城市三維模型及其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

摘 要：隨著我國城市化進程的不斷推進和發(fā)展，一些問題也逐漸顯現(xiàn)出來，影響了城市的可持續(xù)發(fā)展。而近幾年來，地理信息技術(shù)得到了快速的發(fā)展，使得人們?nèi)顺鞘械娜娓兄拥纳羁?，所以基于地理信息技術(shù)的城市三維模型在城市規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠為城市的規(guī)劃分析提供比較科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市三維模型；城市規(guī)劃；應(yīng)用

隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提高，城市化程度越來越高，因此對城市的管理和規(guī)劃提出了更高的要求，而地理信息技術(shù)是屬于三維空間信息，與過去的平面二維相比，在空間分析能力和可視化效果上具有明顯的優(yōu)勢，隨著GIS（地理信息系統(tǒng)）的發(fā)展和深入，人們在進行城市規(guī)劃的時候，越來越依賴地理信息技術(shù)，構(gòu)建三維城市模型，從而使得城市規(guī)劃師設(shè)計的方案能夠更加直觀，而不是像二平面二維設(shè)計僅僅是存在頭腦或是稿紙上，所以，對城市三維模型在城市規(guī)劃中的研究具有很重要的現(xiàn)實意義。

一、三維城市規(guī)劃

隨著地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展，城市三維模型已經(jīng)逐漸運用到了城市規(guī)劃的各個階段了， 通過利用GIS來對城市進行規(guī)劃分析、方案設(shè)計、展示以及審批等，相較平面二維環(huán)境，能夠解決更加復(fù)雜的問題，目前，我國在三維城市規(guī)劃方面付了很多的努力：

（一）在建立城市規(guī)劃系統(tǒng)方面。當(dāng)下我國一些學(xué)者將三維地理信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合運用到其中，而這其中需要更多的三維模型空間分析方法，所以開發(fā)出了規(guī)劃管理系統(tǒng)以及三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)。

（二）在促進規(guī)劃者和決策者的溝通方面。在規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)以及輔助決策系統(tǒng)中，應(yīng)用三維地理信息技術(shù)，可以很好地輔助規(guī)劃者和決策者，因為三維模型都是具有真實性的幾何信息數(shù)據(jù)，所以使得規(guī)劃者和決策者之間溝通起來也就更加的直觀、方便。

（三）在城市規(guī)劃管理方面。利用城市三維模型，在城市的規(guī)劃管理上可以處理許多問題，比如模擬和分析城市噪音、研究地面風(fēng)場環(huán)境、模擬研究城市突發(fā)事件等等。此外，在對災(zāi)害方面也可以運用三維模型技術(shù)，如在發(fā)生地震災(zāi)害的地區(qū)，利用無人機技術(shù)對災(zāi)后地區(qū)進行影像的捕捉，然后通過三維建模技術(shù)對災(zāi)后環(huán)境進行分析，這也是近幾年來對規(guī)劃災(zāi)后重建時經(jīng)常用到的技術(shù)。

二、城市三維模型的構(gòu)建

（一）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理

1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)是構(gòu)建城市三維模型的一個基礎(chǔ)，其中主要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)、街景地圖、建筑物屬性及紋理照片，其中遙感影像數(shù)據(jù)、點云數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)需要到相關(guān)部門中去獲取所需比例尺的DLG數(shù)據(jù)，街景地圖可以通過網(wǎng)絡(luò)在線獲取數(shù)據(jù)，而建筑物屬性及紋理照片則需要建模的工作人員進行實地采集，由于城市每天的都在變化，這些數(shù)據(jù)肯定也會與實際有一定的差異，所以在實際工作中，還是應(yīng)該盡量滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)域的重合，對于發(fā)生變化的位置，應(yīng)當(dāng)按照最新數(shù)據(jù)進行處理。

2.數(shù)據(jù)處理

（1）獲取城市空間框架。建立城市三維模型需要獲取城市空間框架，在框架的獲取中，建筑物的基底幾何數(shù)據(jù)通常是依據(jù)CAD數(shù)據(jù)，其高度通過測量機載LiDAR數(shù)據(jù)，建筑物的細(xì)部特征主要是通過從街景數(shù)據(jù)中讀取，其中表面細(xì)部大于0.2的細(xì)節(jié)特征就用模型表示，而側(cè)面紋理則是由實地拍照處理而成，城市部件以及一些比較小的外部特征通過街景和采集實地數(shù)據(jù)的方式來獲取，位置數(shù)據(jù)則從CAD中獲取。

（2）數(shù)據(jù)處理。各個數(shù)據(jù)的處理流程如圖1，在數(shù)據(jù)處理過程中，還要用到統(tǒng)一的比例尺，一般來說，在建立城市三維模型的時候經(jīng)常采用的是1：2000、1：1000、1：500等比較大的比例尺，當(dāng)然，在實際建模中，必須根據(jù)實際的應(yīng)用需求以及模型需要劃分的細(xì)節(jié)層次來決定。

圖1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理流程

（二）模型構(gòu)建

城市三維模型的構(gòu)建根據(jù)應(yīng)用需求的不同，在構(gòu)建的內(nèi)容上也存在著一些差異，大致可以分為以下幾步：

1.構(gòu)建地形模型。地形模型主要是根據(jù)地面的測量數(shù)據(jù)或者設(shè)計資料制作的三維模型，主要表達(dá)的是自然或者人工修筑地面的空間位置、幾何形態(tài)以及外觀效果。建立地面模型的方式主要有三種，一是從CAD數(shù)據(jù)中提取高程點，構(gòu)建TIN，從而生成規(guī)則格網(wǎng)DEM；二是從地形圖中提取等高線，進而將等高線轉(zhuǎn)換生成地形模型DEM；三是通過分類點云數(shù)據(jù)，然后將地上的建筑物以及植物剔除，從而構(gòu)建地形模型DEM。

2.構(gòu)建建筑物模型。建筑物模型主要是根據(jù)測量建筑物數(shù)據(jù)或者設(shè)計資料制作的三維模型，顧名思義，這個表達(dá)的就是建筑物的空間位置、外觀效果以及幾何形態(tài)等。

（1）建筑物基底。根據(jù)實際的測量結(jié)果，然后選擇合適的比例尺以及正射影像，從而確定建模對象，并且在比例尺地形圖數(shù)據(jù)上勾勒出建筑物的基底。

（2）高度信息。在點云生成的數(shù)字表面模型上疊加正射影像圖，并且根據(jù)實際勘測信息，多次對建筑物高度進行測量并求平均值，從而就可以得到真實的高度信息，提高建模的準(zhǔn)確性。

3、構(gòu)建城市部件模型。城市部件模型主要是根據(jù)測量的城市部件的數(shù)據(jù)或者設(shè)計資料制作的三維模型，這個模型主要體現(xiàn)的是城市中的交通設(shè)施、植被、水系以及其他的附屬設(shè)施等的空間位置、外觀效果、幾何形態(tài)。這其中當(dāng)然就主要包括構(gòu)建城市交通設(shè)施模型、植被模型、水系模型。

4、三維模型質(zhì)量控制。制作完城市三維模型以后，還需要做的工作就是對其進行質(zhì)量檢查和質(zhì)量控制，如果沒有這個流程，就無法知道模型制作的是否正確，質(zhì)量有沒問題以及是否能夠在實際中使用。

5、烘焙。在制作模型的時候還應(yīng)當(dāng)注意的是，為了使三維模型最終的效果更加真實，在建模的時候可以將陰影、材質(zhì)、燈光等附加到模型上，對其進行烘焙與渲染處理，這樣做的一個好處就是在以后處理一些大場景的時候，就可以不用計算燈光等，只需要對材質(zhì)進行計算就可以了，從而提高處理場景的速度。

三、基于三維模型的城市規(guī)劃分析

在制定城市規(guī)劃的階段，不僅要利用計算機三維環(huán)境對空間進行三維測量，還要根據(jù)我們在日常生活中的需要，對建筑物進行日照分析、通視分析、可視域分析、控高分析。

（一）三維測量。城市規(guī)劃人員在規(guī)劃設(shè)計的時候必須滿足《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計要求》以及《民用建筑設(shè)計通則》，而在這其中就要用到三維測量，比如測量空間距離、住宅間距、地塊面積、建筑面積以及進行工程過程中需要的挖填方計算等。三維測量就是為這些面積、間距的設(shè)計提供合理的數(shù)據(jù)。

（二）日照分析。日照對于建筑物室內(nèi)的采光、取暖以及視覺等都有比較大的影響，所以對日照進行分析主要是為了滿足建筑容積、建筑間距等對指標(biāo)的需求，從而防止遮擋光或者光污染等問題。日照分析主要包括四個方面，即遮擋分析、單點分析、窗洞分析以及日照仿真分析。在日照分析中需要對不同季節(jié)的日照情況對建筑物的高度、體積等的影響，并且計算出建筑物的日照時間、陰影面積等數(shù)據(jù)，然后通過三維模型展示現(xiàn)實光影效果。

（三）通視分析。通視分析主要是為了對建筑物的高度進行控制，讓城市中一些重要的景點和景觀周圍的建筑都具有適合的尺度，從而保護景點或景觀的視覺效果。通視分析主要有兩種方法，一是可視域分析，就是給定一個觀察點，然后分析其所能觀察到的范圍；二是兩點或多點之間的可視性分析。

（四）控高分析?？馗叻治鲈谠诔鞘幸?guī)劃分析中比較重要，尤其是在一些風(fēng)景旅游城市，現(xiàn)在很多城市都有出現(xiàn)了超高建筑，但是超高建筑在一定程度上會破壞城市景觀的美感以及和諧，所以，控高對于城市規(guī)劃來說是十分重要的一個研究課題，控高分析就是檢測某一區(qū)域內(nèi)的建筑物有沒有超過高度要求的空間分析方法。

三、實際應(yīng)用概述

以河南鄭州市中原區(qū)為研究區(qū)，它的四面分別是嵩山路、工人路、伊河路、中原路，地勢比較平坦，高度差都在4m以內(nèi)，區(qū)域內(nèi)的面積為0.36km2，在這個區(qū)域內(nèi)，主要包括的建筑設(shè)施有中小學(xué)、老年干部大學(xué)、省圖書館、藝術(shù)宮、科技館、檔案館、博物館以及其他文化設(shè)施、花園、自建民房、酒店、服務(wù)類的普通店面以及市政辦公大樓等。然后對各個數(shù)據(jù)進行測量和實地勘查，利用上述方法建立城市三位模型，并且在此三維模型的基礎(chǔ)上對鄭州市中原區(qū)0.36km2的區(qū)域內(nèi)進行城市規(guī)劃的分析，從結(jié)果可以看出，在這個研究部分內(nèi)應(yīng)用城市三維模型充分檢驗了在城市規(guī)劃中的可行性、科學(xué)性以及正確性。

四、討論

綜上所述，在城市規(guī)劃中應(yīng)用三維模型技術(shù)進行分析，不僅對城市的科學(xué)合理規(guī)劃能夠起到有效的促進作用，還可以對城市化進程中一些老城區(qū)改建等的拆遷面積計算、規(guī)劃設(shè)計效果提供幫助和支持，并且根據(jù)實際應(yīng)用檢驗了城市三維模型在城市規(guī)劃中的可行性。雖然目我們采用的城市三維模型有很多的優(yōu)點，但是還是存在著一些不足，比如缺乏城市三維模型與當(dāng)前城市發(fā)展的關(guān)聯(lián)，對模型真實屬性信息的獲取和表達(dá)也還相對比較缺乏，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和城市規(guī)劃理論的不斷完善，城市三維模型技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用前景會越來越廣。

參考文獻：

[1]劉玉潔. 城市三維模型及其在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[D].天津：天津師范大學(xué)，2014.

[2]謝永達(dá). 三維城市模型的構(gòu)建及其在規(guī)劃中的應(yīng)用研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[3]王軍，周偉，田鵬，李娜. 城市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J]. 工程勘察，2010，（11）：56-61.

[4]張坤. 城市三維景觀模型構(gòu)建與應(yīng)用研究[D].長沙：中南大學(xué)，2007.

[5]黃鐸. 三維城市模型的數(shù)據(jù)內(nèi)容[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.

[6]黃輝. 城市三維模型用于城市規(guī)劃的可行性及對策探討[J]. 江西建材，2015，08：46.

[7]汪旻琦. 城市三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用研究[J]. 甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，06：46-49.

[8]劉思璇. 三維城市規(guī)劃輔助系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[D].長沙：中南大學(xué)，2012.

[9]李大超. 利用三維仿真技術(shù)輔助城市規(guī)劃決策[J]. 城市勘測，2011，（04）：40-42.

作者簡介：

王灝翔，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生。研究方向：城市規(guī)劃。