(yīng)用相分離的原則，采用SOA架構(gòu)、B/S模式，建立高效的數(shù)據(jù)響應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理、存儲(chǔ)、交換以及與其他業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的集成[1]。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)架構(gòu)分為5層：工具層、服務(wù)器與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層、基礎(chǔ)服務(wù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和三維表現(xiàn)層。

(1)工具層

工具層提供地形影像處理工具、高精度地形生成工具、模型數(shù)據(jù)處理工具、矢量數(shù)據(jù)處理工具等系統(tǒng)工具，實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的精確表現(xiàn)，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)美觀，方便三維數(shù)據(jù)的展示、查詢及檢索。

(2)服務(wù)器與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層

服務(wù)器與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)層為系統(tǒng)提供基本的數(shù)據(jù)服務(wù)，將元數(shù)據(jù)、2D GIS數(shù)據(jù)、3D GIS數(shù)據(jù)、搜索數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、地址數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)先自動(dòng)化建模、編譯處理，然后再發(fā)布為系統(tǒng)可顯示、搜索和分析的數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)建庫(kù)技術(shù)、四叉樹(shù)技術(shù)、瓦片金字塔技術(shù)等進(jìn)行性能優(yōu)化。

(3)基礎(chǔ)服務(wù)層

基礎(chǔ)服務(wù)層將基礎(chǔ)層中獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及存儲(chǔ)，該層是整個(gè)平臺(tái)的核心，是連接底層數(shù)據(jù)與上層應(yīng)用之間的橋梁；同時(shí)該層可以為三維表現(xiàn)層提供服務(wù)支撐，包括公共訪問(wèn)服務(wù)、2D GIS服務(wù)、3D GIS服務(wù)、業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)等，實(shí)現(xiàn)三維場(chǎng)景的高效瀏覽及展示。

(4)業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層主要進(jìn)行業(yè)務(wù)處理，包括業(yè)務(wù)規(guī)則的制定、業(yè)務(wù)流程的實(shí)現(xiàn)等，能調(diào)用數(shù)據(jù)層接口完成數(shù)據(jù)的融合和分析處理。同時(shí)，此層還提供組織機(jī)構(gòu)、LDAP數(shù)據(jù)等方面的實(shí)現(xiàn)，可以快速地進(jìn)行移植和增強(qiáng)性能。該層是一種弱耦合結(jié)構(gòu)，有利于功能的完善并可以迅速地根據(jù)業(yè)務(wù)變化進(jìn)行調(diào)整。

(5)三維表示層

三維表示層為最終用戶提供數(shù)據(jù)和信息的正確語(yǔ)法表示變換方法，采用Silverlight技術(shù)、AJAX技術(shù)提供優(yōu)秀的用戶體驗(yàn)，提供三維數(shù)據(jù)服務(wù)接口，支撐各種行業(yè)應(yīng)用，如交通管理、地下管線、城市規(guī)劃、國(guó)土資源、電力能源等。通過(guò)Web瀏覽器以二、三維聯(lián)動(dòng)的展現(xiàn)方式來(lái)訪問(wèn)各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、分析等工作。

2.2軟件體系框架設(shè)計(jì)

徐州市三維審批系統(tǒng)的軟件體系框架包括Web服務(wù)端、運(yùn)維管理子系統(tǒng)、編輯子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理工具集。

(1)WEB服務(wù)端

WEB服務(wù)端基于面向服務(wù)的開(kāi)發(fā)和架構(gòu)，采用Linux服務(wù)器，支持?jǐn)?shù)據(jù)、服務(wù)的分布式部署和負(fù)載均衡(LVS或F5)。客戶端無(wú)并發(fā)訪問(wèn)和授權(quán)數(shù)量限制，服務(wù)端支持網(wǎng)絡(luò)授權(quán)模式。服務(wù)端支撐的系統(tǒng)功能主要有數(shù)據(jù)顯示功能、數(shù)據(jù)權(quán)限控制功能、三維分析功能、空間搜索功能，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新與發(fā)布功能以及對(duì)矢量點(diǎn)、線、面數(shù)據(jù)的進(jìn)行相關(guān)查詢的功能[2]。

本系統(tǒng)所有服務(wù)基于Linux系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，客戶端基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，主要有以下三方面原因：

①本項(xiàng)目數(shù)據(jù)有大量的100 K左右的小文件，Linux文件系統(tǒng)對(duì)小文件的管理做得比較好，對(duì)小文件的讀、寫及索引速度等綜合效率明顯高于Windows文件系統(tǒng)；

②Linux內(nèi)核的源代碼是以標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的32位(在64位CPU上是64位)的計(jì)算機(jī)來(lái)做的最佳化設(shè)計(jì)，比Windows更加穩(wěn)定；

③Linux提供了相對(duì)于Windows更好的安全性能，對(duì)文件和系統(tǒng)的操作權(quán)限管理較為嚴(yán)格，不容易受到攻擊。

(2)運(yùn)維管理子系統(tǒng)

運(yùn)維管理子系統(tǒng)包括服務(wù)管理、數(shù)據(jù)管理和用戶管理三個(gè)大的組成部分。其中，服務(wù)管理可實(shí)現(xiàn)三維平臺(tái)的服務(wù)配置、IP管理、數(shù)據(jù)庫(kù)信息管理等功能。數(shù)據(jù)管理可對(duì)基礎(chǔ)工具集處理完成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理、數(shù)據(jù)配置以及動(dòng)態(tài)物體設(shè)置等功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的添加、刪除、修改、配置等功能[3]。用戶管理包括數(shù)據(jù)權(quán)限管理、功能權(quán)限管理及用戶管理三個(gè)部分，通過(guò)設(shè)定不同用戶的數(shù)據(jù)和服務(wù)訪問(wèn)權(quán)限，控制數(shù)據(jù)的瀏覽和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。

(3)編輯子系統(tǒng)

編輯更新子系統(tǒng)采用C#進(jìn)行編程，通過(guò)掛接Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)，可將三維模型的mesh、紋理和屬性分別進(jìn)行存儲(chǔ)，并進(jìn)行高效的展示，從而使用戶在三維環(huán)境中進(jìn)行三維模型的單體化更新，并可實(shí)現(xiàn)建筑紋理、屬性的實(shí)時(shí)更新，為實(shí)際后期運(yùn)維管理提供系統(tǒng)支持。

(4)數(shù)據(jù)處理工具集

在Web上實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)地理實(shí)體模型的三維表達(dá)和大面積海量數(shù)據(jù)的快速顯示與分析，是本系統(tǒng)研制的兩個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題。本項(xiàng)目在傳統(tǒng)三維模型數(shù)據(jù)可視化技術(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行了流程和算法優(yōu)化，對(duì)所獲取的不同來(lái)源的各種數(shù)據(jù)需要預(yù)先進(jìn)行自動(dòng)化建模、編譯處理，然后再發(fā)布為系統(tǒng)可顯示、搜索和分析的數(shù)據(jù)，因此伴隨系統(tǒng)就衍生了三個(gè)數(shù)據(jù)建模、編譯與發(fā)布的工具包成果，它們分別是：基礎(chǔ)數(shù)據(jù)編譯與發(fā)布工具包、模型數(shù)據(jù)批量發(fā)布與編譯工具包和管線數(shù)據(jù)編輯工具包。

3三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1二、三維一體化技術(shù)

本系統(tǒng)基于先進(jìn)的內(nèi)核技術(shù)，將二三維數(shù)據(jù)統(tǒng)一到一個(gè)球面空間中，真正實(shí)現(xiàn)了二三維數(shù)據(jù)的有機(jī)結(jié)合[4]。三維管線模型數(shù)據(jù)是由二維管線數(shù)據(jù)自動(dòng)化生成的，兩者使用的是一套統(tǒng)一存儲(chǔ)和管理的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理一體化、查詢和分析一體化。

3.2基于SOA架構(gòu)

SOA(Service-Oriented Architecture，面向服務(wù)架構(gòu))是一種粗粒度、松耦合服務(wù)架構(gòu)模型，服務(wù)之間通過(guò)簡(jiǎn)單、精確定義接口進(jìn)行通訊，不涉及底層編程接口和通訊模型，其基礎(chǔ)是Web Service技術(shù)[5]。Web服務(wù)應(yīng)用可以穿越企業(yè)防火墻，很好地適應(yīng)基于Internet計(jì)算要求的松散性，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的分布式應(yīng)用。

本系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)服務(wù)對(duì)象對(duì)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)功能的需求封裝了不同層次、不同顆粒的Web服務(wù)接口，包括：三維數(shù)據(jù)服務(wù)：提供DEM、DOM、Model、Billbord等數(shù)據(jù)服務(wù)；本地搜索(LBS)服務(wù)：提供對(duì)POI、建筑物等搜索服務(wù)；3D分析服務(wù)：斷面分析、連通性分析、水淹分析等服務(wù)；氣泡服務(wù)：標(biāo)記等服務(wù)；人機(jī)交互服務(wù)：?jiǎn)吸c(diǎn)登錄、人員角色、工程項(xiàng)目信息等服務(wù)；精細(xì)場(chǎng)景服務(wù)：街景漫游等服務(wù)。

3.3系統(tǒng)快速響應(yīng)技術(shù)

目前相關(guān)的三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，面臨的問(wèn)題有裝載的三維場(chǎng)景不夠大，系統(tǒng)響應(yīng)速度不夠快。在徐州市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)的建設(shè)過(guò)程中，采用Linux系統(tǒng)服務(wù)器，將DEM、DOM、三維模型3ds Max數(shù)據(jù)等標(biāo)準(zhǔn)格式的三維數(shù)據(jù)，通過(guò)編譯發(fā)布工具轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)特有的數(shù)據(jù)格式，主要是海量的小文件數(shù)據(jù)，從而提高服務(wù)器的響應(yīng)速度。對(duì)于徐州市約 170 km2的三維數(shù)據(jù)加載速度能達(dá)到28幀每秒。此外，采用基于四叉樹(shù)結(jié)構(gòu)的多分辨率LOD技術(shù)，在遠(yuǎn)視角大場(chǎng)景的情況下，加載低分辨的圖像信息；在近視角小場(chǎng)景的情況下，加載高分辨率的圖像信息，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)相關(guān)物體的面數(shù)及細(xì)節(jié)程度，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速加載，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.4基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量的快速三維建模工藝

系統(tǒng)中三維數(shù)據(jù)的生產(chǎn)是基于數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)，基于合格的空三成果進(jìn)行立體測(cè)圖，同時(shí)采集DEM和建筑物的特征點(diǎn)線數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上分別生產(chǎn)DOM、TDOM和三維建筑模型，三維建筑模型頂部的紋理從航空影像上直接提取，側(cè)面紋理需要通過(guò)實(shí)地拍照的方式獲取，并在3ds Max中進(jìn)行編輯、貼圖、烘焙，最終形成與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景完全一致的三維模型。本系統(tǒng)分類設(shè)計(jì)了三維模型制作標(biāo)準(zhǔn)，不同類型的模型采用不同的技術(shù)方法建立，按重要性分兩級(jí)場(chǎng)景：精細(xì)場(chǎng)景(如圖2所示)、標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)景(如圖3所示)[6]。此外，城市主干道、次干道等重要市政道路的路面均采用人工修飾和精度查值，道路景觀帶、行道樹(shù)、道路交通指示牌、路中間隔離帶等均進(jìn)行三維全現(xiàn)(如圖4所示)。

4三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)推廣應(yīng)用研究

徐州市三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)建成之后積極進(jìn)行研究應(yīng)用推廣，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

4.1為各行各業(yè)提供先進(jìn)的技術(shù)手段和三維信息共享服務(wù)

系統(tǒng)為各行各業(yè)提供三維立體的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，為廣大人民群眾提供美觀、便捷的城市三維展示引導(dǎo)服務(wù)，為城市應(yīng)急指揮和搶險(xiǎn)的政府部門提供準(zhǔn)確、直觀和現(xiàn)勢(shì)的地理空間分析結(jié)果。建立三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的統(tǒng)一更新維護(hù)和資源共享，避免各單位各自為政，重復(fù)投資，形成信息孤島，從而降低城市空間數(shù)據(jù)的更新成本。

4.2城市規(guī)劃三維輔助決策

規(guī)劃管理部門只有準(zhǔn)確掌握規(guī)劃方案與周邊現(xiàn)狀地物的相互關(guān)系，才可以正確合理地進(jìn)行城市規(guī)劃，并作為施工方建設(shè)成果的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)我國(guó)房地產(chǎn)市場(chǎng)發(fā)展迅速，但是方案設(shè)計(jì)與建設(shè)結(jié)果不一致的情況屢屢發(fā)生，通過(guò)城市規(guī)劃三維信息化及管理制度建設(shè)，采用三維報(bào)建和三維竣工的管理方式，既可為城市建設(shè)施工提供準(zhǔn)確、完整的周邊現(xiàn)狀信息，減少規(guī)劃失誤，又可直觀審查建設(shè)成果，保證消費(fèi)者利益[7]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，徐州市中心規(guī)劃建設(shè)超高層項(xiàng)目，該項(xiàng)目位于核心商業(yè)區(qū)，周邊有多棟超高層建筑同期在建，在規(guī)劃方案評(píng)審過(guò)程中對(duì)三個(gè)申報(bào)的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案采用三維現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景模擬、指標(biāo)分析、雙屏對(duì)比、空間距離量測(cè)、天際線分析等技術(shù)方法，對(duì)該項(xiàng)目建筑體量、建筑風(fēng)格與彭城廣場(chǎng)周邊建筑的協(xié)調(diào)性進(jìn)行分析，選定了最合適的設(shè)計(jì)方案，如圖5所示。

圖5三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)多方案比選

4.3有力保障城市地下空間的合理開(kāi)發(fā)利用

城市地下管線是保障城市運(yùn)行的重要基礎(chǔ)設(shè)施和“生命線”，該系統(tǒng)基于二維管線普查數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維可視化管理，滿足地下管線的三維規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案審批[8]。在地下管線的規(guī)劃設(shè)計(jì)過(guò)程中，能夠合理進(jìn)行地下管線的選線設(shè)計(jì)與施工，在該系統(tǒng)中還可以加載設(shè)計(jì)管線的規(guī)劃模型，在快速瀏覽設(shè)計(jì)管線基本情況的同時(shí)，直觀地查看與地上、地面、地下的空間關(guān)系，為管線遷建和移建提供依據(jù)，如圖6所示。

圖6三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)地下管線

4.4為“智慧城市”建設(shè)奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)

徐州市三維規(guī)劃管理審批系統(tǒng)的建成，使城市建設(shè)決策者直觀全面地感知城市的現(xiàn)狀，并提供精確的三維地理位置信息，為提高規(guī)劃管理的效率提供了科學(xué)的決策依據(jù)和全新的可視化平臺(tái)，為“智慧城市”的建設(shè)提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，提升了共享水平。

5結(jié)語(yǔ)

從可持續(xù)發(fā)展的角度，三維城市規(guī)劃管理審批系統(tǒng)能夠隨著城市建設(shè)的進(jìn)行而實(shí)現(xiàn)三維模型數(shù)據(jù)的同步更新，使最新的規(guī)劃內(nèi)容能夠及時(shí)反映在虛擬化的環(huán)境中[9]。系統(tǒng)的建成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市地物地貌的可視化管理，輔助城市規(guī)劃，有利于對(duì)城市資源分布情況進(jìn)行全面的了解，實(shí)現(xiàn)城市資源的合理配置、充分利用，有利于提高重大決策的科學(xué)性，對(duì)實(shí)現(xiàn)城市的可持續(xù)發(fā)展有重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張輝，裴蓮蓮，鄭國(guó)江. 三維輔助決策平臺(tái)功能設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)建設(shè)研究[J]. 北京測(cè)繪.2014(3)：39～42.

[2]李曉明. 顧及語(yǔ)義拓?fù)涞拇笠?guī)模三維空間數(shù)據(jù)高效管理方法[D]. 武漢：武漢大學(xué)，2011.

[3]張春敏，劉全海. 城市規(guī)劃三維輔助審批系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用——以常州市為例[J]. 城市規(guī)劃，2011，35(7)：93～96.

[4]王海鷹，張新長(zhǎng)，康停軍. 面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)方法的探討與應(yīng)用[J]. 測(cè)繪通報(bào)，2011(3)：29～33.

[5]王軍，周偉，田鵬等. 城市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J]. 工程勘察，2010，38(11)：56～61.

[6]寧振偉，朱慶，夏玉平. 數(shù)字城市三維建模技術(shù)與實(shí)踐[M]. 北京：測(cè)繪出版社，2013.

[7]馬琳，陳大勇. 地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用[J]. 測(cè)繪與空間地理信息，2015，38(3)：133～134.

[8]Cao Zhenyu，Zhu Jun，Gan Rongcheng. Application of web 3D GIS for dam-break flood medeling[C]. 2012 1st International Conference on Agro-Geoinformatics. IEEE，2012：592～596.

[9]Qian Zhu，Xia Li，Di Cao. GIS-based 3D Modeling and Visualization in Luohe Basin[C]. 2013 International Conference on Information Technology and Applications.lEEE，2013：328～332.

Research and Application of Three Dimensional Urban Planning Management and Approval System

Zhou Xiaobo，Wang Jun，Zhou Wei

(Xuzhou Surveying and Mapping Research Institute，Xuzhou 221000，China)

Key words：urban planning；three-dimensional；decision support

Abstract：In recent years，the rapid development of smart city construction，urban planning as a guide to the blueprint and basis of urban construction，the development of the city plays an important guiding role. Traditional two-dimensional design and effect diagram lack of stereo and intuitive，which restricts the innovation of planning and approval technology，and the three-dimensional modeling technology has become a hot research topic. Through the construction of “Xuzhou city planning management approval system”，this paper expounds the system’s overall design and key technology research，and discusses the application of the system.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-50-05

中圖分類號(hào)：P208.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

*收稿日期：2016—03—15

作者簡(jiǎn)介：周曉波(1989—)，男，碩士，助理工程師，主要從事數(shù)字?jǐn)z影測(cè)繪和三維城市建設(shè)相關(guān)工作。