基于GIS的城市規(guī)劃三維輔助系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐正國，劉　新（山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

基于GIS的城市規(guī)劃三維輔助系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐正國，劉新
（山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

近幾年來，我國城市建設(shè)所面臨的空間規(guī)劃和空間決策日趨復(fù)雜，傳統(tǒng)的基于效果圖和二維平面圖的規(guī)劃決策已適應(yīng)不了城市建設(shè)發(fā)展的步伐。在真實現(xiàn)狀三維環(huán)境和真實虛擬規(guī)劃模型相結(jié)合的技術(shù)方法的基礎(chǔ)上結(jié)合城市規(guī)劃審批業(yè)務(wù)，研究了多種三維空間分析技術(shù)，開發(fā)了實用的系統(tǒng)，并投入工程化應(yīng)用，取得了良好的效果。

城市規(guī)劃；三維GIS；核心業(yè)務(wù)；三維空間分析

過去城市規(guī)劃是基于二維GIS的，且規(guī)劃成果多是圖片、文字和CAD圖件。三維GIS具有空間信息展示更為直觀、空間分析更為強(qiáng)大的特點，運(yùn)用三維GIS技術(shù)提供的虛擬環(huán)境、實時多方案比較、日照分析、方案展示等功能，能夠使政府規(guī)劃部門、項目開發(fā)商、公眾等從虛擬環(huán)境中看到真實的規(guī)劃效果，這樣會使得決策者的宏觀決策更加科學(xué)，公眾的參與也可真正實現(xiàn)。

一、數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

1.數(shù)據(jù)分類

數(shù)據(jù)主要包括三維模型、規(guī)劃數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)。

2.三維模型

三維模型主要包括建筑、樹木、水、道路、路燈、小品等。

3.規(guī)劃數(shù)據(jù)

規(guī)劃數(shù)據(jù)包括以下四類：社會經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計數(shù)據(jù)、規(guī)劃專題數(shù)據(jù)、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)和文檔資料。如圖1所示。

圖1　規(guī)劃數(shù)據(jù)列表

4.基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)主要包括DEM數(shù)據(jù)、DOM數(shù)據(jù)、路網(wǎng)數(shù)據(jù)、地名地址數(shù)據(jù)、電子地圖數(shù)據(jù)等。

二、三維空間分析方法

1.通視分析

通視分析包括兩種情況：一個是兩點中或者多點之間的可視性分析；另一個是可視域分析，即對于給定的觀察點，分析觀察所覆蓋的區(qū)域。點對點的通視分析方法最常用的是視線分析法，先求視線方向的剖面線，然后以剖面線是否與觀察點和目標(biāo)點所在的直線相交為依據(jù)來判斷是否通視，兩種分析過程如圖2所示?？梢曈虻耐ㄒ暦治鍪屈c低點通視分析方法的擴(kuò)展。

圖2　通視分析

2.日照分析

日照分析有兩個關(guān)鍵點：一是太陽高度角和方位角如何確定；二是陰影如何生成。陰影生成問題目前主要有三類方法：陰影貼圖算法、平面投影算法和陰影體算法。平面投影算法計算非常簡單，速度非?？欤秉c是過于簡化了場景的幾何信息，使其無法準(zhǔn)確將陰影投射到曲面和高低起伏的地形上去；陰影貼圖算法實現(xiàn)簡單、快速，非常適合復(fù)雜場景的渲染，但處理動態(tài)光源（或動態(tài)物體）時開銷很大，且容易出現(xiàn)陰影邊緣有嚴(yán)重鋸齒的現(xiàn)象；陰影體算法可以實現(xiàn)邊緣非常清晰的影子，質(zhì)量比較高，但處理過程復(fù)雜，適合小場景的陰影渲染。在具體實現(xiàn)時，需結(jié)合日照分析的特點和當(dāng)?shù)貙嶋H情況進(jìn)行優(yōu)化。首先需要通過計算生成陰影的模型的包圍盒來確定影響區(qū)域，減少后續(xù)的計算量，然后根據(jù)經(jīng)驗給出一個閾值，如果模型數(shù)量超過閾值，則采用陰影貼圖算法生成陰影區(qū)域，否則采用陰影體算法得出陰影區(qū)域。

3.土方量分析

土方量的計算是指在求取在一定區(qū)域范圍內(nèi)設(shè)計標(biāo)高與自然地面實測標(biāo)高之間挖或填的土方體積，目前有DTM法、方格網(wǎng)法、斷面法和等高線法四種土方量計算方法。DTM法精度最高，適合地形起伏大、精度要求高的地區(qū)的土方量計算，缺點是模型復(fù)雜；方格網(wǎng)法計算土方量的數(shù)據(jù)量小，計算速度快，精度較高，適合較平坦的平原區(qū)；斷面法精度不高，適用于狹長地帶，如公路、水渠等，缺點是限制條件多；而等高線法多用于概算山地的土方量。由于方格網(wǎng)法簡明直觀，可生成挖填線，而且城市內(nèi)多平坦地區(qū)，因此在城市規(guī)劃中最適合用方格網(wǎng)法。

4.路徑分析

最短路徑不僅僅是指一般地理意義上的距離最短，還可以引申到其他的度量，如時間、費(fèi)用、線路容量等，所以有時也稱為最優(yōu)路徑分析。首先利用手動輸入或圖上點擊的方法獲得起點和終點的坐標(biāo)，然后調(diào)用相關(guān)服務(wù)得到起點到終點間的折點數(shù)組，接著借助DEM數(shù)據(jù)根據(jù)折點數(shù)組的X、Y坐標(biāo)獲取其Z值信息并放入數(shù)組內(nèi)，最后利用NewMap Earth API中的Polyline類，將起點和終點間的折線段繪制在三維場景中，從而獲得隨地形起伏的起點到終點的路徑。

5.剖面分析

剖面表示表面高程沿某條線（截面）的變化。首先畫一條線，確定采樣間隔；然后根據(jù)采樣間隔獲取到各采樣點的X、Y坐標(biāo)，并根據(jù)DEM獲取其高程信息；最后，根據(jù)采樣點數(shù)據(jù)繪制剖面線。

三、核心業(yè)務(wù)

結(jié)合城市規(guī)劃的審批和決策流程，系統(tǒng)實現(xiàn)了從報建項目申請、項目資料提交、項目審批及方案討論、項目公示全流程。下面是系統(tǒng)中項目管理中的功能模塊，如下圖3。

圖3　項目和方案功能模塊

業(yè)務(wù)流程如下：首先根據(jù)申請人提供的資料，建立項目節(jié)點。同時將項目位置、項目紅線、項目各項控規(guī)指標(biāo)、有關(guān)項目介紹的多媒體信息（圖片、音頻、視頻）等存儲到數(shù)據(jù)庫中，然后將該項目存在的多個方案的方案指標(biāo)、方案信息、平面效果圖等也存儲到數(shù)據(jù)庫中。通過項目資料整理入庫這一環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了項目材料完備性檢查，同時便于以后的數(shù)據(jù)查找和統(tǒng)計分析。其次，政府工作人員就每個方案的細(xì)節(jié)及差異，借助三維分析手段，在三維場景中直觀真實地顯示出來。一方面可以查看申請人所提供方案是否符合國家和當(dāng)?shù)氐姆煞ㄒ?guī)；另一方面有助于工作人員進(jìn)行細(xì)致的對比、討論，進(jìn)行科學(xué)決策，給出評審意見。例如在系統(tǒng)中使用日照分析功能時，需先選定具體日期和起止時間，然后在這一時間段內(nèi)動態(tài)演示選中建筑物的日照情況，并統(tǒng)計出該時間段內(nèi)的日照總時間，檢測建筑物的高度、建筑物間距等指標(biāo)，從而判斷該建筑物相對于周邊環(huán)境是否合適；視域分析功能可以查找給定的范圍內(nèi)觀察點所能通視覆蓋的區(qū)域，可用于查看建筑物某個房間的視野情況、設(shè)置雷達(dá)站、設(shè)置電視臺的發(fā)射站等；淹沒分析功能可以模擬洪水來臨時，虛擬規(guī)劃模型被淹沒的情況，從而評估其選址是否科學(xué)合理；方案對比功能可通過多個屏幕上同時顯示不同方案，更便于工作人員直觀地感受方案的差異，比如每個方案中模型的建設(shè)風(fēng)格、與周圍環(huán)境的融洽性、日照情況等，并從中選出最優(yōu)方案；基本量測功能可通過在三維場景直接測量，了解每個虛擬規(guī)劃模型的具體參數(shù)，如樓高、基座的面積、每層樓的高度等。如果評審?fù)ㄟ^，則以填寫的項目資料為依據(jù)，進(jìn)行項目的監(jiān)督及追蹤記錄，否則進(jìn)一步修改方案，并討論直至通過。最后，項目在政府監(jiān)管下，如果通過評審驗收，則項目被標(biāo)記為結(jié)束，否則需要進(jìn)行修改，直至通過驗收。項目報建審批流程如下圖4。

圖4　項目報建審批流程

四、系統(tǒng)建設(shè)

1.系統(tǒng)設(shè)計

在總結(jié)二維GIS應(yīng)用的基礎(chǔ)上，安康市規(guī)劃管理信息系統(tǒng)運(yùn)用計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、地理信息系統(tǒng)、虛擬現(xiàn)實等技術(shù)手段，進(jìn)行面向規(guī)劃的三維GIS系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)，使規(guī)劃部門可以在三維虛擬城市中實現(xiàn)規(guī)劃選址、規(guī)劃評估、規(guī)劃審核及項目管理等業(yè)務(wù)，為實現(xiàn)規(guī)劃的精細(xì)化管理和科學(xué)化決策提供強(qiáng)有力的技術(shù)保障。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.功能設(shè)計

（1）功能概述

系統(tǒng)的總體功能包括圖層管理、三維瀏覽、信息查詢、場景效果、城市規(guī)劃、規(guī)劃選址、規(guī)劃審核、高級功能、后臺管理9大部分。

（2）圖層管理

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)分類，在系統(tǒng)左側(cè)的圖層管理面板中設(shè)置了4個根目錄，其中包括三維模型、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)，規(guī)劃信息和其他。每個根目錄又包含子目錄，用戶可通過目錄前的勾選框，根據(jù)實際需要控制相應(yīng)圖層的顯示與隱藏。

（3）三維瀏覽

系統(tǒng)具有城市場景快速展示的能力，用戶可從任意角度瀏覽三維場景，也可以查看當(dāng)前坐標(biāo)和視角，以及可通過輸入坐標(biāo)進(jìn)行快速定位。

（4）信息查詢

在信息查詢中，三維輔助規(guī)劃系統(tǒng)不僅可以進(jìn)行地名地址、控制性詳細(xì)規(guī)劃等查詢二維GIS數(shù)據(jù)的屬性信息，也可通過點選或框選的方式選擇某個或某些模型，查詢該模型對應(yīng)的屬性信息，例如建筑物的視頻介紹、位置信息等。

（5）場景效果

可以查看在不同天氣（晴天、小雨、中雨、大雨、小雪、中雪、大雪、大霧、傍晚等）效果下的城市景觀，也可以查看城市天際線，同時可以通過飛行漫游、特定場景等方式進(jìn)行快速瀏覽和定位，并可進(jìn)行場景效果的出圖。

（6）城市規(guī)劃

主要包括規(guī)劃編制瀏覽、模擬規(guī)劃兩大部分。規(guī)劃編制瀏覽主要是指控制性詳細(xì)規(guī)劃和城市總體規(guī)劃的顯示。模擬規(guī)劃主要包括文本標(biāo)注、二維標(biāo)注、三維標(biāo)注、疊加圖層、路網(wǎng)規(guī)劃、復(fù)制對象等，其主要目的是對三維場景進(jìn)行信息的標(biāo)注、本地圖層的疊加顯示，進(jìn)行模擬規(guī)劃以輔助決策。

（7）高級功能

高級功能主要包括二三維聯(lián)動、用戶數(shù)據(jù)、文檔查看、模型紋理庫、下載中心、版本信息。其中用戶數(shù)據(jù)主要是用于展示用戶標(biāo)注、特定場景、飛行漫游路線、運(yùn)動路線；文檔查看用于輔助規(guī)劃部門向上級領(lǐng)導(dǎo)演示匯報；模型紋理庫類似于符號庫，用于顯示現(xiàn)有的模型紋理分類。

（8）后臺管理

后臺管理主要對各種數(shù)據(jù)和用戶權(quán)限進(jìn)行配置與管理。

該系統(tǒng)于2015年10月份開始進(jìn)行部署測試，于2015年年底通過驗收。該系統(tǒng)具有操作簡便、與核心業(yè)務(wù)結(jié)合緊密、場景真實逼真、功能眾多等優(yōu)點，已在政府決策中發(fā)揮了重要作用，得到了各級領(lǐng)導(dǎo)的認(rèn)可。目前這個系統(tǒng)中還存在功能模塊分類混亂、三維分析不夠深入、數(shù)據(jù)遷移困難等缺點，在以后的建設(shè)過程中，需解決上述存在的問題，不斷完善系統(tǒng)，最終實現(xiàn)用戶由二維系統(tǒng)向三維系統(tǒng)的無縫過渡。

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A

1673-0046（2016）8-0179-03