面向城市规划的三维GIS设计与实现

李 扬，刘增良，杨 军

(北京市测绘设计研究院，北京100038)

面向城市规划的三维GIS设计与实现

李 扬，刘增良，杨 军

(北京市测绘设计研究院，北京100038)

以三维辅助规划管理系统建设为例，从数据建设和系统建设两个层面，对如何运用虚拟现实、GIS和计算机网络等技术，建设面向城市规划的GIS进行探讨。

三维;城市规划;GIS

一、引 言

地理信息技术是一种能把现实世界中对象的空间位置和相关属性有机地结合起来的技术，借助其特有的空间分析功能和可视化表达，不仅可满足用户对空间信息管理的要求，而且可辅助各种决策。地理信息技术应用于我国城市规划，始于20世纪80年代中期。目前，地理信息技术已应用到城市规划的各个方面，从空间战略研究、总体规划、控制性详细规划、城市规划设计、各种专项规划的编制和研究到建设项目的审批中地理信息技术都发挥着重要作用。但城市规划的主要研究内容和对象为各城市要素形成的多维城市空间，现实的多维环境很难从二维形态中准确表达出来，二维工具也难以满足多维形态下的空间分析和决策需求［1］。虚拟现实是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，它利用计算机技术生成一个逼真的、具有视、听、触等多种感知的三维虚拟环境，用户通过使用各种交互设备，同虚拟环境中的实体相互作用，使之产生身临其境感觉的交互式视景仿真和信息交流，是一种先进的数字化人机接口技术［2］。利用三维GIS技术辅助城市规划已成为行业发展的新的趋势［3］。

本文将以三维辅助规划管理系统建设为例，对面向城市规划的三维地理信息系统设计与实现方法进行探讨。

二、数据建设

1.数据分类

面向城市规划的三维GIS涉及的数据包括:三维模型、基础地理信息数据和规划信息。

2.三维模型建设

城市规划是一个以土地空间使用为主要表征的多信息处理复合过程［4］。用于城市规划的三维建模，其内容既要真实反映城市全貌，又要求较高的平面和高程精度。目前，进行可量测三维建模制作的方法多种多样，如基于倾斜摄影测量技术进行三维建模、基于三维激光扫描数据进行三维建模、基于地形图进行三维建模。并且我国测绘行业也没有行业标准对模型的生产、分类进行规范。

本课题选用基于测绘基础资料进行三维建模，并对相关的生产工艺进行研究，形成一套较为完整的工艺流程，并选取了约30 km2的区域作为试点进行试验，以验证工艺的可行性。

基于测绘基础资料制作三维模型，首先需要准备基础资料，包括地形图、DEM;其次，资料收集整理齐全后，进行三维数据资料采集，即外业现场采集地物纹理照片、通过航测手段基于立体像对获取建筑物主体顶部高程数据、基于1∶500比例尺地形图制作1 m格网DEM，对大范围更新区域进行地形图修测;最后，建模人员基于以上数据资料开展三维模型制作。制作过程包括使用Photoshop软件进行纹理的处理，使用3ds Max软件进行模型制作、模型整合，利用三维平台进行场景整合等步骤。具体工艺流程如图1所示。

3.基础地理信息数据

基础地理信息数据主要包括地形图数据、DLG数据、DOM数据、DEM数据，以及政务版电子地图数据、地址地名数据等。

图1 工艺流程图

4.规划信息

规划信息基本可以分为4类:规划专题数据、规划审批数据、社会经济统计数据和文档资料。如图2所示。

图2 规划专题数据列表

三、系统建设

1.系统设计

在总结二维GIS应用成果的基础上，三维辅助规划管理系统拟运用虚拟现实、地理信息和计算机网络等技术，拓展面向城市规划的三维GIS应用，为规划部门提供一个在三维虚拟城市中进行城乡规划研究、规划编制及项目管理的环境，为规划精细化管理和科学决策提供有力的技术支撑。系统架构如图3所示。

(1)数据层

数据层包括基础地理数据、专题数据、三维模型。基础地理数据和专题数据的存储方式与传统的二维GIS系统类似。对于三维模型，目前大多数三维系统均采用文件的方式管理三维模型。本课题采用数据库的方式对三维模型进行管理。将三维模型以二进制文件的方式存入MySQL数据库，并建立相应的索引以提高系统运行的效率。为海量三维模型的无缝浏览提供技术支撑。

图3 系统架构图

(2)管理层

管理层包括地形管理工具、场景管理工具、专题数据管理工具、POI管理工具、用户权限管理工具和日志管理工具。

(3)功能层

系统在总结了二维系统优势的基础上，结合三维的特点，设计了相应的功能，如三维浏览、快速导航、点选查询等。

(4)应用层

基于功能层提供的基本功能，三维辅助规划管理系统可以在城市规划各个阶段和各个层面得到广泛的应用。如可作为决策部门向领导汇报的一种全新模式;可作为规划方案评估的一种有效途径;可作为基础设施布局分析的一种全新手段。

2.功能设计

(1)功能概述

三维辅助规划管理系统的基本功能包括三维浏览、图层管理、信息查询、方案调整与方案管理、空间分析、辅助汇报、后台管理7大部分。

(2)三维浏览

系统具备城市级场景快速展示的能力，用户不仅可随心所欲地从任意角度观看三维场景，而且可以通过动画导航、特定场景、导航图等多种方式进行快速定位和浏览。

(3)图层管理

按照上述介绍的数据分类，在图层管理中设计了3个根目录，依次命名为三维模型、基础地理信息数据和规划信息。每个根目录下包含各类数据的子目录，用户可根据实际需要控制各图层的显示或隐藏。

(4)信息查询

在信息查询中，三维辅助规划管理系统不仅可以查询二维GIS数据的属性信息，而且可通过点选某模型，查询该模型对应的属性信息。例如建筑物的“两证一书”的数据，建筑物所在地块的控规情况等。

(5)方案管理

针对规划设计中利用规划效果图查看规划方案只能从固定角度查看，具有一定的局限性的问题，本系统设计了方案管理功能。利用该功能，用户可通过多屏对比的方式从不同角度、不同方位来观察各个规划设计方案，比较不同方案对城市景观，对周围建筑的影响，以直观的方式评估各个方案的优缺点。若用户对某方案的体量和位置不满意，还可利用该功能对规划模型的体量和位置进行调整。

(6)空间分析

结合三维的特色，系统开发了三维特有的分析功能，如空间量测、通视分析、视域分析、日照分析等。图4和图5分别为日照分析和可视域分析的示意图。

图4 日照分析

图5 可视域分析

(7)辅助汇报

辅助汇报功能主要用于辅助规划部门向上级领导汇报演示，该功能支持在三维平台中打开PPT，并添加特定场景超链接信息。用户可通过点击PPT中的超级链接快速定位到三维场景，并实现PPT和三维场景的无缝切换。

(8)后台管理

后台管理功能用于对用户、权限和各类数据的管理。

四、应用与展望

该系统采用边建设边应用的方式，虽然目前该系统尚未正式上线，但已在政府决策中发挥了重要的作用，得到了各级领导的认可。在以后的建设过程中，将进一步深入挖掘用户的需求，进一步完善系统，增强系统的二维分析功能，最终实现用户从二维系统向三维系统的无缝过渡。

［1］ 陈晓勇，丁松庆.三维虚拟现实系统在城市规划中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2006，29(5):94-96.

［2］ 罗海钦.虚拟现实系统在柳州市城市规划管理中的应用［J］.测绘与空间地理信息，2010，33(1):127-130.

［3］ 王海鹰，张新长，康停军.面向城市规划的虚拟景观建设方法的探讨与应用［J］.测绘通报，2011(3):29-33.

［4］ 李扬，贾光军，刘增良，等.基于Virtools平台的辅助规划审批系统的设计与开发［J］.测绘通报，2011(1): 52-55.

［5］ 李永泉，韩文泉，黄志州.数字城市三维建模方法比较分析［J］.现代测绘，2010，33(2):33-35.

Design and Realization of the 3D GIS for Urban Planning

LI Yang，LIU Zengliang，YANG Jun

0494-0911(2012)06-0074-03

P208

B

2011-07-27

北京市科技计划资助课题(Z090006016709003)

李 扬(1983—)，女，湖北武汉人，硕士，主要研究方向为GIS与虚拟现实技术。