基于服務(wù)共享的三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)及其應(yīng)用

馬 濤，梁 磊，陳宏宇

（1.眉山市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，四川 眉山 620020；2.四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100）

基于服務(wù)共享的三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)及其應(yīng)用

馬 濤1，梁 磊2，陳宏宇1

（1.眉山市城鄉(xiāng)規(guī)劃局，四川 眉山 620020；2.四川省第二測繪地理信息工程院，四川 成都 610100）

針對當(dāng)前規(guī)劃業(yè)務(wù)三維模型數(shù)據(jù)共享困難、模型更新機制不足等問題，通過對三維模型精細程度劃分及覆蓋策略，模型數(shù)據(jù)分層及三維數(shù)據(jù)組織等關(guān)鍵技術(shù)的研究，基于地理信息公共平臺發(fā)布數(shù)據(jù)共享服務(wù)，結(jié)合規(guī)劃行業(yè)業(yè)務(wù)需求，采用．NET編程技術(shù)、二三維開發(fā)組件技術(shù)，編程實現(xiàn)了三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)；并以眉山市主城區(qū)為實驗區(qū)驗證其適用性。實踐證明，該系統(tǒng)在一定程度上提高了規(guī)劃單位城市規(guī)劃管理業(yè)務(wù)處理的工作效率和信息化管理水平。

模型分層；三維模型數(shù)據(jù)組織；地理信息公共平臺；規(guī)劃管理

近年來，隨著國內(nèi)城市建設(shè)的高速發(fā)展，對城市規(guī)劃業(yè)務(wù)提出了新的需求。傳統(tǒng)的城市規(guī)劃與設(shè)計是通過規(guī)劃設(shè)計平面圖、效果圖、沙盤模型和三維動畫來展示規(guī)劃設(shè)計成果的，這種方式在設(shè)計時需要從圖紙中采集大量指標數(shù)據(jù)，手工計算量大，計算結(jié)果不可視，設(shè)計過程和規(guī)劃決策效率低。因此，應(yīng)用 Web技術(shù)、GIS技術(shù)、遙感技術(shù)和計算機圖形學(xué)技術(shù)建設(shè)輔助城市規(guī)劃的三維地理信息系統(tǒng)，在虛擬的三維環(huán)境中，用動態(tài)和交互的方式進行城市規(guī)劃和管理，對構(gòu)建城市數(shù)字化應(yīng)用有著重要的意義[1]。

近年來，針對三維規(guī)劃輔助決策的研究較為廣泛，如文獻[2]～[4]。他們對基于三維規(guī)劃輔助管理的研究相對深入，但對規(guī)劃業(yè)務(wù)的三維模型數(shù)據(jù)共享以及模型更新等方面研究不足。

本文在地理信息公共平臺提供的基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)共享服務(wù)和三維模型數(shù)據(jù)共享服務(wù)基礎(chǔ)上，結(jié)合規(guī)劃部門業(yè)務(wù)流程需求，運用空間數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)信息等技術(shù)，開發(fā)了一個集數(shù)據(jù)采集、城市地物三維建模、三維可視化管理分析、城市規(guī)劃管理業(yè)務(wù)處理一體化的信息管理系統(tǒng)，為城市規(guī)劃管理部門和社會公眾提供具有真實感、數(shù)字化的城市空間信息，以實現(xiàn)城市三維模擬，從而滿足現(xiàn)代城市精細管理的要求，實現(xiàn)城市規(guī)劃管理支持，輔助規(guī)劃決策。

1 數(shù)據(jù)組織管理

1.1 三維模型精細程度劃分及覆蓋策略

城市三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)分為三維地形建模、重點區(qū)域標志性建筑的精細建模和大區(qū)域建筑群的簡單建模；地形模型用兩個精度級別表示。三維地形建模采用DEM數(shù)據(jù)與航片或DOM數(shù)據(jù)疊加生成，從1∶500 地形圖提取高程點、房屋邊線、水涯線、斜坡坡頂線、斜坡坡腳線、上堡坎線和下堡坎線等數(shù)據(jù)，人工交互構(gòu)建三維地形模型。重點區(qū)域標志性建筑是指城市中的一些重點建筑物，包括城市中知名度高的名勝古跡、地標性建筑、城市中主干道兩旁的主要建筑物、主干路十字路口的主要建筑等；在建模時需重點突出表現(xiàn)，保證模型能準確地表現(xiàn)建筑物的幾何實體結(jié)構(gòu)和重要細節(jié)。大區(qū)域建筑群的簡單建模是通過體塊模型表示，用算法批量建立體塊模型，保證大規(guī)模三維模型在平臺上運行的流暢性[4]。

1.2 三維模型分層組織策略

三維仿真模型在分塊的基礎(chǔ)上需按層來管理，既便于模型數(shù)據(jù)的查詢和分析，又便于場景的調(diào)度和管理，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的目錄管理和分層顯示。城市三維模型包括地形模型、建筑模型、道路模型、水系模型、植被模型、地下空間設(shè)施模型以及其他模型等[5]，分層如表1所示。

表1 三維模型數(shù)據(jù)分層

1.3 三維模型建庫及更新策略

由于采用文件方式管理模型數(shù)據(jù)缺乏基本的查詢和統(tǒng)計分析功能，難以實現(xiàn)模型的高效管理，本文將FTP服務(wù)器結(jié)合模型目錄索引實現(xiàn)了模型的快速查詢和統(tǒng)計。

根據(jù)建筑模型類別，結(jié)合模型精細程度、所屬行政區(qū)劃和現(xiàn)勢性、模型編號等建立文件數(shù)據(jù)庫，考慮到模型文件數(shù)據(jù)量較大，且主要是針對中心城區(qū)建筑的模型，因此采用分區(qū)的方式進行存儲管理，以限制單個數(shù)據(jù)庫表數(shù)據(jù)量的大小。采用FTP服務(wù)器分類分級分區(qū)的方式進行組織，對三維模型數(shù)據(jù)進行標準化和規(guī)范化統(tǒng)一整理，將數(shù)據(jù)存儲在文件數(shù)據(jù)庫。由于FTP服務(wù)器采用文件存儲目錄結(jié)構(gòu)的存儲，因此需要考慮設(shè)計一個良好的文件目錄檢索機制，以便對文件目錄進行快速高效的檢索。對于地形模型等空間成果數(shù)據(jù)，根據(jù)模型精細程度、所屬行政區(qū)劃和現(xiàn)勢性、模型編號建立要素類，并結(jié)合關(guān)聯(lián)ID建立空間目錄索引，實現(xiàn)方便快捷地查詢統(tǒng)計數(shù)據(jù)覆蓋范圍情況的目的?？臻g目錄數(shù)據(jù)庫基于大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle存儲和管理，以ArcSDE為空間數(shù)據(jù)庫引擎進行數(shù)據(jù)操作，空間目錄數(shù)據(jù)采用SDE的要素類形式存儲，每個區(qū)域、類別的數(shù)據(jù)都是一個要素類，具體流程如圖1所示 。

圖1 三維模型建庫流程

對于小面積的或平面精度要求較高的區(qū)域，利用已有的地形圖數(shù)據(jù)、二維規(guī)劃數(shù)據(jù)，通過外業(yè)采集建筑物的平面位置坐標、高程數(shù)據(jù)和側(cè)面紋理；再采用建模軟件完成城市三維模型數(shù)據(jù)生產(chǎn)；然后根據(jù)建筑類別、所屬區(qū)劃，更新替換文件庫的原始模型。對于新增規(guī)劃建設(shè)項目，通過建設(shè)單位提供的三維電子報建，完成局部更新[6]。

1.4 規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與空間數(shù)據(jù)管理

城市規(guī)劃數(shù)據(jù)包括規(guī)劃成果數(shù)據(jù)、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)和綜合管線數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要是以紙質(zhì)或AutoCAD形式存儲，需要將規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標準通用格式，方便各業(yè)務(wù)系統(tǒng)調(diào)用。規(guī)劃業(yè)務(wù)所需空間數(shù)據(jù)包括二維基礎(chǔ)地理信息矢量數(shù)據(jù)、正射影像、DEM以及三維模型數(shù)據(jù)等，采用分層管理模式存儲，二維數(shù)據(jù)與三維數(shù)據(jù)通過要素ID關(guān)聯(lián)，從而實現(xiàn)二三維一體化管理[7]。

2 空間數(shù)據(jù)標準服務(wù)接口

2.1 網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)接口

網(wǎng)絡(luò)影像服務(wù)（WMS）屬于OGC標準之一。此標準主要定義了用于創(chuàng)建和顯示地圖圖像的三大操作：GetCapabilities 、GetMap和GetFeaturelnfo；其中GetMap為核心操作。系統(tǒng)涉及到的數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、航攝影像及衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)一的開放的WMS接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新和交換，并能基于標準規(guī)范進行數(shù)據(jù)的地理信息共享分發(fā)服務(wù)[8]。

2.2 網(wǎng)絡(luò)矢量數(shù)據(jù)服務(wù)接口

網(wǎng)絡(luò)矢量數(shù)據(jù)服務(wù)（WFS）的提出，是為了規(guī)范對OpenGIS簡單要素的數(shù)據(jù)編輯操作，從而使得服務(wù)器端和客戶端能夠在要素層面進行“通信”[8]。與返回地圖圖像的OGCWeb地圖服務(wù)不同，WFS服務(wù)返回的是帶有幾何屬性的實際要素，利用WFS接口實現(xiàn)規(guī)劃業(yè)務(wù)專題數(shù)據(jù)發(fā)布，并結(jié)合用戶驗證Token，使得擁有相應(yīng)權(quán)限的用戶才能將這些要素與屬性用于任何類型的地理空間分析。

2.3 三維空間數(shù)據(jù)服務(wù)接口

在三維地理信息領(lǐng)域，基于服務(wù)的共享，統(tǒng)一的OGC標準尚未正式發(fā)布，不同的三維平臺有各自的三維服務(wù)接口，本系統(tǒng)采用Skyline的TerraBuilder對多種格式的多源數(shù)據(jù)進行操作和集成，不限大小和分辨率，通過統(tǒng)一坐標系定位，創(chuàng)建一個單一的優(yōu)化的MPT場景文件，便于以流方式發(fā)布三維數(shù)據(jù)集。通過SFS能把shapefile、SDE、Oracle和SQL Server等矢量文件或數(shù)據(jù)表發(fā)布成WFS服務(wù)，可把影像發(fā)布成WMS服務(wù)。在建好Data Source后可以作為一個單獨的文件圖層進行查看和疊加分析。

3 三維規(guī)劃輔助管理機制

規(guī)劃行政主管部門對建設(shè)項目的規(guī)劃管理工作主要包括建筑工程選址規(guī)劃管理、建設(shè)工程用地規(guī)劃管理、建設(shè)工程規(guī)劃管理和建設(shè)工程竣工核實管理4部分?；谌S規(guī)劃輔助系統(tǒng)，以這4項管理工作的應(yīng)用需求為出發(fā)點進行功能開發(fā)，使規(guī)劃管理業(yè)務(wù)流程與平臺有機融合，實現(xiàn)了三維可視化項目選址及用地管理、工程項目建設(shè)方案三維電子報建審批和工程項目竣工后三維規(guī)劃核實管理[4]?；谄脚_的規(guī)劃行政管理業(yè)務(wù)流程如圖2 所示。

圖2 規(guī)劃行政管理業(yè)務(wù)流程

4 技術(shù)路線

技術(shù)路線主要包括數(shù)據(jù)生產(chǎn)、數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)布和系統(tǒng)研發(fā)等。首先對三維建模區(qū)域進行資料收集、劃分模型和外業(yè)采集等，完成三維模型數(shù)據(jù)的生產(chǎn)及建庫；然后將規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫和三維模型數(shù)據(jù)庫整合到地理信息公共平臺中，通過平臺發(fā)布數(shù)據(jù)服務(wù)接口；最后結(jié)合規(guī)劃行業(yè)業(yè)務(wù)需求采用．NET編程技術(shù)和二三維開發(fā)組件技術(shù)，編程實現(xiàn)系統(tǒng)功能，技術(shù)路線如圖3所示。

圖3 技術(shù)路線圖

5 應(yīng)用實例

根據(jù)系統(tǒng)技術(shù)路線和編程技術(shù)，以眉山市地理信息公共平臺數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，研發(fā)實現(xiàn)了三維規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了二維地圖與三維場景的實時聯(lián)動、規(guī)委會方案評審及決策、規(guī)劃管理、三維場景快捷瀏覽和查詢、三維模擬、大數(shù)據(jù)量的分析與統(tǒng)計等功能。系統(tǒng)初始化加載眉山市主城區(qū)三維模型數(shù)據(jù)和影像地圖。圖4為數(shù)據(jù)管理界面，該模塊主要實現(xiàn)紅線管理、地名搜索和加載遠程數(shù)據(jù)功能。圖5為輔助決策界面，該模塊提供方案對比功能，調(diào)用三維場景并加載建筑單體方案三維模型，可對不同的單體方案進行多屏比較和聯(lián)動，輔助業(yè)務(wù)處室審批人員決策。

圖4 紅線管理界面

圖5 方案對比界面

[1] 龔競,張新長,唐楨．三維城市規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究[J]．測繪通報,2010(6)∶51-53

[2] 李德仁,趙中元,趙萍．城市規(guī)劃三維決策支持系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]．武漢大學(xué)學(xué)報(信息科學(xué)版),2011,36(5)∶507-508

[3] 唐楨,張新長,曹凱濱．基于Skyline的三維技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J]．測繪通報,2010(5)∶10-11

[4] 王昌翰．面向規(guī)劃管理的重慶都市區(qū)三維模型數(shù)據(jù)庫建設(shè)[J]．測繪通報,2014(2)∶107-108

[5] 萬幼,邊馥苓． 二三維聯(lián)動的 GIS 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)構(gòu)建技術(shù)[J]．地理信息世界,2008(2)∶48-52

[6] 馮琰,郭容寰,汪旻琦,等．三維城市模型數(shù)據(jù)組織與管理方法研究[J]．測繪科學(xué),2011,36(1)∶215-217

[7] 危擁軍．三維 GIS 數(shù)據(jù)組織管理及符號化表示研究[D]．鄭州∶信息工程大學(xué),2006

[8] 李鴻祥．三維城市規(guī)劃輔助決策支持系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]．廈門∶廈門大學(xué),2013

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B

1672-4623（2016）09-0035-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.09.011

馬濤，工程師，注冊測繪師，主要研究方向為城市規(guī)劃和數(shù)字城市應(yīng)用。

2015-07-03。

項目來源：數(shù)字制圖與國土信息應(yīng)用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金資助項目（DM2014SC08）。