基于GIS 的泉州歷史古城三維可視化與應(yīng)用

黃耀裔

(泉州師范學(xué)院 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院 福建，泉州 362000)

歷史古城規(guī)劃是保護工作的重要內(nèi)容，是實施改造的重要依據(jù)，可以有效的指導(dǎo)新老城市的協(xié)調(diào)發(fā)展，增強城市含蘊[1]。隨著計算機技術(shù)、空間技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，城市信息化集成度越來越高，信息技術(shù)正從各方面滲透到城市各個領(lǐng)域。自從美國副總統(tǒng)戈爾提出“數(shù)字地球”( Digital Earth)[2]概念后，如何在“數(shù)字地球”上嵌入GIS、RS、3D 模型等多源數(shù)據(jù)進行三維可視化表達和應(yīng)用成為目前的研究熱點[3-7]。三維GIS 與二維GIS相比，除了具有表達平面關(guān)系外，還增加垂向關(guān)系描述，將空間地理對象以三維表達。隨著4D( DEM、DOM、DLG、DRG) 產(chǎn)品以及虛擬仿真(VRML)[8]技術(shù)的成熟使城市三維可視化、歷史古城景觀復(fù)原成為可能，同時給人以更真實感受[9]。當前國內(nèi)外研究出現(xiàn)了許多三維建模平臺，如Vega、IMAGIS、EV-Globe、TITAN 3D、GEO-View 等，這些軟件在場景顯示、視覺仿真具有優(yōu)勢，不足之處是缺少三維空間分析功能，而ArcGIS 平臺則可對三維數(shù)據(jù)進行高效可視化和三維空間輔助分析。本論文結(jié)合SketchUp 和ArcGIS 等相關(guān)軟件技術(shù)，提出了利用GIS 數(shù)據(jù)生成三維模型，滿足GIS 空間分析、屬性查詢等功能，同時兼顧模型和場景真實感的三維GIS 可視化技術(shù)路線，實現(xiàn)泉州歷史古城三維可視化，同時提出結(jié)合GIS 對泉州西街改造的應(yīng)用，如構(gòu)建Visual Shopping Mall 等。

1 研究區(qū)概況

泉州市(24°22' ～25°56'N、117°34' ～119°05'E) 位于福建省的東南部，北承莆田市，南接廈門市，東望臺灣省。地處閩東山地中段和閩東南沿海丘陵平原中段。境內(nèi)山巒起伏，丘陵、河谷、盆地錯落其間，地勢西北高東南低。屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候條件優(yōu)越，旅游資源豐富。素有“鯉城”、“刺桐城”等別名，具有歷史悠久的文化古城，宋代理學(xué)家朱熹曾經(jīng)講過泉州市是“此處古稱佛國，滿街都是圣人”，是中國首批24 個歷史文化名城之一，中國古代海上絲綢之路的起點，并2013 年與韓國光州市、日本橫濱市共同當選首屆“東亞文化之都”。

2 基于GIS 的泉州歷史古城三維可視化

2.1 數(shù)據(jù)資料

基于GIS 的三維可視化構(gòu)建需要的數(shù)據(jù)有:泉州歷史古城三維空間數(shù)據(jù)、數(shù)字高程模型( DEM)和遙感衛(wèi)星影像資料( SPOT、QuickBird 等)、城市規(guī)劃設(shè)計圖紙及相關(guān)文檔、地形圖以及城市各種要素矢量數(shù)據(jù)和地物屬性數(shù)據(jù)等。

2.2 技術(shù)平臺

(1)MicroDEM:是由美國海軍Peter Guth 編寫的一款制作轉(zhuǎn)換數(shù)字高程模型( DEM) 的軟件，可讀取GLSDEM、Srtm、ASTER GDEM 等不同格式數(shù)字高程模型，并實現(xiàn)不同DEM 格式互轉(zhuǎn)。

(2)SketchUp 三維建模: SketchUp 作為一款三維設(shè)計軟件，是一套直接面向設(shè)計方案創(chuàng)作過程的設(shè)計工具，在設(shè)計過程中可按照用戶自己構(gòu)思和想法設(shè)計。具有獨特簡潔的界面，易于掌握; 推拉功能速度建模;快速生成剖面，完整的材質(zhì)庫和組件庫等等。通過SketchUpESRI 插件可實現(xiàn)ArcGIS 與SketchUp 交互，設(shè)置基高可以在SketchUp 里快速建立三維模型，并與GIS 完美兼容。

(3)Multipatch:MultiPatch 三維模型是ESRI 公司開發(fā)的基于地理信息系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化標準三維模型格式，用來表達地理空間中的三維地物，為ArcGIS軟件獨有的三維模型數(shù)據(jù)格式。其他格式( 如:3ds，skp，Open Flight) 必須轉(zhuǎn)換成MultiPatch 格式才能與ArcGIS 兼容。

(4) GIS 三維可視化: 基OpenGL 的ArcScene是ArcGIS 展示三維場景平臺，可以實現(xiàn)矢量與柵格數(shù)據(jù)三維交互和漫游。通過3D Analyst 擴展模塊設(shè)計的三維實體在ArcScene 場景顯示，可為多層三維數(shù)據(jù)圖的顯示觀察以及表面數(shù)據(jù)生成和分析提供了可視化平臺界面。

2.3 三維可視化實現(xiàn)流程

三維可視化的技術(shù)方案和技術(shù)路線主要根據(jù)不同的數(shù)據(jù)資料、軟件平臺、技術(shù)要求和應(yīng)用范圍等而不同。國內(nèi)外諸多研究人員分別采用各種不同手段方法實現(xiàn)，如采用Skyline 三維GIS 技術(shù)結(jié)合SketchUp 快速三維建模[10]，采用ArcGlobe、3ds Max 實現(xiàn)城市三維GIS 可視化[11]，基于2DGIS 建立三維模型、基于激光、雷達技術(shù)等進行城市三維建模等[12]; 論文根據(jù)實際實現(xiàn)需求、資料來源、技術(shù)條件等情況選擇實現(xiàn)手段，其實現(xiàn)流程如圖1所示。

2.4 泉州歷史古城三維可視化

(1)泉州歷史古城三維GIS 的構(gòu)成主要包含地形和建筑兩大部分。其中地形部分對比分析了Srtm、ASTER GDEM 和GLSDEM2005 三者精度，最終采用精度最高而且可以免費獲取的GLSDEM2005 作為DEM 數(shù)據(jù)來源，再據(jù)ArcScene 顯示特點采用不規(guī)則三角網(wǎng)( Triangulated Irregular Network，簡稱為TIN) 作為DEM 模型。TIN 主要用于較小區(qū)域的高精度建模，它將地形表面表示為一系列連續(xù)不重疊的三角形，由于采取不規(guī)則高程采樣的方式，在地形起伏大的區(qū)域增加采樣密度，可高準確的表示地形表面模型。通常采用遞歸生長法，其基本生成步驟是: 在所有數(shù)據(jù)中取任意一點( 一般從幾何中心附近開始)，查找距離此點最近的另外一點，在初始基線應(yīng)用Delaunay 法則搜尋第三點，形成三角形，依次處理所有新生成的邊，直至整個三角網(wǎng)構(gòu)建完成( 見圖2)[13]。為了表現(xiàn)影像的真實性，地面紋理影像采用遙感數(shù)據(jù)疊加，另外還可以加入了道路、樹木草坪以及相關(guān)的屬性信息。

利用GLSDEM2005 反演的等高線矢量圖層在ArcGIS10.0 的ArcMap 中實現(xiàn)的具體方法，首先在工具欄添加3D Analyst 模塊，加載等高線矢量圖層生成TIN 不規(guī)則三角網(wǎng): “Create/Modify TIN-＞Create TIN from features...，Height source 選取高程屬性”，最后疊加DOM( 即為泉州市SPOT5 遙感衛(wèi)星影像資料)，結(jié)果見圖3(左圖為DEM 模型，右圖為DEM 模型疊加DOM 遙感影像圖，其中DOM 可根據(jù)實際需要疊加不同分辨率的影像)。

圖1 三維可視化技術(shù)路線

圖2 利用等高線生成TIN 模型

圖3 泉州市數(shù)字地面三維模型

(2) 三維建筑模型包括建筑物及其紋理和相關(guān)屬性信息。設(shè)置基高后在SketchUp 中建立三維模型，使用SketchUpESRI 插件將處理好的三維模型輸出轉(zhuǎn)換為Multipatch 格式，將所選擇的二維數(shù)據(jù)批量的按高程轉(zhuǎn)換為.SKP 數(shù)據(jù)格式后在Sketch-Up 環(huán)境中進行精細建模、紋理映射等建模處理。經(jīng)過處理后的建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入ArcGIS Catalog 數(shù)據(jù)庫(Geodatabase)中。在ArcGIS 的ArcScene 場景驅(qū)動進行三維顯示與分析，圖4為泉州市西街部分制作完成后的三維建筑模型。

圖4 泉州市西街二三維模型

2.5 三維可視化應(yīng)用

對于三維可視化應(yīng)用，可以應(yīng)用于以下幾個方面:在ArcGIS 的ArcScene 三維空間場景中，可以實現(xiàn)放大、縮小、漫游、導(dǎo)航、三維飛行、坐標定位、目標放大居中、設(shè)置觀察點等的瀏覽應(yīng)用; 在三維地形的分析應(yīng)用主要包括坡度、坡向、通視、距離量測、表面積量測與體積量測等; 由于古城的改造是一項不可逆的過程，一旦規(guī)劃不合理，是難以復(fù)原的，以泉州市西街改造為例，泉州西街在2014 年啟動?xùn)|亞文化之都·泉州古城文化復(fù)興計劃，根據(jù)《泉州古城區(qū)文化遺產(chǎn)的保護與利用的調(diào)研報告》提升西街業(yè)態(tài)，保持西街古色古香、原汁原味的歷史風(fēng)貌，西街將進行主題商貿(mào)文化街區(qū)、商務(wù)旅游休閑區(qū)、高端商業(yè)及住宅區(qū)等功能區(qū)改造。因此在對歷史古城的改造過程，可以通過疊加分析、緩沖分析，網(wǎng)絡(luò)分析、屬性查詢分析等空間分析輔助手段，實現(xiàn)在未破壞古城面貌下通過計算機虛擬改造后的面貌，并且可以三維虛擬不同的方案對比分析得出最優(yōu)方案，大大降低改造的風(fēng)險和成本，讓古城得到更好的保護，同時將GIS 技術(shù)與電子商務(wù)集成，構(gòu)建逼真真實的三維購物場景如Visual Shopping Mall，并進行Web3D[14]發(fā)布，讓用戶在網(wǎng)上購物的同時體驗到“逛”真實商場類似的樂趣。利用GIS 空間分析對客戶行為分析中，為商務(wù)智能帶來了新思路。

4 結(jié)語

借助GIS 技術(shù)和現(xiàn)有數(shù)據(jù)資料對泉州市歷史古城的三維可視化及應(yīng)用是一次新的嘗試，論文提出的技術(shù)方案具有很強的實用性，技術(shù)性不會很強，容易使規(guī)劃等部門掌握，同時設(shè)計的數(shù)據(jù)和軟硬件不會太復(fù)雜、但同時也有一些改進地方，如為了提高三維模型的精度，可采用高精度的地形圖或者航測后的DEM 代替GLSDEM2005 地形數(shù)據(jù)，并采用如1∶500 的航測影像數(shù)據(jù)代替遙感數(shù)據(jù)，可提高地面影像的精度，在三維模型的構(gòu)建可借助專業(yè)三維軟件提高模型的精致度，使得紋理更加細膩。

基于GIS 的三維城市可視化可以使原有城市面貌直觀表達，利于歷史古城的景觀恢復(fù)，具有實用價值?？蛇M一步利用三維空間分析等應(yīng)用，更好地幫助有關(guān)城市規(guī)劃部門對古城的保護開發(fā)和管理。

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