三维城市规划管理审批系统的研究与应用

周晓波，王军，周伟

(徐州市勘察测绘研究院，江苏 徐州　221000)



三维城市规划管理审批系统的研究与应用

周晓波*，王军，周伟

(徐州市勘察测绘研究院，江苏 徐州221000)

摘要：近年来，智慧城市的建设快速发展，城市规划作为引领城市建设的蓝图和依据，对城市的发展起着重要的指导作用。传统的二维设计图和效果图缺乏立体感和直观性，制约了规划审批技术的革新，三维建模技术已成为解决该问题的研究热点。通过“徐州市三维城市规划管理审批系统”的建设，阐述了系统的总体设计和关键技术研究，并探讨了该系统的推广应用。

关键词：城市规划；三维；辅助决策

1引言

随着城市的快速发展，传统的城市规划手段已经不能满足设计者和决策者的需要，三维GIS作为城市信息化的一个重要组成部分，通过构建直观、真实感强的虚拟环境给人们带来更为全面的位置信息，从而实现城市规划管理模式从二维到三维的转变，为规划决策和城市管理提供更为直观与科学的依据。因此，需要将三维的GIS引入到规划行业中。

本文以建设“徐州市三维城市规划管理审批系统”为例，在徐州市三维基础地理信息系统平台的基础上，开发了徐州市三维规划审批系统，从而为规划审批提供全新的技术方法，服务于城市的高效快速发展。

2三维城市规划管理审批系统总体设计

2.1系统平台总体架构设计

系统在技术上坚持数据、管理、服务与应用相分离的原则，采用SOA架构、B/S模式，建立高效的数据响应机制，实现数据的管理、存储、交换以及与其他业务应用系统的集成[1]。系统总体架构如图1所示。

图1系统总体技术架构图

系统总体设计架构分为5层：工具层、服务器与数据基础层、基础服务层、业务逻辑层和三维表现层。

(1)工具层

工具层提供地形影像处理工具、高精度地形生成工具、模型数据处理工具、矢量数据处理工具等系统工具，实现三维模型数据的精确表现，保证数据的真实美观，方便三维数据的展示、查询及检索。

(2)服务器与数据基础层

服务器与数据基础层为系统提供基本的数据服务，将元数据、2D GIS数据、3D GIS数据、搜索数据、分析数据、地址数据、业务数据等多源数据进行预先自动化建模、编译处理，然后再发布为系统可显示、搜索和分析的数据，采用数据建库技术、四叉树技术、瓦片金字塔技术等进行性能优化。

(3)基础服务层

基础服务层将基础层中获取到的数据进行处理及存储，该层是整个平台的核心，是连接底层数据与上层应用之间的桥梁；同时该层可以为三维表现层提供服务支撑，包括公共访问服务、2D GIS服务、3D GIS服务、业务应用服务等，实现三维场景的高效浏览及展示。

(4)业务逻辑层

业务逻辑层主要进行业务处理，包括业务规则的制定、业务流程的实现等，能调用数据层接口完成数据的融合和分析处理。同时，此层还提供组织机构、LDAP数据等方面的实现，可以快速地进行移植和增强性能。该层是一种弱耦合结构，有利于功能的完善并可以迅速地根据业务变化进行调整。

(5)三维表示层

三维表示层为最终用户提供数据和信息的正确语法表示变换方法，采用Silverlight技术、AJAX技术提供优秀的用户体验，提供三维数据服务接口，支撑各种行业应用，如交通管理、地下管线、城市规划、国土资源、电力能源等。通过Web浏览器以二、三维联动的展现方式来访问各种数据，进行查询、统计、分析等工作。

2.2软件体系框架设计

徐州市三维审批系统的软件体系框架包括Web服务端、运维管理子系统、编辑子系统、数据处理工具集。

(1)WEB服务端

WEB服务端基于面向服务的开发和架构，采用Linux服务器，支持数据、服务的分布式部署和负载均衡(LVS或F5)。客户端无并发访问和授权数量限制，服务端支持网络授权模式。服务端支撑的系统功能主要有数据显示功能、数据权限控制功能、三维分析功能、空间搜索功能，数据的实时更新与发布功能以及对矢量点、线、面数据的进行相关查询的功能[2]。

本系统所有服务基于Linux系统进行开发，客户端基于Windows系统开发，主要有以下三方面原因：

①本项目数据有大量的100 K左右的小文件，Linux文件系统对小文件的管理做得比较好，对小文件的读、写及索引速度等综合效率明显高于Windows文件系统；

②Linux内核的源代码是以标准规范的32位(在64位CPU上是64位)的计算机来做的最佳化设计，比Windows更加稳定；

③Linux提供了相对于Windows更好的安全性能，对文件和系统的操作权限管理较为严格，不容易受到攻击。

(2)运维管理子系统

运维管理子系统包括服务管理、数据管理和用户管理三个大的组成部分。其中，服务管理可实现三维平台的服务配置、IP管理、数据库信息管理等功能。数据管理可对基础工具集处理完成的数据进行分类管理、数据配置以及动态物体设置等功能，实现系统中数据的添加、删除、修改、配置等功能[3]。用户管理包括数据权限管理、功能权限管理及用户管理三个部分，通过设定不同用户的数据和服务访问权限，控制数据的浏览和系统功能的实现。

(3)编辑子系统

编辑更新子系统采用C#进行编程，通过挂接Oracle数据库，可将三维模型的mesh、纹理和属性分别进行存储，并进行高效的展示，从而使用户在三维环境中进行三维模型的单体化更新，并可实现建筑纹理、属性的实时更新，为实际后期运维管理提供系统支持。

(4)数据处理工具集

在Web上实现基础地理实体模型的三维表达和大面积海量数据的快速显示与分析，是本系统研制的两个重点问题。本项目在传统三维模型数据可视化技术基础上进行了流程和算法优化，对所获取的不同来源的各种数据需要预先进行自动化建模、编译处理，然后再发布为系统可显示、搜索和分析的数据，因此伴随系统就衍生了三个数据建模、编译与发布的工具包成果，它们分别是：基础数据编译与发布工具包、模型数据批量发布与编译工具包和管线数据编辑工具包。

3三维城市规划管理审批系统关键技术研究

3.1二、三维一体化技术

本系统基于先进的内核技术，将二三维数据统一到一个球面空间中，真正实现了二三维数据的有机结合[4]。三维管线模型数据是由二维管线数据自动化生成的，两者使用的是一套统一存储和管理的数据，实现了数据存储和管理一体化、查询和分析一体化。

3.2基于SOA架构

SOA(Service-Oriented Architecture，面向服务架构)是一种粗粒度、松耦合服务架构模型，服务之间通过简单、精确定义接口进行通讯，不涉及底层编程接口和通讯模型，其基础是Web Service技术[5]。Web服务应用可以穿越企业防火墙，很好地适应基于Internet计算要求的松散性，实现互联网环境下的分布式应用。

本系统根据系统服务对象对数据、业务功能的需求封装了不同层次、不同颗粒的Web服务接口，包括：三维数据服务：提供DEM、DOM、Model、Billbord等数据服务；本地搜索(LBS)服务：提供对POI、建筑物等搜索服务；3D分析服务：断面分析、连通性分析、水淹分析等服务；气泡服务：标记等服务；人机交互服务：单点登录、人员角色、工程项目信息等服务；精细场景服务：街景漫游等服务。

3.3系统快速响应技术

目前相关的三维基础地理信息系统平台，面临的问题有装载的三维场景不够大，系统响应速度不够快。在徐州市三维基础地理信息系统的建设过程中，采用Linux系统服务器，将DEM、DOM、三维模型3ds Max数据等标准格式的三维数据，通过编译发布工具转换成系统特有的数据格式，主要是海量的小文件数据，从而提高服务器的响应速度。对于徐州市约 170 km2的三维数据加载速度能达到28帧每秒。此外，采用基于四叉树结构的多分辨率LOD技术，在远视角大场景的情况下，加载低分辨的图像信息；在近视角小场景的情况下，加载高分辨率的图像信息，动态调节相关物体的面数及细节程度，从而实现数据的快速加载，提高系统的响应速度。

3.4基于数字摄影测量的快速三维建模工艺

系统中三维数据的生产是基于数字摄影测量技术，基于合格的空三成果进行立体测图，同时采集DEM和建筑物的特征点线数据，在此基础上分别生产DOM、TDOM和三维建筑模型，三维建筑模型顶部的纹理从航空影像上直接提取，侧面纹理需要通过实地拍照的方式获取，并在3ds Max中进行编辑、贴图、烘焙，最终形成与现实场景完全一致的三维模型。本系统分类设计了三维模型制作标准，不同类型的模型采用不同的技术方法建立，按重要性分两级场景：精细场景(如图2所示)、标准场景(如图3所示)[6]。此外，城市主干道、次干道等重要市政道路的路面均采用人工修饰和精度查值，道路景观带、行道树、道路交通指示牌、路中间隔离带等均进行三维全现(如图4所示)。

4三维城市规划管理审批系统推广应用研究

徐州市三维城市规划管理审批系统建成之后积极进行研究应用推广，主要表现在以下几个方面：

4.1为各行各业提供先进的技术手段和三维信息共享服务

系统为各行各业提供三维立体的基础地理信息数据，为广大人民群众提供美观、便捷的城市三维展示引导服务，为城市应急指挥和抢险的政府部门提供准确、直观和现势的地理空间分析结果。建立三维基础地理信息系统平台，可实现三维数据的统一更新维护和资源共享，避免各单位各自为政，重复投资，形成信息孤岛，从而降低城市空间数据的更新成本。

4.2城市规划三维辅助决策

规划管理部门只有准确掌握规划方案与周边现状地物的相互关系，才可以正确合理地进行城市规划，并作为施工方建设成果的检验标准。近年来我国房地产市场发展迅速，但是方案设计与建设结果不一致的情况屡屡发生，通过城市规划三维信息化及管理制度建设，采用三维报建和三维竣工的管理方式，既可为城市建设施工提供准确、完整的周边现状信息，减少规划失误，又可直观审查建设成果，保证消费者利益[7]。在实际应用过程中，徐州市中心规划建设超高层项目，该项目位于核心商业区，周边有多栋超高层建筑同期在建，在规划方案评审过程中对三个申报的规划设计方案采用三维现实场景模拟、指标分析、双屏对比、空间距离量测、天际线分析等技术方法，对该项目建筑体量、建筑风格与彭城广场周边建筑的协调性进行分析，选定了最合适的设计方案，如图5所示。

图5三维城市规划管理审批系统多方案比选

4.3有力保障城市地下空间的合理开发利用

城市地下管线是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”，该系统基于二维管线普查数据实现三维可视化管理，满足地下管线的三维规划设计、方案审批[8]。在地下管线的规划设计过程中，能够合理进行地下管线的选线设计与施工，在该系统中还可以加载设计管线的规划模型，在快速浏览设计管线基本情况的同时，直观地查看与地上、地面、地下的空间关系，为管线迁建和移建提供依据，如图6所示。

图6三维城市规划管理审批系统地下管线

4.4为“智慧城市”建设奠定坚实的技术和数据基础

徐州市三维规划管理审批系统的建成，使城市建设决策者直观全面地感知城市的现状，并提供精确的三维地理位置信息，为提高规划管理的效率提供了科学的决策依据和全新的可视化平台，为“智慧城市”的建设提供了数据基础，提升了共享水平。

5结语

从可持续发展的角度，三维城市规划管理审批系统能够随着城市建设的进行而实现三维模型数据的同步更新，使最新的规划内容能够及时反映在虚拟化的环境中[9]。系统的建成，可实现对城市地物地貌的可视化管理，辅助城市规划，有利于对城市资源分布情况进行全面的了解，实现城市资源的合理配置、充分利用，有利于提高重大决策的科学性，对实现城市的可持续发展有重要的意义。

参考文献

[1]张辉，裴莲莲，郑国江. 三维辅助决策平台功能设计及数据建设研究[J]. 北京测绘.2014(3)：39～42.

[2]李晓明. 顾及语义拓扑的大规模三维空间数据高效管理方法[D]. 武汉：武汉大学，2011.

[3]张春敏，刘全海. 城市规划三维辅助审批系统的关键技术及应用——以常州市为例[J]. 城市规划，2011，35(7)：93～96.

[4]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.

[5]王军，周伟，田鹏等. 城市三维基础地理信息系统在城市规划中的应用[J]. 工程勘察，2010，38(11)：56～61.

[6]宁振伟，朱庆，夏玉平. 数字城市三维建模技术与实践[M]. 北京：测绘出版社，2013.

[7]马琳，陈大勇. 地理信息系统在城市规划管理中的应用[J]. 测绘与空间地理信息，2015，38(3)：133～134.

[8]Cao Zhenyu，Zhu Jun，Gan Rongcheng. Application of web 3D GIS for dam-break flood medeling[C]. 2012 1st International Conference on Agro-Geoinformatics. IEEE，2012：592～596.

[9]Qian Zhu，Xia Li，Di Cao. GIS-based 3D Modeling and Visualization in Luohe Basin[C]. 2013 International Conference on Information Technology and Applications.lEEE，2013：328～332.

Research and Application of Three Dimensional Urban Planning Management and Approval System

Zhou Xiaobo，Wang Jun，Zhou Wei

(Xuzhou Surveying and Mapping Research Institute，Xuzhou 221000，China)

Key words：urban planning；three-dimensional；decision support

Abstract：In recent years，the rapid development of smart city construction，urban planning as a guide to the blueprint and basis of urban construction，the development of the city plays an important guiding role. Traditional two-dimensional design and effect diagram lack of stereo and intuitive，which restricts the innovation of planning and approval technology，and the three-dimensional modeling technology has become a hot research topic. Through the construction of “Xuzhou city planning management approval system”，this paper expounds the system’s overall design and key technology research，and discusses the application of the system.

文章编号：1672-8262(2016)03-50-05

中图分类号：P208.2

文献标识码：A

*收稿日期：2016—03—15

作者简介：周晓波(1989—)，男，硕士，助理工程师，主要从事数字摄影测绘和三维城市建设相关工作。