3DGIS三维城市规划辅助决策支持系统子模块的设计与实现

卢岚，刘牛，刘兴权（.长沙环境保护职业技术学院，长沙　40004；.长沙市规划信息服务中心，长沙　40000；.中南大学地学与环境工程学院，长沙　4008）

3DGIS三维城市规划辅助决策支持系统子模块的设计与实现

卢岚1，刘牛2，刘兴权3
（1.长沙环境保护职业技术学院，长沙410004；2.长沙市规划信息服务中心，长沙410000；3.中南大学地学与环境工程学院，长沙410083）

0　引言

城市规划三维信息系统能规避平面规划的缺陷。它可以通过调整建筑单体的纹理、位置、形体、高度，输出规划效果图，甚至是多媒体的动画展现。决策者能在三维场景中，发现许多不易察觉的设计缺陷，将减少由于事先规划不周全而造成的无法挽回的损失与遗憾。因此它在城市规划中起着非常重要的作用。本系统是将地理信息系统、遥感、虚拟现实等技术综合应用于城市规划辅助决策的原型系统。系统以长沙市区为重点示范区，根据城市规划管理的业务流程，结合数字城市的建设要点、建立基于虚拟城市环境的城市规划辅助信息平台。系统子模块有项目管理模块 、二维地图管理模块、界面与视图控制功能模块、三维场景制作与管理模块、场景漫游模块、三维空间查询、统计与量测模块设计、辅助规划分析与评审模块和规划成果输出模块。由于篇幅有限，本文只介绍三维场景制作与管理模块、辅助规划分析与评审模块和规划成果输出模块的设计与实现。

1　三维场景制作与管理模块

该模块有为用户提供地形生成、数字正射影像图叠加、精细模型的导入、基于二维图层的模型快速生成、草模建立、纹理与材质管理、模型库创建与管理、场景标注等功能。

1.1三维地形生成

用户可以选择场景区域范围构建该区域的三维场景。

图1　三维地形创建流程

1.2三维地物模型的导入

用户指定导入的三维地物模型文件，同时设定导入的空间位置，便可将模型导入到地形场景中。

1.3快速建模

快速建模有两种实现方案，一是基于建筑物轮廓的数字线划图的高度拉伸，一是在场景中自定义立方体。前者适合大规模的粗模建立，后者适合局部区域的建模调整。

图2　快速建模的流程图

图3　从导入的矢量面数据生成三维楼块示意图

1.4模型自动接地

模型自动接地，根据模型中心位置的平面坐标，获得模型中心的目标高程位置。然后利用平移操作将模型接地。

图4　模型自动接地示意图

1.5场景特效

1）雾化效果：可以在地形引擎里实现，利用OSG自带的雾化效果实现；2）雨效：利用OSG自带的雨效实现；3）视域裁剪：漫游时实现。

1.6三维模型选择

三维场景中实现模型选择的方式主要有三种：1）点选；2）框选；3）任意多边形选择。对选择的结果可以进行如下处理：1）建立选集；2）合并选集；3）交叉选集；4）减除选取。

1.7模型编辑

1）模型删除：模型删除是从当前场景中，删除模型节点。可以在方案目录下删除，也可以通过选择集删除。两者都是通过删除场景中对应的建筑物节点来实现。2）模型移动、模型旋转、模型缩放：这三项均可通过对模型的矩阵变化实现。对于模型移动可以设置移动的坐标值；模型旋转只限定在绕铅垂线的旋转，需要设置旋转方向和角度。

2　辅助规划分析与评审模块

此模块主要实现与规划设计相关的规划分析和方案比较。规划分析包括指标分析、日照分析和可视性分析、叠加分析，方案评审是基于规划分析开展的，在规划分析的基础上可以进行不同方案的对比。

2.1功能与实现流程

（1）指标分析

根据业务所需，可以动态计算指定区域的经济指标。在场景中绘制计算范围，对范围内的处于显示状态的现状建筑和方案建筑，自动提取建筑的属性数据，依据国家规范的计算公式，自动计算经济指标：计算范围面积、总基底面积、总建筑面积、容积率、建筑密度。

图5　指标分析参考示意图

图6　指标分析实现流程图

（2）日照分析

系统支持完善的日照分析功能，包括复杂的遮蔽与阴影分析和日照时间计算等内容。日照分析既能定量和定性地处理一个建筑物自身的日照阴影变化情况以及对其他建筑物的日照遮挡情况，还能准确计算日照时间和日照间距，定量分析窗户等建筑物重要部位的日照情况。典型的日照分析包括以下几个方面：阴影分析、单点日照时间、多点日照时间、平均日照时间 、日照间距计算 、日照圆锥面 、日照等时线 、数字等日照量模型 、窗户日照时间分析 、墙面的日照等时线。

（3）视线分析

系统支持完善的可视性功能。所谓可视性分析指的是从一个给定的视点出发所能看到的区域位置及大小。可视性分析包括空间任意两点之间的通视性分析和空间位置处的可视域分析两类问题。1）通视性分析：通视性定义为空间上的任意两点之间在直线方向上的可视性。通视的条件取决于观测点与目标点之间是否妨碍视线的障碍物，如地形因素或地物因素。2）可视域分析：可视域指在全部或有限范围内从一个给定的视点上所能看到的区域，根据视点的不同，有单点可视域和多点可视域之分。可视域分析也可以简单地按视线分析方法扫描整个研究区域，通过判定视点与空间中每个点之间的通视性即可得出一个可视域结果。

图7　日照分析的实现流程图

（4）方案对比

将不同的设计方案放在完全相同的环境中进行比较，更容易获得最优的方案，而且容易发现方案的问题所在，从而促进方案调整得更理想。实现方案对比的关键在于分屏显示三维场景。理论上，可以将当前项目下的所有方案通过分屏的方式，同时显示在同一界面环境下，为了便于屏幕分割和取得良好的对比效果，系统设计最多可以分为4个分屏。

以下是方案对比实现的流程图（如图8）。

图8　方案对比实现流程图

2.2接口

表1　辅助规划分析与评审模块接口

3　规划成果输出模块

对规划成果进行全面三维展示，支持多媒体技术融合下的成果汇报。能采用图片和视频的方式输出漫游路径下的场景，能制作三维专题图，能制作视频文件。

规划成果的输出主要包括路径漫游和场景的抓屏，这两项功能都可以基于OSG的功能实现。

3.1路径漫游

按照指定的路径进行漫游对成果演示而言，是非常重要的。在osgViewer中，当第一次按下小写字母“z”时，开始记录动画路径；待动画录制完毕后，按下大写字母“Z”，保存动画路径文件；再次使用osgViewer读取该动画路径文件时，会回放此动画路径的内容。

3.2场景截图输出

场景截图的实现较为简单，可以直接使用OSG:: Image类的readPiexels（）获取当前视图的像素信心，从而实现抓图的功能。具体的流程较为简单，这里不再详述。场景截图时，用户可以通过系统提供的参数设置面板，设置图片格式和大小。

3.3添加声音

给场景添加三维立体声音可以借助OpenAL实现，它是自由软件界的跨平台音效API，OSG在其上封装出一套新的适合OSG的API来完成OpengAL的功能osgAL。

4　结语

给出了3DGIS三维城市规划辅助决策支持系统部分子模块的设计与实现，运行结果表明该系统能满足用户需求，能提供可视化的、真实感强的虚拟城市景观环境，在三维场景下实现城市规划的辅助设计与审批，为城市规划方案的评审和制定提供直观的决策参考。但还需不断改进和完善。

［1］梁国栋，蒙胜华.三维地理信息技术助力规划辅助决策［J］.全球定位系统，2013，（4）:208

［2］高海峰，金鑫.基于Skyline三维GIS城市规划辅助决策系统的设计与实现［J］.科技创新与应用，2012，（3）:20-21.

［3］江丕文，黄新等.城市三维数字景区建模的研究与实现［J］.地理空间信息，2009，7（6）:6～9.

3D GIS；Urban Planning；Auxiliary Decision Aupport System；Sub Module

Design and Implement of 3DGIS Three-Dimensional Urban Planning Aided Decision Support System Module

LU Lan1，LIU Niu2，LIU Xing-quan3
（1.Changsha Environmental Protection Vocational College，Changsha 410004；2.Changsha City Planning Information Service Center，Changsha 410000；3.Central South University，Changsha 410083）

1007-1423（2016）18-0066-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.18.016

卢岚（1983-），女，湖南城步人，硕士，讲师，研究方向为地理信息系统

刘牛（1987-），男，湖南长沙人，本科，助理工程师，研究方向为信息技术在城乡规划中的应用

刘兴权（1962-），男，湖北天门人，硕士，教授，研究方向为GIS专业教学及GIS工程与应用

2016-04-19

2016-06-10

3DGIS三维城市规划辅助决策支持系统能规避平面规划的缺陷。决策者能在三维场景中，发现许多不易察觉的设计缺陷，将减少由于事先规划不周全而造成的无法挽回的损失与遗憾。介绍该系统子模块，着重介绍三维场景制作与管理模块、辅助规划分析与评审模块和规划成果输出模块的设计。

三维GIS；城市规划；辅助决策支持系统；子模块

The 3DGIS three-dimensional urban planning aided decision support system can avoid the defect of plan.Decision makers can find a lot of design flaws hard to detect in 3D scenes，which will reduce the irreparable loss and regret.Introduces the system sub module and focuses on the design of the 3D scene production and management module，the auxiliary planning analysis and evaluation module and the output module.