基于skyline的三维城市规划辅助决策系统构建——以无锡市为例

张佳丽 何宝金(.无锡职业技术学院 基础部， 江苏 无锡 4； .无锡市规划局， 江苏 无锡 43)



基于skyline的三维城市规划辅助决策系统构建
——以无锡市为例

张佳丽1何宝金2
(1.无锡职业技术学院 基础部， 江苏 无锡 214121； 2.无锡市规划局， 江苏 无锡 214131)

随着计算机硬件技术的飞速发展和三维GIS(Geographic Information System)的不断进步，利用个人电脑作为客户端运行复杂的三维图形图像正在逐步普及。在城市规划管理领域，传统规划管理手段正在发生着变革，其中利用三维GIS实现规划成果管理、规划方案审批是一个重要发展方向。本文结合无锡市城市规划管理中遇到的问题，研发了基于skyline的城市规划管理三维辅助决策系统。研究表明，利用三维GIS系统可以很好地解决城市规划管理中可视化、定量化等技术难题，通过虚拟决策，可以使管理更加科学规范。

规划管理； 辅助决策； skyline

城市规划领域是地理信息系统(Geographic Information System，简称GIS)最早的应用领域之一[1]。20世纪70年代，国外已经开始在规划行业使用地理信息系统解决规划选址和布局的合理性问题[2]。国内规划行业在20世纪90年代后进行了大规模的信息化建设[3]，先后引入了地理信息系统，办公自动化系统等，并有了零星的一些GIS应用[4]，信息化建设显著提高了规划行业的管理水平[5]。无锡市于1998年开展了航拍，形成了一批正摄影像数据成果。此后，政府不断加大信息化的投入和系统建设，陆续建成了规划业务办公系统、业务图形系统、政务网子系统、规划成果管理等多个子系统，如图1所示。数据的信息化和管理的信息化极大地改善了办公环境，提高了政府部门的办事效率，推进了管理的规范化和服务的标准化。近年来，随着计算机硬件技术的飞速发展，如何利用已有数据、系统建设成果，结合最新的三维可视化技术和地理信息系统的数据管理手段，提高规划管理中的三维可视化水平，促进规划管理决策的科学性和规范性成为迫切需要研究解决的问题。

图1 系统架构

1 系统设计

城市规划管理中遇到数据纷繁复杂，主要分为基础测绘数据、规划成果数据、规划审批数据三部分。其中基础测绘数据主要包括地形图、管线普查图等；规划成果数据主要包括城市总体规划、专项规划、控制性详细规划和城市设计数据；规划审批主要包括“一书三证”审批数据[6]。从数据格式上划分可以分为矢量数据、栅格数据和文档数据。系统建设的基础是数据的标准化，通过信息化建设，无锡已建设了地形图数据管理信息系统，主要完成对1∶500、1∶1 000、1∶2 000、1：5 000、1:10 000等数据的管理和更新。规划成果管理信息系统，主要完成对规划成果中CAD数据与GIS的衔接转换以及文档数据的关联。规划审批系统主要包括电子报建管理和“一书三证”规划审批管理。三维城市规划辅助决策系统建设的原则既要高屋建瓴、统揽全局，又不能与现有系统割裂脱离。因此，系统的设计主要解决三个重点问题：一是实现三维可视化交互；二是实现与已有系统的无缝集成；三是实现与业务系统的巧妙衔接。

通过对市场主流三维GIS中三维可视化性能以及易拓展性的筛选，无锡市最终选择了美国的Skyline系列产品。Skyline系列软件是一款性能优异的三维地理信息系统软件，它既可以实现对传统二维地理信息系统的支持，又能利用最新的计算机三维技术，实现在三维环境中的数据交互。Skyline主要由三个相互独立的子系统构成: TerraBuilder、TerraExplorer Pro和TerraGate。其中TerraBuilder是底图编辑软件，可以融合大量的影像、高程和矢量数据,以此创建有精确坐标的三维模型地形数据库；TerraExplorer Pro是一款桌面应用程序,用户可以浏览分析调入三维场景,并对其进行编辑；Terragate是一款服务器发布程序，可以用来发布三维场景。

三维城市规划辅助决策系统采用B/S2结构，由IE作为客户端，内嵌skyline窗口组件；服务器采用IIS 6.0 (Internet Information Server)。开发环境采用Visual Studio 2008,开发语言以C#为主，系统流程如图2所示，通过TerraBuilder将无锡市1622平方公里DEM(Digital Elevation Model,数字高程模型)、航拍影像(与Spot影像叠置)生成全市三维场景底图，在TerraExplorerPro中进一步编辑、设置主要精细模型的载入情况；在VS 2008中开发程序功能；最后利用TerraGate 发布。系统通过调用其他数据系统提供的Web Service接口，实现了规划成果指标比对、方案对比分析、控规限高分析、管线及道路断面自动生成、管线开挖、爆管分析以及调用的其他系统的功能。

图2 系统流程

2 关键技术

三维城市规划辅助决策系统，是一项高难度、高复杂性并重的工作，数据制作和系统开发都非常重要。概括起来，涉及的主要关键技术如下：

2.1 数字建模技术

建模是决定三维场景是否逼真的关键，其中地形建模是建设整个三维场景的基础，建筑物建模是关键。首先需要准备生成数字高程模型。本文拟从地形图中提取高程点数据，剔除变异点后，通过ArcGis空间插值，得到全无锡市数字高程模型；通过对航拍影像和spot卫星全彩影像进行纠正和投影变换，使其吻合无锡市城市坐标系统。在TerraBuilder软件中,引入数字高程模型，并叠加数字航拍影像和Spot卫星影像，生成Mpt文件，作为表达地形起伏和地面文理的地形数据集。建筑物建模是生成整个三维数据场景的关键。本文通过多次试验，将建筑物模型分为三种：精细模型、矢量精细模型、白模。其中精细模型是通过三维编辑软件(3dmax或者sketch up等)，根据真实建筑物绘制，一般是地标性建筑。精细模型具有面多、贴图精细、数据量大等特点，要通过设置LOD显示和设置动态载入降低对整个系统资源的消耗。本文中对全市的精细模型主要包括解放环路内、太湖新城部分、代表性社区精细模型构建；矢量精细模型，是指根据地形图中建筑图层进行提取，然后按照层高数据，以平均层高3米计算，自动拔高生成三维模型后，动态加载通用贴图后形成的模型。该模型有一定的失真，但是基本能模拟大区域建筑分布及风貌特点；白模和矢量精细模型生成过程一样，只对模型表面颜色进行渲染不贴图。白模和矢量精细模型是整个三维场景的主要组成部分，他们具有灵活多变、数据量小等特点。

2.3 系统开发

系统开发是实现三维城市规划辅助决策系统的关键。本文所指的系统开发主要包括数据访问和系统集成两个部分。其中数据访问指的是开发与已有的地形图管理信息系统、规划成果管理信息系统以及规划审批管理信息系统的数据交换接口；系统集成是指通过TerraExplorer在Visual Studio 2008的二次开发，使其具备规划成果指标比对、方案对比分析、控规限高分析、管线及道路断面自动生成、管线开挖、爆管分析等系统功能。数据访问主要通过开发Web Service服务，系统功能开发主要通过Vs.net环境中在网页窗体中引入对象，然后在开发环境中实例化，后续调用相应的类库即可实现调用Skyline二次开发相应功能。

3 系统的实现

根据系统设计思路，开发建设的无锡市城市规划三维辅助决策信息系统，内嵌在规划管理办公系统中。用户可以通过规划管理办公系统，直接通过浏览器客户端浏览无锡市三维城市景观、规划成果数据、规划成果数据、规划报批数据。系统主要实现有三维场景的调入调出;三维场景中的距离、面积量；地形中的等高线分析、坡度、坡向分析、地形调整、土方计算分析等；视线中的视线、视野分析，日照分析等；控规中的限高分析、红线后退分析以及指标(容积率、建筑密度、绿地率等)的计算、建筑方案调整等；模型的导入及辅助设计等；管线的自动生成、开挖模拟、爆管分析、横纵断面生成等系列功能。通过三维城市规划辅助决策系统，实现调阅规划审批方案，规划方案对比分析查询容积率、绿地率等相关控制指标、动态调整建筑方案，计算日照时间；可以动态生成三维管线数据，模拟开挖，进而生成横断面、纵断面图等。系统的开发建设，极大地方便了规划业务的日常开展，较好地服务了规划管理的整个过程。

三维辅助决策信息系统源于日常规划管理的业务需求，主要用于解决规划管理业务中“一书三证”规划管理的辅助审批以及控制性详细规划成果、专项规划成果、管线普查成果、地形地貌等基础数据的动态获取和直观显示。系统与电子报批系统、OA系统、图形管理信息系统无缝集成，内嵌于OA系统内部。图3左为系统调取控制性详细规划的界面，控制性详细规划是规划管理的法定依据，在日常规划管理中尤为重要。其中颜色和填充代表不同的用地性质，高度则代表不同的开发强度，实现方法主要用以通过容积率乘以一定的系数进行放大，取其上限或者下限用以展示，在三维辅助决策信息系统中该区域规划开发强度一目了然；图3右已审批方案的动态建模。审批成果是城市规划管理中的重要数据，本图为太湖新城金融街审批成果动态建模的展示，系统通过调阅审批方案，获取建筑基底、高度、外立面材质等数据后，通过系统拉伸动态生成模型并动态贴图生成纹理，直观显示了规划方案实施后的结果，对规划的决策和后续的规划审批可以起到一定的支持作用；图4左展示主要为方案审批动态调整的过程展示，方案审批是规划管理中的核心业务之一。本图展示的为三维辅助决策规划管理新系统中方案导入后，可以通过调整地形、建筑基底、朝向、层高、层数、外立面等指标，不断变换三维显示效果，并结合日照分析效果，达到使方案不断优化的目标；图4右展示的为城市地下管线三维管理的过程。地下管线是城市的隐蔽工程，也是城市赖以生存和发展的生命线，管线的三维可视化相比其他来说就尤为重要。本图显示的为我市某一路段交叉口管线分布的三维图，其中不同的颜色和填充代表不同类别的城市地下管线，通过动态生成三维管线图，可以很好地了解地下管线管位分布情况，管线之间的水平和垂直间距情况，对地下管线项目的新建、改造都有很好的指导作用。

图3 控规限高分析及动态建模

图4 方案动态调整及管线审批

4 结语

本文通过对以Skyline软件为代表的三维GIS在规划管理中的探索和实践，研究开发了利用WebService数据交换服务实现对既有系统改造，利用Skyline系统产品平台成功构建了三维城市规划辅助决策系统。实践表明，通过WebService可以很好地整合既有系统数据，三维GIS开发的城市规划辅助决策系统，可以实现城市规划管理中的规划方案审查、控规指标审查、管线开挖模拟审查等系统功能。当然，三维GIS系统在规划管理应用中还有需要进一步完善的地方，如大场景数据的动态载入的系统资源优化问题、多用户并发访问效率降低问题，都需要进一步研究解决，另外，办公系统的权限节点控制也是下一步要研究解决的重点问题之一。

总之，利用三维GIS建设的三维城市规划辅助决策系统具有交互性好、可视化程度高、系统无缝集成等优点，对于改变传统的规划管理方式，引导技术革新，提高工作效率，促进规划管理和审批的科学性、规范性都有着重要的价值和意义，必将在规划管理领域中有着更加广阔的应用前景。

[1] 吴志勇,吕萌丽.走向三维的城市规划管理：以广州市为例[J].规划师, 2007, 23(7):68-71.

[2] 王小斐.浅谈三维城市规划管理系统的设计实现[J].城市建筑, 2014(6):23-23.

[3] 唐桢,张新长,曹凯滨. 基于Skyline的三维技术在城市规划中的应用研究[J].测绘通报: 2010(5):10-12.

[4] 黄梦龙. 基于三维GIS的城市规划辅助决策技术研究[J].测绘与空间地理信, 2015(12):165-167.

[5] 方圆. 基于三维GIS的城市规划辅助决策技术分析[J].城市建筑, 2016(9):364-364.

[6] 何宝金,黄永进,刘晓玫.规划信息资源整合机制研究：以无锡市规划资源网建设为例[J].规划师论丛, 2011,4(1):104-105.

责任编辑 俞 林

The Construction of 3D Urban Planning Decision Assistant System Based on Skyline—A Case Study of Wuxi

ZHANGJiali1，HEBaojin2
(1. Department of Fundamental courses, Wuxi Institute of Technology, Wuxi 214121, China; 2. Wuxi Urban Planning Bureau, Wuxi 214131, China)

With the rapid development of computer hardware technology and continuous progress of three-dimensional GIS(Geographic Information System),using personal computers as clients to run complex 3D graphics computing are gradually popularized. In the field of urban planning and management, the traditional planning and management tools are changing, using three-dimensional GIS to achieve urban planning results management, urban planning approval is an important development direction. This paper aims to solve the problems encountered in the urban planning and management of Wuxi City, develops 3D urban planning and management decision making system based on Skyline. Research shows that the 3D GIS system can be used to solve the problems of urban planning and management, such as visualization, quantification and so on. Through the virtual decision-making, management can be more scientific and standardized.

urban planning management； dicision making assistant； skyline

2016-12-27

张佳丽(1982— )，女，山东济宁人，硕士研究生，研究方向：教学管理及信息技术应用； 何宝金(1982— )，男，山东汶上人，注册城市规划师，研究方向：城市规划管理及信息技术应用。

10.13750/j.cnki.issn.1671-7880.2017.02.013

P 208

A

1671-7880(2017)02-0050-04