基于三維地理信息系統的城市規劃技術

姜峰

煙臺市規劃設計院（煙臺市城市規劃編研中心） 山東 煙臺 265400

引言

城市是一個復雜的系統，是社會分工和社會經濟發展到特定階段的必然產物。現代化的城市是現代文明發展的一個重要標志，體現了國家經濟發展的實力、綜合管理能力。現代化城市不僅體現在三維空間上的聚集性，還體現在高度集約性和整體結構的開放性。城市信息數據量急劇增加，信息被快速地進行存儲、分析和交換，信息的變化方式復雜，城市規劃面臨著更高的要求，需要不斷探索先進的技術方案，獲取、存儲、管理、分析、挖掘城市的三維地理空間、經濟、文化等信息，為城市規劃決策提供前瞻化、集成化的綜合信息管理能力[1]。城市規劃的新形勢，三維地理信息系統（3DGIS）需要具有全面的數據收集體系、數據存儲體系、數據管理體系和數據可視化系統應用體系，以及數據實時更新的循環體系。本文探究當前的GIS技術發展的方向，歸納三維地理信息系統（3DGIS）的城市規劃技術的基本模式和技術特點，提出了三維地理空間數據（地形模型、地下管線模型、地表對象模型）規劃技術的框架體系、數據存儲和分析體系、功能可視化體系和運行維護更新方案等。

數字城市是未來城市發展的趨勢，對基礎設施規劃、建設和管理具有更高的要求。三維地理信息系統（3DGIS）為數字城市基礎設施規劃提供新的技術手段。衛星遙感技術已經突破到更高的分辨率，具有更強的獲取和實時更新地理信息的能力；以光纖寬帶和通信衛星為基礎的信息傳輸和交換能力；數據分布式存儲和分析能力；三維數據建立、仿真、可視化、虛擬化能力，為三維地理信息系統發展提供了基礎。建立三維地理信息系統，可為城市規劃技術提供重要支撐。

1 三維地理信息系統建設及其特點

三維城市模型發展于國外城市建設過程中，成功的例子包含紐約曼哈頓城市模型，東京局部地區。紐約曼哈頓三維城市模型主要是應用于土地規劃、環境變化評估、城市天際線研究等，東京三維模型用于空氣檢測、災難檢測和預警、城市全景數字可視化。三維地理信息系統發展主要是基于衛星圖片、航拍信息等數字攝影測量技術和三維數字模型。三維地理信息系統（3DGIS）主要包括以下特點[2]：

1.1 數據量大，管理范圍大

城市規劃涉及較大地域空間的范圍，一般為幾百平方公里的地域空間，有些城市甚至可以涉及幾萬平方公里，地域空間信息主要由3個層次的環境信息、自然生態環境、社會經濟環境和人工建筑環境。自然生態環境信息主要涉及城市地理位置、規劃城市周邊地貌、地質、水文氣象、動植物分布、自然資源和環境；社會環境信息主要包括經濟、科技、文化、歷史、人口、道德和民族風格等因素；人工建筑環境信息包括已存在的建筑和道路、地下和地表管網基礎設施等。數據信息格式和維度多樣化，致使數據獲取的方式也是多樣化的，三維地理信息體統管理的數據是海量的，一般都達到TB量級。

1.2 問題多樣化，需多尺度無縫連接的數據支撐

地表層不僅包含自然生態環境，而且還涉及人工建筑環境，環境復雜，地理細節不易察覺。地理信息是對地表環境的近似描述，程度和多維度的尺度地理信息相關，不同程度的近似描述體現地理信息及其附屬信息抽象尺寸。城市的不同尺度（宏觀層次、微觀層次）、不同層次（全系統層面、局部層面、子系統層面和孫系統層面）、不同主題等信息之間具有多尺度多層次的聯系和交互，需要建立三維地理信息系統分析數據。

1.3 交互式動態可視化支持決策

認識和改造世界的基礎便是對空間信息的運用。圖形化的形式是空間信息的主要儲存方式。二維圖像界面抽象地展示了空間信息，需要立體化思維將抽象的信息豐富為三維模型。地理信息是實時變化的，同時變化具有多樣性，需要交互式動態可視化的界面支持城市規劃的決策。三維GIS因為具有多尺寸、多維度、動態交互、實時可視化的平臺，體現更多更豐富的地理信息，結合相關經驗，可以快速準確地做出決策，解決空間布局問題。空間信息的分析過程，往往是復雜、動態和抽象的，在數量繁多、關系復雜的空間信息面前，二維GIS的空間分析功能常具有一定的局限性，如淹沒分析、地質分析、日照分析、空間擴散分析、通視性分析等高級空間分析功能，二維GIS是無法實現的。由于三維數據本身可以降維到二維，因此三維GIS自然也能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS強大的多維度空間分析功能，不僅是GIS空間分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分體現了GIS的特點和優越性。

2 三維地理信息數據獲取技術

三維GIS研究空間對象之間的關系，要客觀、準確地描述和分析空間對象三維信息，可視化空間對象的信息。三維GIS不僅要有海量空間數據存儲和分析能力，還要具有模擬虛擬現實的三維可視化效果。三維GIS系統涉及的三維數據的收集、存儲、分析、可視化等內容。根據知覺方式將空間尺寸進行劃分，分為圖形、街景、環境和地理空間。圖形空間需建立一個觀察點進行全面感知；街景空間是在觀察點的基礎上，通過改變觀察角度進行感知或掃描；環境空間是建立在多個觀察點，通過在空間內變動，獲取多個觀察點的感知，形成知覺空間，知覺空間的拼接和疊加，形成認知空間，得到完整的空間知覺；地理空間難以通過親身觀察獲得直接的空間感知，需將地圖、三維模型等空間信息縮減為空間圖形信息，從而感知得到。

三維地理信息數據獲取技術可以按照數據源和建筑重建方法進行分類。按建筑物三維模型的重建方法主要分為3類，分別為地圖、圖像和點群；按照數據源，分為遠距離數據（衛星圖像、航空圖形、空載激光掃描等）、近距離數據（近景拍照、人工實測、近距離激光掃描）和GIS/CAD模型數據[3]。大范圍三維地理空間信息主要是通過遙感衛星和機載激光立體掃描獲取；公路、鐵路和溝渠等條帶區域數據信息主要是通過車載激光掃描和數字攝影測量獲取；建筑物高精度數據主要通過地面拍照測量和激光近距離三維掃描獲取；空間對象的側面紋理主要是通過傾斜航空攝影技術獲得。

高分辨率遙感信息分析、虛擬地理環境的建模和地理空間認知與互聯網中地理信息相結合，優先獲取地理細節在不同尺度下的地理概念、認知和表達動態現象、空間信息參照的多模式和多框架、地理實體的本體、漫游的虛擬空間、圖形圖表的顯示和推理、GIS認知的設計和實現等內容。

3 三維地理信息系統設計

城市三維地理信息是城市管理的關鍵，核心則是構件三維地理數據模型。城市三維模型是將地理自然環境和人文要素按照歸一化的坐標拼接為可視化三維模型[4]。三維空間要素、時間維度和社會經濟等信息，共同構成了空間、時間和經濟信息網絡化多維度的一體數字城市信息平臺。三維地理信息系統采用多層結合的技術體系，整體系統框架設計可分為數據獲取和處理、網絡層、數據層、服務層和應用層五個層次設計，以及一個保障機制和一個安全機制。

3.1 數據獲取和處理

采用空天一體遙感、攝影測量、激光立體掃描等技術，結合現存的地理空間信息資料，快速得到多數據源、多時態、多要素和多尺度的三維空間數據，便于建立多尺度全要素城市時態三維模型。

3.2 網絡層

系統穩定運行的基礎是網絡層，負責數據源之間、數據與程序之間、程序與程序之間通信連接。網絡層之間建立加密技術，保障各個數據之間互聯互通時數據安全，網絡層作為安全和高效的物理通道，是三維地理信息系統的數據交互和共享的基礎。

3.3 數據層

基礎數據、紋理數據、三維模型數據以及規劃專題數據等均保存在數據層，還負責對數據的更新和管理[5]。在數據庫一體化管理系統上，通過數據轉換，可以實現多尺度全市域無縫管理數據，同時可以實現某個區域、某個類型甚至某個要素的數據更新。數據層可以實現多種格式數據準確地完整輸出，并支持在聯網情況下并發訪問與可視化三維操作。

3.4 服務層

服務層是數據層和應用層之間連接的橋梁，服務層將數據層的數據提取并傳遞給應用層。服務層進行多種組合，可以服務于不同的應用層，當新的地理信息應用建立時，調取新的服務層組合，以支撐系統應用環境。服務層的建立可以有效降低3DGIS系統的建設難度，從而將開發者的經歷和時間更有效地服務于具體業務的開發應用中，大大降低了開發成本，減少了數據資源的重復建設[6]。服務層主要提供目錄、影像、數據、信息查詢和元數據等服務內容，分割開數據層和應用層，使數據層和應用層具有獨立性，便于提升系統的可擴展性。

3.5 應用層

作為系統框架的最頂層，應用層包含兩個功能：一個功能為接收用戶的請求，將用戶請求進行分解，將任務傳遞給服務層，將服務層進行組合和調用；另一個功能為反饋處理結果，將服務層具有處理結果以影像的信息返回給用戶。應用層根據行業和領域的不同，提供不同的應用系統。

3.6 保障機制

整個3DGIS系統設計過程中，需要規范化、流程化建立系統，實現系統的良性循環。系統設計時，需要標準化的各類數據、通用的接口、數據處理、管理方法和措施。

3.7 安全機制

數據存儲系統、數據處理系統、數據傳輸和交換系統等硬件和軟件系統共同構成了三維地理信息系統。整個系統涉及海量敏感的大比例尺城市數據運行，涉及的系統比較復雜，對系統安全機制具有極高的要求。安全機制包括物理安全、網絡安全和數據安全，涉及數據收集、存儲、傳輸和分析等一系列環節。

物理安全是指三維地理數據存儲和傳輸環境的安全，包括計算機軟硬件、機房設施和環境、網絡設備連接和運行等。冗余機制是保證物理安全的關鍵，包括不限于冗余數據儲存陣列、異地數據備份、雙機熱備份等。

網絡安全分為局域網安全和廣域網安全。局域網用戶具有固定和可預知性，根據用戶的不同需求授予訪問權限[7]。局域網安全主要是對用戶身份識別安全和用戶信息存儲控制安全。廣域網是采用光纖將用戶進行連接，對網絡輸出信息采用數據加密技術、防火墻技術、用戶賬號等措施保障廣域網安全。

數據安全為對數據的讀寫、存儲等操作時進行授權。根據用戶對數據操作的不同需求授予不同的操作權限。數據需要定期備份，并建立冗余機制。建立數據更改日志或記錄，保障數據操作的完整性和一致性。

4 結束語

城市規劃是一個復雜的工程，科學合理的規劃有利于提升空間利用率，留足城市未來發展空間，保障城市健康可持續發展戰略。三維地理信息系統的應用，可以推動城市規劃更合理、更科學，可以將規劃藍圖直觀地呈現在決策者和市民面前，讓城市的規劃有章可循。當前信息技術發展迅速，三維地理信息系統需適時優化技術方案，以滿足城市規劃的需求。