特大型城市三维现状场景数据库构建及三维审批应用研究

张 唯，郭容寰，冯 琰，顾星晔

（上海市测绘院，上海 200063）

特大型城市三维现状场景数据库构建及三维审批应用研究

张 唯，郭容寰，冯 琰，顾星晔

（上海市测绘院，上海 200063）

城市精细化管理对城市规划审批工作提出了更高要求，本文以上海为例研究特大型城市三维现状场景数据库构建方法和要素内容，根据特大型城市区域发展不均衡和管理需求多样化特点，提出三维现状场景精细分级标准，并将三维现状场景数据纳入基础地理数据库，实现对三维场景的生产、更新和应用的高效管理。结合上海三维审批管理应用需求，从设计条件、方案咨询、方案审理和三维竣工等四个环节明确了三维现状场景的具体应用方法，其中三维竣工成果实现了城市三维现状场景的动态更新。研究成果可为大型城市三维现状场景构建和三维审批工作的开展，以及其他相关领域的应用提供有益借鉴。

智慧城市；地图学与地理信息系统；数据库；三维现状场景；三维规划审批

随着社会经济不断发展，城市建设规模和速度日益加快，以上海为代表的特大型城市，城市建筑数量多、密度大、高层多，这给城市规划审批管理带来了严峻挑战。当前上海正在推进“智慧城市”建设，也对上海规划管理提出了更高要求[1]。传统的规划管理依据二维图纸，无法直观地表现城市三维空间形态，难以有效地对城市空间布局和景观风貌进行精确管控。如何利用新技术提高规划管理科学水平，是目前特大型城市发展亟需解决的问题。随着计算机软硬件的发展日趋成熟，将三维技术应用于规划管理工作，能为城市空间布局与管制提供强有力的技术手段[2]，能有效提高城市规划管理的决策水平。城市三维现状场景数据库的构建是开展三维规划审批工作的前提，在上海已开展的三维审批工作中，为城市重点地区的规划审批工作提供了重要依据，有助于塑造和谐、美观的城市空间形象，进一步提高城市规划管理水平。

1 城市三维现状场景

本文所提出的城市三维现状场景是通过对城市建筑、道路、树木、小品等要素以三维建模的方式表现，实现对城市现状面貌的精确还原。相比以往国内其它城市仅依靠城市三维建筑模型进行管理和审批，城市三维现状场景的要素内容更加丰富，对城市现状的表达更加精细，能更完整地表现城市现状面貌，最大限度地保证三维场景和现实场景的相似度，为城市管理的各个领域特别是规划审批管理提供数据支持。

1.1 场景数据内容

城市是人类生产生活聚集的场所，涉及众多自然人文要素。城市三维现状场景要还原城市现状，既要考虑场景逼真度和精细效果，又要考虑三维场景建模工作量和数据量。因此在构建过程中，必须对场景内容进行梳理和取舍，选取最主要的要素内容进行建模，才能在最大限度保证场景真实性的条件下，尽量减小建模工作量和三维场景的数据量。上海构建城市三维现状场景的过程中，选取了建筑物、高架桥、地面、树木和小品等五类主要要素作为场景构建的内容（表1）。

表1 城市三维现状场景要素内容Table 1 The contents of the 3d status quo scene

1.2 场景精细分级

城市三维现状场景由建筑物、高架桥、地面等要素构成，场景的构成要素越精细场景也就更逼真，但数据量也相应会更大。考虑到特大型城市面积广，城市区域发展不平衡，不同区域规划管理工作的重点侧重有所不同，因此在三维现状场景的构建过程中，需要对不同区域场景构建的精细程度有所区分。

上海城市三维现状场景构建过程中，提出了精细分级标准。根据城市区域功能定位不同，将整个城市区域划分为一般区域、商业中心、公共活动中心、交通枢纽、历史风貌区、重要滨水和风景区、市级中心和副中心等类型，

再结合不同区域规划审批管理的侧重点不同，按照精细程度由低到高依次划分为标准场景、精细场景和超精细场景三个级别，其中精细场景根据区域性质不同又分为I级和II级两类（表2）。

表2 城市三维现状场景精细分级Table 2 The classification of the 3D status quo scene

特大型城市三维现状场景的构建工作量非常大，将城市按区域不同按需建立相应级别的场景，能最大限度地缩短场景构建和更新周期，降低场景构建成本，满足不同层次的管理和应用需求。如果特定区域的管理需求有所变化需要提升相应场景的精细级别时，可根据相应的标准对三维现状场景中的一个或几种元素进行精细化加工处理，就可快速地提升场景精细级别满足管理应用需求。上海地区构建标准、精细和超精细的不同级别场景如图1所示。

图1 上海城市三维现状标准、精细和超精细场景Fig.1 The standard, fine and super fine 3D scenes of shanghai

1.3 三维现状场景构建

城市三维现状场景包含多种要素，每类要素建模方法有所不同，同类要素因数据源不同采用的建模方法也有所区别[3]。因此城市三维现状场景的构建必须采用多种方法的融合，通过不同要素的建模和整合，最终形成一个无缝衔接的完整场景。上海城市三维现状场景构建时，根据区域重要性和数据源不同，对精细程度不同的模型采用了不同的建模方法[4]。重点区域超精细场景（如陆家嘴）构建时，建筑物建模采用了精度达厘米级的机载激光扫描（LIDAR）方法，地面和小品则采用全建模方式表现，树木采用精细的多面片的三维树；其它区域的精细场景和标准场景，建筑物的制作主要采取了航空摄影测量方法，其精度稍低但数据处理较简单、建模效率高，地面采用数字高程模型（DEM）叠合航空影像的方式进行表现，树木采用了以十字面片树为主，结合部分多片面三维树的表现方式。上海城市三维现状场景的构建方法如图2所示。

2 三维现状场景数据库构建

2.1 三维现状场景数据库建设

特大型城市的城市三维现状场景由于覆盖范围广、数据量极大，且场景分为不同精细等级，传统的基于文件管理方式已不能满足要求，特别在场景更新时表现得更为突出[5]。为实现城市三维现状场景数据的有效管理，借鉴二维基础地理信息数据的管理方式，在国内首次将城市三维场景纳入到基础地理数据库，采用大型关系数据库Oracle存储三维模型数据，基于ArcGIS平台管理，通过ArcSDE实现对数据的访问和操作[6]。数据库中通过模型表、纹理表、场景信息表、图幅信息表等，将城市三维现状场景中的每个“部件”都作为单独对象，通过空间位置对整个场景的所有要素进行统一管理。场景中的模型经格式转换，转换为MultiPatch数据类型，通过空间数据引擎ArcSDE实现对Oracle的增加、删除和更新操作，达到对三维数据管理和维护的目的。三维现状场景数据库的框架如图3所示。

图2 三维现状场景构建方法Fig.2 The construction methods of the 3D status quo scene

图3 三维现状场景数据库框架Fig.3 The framework of the 3D status quo scene database

2.2 数据库管理系统建设

三维现状场景数据量大且类型复杂，不便于日常管理和更新维护。针对上海城市三维现状场景的日常生产、更新和应用的需求，研究了相应的数据库管理系统对三维模型和属性数据进行统一管理[7]，包含数据加载、浏览、检查统计、查询和交换等模块（图4）。利用该管理系统，可以实现场景数据的入库、提取和浏览等操作，还可对数据进行查询、检查和统计，并可对数据库中的指定对象进行

更新，在实际工作中满足了上海城市三维现状场景的生产和管理应用需求。

图4 三维现状场景数据库管理系统Fig.4 The database management system of the 3D status quo scene

3 城市三维现状场景的三维审批应用

上海自2013年3月1日起对重点地区的公共设施建设工程，在全国率先启动建设工程设计方案三维审批规划管理试点工作。针对试点工作的需求，本文研究解决了三维现状场景应用存在的难点，实现了大范围三维现状场景网络共享；设计了三维现状场景的具体应用环节和方法，使审批人员在项目行政审批管理过程中，按需调用三维现状场景和插入规划方案，实现城市三维空间的规划管理[8～11]。

3.1 三维现状场景共享

上海已建成的地理信息公共服务平台，利用现代信息服务技术，对各种分布式的、异构的地理信息资源进行组织与管理，在多重网络环境下实现各种地理信息资源的整合与共享，为政府、企事业单位和公众提供信息浏览、查询检索、信息加载、系统搭建等地理信息综合服务[12]。将城市三维现状场景通过地理信息公共服务平台进行服务共享，通过政务网，上海市区两级规划管理部门都可根据管理权限浏览到相应审批区域的城市三维现状场景。

同时依托地理信息公共服务平台的相关三维浏览、量测和分析服务，与规划审批办公业务系统相结合，审批人员可在“一书两证”系统中调取三维场景，插入待审批方案，查看待审批项目与周边建筑在体量、高度等方面的相互关系是否协调，还可在三维场景中实时量测方案的各项指标，分析项目方案对相邻居住环境所产生的影响。

3.2 应用环节设计

依据《行政许可法》、《城乡规划条例》等法律法规要求，本文还对三维技术手段应用于规划审批的具体环节进行了研究。通过分析从项目准备报建到项目竣工的整个审批流程，明确各个不同阶段的应用需求，设计了各环节中三维技术具体应用方法，确立了在设计条件、方案咨询、方案审理和竣工验收四个环节，利用三维场景和技术手段辅助规划审批管理工作[13]。各环节与现状三维场景数据库的交互关系如图5所示。

（1）设计条件环节

审批人员根据试点工作的文件要求，确定建设项目需要进行三维审批并告知行政相对人，行政相对人按需要可通过网络获取项目周边的城市三维现状场景，辅助项目方案设计，在项目方案设计阶段就充分考虑方案与周边场景的协调性。

（2）方案咨询环节

需要咨询专家意见的项目方案，在方案咨询过程中将设计方案插入城市三维现状场景中直观呈现方案建成后成果，还可对多套方案进行比选，为相关专家出具书面咨询意见提供依据。

（3）方案审理环节

项目方案报建后审理人员在“一书两证”系统中调取浏览三维现状场景，并“植入”报建方案，同时利用查询、量测和分析工具，对方案的景观效果和各项指标进行审理，根据方案的实际情况出具审批意见。

（4）竣工验收环节

项目建成后城市三维现状发生了变更，在竣工验收环节进行三维竣工验收，建立项目方案验收的三维模型电子资料并归档，可以更新三维现状场景数据库。在三维审批应用的过程中，本文还研究了三维竣工的电子模型建模的相关标准，实现了城市三维现状的动态更新，保证了城市三维现状数据库的现势性。

图5 城市现状场景在三维审批的应用环节Fig.5 The application procedures of the 3D status quo scene in Shanghai 3D planning trial

以城市三维现状场景数据库的建设为基础，上海自2013年起开展三维规划审批试点工作，先后在上海历史文化风貌保护区、虹桥商务区和国际旅游度假区、佘山和淀山湖等自然风貌保护区等地区的规划审批管理中，为控制城市空间布局、协调城市风貌景观发挥积极作用。其中黄浦区179地块改造项目位于外滩历史风貌保护区，适用于电子报建三维审批管理范围。项目设计阶段，设计人员根据周边三维现状场景指导设计工作的开展，设计了两套指标都符合规划要求，但风格差异较明显的方案。在项目咨询和审理阶段，审批人员和各方专家在三维场景中利用空间量测、定点观察、视线分析、日照分析、多屏方案比对等技术手段[14]，多角度、全方位地分析了不同方案对外滩历史风貌保护区周边历史风貌景观所产生的影响，最终选择了风格与周边风格协调一致的方案。方案的双屏对比效果

如图6所示。

图6 黄浦区179地块规划方案双屏比对Fig.6 The double screen camparison of the 179 block in Huangpu district

4 结论和展望

直观的三维场景、有效的三维技术手段能提高城市管理特别是城市规划管理的科学化水平。本文针对特大型城市三维现状场景构建范围广、数据量大和不易管理的特点，对城市三维现状场景的内容要素进行了梳理，确立了以建筑物、地面等五类主要模型为场景的内容；结合特大型城市区域发展不均衡、不同区域管理需求多样化的特点，提出了城市三维现状场景的分级标准，将特大型城市三维现状场景划分为标准、精细和超精细级别；根据特大型城市三维现状场景应用需求，首次在国内将城市三维现状场景纳入到基础地理数据库，利用数据库对场景进行高效管理，并开发了相应数据库管理系统实现场景数据库的提取、导入、应用和更新，构建起了能应用于实际规划管理审批工作的三维现状场景数据库。

同时，结合上海三维审批工作推进的需求，本文利用上海已建设的地理信息公共服务云平台对三维场景进行服务共享，并系统研究了三维现状场景应用于审理管理的流程环节和应用方法，从设计条件、方案咨询、方案审理和三维竣工等四个环节，明确了三维现状场景如何具体服务于规划审批工作，所研究的三维竣工的方法，能实现城市三维现状场景的动态更新，保证三维现状场景数据库的现势性。本文所研究的相关成果，在上海已推行的建设方案电子报建三维审批工作中，得到了实际的应用。

逼真的城市三维现状场景能应用于城市管理的方方面面，随着应用的进一步扩展，城市三维现状场景要素内容、分级标准以及数据库管理方法上需要根据其它领域的管理需求相结合，标准需要进行一定的补充和细化，同时城市三维现状场景的更新维护机制和方法也有待进一步的丰富和完善。

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Development of databases for three-dimensional status-quo scenes in massive cities

ZHANG Wei, GUO Rong-Huan, FENG Yan, GU Xing-Ye
(Shanghai Surveying and Mapping Institute, Shanghai 200063, China)

Increased management of large urban centers has created a higher demand for city planning. Using Shanghai as an example, this paper studies database construction for three-dimensional (3D) status quo scenes in massive cities. The contents and production methods for 3D status quo scenes are described, and 3D scene classification standards are systematically proposed. In order to manage and apply 3D scene data, database technology was used to incorporate 3D status quo scenes into a basic geographic database. Taking Shanghai 3D planning approval requirements into account, the application can produce design conditions, program advice and trials, and 3D acceptance surveys. Further, the 3D acceptance survey method can update the 3D status quo scene dynamically. Research in this paper has been used in a Shanghai 3D planning trial that began on March 1, 2013, and thus can provide useful insight into building 3D status quo scenes in other large cities.

wisdom city; cartography and GIS; database; three-dimensional status-quo scene; three-dimensional planning management

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.015

F208

A

2095-1329(2015)02-0066-05

2014-11-21

2015-01-20

张唯(1985-),男,硕士,工程师,主要从事城市三维地理信息研究与应用.

电子邮箱: zhangweiwd2003@163.com

联系电话: 021-62549550×8143

国家测绘地理信息局现代工程测量重点实验室开放基金课题(TJES1309)