城市三维模型在规划管理中的应用研究

林金双

(台州市地理信息测绘中心有限公司，浙江 台州 318000)

城市规划管理工作是城市建设和发展的重要工作之一。近年来，城市规模的不断扩大，城市中的建设工程项目呈现爆发式增长，传统二维规划管理模式已无法满足城市发展的需求[1]，越来越多的城市管理者开始研究利用三维可视化、GIS、云计算和物联网等先进技术应用于城市规划管理工作中[2]。本文在深入基层规划管理工作之后，结合城市三维模型，搭建了城市三维辅助决策分析平台，实现了建设工程项目在全过程动态管理、建设工程项目会商管理、规划辅助决策分析管理等功能，让城市规划管理的决策者能够更为直观、准确地了解城市建设工程项目的申报、审批和建设，做出及时和准确的决策，使规划管理工作更加高效和科学化。

1 总体设计思路

1.1 构建了三维建设工程项目全过程管理模式

本文深入自然资源局及直属单位等相关部门进行调研，围绕规划用地审批、建设工程过程监督、建设工程规划条件核实等阶段构建了三维建设工程项目全过程管理模式，可实时查看建设工程项目的建设用地规划许可证、建设工程用地红线检验、建设工程规划许可证、建设工程放线、施工和验线检验、建设工程规划条件核实等阶段的详细信息[3]。

1.2 构建了城市三维模型数据库

目前城市三维模型建模的方式有传统手工建模、倾斜摄影建模、机载LiDAR结合高分辨率航空影像建模等方法。本文采用机载LiDAR结合高分辨率航空影像进行三维建模，制作的三维模型美观且精度高，适用于城市规划管理工作。

1.3 搭建了城市三维辅助决策分析平台

基于城市三维模型数据库，搭建城市三维辅助决策分析平台，将城市的建设工程项目业务全部纳入城市三维辅助决策分析平台中，实现二维向三维管理的升级。

2 平台设计

2.1 平台框架选择

城市三维辅助决策分析平台选择北京伟景行数字城市科技有限公司自主研发的国产CityMaker平台作为基础开发平台[4]。在CityMaker基础平台基础上，以CityMaker SDK COM库为底层库，以VS 2010为集成开发环境，以C#语言为开发语言，采用C/S架构和B/S架构进行系统建设[5]。CityMaker产品体系覆盖了三维信息系统建设及应用的整个流程，从资源整合、场景构建、数据管理到辅助决策、信息共享发布等，包括CityMaker Builder、CityMaker Server、CityMaker Explorer、CityMaker SDK和CityMaker Network等产品[6]。

2.2 总体框架

城市三维辅助决策分析平台采用“安全-丰富-高效”的框架设计，包括软硬件支撑层、数据层、服务层、应用层和用户层五层。平台总体框架示意图如图1所示。

图1 平台总体框架示意图

软硬件支撑层包括PC端、移动端、服务器端设备、核心交换机、GIS软件、CityMaker软件、虚拟化软件等，为整个平台提供软硬件的安全保障；数据层包括基础地理信息数据、城市三维模型数据、规划建设工程项目专题数据、多媒体数据、元数据和运维管理数据等，这些数据构成了城市三维规划辅助决策数据库，为平台提供强有力的数据支撑；服务层包括GIS服务、三维服务、查询统计和分析服务、数据共享服务、项目管理服务以及运维服务；应用层是基于CityMaker基础平台，搭建了城市三维辅助决策分析平台，对城市规划管理工作提供建设工程项目全过程管理、建设工程审批管理、建设工程会商管理、规划辅助决策分析管理、地图管理和运维管理等功能；用户层是指平台的管理或者使用用户，包括城市管理部门、规划部门、测绘部门、地产公司和有需求的公众。

3 城市三维模型建设

3.1 城市三维模型建设流程

本文城市三维模型建设采用的方法是利用机载LiDAR和ADS 80航空摄影进行三维建模。建模大体思路如下：一是建模准备阶段，对相关资料进行收集、整理和分析，形成工作方案；二是数据采集处理阶段，通过机载LiDAR获得点云数据，经过处理后的数字高程模型(DEM)、建筑物体框模型(DBM)，ADS 80航空摄影经过处理后获得数字正射影像(TDOM)和空三加密成果；三是城市三维建模阶段，一方面利用数据处理后的成果，建立城市三维的地形和体框模型，另一方面利用实地拍照的方式获得地物纹理照片，利用3D Max软件进行三维建模；四是对城市三维模型进行检查，合格后，最终形成城市三维模型库。城市三维模型建模的具体流程如图2所示。

图2 城市三维模型建模的具体流程示意图

3.2 城市三维模型建设内容

根据实际情况，对城市的不同地理要素进行建模，模型包括地形三维模型、建筑三维模型、交通设施三维模型、绿化三维模型及其它三维模型五大类[7]。对城市的地理要素添加纹理，同时对光影以及周边环境进行细致制作，要求能够精确表现地理要素的纹理和结构。保证城市三维模型空间关系的正确性，属性信息的完整性，地图风格的统一与协调。数据文件命名保证规范和统一。城市三维模型建设内容如图3所示。

图3 城市三维模型建设内容示意图

3.3 城市三维模型建模关键点

3.3.1 城市三维建筑体框模型建设

城市三维建筑体框模型建模，首先，利用机载LiDAR点云数据、数字正射影像以及建筑物的轮廓图，生成粗的建筑物屋顶面片模型；其次，参考房屋的DLG数据对粗建筑物模型的形态、邻接关系、外轮廓边界位置等进行详细修改，制作出符合建筑物体框建模技术标准的模型产品；最后，在3D Max软件中对模型进行模型质量的优化编辑，完成建筑体框模型制作[8]。

3.3.2 模型纹理数据的采集与处理

模型纹理数据采集包括地表纹理、建筑立面和顶面纹理、交通设施纹理等[9]。模型纹理数据获取的方式有影像数据、照片和软件处理图像三种。地形纹理和建筑顶面纹理一般通过城市数字正射影像获得；建筑立面纹理和交通设施纹理则采用实地拍照获得。建筑物纹理数据采集示意图如图4所示。

图4 建筑物纹理数据采集示意图

纹理数据处理应满足的要求有：纹理数据图像应色调均匀、自然美观；纹理影像应与实地情况相符，应真实反映实际材质的图案、质感、颜色及透明度，真实反映现状情况和年代特征；纹理数据图片尺寸应为2的n次幂，不宜超过1 024×1 024像素，且长宽比不宜过大。纹理数据图像不应含有建模影像以外的其他影像等[10]。

3.3.3 城市三维模型建模

城市三维模型建模包括数据标准化处理、模型贴图和模型烘焙。数据标准化处理是对生成的体框模型进行标准化处理，减少数据量和对不必要的冗余面进行剔除等；模型贴图是将现状照片制作成模型的贴图，利用Photoshop软件，选择一张张合适角度的照片，进行裁切、纠正、调整光影和饱和度等操作，形成模型贴图；模型烘焙是根据模型要求，烘焙灯光的效果要求冷暖分明，能艺术地表达光线效果，阴影关系分明，能很好地表达模型的体积感。模型烘焙完成后导出osg文件，最终导入CityMaker软件中。

3.3.4 城市三维模型质量检查

城市三维模型质量检查具体步骤：一是制作过程检查，建模阶段检查模型面数、贴图精度尺寸，模型是否依据正确的照片而做，地形路网高度位置正确，以数据量检查和基础数据的准确性检查为主等；二是内部验收，由中标公司质检部门组织公司相关人员严格按照相关验收标准进行项目验收;三是最终检查，数据制作承担单位提交检查验收申请，甲方工作组审核申请并组织检查验收，验收后提出验收修改意见；四是最终验收，甲方工作组做最终验收并提供检查验收报告。

4 城市规划三维辅助决策平台的实现

城市规划三维辅助决策平台的核心功能包括建设工程项目全过程管理、建设工程项目审批管理、建设工程项目会商管理、规划辅助决策分析管理、地图管理以及运维管理等。

4.1 建设工程项目全过程管理

建设工程项目全过程管理实现了将建设工程项目分成规划用地审批、建设工程过程监督、建设工程规划条件核实和建设项目违法检查四个阶段进行管理，规划用地审批功能是对建设项目进行控规研究、城市设计研究和项目选址研究之后，最终通过审批，形成建设项目选址意见书；建设工程过程监督功能是对建设工程实施过程的监督，包括建设工程放线、建设用地规划许可和建设工程规划许可等；建设工程规划条件核实功能是对建设工程进行验收，包括建设工程验线和工程规划条件核实；建设工程违法检查功能是对建设项目从审批-实施-竣工是否存在违法现象进行监督，确保建设项目有序开展。建设工程项目全过程管理流程如图5所示。

图5 建设工程项目全过程管理流程示意图

4.2 建设工程项目审批管理

建设工程项目审批管理是将审批建设项目的方案加载到三维场景中，查看审批项目的各项规划指标是否符合规划设计要求，如建筑面积、用地面积、绿地率、建筑高度等。如果方案存在问题，可通过该功能进行指定方案实时动态调整，如高度调整、位置调整、角度调整、体量调整、色彩调整等。还可实现审批建设项目的多个方案多屏对比，通过不同角度、不同方位观察各个方案，便于决策者分析和判断最优方案。建设工程项目方案多屏对比示意图如图6所示。

图6 建设工程项目方案多屏对比示意图

4.3 建设工程项目会商管理

建设工程项目会商管理是自然资源市局、分局和设计单位通过视频进行建设工程项目的讨论，实时对项目提出修改意见以及最终确定项目方案进行决策。

4.4 规划辅助决策分析管理

规划辅助决策分析管理分成空间分析和统计分析两部分。空间分析包括通视分析、视域分析、控高分析、天际线分析、立面分析、红线退让分析、分类显示分析、建筑间距分析等；统计分析包括指标分析、拆迁分析、绿地分析、平衡表等。控高分析结果示意图如图7所示。

图7 控高分析示意图

4.5 地图管理

地图管理实现了数据叠加显示、数据编辑、场景浏览、建设工程项目查询定位和统计分析等功能。数据叠加显示是在城市三维模型上叠加建设工程项目，直观展示建设工程所在的位置和所处的状态；数据编辑是实时更新建设工程状态和添加相关信息；场景浏览可以在三维模型上快速导航，如特定场景、动画导航等；建设工程项目查询定位和统计分析是可以查询建设工程项目的详细资料，并对相关数据进行统计分析，以报表的方式提供打印功能。

5 结 论

本文基于城市三维辅助决策分析平台实现了城市规划管理二维向三维升级，规划建设工程全过程管理，展示效果更为逼真和直观，为领导提供更科学直观的决策，加快推进城市建设的步伐。与此同时，平台部署在政务内网，可提供市政府、市建委、自然资源市局和分局等部门共享应用，充分发挥了平台的应用价值，取得了良好的应用效益。但也存在一定的不足，如三维建模靠人工，建模周期和建模成本较高，大场景三维模型展示效果较慢等。下一步，平台一方面缩短三维模型更新周期，以满足各部门的需要；另一方面完善功能开发，为政府提供更好的信息化服务。