“多規合一”背景下古建筑規劃保護輔助審批系統應用研究
——以東莞市古建筑為例
2021-02-25 07:48:18錢樂祥吳志峰陳穎彪李安敬許英明
計算機應用與軟件 2021年2期
覃 俊 錢樂祥* 吳志峰 陳穎彪 李安敬 周 芬 許英明
1(廣州大學地理科學學院 廣東 廣州 510006)2(廣州市昱安信息技術有限公司 廣東 廣州 510663)3(廣東南方數碼科技股份有限公司 廣東 廣州 510665)
0 引 言
歷史古建筑損毀主要歸因于：① 被侵占擠壓，導致環境變化，加劇古建筑建材材質老化；② 人們物質生活水平提高，無法滿足生活需求，被遺棄或拆除；③ 部分古建筑保護級別太低，屬于城市改造規劃范圍內；④ 修繕、保護措施存在局限性；⑤ 自然災害等。針對以上問題，學者開展了大量實地保護相關研究[1-5]。然而，實物保護受限于其生命周期，無法永久保存[6]，古建筑數字化在保護、展示和輔助修繕[7]等方面逐漸成為研究熱點，并隨著激光測繪[8-10]、傾斜攝影測量[11]、BIM[12]等技術的發展，古建筑數字化體系趨于完善。同時，由于古建筑保護與開發利用多以政策導向為主要驅動力，城市規劃管理部門和文物管理部門對古建筑的保護與開發利用起決定性作用。近年來，新的城市總體規劃和控制性詳細規劃方案層出不窮，國家對文物保護的重視程度也與日俱增[13]，不少地方的文物保護空間規劃控制體系正積極和當地“多規合一”體系對接，納入統一工作平臺[14-15]。然而，基于文物古建的數字化成果和規劃成果搭建數字化管理平臺，輔助審批文物古建相關建設項目的研究較少，導致了“多規合一”背景下城市歷史風貌空間保護管理體系的不完善。
本文梳理研究區域內古建筑數量及分布，采用無人機和云臺相機分別采集低空和地面的古建筑立體空間信息，構建精細化三維實景模型。結合東莞市規劃局現有規劃審批系統，設計開發古建筑保護規劃審批輔助決策系統，實現規劃管理部門對古建筑的動態管理與輔助決策，分析古建筑周邊建設項目對其造成的空間影響，加強對古建筑及其周邊環境的保護，完善“多規合一”下城市古建筑風貌空間保護體系。
1 系統分析
傳統城市規劃管理通常以二維設計圖為基礎，其三維效果圖往往屏蔽周圍地物和環境。只從單一項目本身來審批，缺乏全局視角，無法直觀感知建設項目與其周邊環境的空間關系及協調度[16-17]。隨著三維激光掃描技術和傾斜攝影測量技術的發展，建筑復雜結構三維建模技術逐漸成熟[12]，利用二維空間展示城市規劃數據的方法正在逐漸被更能直觀反映城市規劃成果的三維可視化技術取代[18]。然而，傳統的三維WebGIS的客戶端實現技術不能充分滿足開放性、跨平臺性、插件依賴性、渲染速度等方面的需求[19-20]。本系統采用新興的HTML5和WebGL技術，將古建筑三維模型加入到WebGIS應用中[19-22]，提出了一套古建筑規劃保護輔助審批三維可視化平臺，實現了多源異構數據的綜合展示，彌補了東莞市城鄉規劃局規劃審批三維空間分析功能的不足。該系統的設計與實現對城市建設部門審批古建筑周邊建設項目、提高古建筑保護能力具有重要意義。
2 系統設計
2.1 系統架構
本文基于SOA架構模型進行系統設計，采用組件化和面向對象的設計開發模式，結合新興的WebGL技術，選用J2EE技術體系架構主流的MVC分層設計模型及B/S結構進行實際開發。在基礎二三維地理信息數據的基礎上，整合歷史建筑三維模型，建立基于3D WebGIS的規劃輔助審批系統。系統由下而上分為四層：基礎設施層提供系統運行和數據存儲的軟硬件環境；數據資源層由各類業務主體數據庫、基礎資源數據庫組成；應用支撐層包含系統組件庫和基礎服務；應用層提供數據管理、綜合展示、統計分析，以及包含三維規劃方案審批等各項空間分析功能的輔助審批模塊。除此以外，系統還包含了古建筑數字化標準體系、質量保障體系以及平臺運維管理體系等內容，具體如圖1所示。
圖1 系統架構圖
2.2 功能結構
本文中原型系統的設計采用組件式開發的理念，將系統中公共的業務和功能部分抽象為組件，并將組件注冊到企業服務總線上。隨著業務需求的變化，通過組件的組裝，就可形成新的應用。系統應用層是在應用支撐層的基礎上進行設計，分為四大模塊(數據管理，綜合展示，輔助審批，統計分析)，每個模塊對應詳細的子功能如圖2所示。
圖2 功能結構圖
3 數據庫設計
3.1 數據采集與處理
數據采集的質量決定了三維模型的精度。因此，在選用高精度設備的基礎上，需制定詳細的數據采集方案。本文在低空多視角攝影和地面多視角影像采集工作中，分別采用DJI Inspire 1 RAW多旋翼無人機和DJI Osmo三軸手持云臺，搭載Zenmuse X3廣角鏡頭的集成化解決方案，將采集的影像根據色卡進行勻光勻色處理后，導入三維實景建模軟件Context Capture(CC)。然后分別完成地面和低空的多視影像空中三角測量(Aero Triangulation，AT)，基于影像位置信息嚴格配準，合并區塊(blocks)，對影像進行密集匹配，生成彩色點云，構建TIN三角網和Mesh模型，映射紋理。最終完成古建筑三維實景模型的建設工作。該過程如圖3所示。
圖3 三維實景建模技術路線
3.2 數據庫存儲
本文中原型系統數據庫由用戶數據、基礎地理信息數據、古建筑屬性數據、古建筑三維數據、規劃方案三維數據、歷史街道數據、全景空間數據等業務數據組成。古建筑三維模型又根據其重要性分為精細模型和簡單模型，基礎地理信息數據由規劃局或國土局提供高清電子地圖和影像數據。數據存儲部分由Oracle關系型數據庫和ArcGIS SDE地理空間數據引擎組成，基于由開放地理空間聯盟(OGC)提出的開放標準(如WFS、WMS)通過數據庫連接驅動、Web Service進行訪問[13]。規劃方案三維數據要求建設單位提供.max文件格式，由Autodesk 3ds Max打開，通過該軟件中UsxExporter插件導出.usx格式的模型數據，然后經由編譯發布平臺發布模型服務，在服務器中進行配置后，可導入本系統中進行輔助審批的各項分析功能。
4 系統開發與功能實現
4.1 開發環境
(1) 操作系統：Windows 7；
(2) 編程語言：Java，SQL，JavaScript，JQuery，CSS；
(3) 開發工具：Eclipse、PLSQL Developer；
(4) 數據庫系統：Oracle Database 11g；
(5) WebGIS平臺：ArcGIS Server 10.2；
(6) 空間數據引擎：ArcGIS SDE。
4.2 總體結構
本系統為Web端應用，創建Web站點時，需要使用HTML語言向組成Web站點的各個Web頁面放置文本、圖形、動畫、音頻信息等內容，以及按鈕和超鏈接等可以進行交互的內容。數據管理綜合展示、輔助審批、統計分析等用戶操作界面由此構建而成。系統操作界面分為三塊，采用DIV + CSS實現布局，用
- 標簽實現導航欄，