基于GIS 的泉州历史古城三维可视化与应用

黄耀裔

(泉州师范学院 资源与环境科学学院 福建，泉州 362000)

历史古城规划是保护工作的重要内容，是实施改造的重要依据，可以有效的指导新老城市的协调发展，增强城市含蕴[1]。随着计算机技术、空间技术、信息技术、网络技术的发展，城市信息化集成度越来越高，信息技术正从各方面渗透到城市各个领域。自从美国副总统戈尔提出“数字地球”( Digital Earth)[2]概念后，如何在“数字地球”上嵌入GIS、RS、3D 模型等多源数据进行三维可视化表达和应用成为目前的研究热点[3-7]。三维GIS 与二维GIS相比，除了具有表达平面关系外，还增加垂向关系描述，将空间地理对象以三维表达。随着4D( DEM、DOM、DLG、DRG) 产品以及虚拟仿真(VRML)[8]技术的成熟使城市三维可视化、历史古城景观复原成为可能，同时给人以更真实感受[9]。当前国内外研究出现了许多三维建模平台，如Vega、IMAGIS、EV-Globe、TITAN 3D、GEO-View 等，这些软件在场景显示、视觉仿真具有优势，不足之处是缺少三维空间分析功能，而ArcGIS 平台则可对三维数据进行高效可视化和三维空间辅助分析。本论文结合SketchUp 和ArcGIS 等相关软件技术，提出了利用GIS 数据生成三维模型，满足GIS 空间分析、属性查询等功能，同时兼顾模型和场景真实感的三维GIS 可视化技术路线，实现泉州历史古城三维可视化，同时提出结合GIS 对泉州西街改造的应用，如构建Visual Shopping Mall 等。

1 研究区概况

泉州市(24°22' ～25°56'N、117°34' ～119°05'E) 位于福建省的东南部，北承莆田市，南接厦门市，东望台湾省。地处闽东山地中段和闽东南沿海丘陵平原中段。境内山峦起伏，丘陵、河谷、盆地错落其间，地势西北高东南低。属亚热带海洋性季风气候，气候条件优越，旅游资源丰富。素有“鲤城”、“刺桐城”等别名，具有历史悠久的文化古城，宋代理学家朱熹曾经讲过泉州市是“此处古称佛国，满街都是圣人”，是中国首批24 个历史文化名城之一，中国古代海上丝绸之路的起点，并2013 年与韩国光州市、日本横滨市共同当选首届“东亚文化之都”。

2 基于GIS 的泉州历史古城三维可视化

2.1 数据资料

基于GIS 的三维可视化构建需要的数据有:泉州历史古城三维空间数据、数字高程模型( DEM)和遥感卫星影像资料( SPOT、QuickBird 等)、城市规划设计图纸及相关文档、地形图以及城市各种要素矢量数据和地物属性数据等。

2.2 技术平台

(1)MicroDEM:是由美国海军Peter Guth 编写的一款制作转换数字高程模型( DEM) 的软件，可读取GLSDEM、Srtm、ASTER GDEM 等不同格式数字高程模型，并实现不同DEM 格式互转。

(2)SketchUp 三维建模: SketchUp 作为一款三维设计软件，是一套直接面向设计方案创作过程的设计工具，在设计过程中可按照用户自己构思和想法设计。具有独特简洁的界面，易于掌握; 推拉功能速度建模;快速生成剖面，完整的材质库和组件库等等。通过SketchUpESRI 插件可实现ArcGIS 与SketchUp 交互，设置基高可以在SketchUp 里快速建立三维模型，并与GIS 完美兼容。

(3)Multipatch:MultiPatch 三维模型是ESRI 公司开发的基于地理信息系统产业化标准三维模型格式，用来表达地理空间中的三维地物，为ArcGIS软件独有的三维模型数据格式。其他格式( 如:3ds，skp，Open Flight) 必须转换成MultiPatch 格式才能与ArcGIS 兼容。

(4) GIS 三维可视化: 基OpenGL 的ArcScene是ArcGIS 展示三维场景平台，可以实现矢量与栅格数据三维交互和漫游。通过3D Analyst 扩展模块设计的三维实体在ArcScene 场景显示，可为多层三维数据图的显示观察以及表面数据生成和分析提供了可视化平台界面。

2.3 三维可视化实现流程

三维可视化的技术方案和技术路线主要根据不同的数据资料、软件平台、技术要求和应用范围等而不同。国内外诸多研究人员分别采用各种不同手段方法实现，如采用Skyline 三维GIS 技术结合SketchUp 快速三维建模[10]，采用ArcGlobe、3ds Max 实现城市三维GIS 可视化[11]，基于2DGIS 建立三维模型、基于激光、雷达技术等进行城市三维建模等[12]; 论文根据实际实现需求、资料来源、技术条件等情况选择实现手段，其实现流程如图1所示。

2.4 泉州历史古城三维可视化

(1)泉州历史古城三维GIS 的构成主要包含地形和建筑两大部分。其中地形部分对比分析了Srtm、ASTER GDEM 和GLSDEM2005 三者精度，最终采用精度最高而且可以免费获取的GLSDEM2005 作为DEM 数据来源，再据ArcScene 显示特点采用不规则三角网( Triangulated Irregular Network，简称为TIN) 作为DEM 模型。TIN 主要用于较小区域的高精度建模，它将地形表面表示为一系列连续不重叠的三角形，由于采取不规则高程采样的方式，在地形起伏大的区域增加采样密度，可高准确的表示地形表面模型。通常采用递归生长法，其基本生成步骤是: 在所有数据中取任意一点( 一般从几何中心附近开始)，查找距离此点最近的另外一点，在初始基线应用Delaunay 法则搜寻第三点，形成三角形，依次处理所有新生成的边，直至整个三角网构建完成( 见图2)[13]。为了表现影像的真实性，地面纹理影像采用遥感数据叠加，另外还可以加入了道路、树木草坪以及相关的属性信息。

利用GLSDEM2005 反演的等高线矢量图层在ArcGIS10.0 的ArcMap 中实现的具体方法，首先在工具栏添加3D Analyst 模块，加载等高线矢量图层生成TIN 不规则三角网: “Create/Modify TIN-＞Create TIN from features...，Height source 选取高程属性”，最后叠加DOM( 即为泉州市SPOT5 遥感卫星影像资料)，结果见图3(左图为DEM 模型，右图为DEM 模型叠加DOM 遥感影像图，其中DOM 可根据实际需要叠加不同分辨率的影像)。

图1 三维可视化技术路线

图2 利用等高线生成TIN 模型

图3 泉州市数字地面三维模型

(2) 三维建筑模型包括建筑物及其纹理和相关属性信息。设置基高后在SketchUp 中建立三维模型，使用SketchUpESRI 插件将处理好的三维模型输出转换为Multipatch 格式，将所选择的二维数据批量的按高程转换为.SKP 数据格式后在Sketch-Up 环境中进行精细建模、纹理映射等建模处理。经过处理后的建模数据导入ArcGIS Catalog 数据库(Geodatabase)中。在ArcGIS 的ArcScene 场景驱动进行三维显示与分析，图4为泉州市西街部分制作完成后的三维建筑模型。

图4 泉州市西街二三维模型

2.5 三维可视化应用

对于三维可视化应用，可以应用于以下几个方面:在ArcGIS 的ArcScene 三维空间场景中，可以实现放大、缩小、漫游、导航、三维飞行、坐标定位、目标放大居中、设置观察点等的浏览应用; 在三维地形的分析应用主要包括坡度、坡向、通视、距离量测、表面积量测与体积量测等; 由于古城的改造是一项不可逆的过程，一旦规划不合理，是难以复原的，以泉州市西街改造为例，泉州西街在2014 年启动东亚文化之都·泉州古城文化复兴计划，根据《泉州古城区文化遗产的保护与利用的调研报告》提升西街业态，保持西街古色古香、原汁原味的历史风貌，西街将进行主题商贸文化街区、商务旅游休闲区、高端商业及住宅区等功能区改造。因此在对历史古城的改造过程，可以通过叠加分析、缓冲分析，网络分析、属性查询分析等空间分析辅助手段，实现在未破坏古城面貌下通过计算机虚拟改造后的面貌，并且可以三维虚拟不同的方案对比分析得出最优方案，大大降低改造的风险和成本，让古城得到更好的保护，同时将GIS 技术与电子商务集成，构建逼真真实的三维购物场景如Visual Shopping Mall，并进行Web3D[14]发布，让用户在网上购物的同时体验到“逛”真实商场类似的乐趣。利用GIS 空间分析对客户行为分析中，为商务智能带来了新思路。

4 结语

借助GIS 技术和现有数据资料对泉州市历史古城的三维可视化及应用是一次新的尝试，论文提出的技术方案具有很强的实用性，技术性不会很强，容易使规划等部门掌握，同时设计的数据和软硬件不会太复杂、但同时也有一些改进地方，如为了提高三维模型的精度，可采用高精度的地形图或者航测后的DEM 代替GLSDEM2005 地形数据，并采用如1∶500 的航测影像数据代替遥感数据，可提高地面影像的精度，在三维模型的构建可借助专业三维软件提高模型的精致度，使得纹理更加细腻。

基于GIS 的三维城市可视化可以使原有城市面貌直观表达，利于历史古城的景观恢复，具有实用价值。可进一步利用三维空间分析等应用，更好地帮助有关城市规划部门对古城的保护开发和管理。

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