3DGIS三維城市規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

盧嵐，劉牛，劉興權(quán)（.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙　40004；.長沙市規(guī)劃信息服務(wù)中心，長沙　40000；.中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長沙　4008）

3DGIS三維城市規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)

盧嵐1，劉牛2，劉興權(quán)3
（1.長沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，長沙410004；2.長沙市規(guī)劃信息服務(wù)中心，長沙410000；3.中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，長沙410083）

0　引言

城市規(guī)劃三維信息系統(tǒng)能規(guī)避平面規(guī)劃的缺陷。它可以通過調(diào)整建筑單體的紋理、位置、形體、高度，輸出規(guī)劃效果圖，甚至是多媒體的動畫展現(xiàn)。決策者能在三維場景中，發(fā)現(xiàn)許多不易察覺的設(shè)計缺陷，將減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的無法挽回的損失與遺憾。因此它在城市規(guī)劃中起著非常重要的作用。本系統(tǒng)是將地理信息系統(tǒng)、遙感、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)綜合應(yīng)用于城市規(guī)劃輔助決策的原型系統(tǒng)。系統(tǒng)以長沙市區(qū)為重點示范區(qū)，根據(jù)城市規(guī)劃管理的業(yè)務(wù)流程，結(jié)合數(shù)字城市的建設(shè)要點、建立基于虛擬城市環(huán)境的城市規(guī)劃輔助信息平臺。系統(tǒng)子模塊有項目管理模塊 、二維地圖管理模塊、界面與視圖控制功能模塊、三維場景制作與管理模塊、場景漫游模塊、三維空間查詢、統(tǒng)計與量測模塊設(shè)計、輔助規(guī)劃分析與評審模塊和規(guī)劃成果輸出模塊。由于篇幅有限，本文只介紹三維場景制作與管理模塊、輔助規(guī)劃分析與評審模塊和規(guī)劃成果輸出模塊的設(shè)計與實現(xiàn)。

1　三維場景制作與管理模塊

該模塊有為用戶提供地形生成、數(shù)字正射影像圖疊加、精細(xì)模型的導(dǎo)入、基于二維圖層的模型快速生成、草模建立、紋理與材質(zhì)管理、模型庫創(chuàng)建與管理、場景標(biāo)注等功能。

1.1三維地形生成

用戶可以選擇場景區(qū)域范圍構(gòu)建該區(qū)域的三維場景。

圖1　三維地形創(chuàng)建流程

1.2三維地物模型的導(dǎo)入

用戶指定導(dǎo)入的三維地物模型文件，同時設(shè)定導(dǎo)入的空間位置，便可將模型導(dǎo)入到地形場景中。

1.3快速建模

快速建模有兩種實現(xiàn)方案，一是基于建筑物輪廓的數(shù)字線劃圖的高度拉伸，一是在場景中自定義立方體。前者適合大規(guī)模的粗模建立，后者適合局部區(qū)域的建模調(diào)整。

圖2　快速建模的流程圖

圖3　從導(dǎo)入的矢量面數(shù)據(jù)生成三維樓塊示意圖

1.4模型自動接地

模型自動接地，根據(jù)模型中心位置的平面坐標(biāo)，獲得模型中心的目標(biāo)高程位置。然后利用平移操作將模型接地。

圖4　模型自動接地示意圖

1.5場景特效

1）霧化效果：可以在地形引擎里實現(xiàn)，利用OSG自帶的霧化效果實現(xiàn)；2）雨效：利用OSG自帶的雨效實現(xiàn)；3）視域裁剪：漫游時實現(xiàn)。

1.6三維模型選擇

三維場景中實現(xiàn)模型選擇的方式主要有三種：1）點選；2）框選；3）任意多邊形選擇。對選擇的結(jié)果可以進(jìn)行如下處理：1）建立選集；2）合并選集；3）交叉選集；4）減除選取。

1.7模型編輯

1）模型刪除：模型刪除是從當(dāng)前場景中，刪除模型節(jié)點。可以在方案目錄下刪除，也可以通過選擇集刪除。兩者都是通過刪除場景中對應(yīng)的建筑物節(jié)點來實現(xiàn)。2）模型移動、模型旋轉(zhuǎn)、模型縮放：這三項均可通過對模型的矩陣變化實現(xiàn)。對于模型移動可以設(shè)置移動的坐標(biāo)值；模型旋轉(zhuǎn)只限定在繞鉛垂線的旋轉(zhuǎn)，需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)方向和角度。

2　輔助規(guī)劃分析與評審模塊

此模塊主要實現(xiàn)與規(guī)劃設(shè)計相關(guān)的規(guī)劃分析和方案比較。規(guī)劃分析包括指標(biāo)分析、日照分析和可視性分析、疊加分析，方案評審是基于規(guī)劃分析開展的，在規(guī)劃分析的基礎(chǔ)上可以進(jìn)行不同方案的對比。

2.1功能與實現(xiàn)流程

（1）指標(biāo)分析

根據(jù)業(yè)務(wù)所需，可以動態(tài)計算指定區(qū)域的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。在場景中繪制計算范圍，對范圍內(nèi)的處于顯示狀態(tài)的現(xiàn)狀建筑和方案建筑，自動提取建筑的屬性數(shù)據(jù)，依據(jù)國家規(guī)范的計算公式，自動計算經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：計算范圍面積、總基底面積、總建筑面積、容積率、建筑密度。

圖5　指標(biāo)分析參考示意圖

圖6　指標(biāo)分析實現(xiàn)流程圖

（2）日照分析

系統(tǒng)支持完善的日照分析功能，包括復(fù)雜的遮蔽與陰影分析和日照時間計算等內(nèi)容。日照分析既能定量和定性地處理一個建筑物自身的日照陰影變化情況以及對其他建筑物的日照遮擋情況，還能準(zhǔn)確計算日照時間和日照間距，定量分析窗戶等建筑物重要部位的日照情況。典型的日照分析包括以下幾個方面：陰影分析、單點日照時間、多點日照時間、平均日照時間 、日照間距計算 、日照圓錐面 、日照等時線 、數(shù)字等日照量模型 、窗戶日照時間分析 、墻面的日照等時線。

（3）視線分析

系統(tǒng)支持完善的可視性功能。所謂可視性分析指的是從一個給定的視點出發(fā)所能看到的區(qū)域位置及大小。可視性分析包括空間任意兩點之間的通視性分析和空間位置處的可視域分析兩類問題。1）通視性分析：通視性定義為空間上的任意兩點之間在直線方向上的可視性。通視的條件取決于觀測點與目標(biāo)點之間是否妨礙視線的障礙物，如地形因素或地物因素。2）可視域分析：可視域指在全部或有限范圍內(nèi)從一個給定的視點上所能看到的區(qū)域，根據(jù)視點的不同，有單點可視域和多點可視域之分。可視域分析也可以簡單地按視線分析方法掃描整個研究區(qū)域，通過判定視點與空間中每個點之間的通視性即可得出一個可視域結(jié)果。

圖7　日照分析的實現(xiàn)流程圖

（4）方案對比

將不同的設(shè)計方案放在完全相同的環(huán)境中進(jìn)行比較，更容易獲得最優(yōu)的方案，而且容易發(fā)現(xiàn)方案的問題所在，從而促進(jìn)方案調(diào)整得更理想。實現(xiàn)方案對比的關(guān)鍵在于分屏顯示三維場景。理論上，可以將當(dāng)前項目下的所有方案通過分屏的方式，同時顯示在同一界面環(huán)境下，為了便于屏幕分割和取得良好的對比效果，系統(tǒng)設(shè)計最多可以分為4個分屏。

以下是方案對比實現(xiàn)的流程圖（如圖8）。

圖8　方案對比實現(xiàn)流程圖

2.2接口

表1　輔助規(guī)劃分析與評審模塊接口

3　規(guī)劃成果輸出模塊

對規(guī)劃成果進(jìn)行全面三維展示，支持多媒體技術(shù)融合下的成果匯報。能采用圖片和視頻的方式輸出漫游路徑下的場景，能制作三維專題圖，能制作視頻文件。

規(guī)劃成果的輸出主要包括路徑漫游和場景的抓屏，這兩項功能都可以基于OSG的功能實現(xiàn)。

3.1路徑漫游

按照指定的路徑進(jìn)行漫游對成果演示而言，是非常重要的。在osgViewer中，當(dāng)?shù)谝淮伟聪滦懽帜浮皕”時，開始記錄動畫路徑；待動畫錄制完畢后，按下大寫字母“Z”，保存動畫路徑文件；再次使用osgViewer讀取該動畫路徑文件時，會回放此動畫路徑的內(nèi)容。

3.2場景截圖輸出

場景截圖的實現(xiàn)較為簡單，可以直接使用OSG:: Image類的readPiexels（）獲取當(dāng)前視圖的像素信心，從而實現(xiàn)抓圖的功能。具體的流程較為簡單，這里不再詳述。場景截圖時，用戶可以通過系統(tǒng)提供的參數(shù)設(shè)置面板，設(shè)置圖片格式和大小。

3.3添加聲音

給場景添加三維立體聲音可以借助OpenAL實現(xiàn)，它是自由軟件界的跨平臺音效API，OSG在其上封裝出一套新的適合OSG的API來完成OpengAL的功能osgAL。

4　結(jié)語

給出了3DGIS三維城市規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)部分子模塊的設(shè)計與實現(xiàn)，運行結(jié)果表明該系統(tǒng)能滿足用戶需求，能提供可視化的、真實感強的虛擬城市景觀環(huán)境，在三維場景下實現(xiàn)城市規(guī)劃的輔助設(shè)計與審批，為城市規(guī)劃方案的評審和制定提供直觀的決策參考。但還需不斷改進(jìn)和完善。

［1］梁國棟，蒙勝華.三維地理信息技術(shù)助力規(guī)劃輔助決策［J］.全球定位系統(tǒng)，2013，（4）:208

［2］高海峰，金鑫.基于Skyline三維GIS城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2012，（3）:20-21.

［3］江丕文，黃新等.城市三維數(shù)字景區(qū)建模的研究與實現(xiàn)［J］.地理空間信息，2009，7（6）:6～9.

3D GIS；Urban Planning；Auxiliary Decision Aupport System；Sub Module

Design and Implement of 3DGIS Three-Dimensional Urban Planning Aided Decision Support System Module

LU Lan1，LIU Niu2，LIU Xing-quan3
（1.Changsha Environmental Protection Vocational College，Changsha 410004；2.Changsha City Planning Information Service Center，Changsha 410000；3.Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2016）18-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.18.016

盧嵐（1983-），女，湖南城步人，碩士，講師，研究方向為地理信息系統(tǒng)

劉牛（1987-），男，湖南長沙人，本科，助理工程師，研究方向為信息技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃中的應(yīng)用

劉興權(quán)（1962-），男，湖北天門人，碩士，教授，研究方向為GIS專業(yè)教學(xué)及GIS工程與應(yīng)用

2016-04-19

2016-06-10

3DGIS三維城市規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)能規(guī)避平面規(guī)劃的缺陷。決策者能在三維場景中，發(fā)現(xiàn)許多不易察覺的設(shè)計缺陷，將減少由于事先規(guī)劃不周全而造成的無法挽回的損失與遺憾。介紹該系統(tǒng)子模塊，著重介紹三維場景制作與管理模塊、輔助規(guī)劃分析與評審模塊和規(guī)劃成果輸出模塊的設(shè)計。

三維GIS；城市規(guī)劃；輔助決策支持系統(tǒng)；子模塊

The 3DGIS three-dimensional urban planning aided decision support system can avoid the defect of plan.Decision makers can find a lot of design flaws hard to detect in 3D scenes，which will reduce the irreparable loss and regret.Introduces the system sub module and focuses on the design of the 3D scene production and management module，the auxiliary planning analysis and evaluation module and the output module.