基于三維地理信息系統(tǒng)的城市規(guī)劃技術(shù)

姜峰

煙臺市規(guī)劃設(shè)計(jì)院（煙臺市城市規(guī)劃編研中心） 山東 煙臺 265400

引言

城市是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，是社會分工和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展到特定階段的必然產(chǎn)物?，F(xiàn)代化的城市是現(xiàn)代文明發(fā)展的一個重要標(biāo)志，體現(xiàn)了國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實(shí)力、綜合管理能力?，F(xiàn)代化城市不僅體現(xiàn)在三維空間上的聚集性，還體現(xiàn)在高度集約性和整體結(jié)構(gòu)的開放性。城市信息數(shù)據(jù)量急劇增加，信息被快速地進(jìn)行存儲、分析和交換，信息的變化方式復(fù)雜，城市規(guī)劃面臨著更高的要求，需要不斷探索先進(jìn)的技術(shù)方案，獲取、存儲、管理、分析、挖掘城市的三維地理空間、經(jīng)濟(jì)、文化等信息，為城市規(guī)劃決策提供前瞻化、集成化的綜合信息管理能力[1]。城市規(guī)劃的新形勢，三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）需要具有全面的數(shù)據(jù)收集體系、數(shù)據(jù)存儲體系、數(shù)據(jù)管理體系和數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)應(yīng)用體系，以及數(shù)據(jù)實(shí)時更新的循環(huán)體系。本文探究當(dāng)前的GIS技術(shù)發(fā)展的方向，歸納三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）的城市規(guī)劃技術(shù)的基本模式和技術(shù)特點(diǎn)，提出了三維地理空間數(shù)據(jù)（地形模型、地下管線模型、地表對象模型）規(guī)劃技術(shù)的框架體系、數(shù)據(jù)存儲和分析體系、功能可視化體系和運(yùn)行維護(hù)更新方案等。

數(shù)字城市是未來城市發(fā)展的趨勢，對基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃、建設(shè)和管理具有更高的要求。三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）為數(shù)字城市基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃提供新的技術(shù)手段。衛(wèi)星遙感技術(shù)已經(jīng)突破到更高的分辨率，具有更強(qiáng)的獲取和實(shí)時更新地理信息的能力；以光纖寬帶和通信衛(wèi)星為基礎(chǔ)的信息傳輸和交換能力；數(shù)據(jù)分布式存儲和分析能力；三維數(shù)據(jù)建立、仿真、可視化、虛擬化能力，為三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展提供了基礎(chǔ)。建立三維地理信息系統(tǒng)，可為城市規(guī)劃技術(shù)提供重要支撐。

1 三維地理信息系統(tǒng)建設(shè)及其特點(diǎn)

三維城市模型發(fā)展于國外城市建設(shè)過程中，成功的例子包含紐約曼哈頓城市模型，東京局部地區(qū)。紐約曼哈頓三維城市模型主要是應(yīng)用于土地規(guī)劃、環(huán)境變化評估、城市天際線研究等，東京三維模型用于空氣檢測、災(zāi)難檢測和預(yù)警、城市全景數(shù)字可視化。三維地理信息系統(tǒng)發(fā)展主要是基于衛(wèi)星圖片、航拍信息等數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)和三維數(shù)字模型。三維地理信息系統(tǒng)（3DGIS）主要包括以下特點(diǎn)[2]：

1.1 數(shù)據(jù)量大，管理范圍大

城市規(guī)劃涉及較大地域空間的范圍，一般為幾百平方公里的地域空間，有些城市甚至可以涉及幾萬平方公里，地域空間信息主要由3個層次的環(huán)境信息、自然生態(tài)環(huán)境、社會經(jīng)濟(jì)環(huán)境和人工建筑環(huán)境。自然生態(tài)環(huán)境信息主要涉及城市地理位置、規(guī)劃城市周邊地貌、地質(zhì)、水文氣象、動植物分布、自然資源和環(huán)境；社會環(huán)境信息主要包括經(jīng)濟(jì)、科技、文化、歷史、人口、道德和民族風(fēng)格等因素；人工建筑環(huán)境信息包括已存在的建筑和道路、地下和地表管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等。數(shù)據(jù)信息格式和維度多樣化，致使數(shù)據(jù)獲取的方式也是多樣化的，三維地理信息體統(tǒng)管理的數(shù)據(jù)是海量的，一般都達(dá)到TB量級。

1.2 問題多樣化，需多尺度無縫連接的數(shù)據(jù)支撐

地表層不僅包含自然生態(tài)環(huán)境，而且還涉及人工建筑環(huán)境，環(huán)境復(fù)雜，地理細(xì)節(jié)不易察覺。地理信息是對地表環(huán)境的近似描述，程度和多維度的尺度地理信息相關(guān)，不同程度的近似描述體現(xiàn)地理信息及其附屬信息抽象尺寸。城市的不同尺度（宏觀層次、微觀層次）、不同層次（全系統(tǒng)層面、局部層面、子系統(tǒng)層面和孫系統(tǒng)層面）、不同主題等信息之間具有多尺度多層次的聯(lián)系和交互，需要建立三維地理信息系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)。

1.3 交互式動態(tài)可視化支持決策

認(rèn)識和改造世界的基礎(chǔ)便是對空間信息的運(yùn)用。圖形化的形式是空間信息的主要儲存方式。二維圖像界面抽象地展示了空間信息，需要立體化思維將抽象的信息豐富為三維模型。地理信息是實(shí)時變化的，同時變化具有多樣性，需要交互式動態(tài)可視化的界面支持城市規(guī)劃的決策。三維GIS因?yàn)榫哂卸喑叽?、多維度、動態(tài)交互、實(shí)時可視化的平臺，體現(xiàn)更多更豐富的地理信息，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，可以快速準(zhǔn)確地做出決策，解決空間布局問題。空間信息的分析過程，往往是復(fù)雜、動態(tài)和抽象的，在數(shù)量繁多、關(guān)系復(fù)雜的空間信息面前，二維GIS的空間分析功能常具有一定的局限性，如淹沒分析、地質(zhì)分析、日照分析、空間擴(kuò)散分析、通視性分析等高級空間分析功能，二維GIS是無法實(shí)現(xiàn)的。由于三維數(shù)據(jù)本身可以降維到二維，因此三維GIS自然也能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS強(qiáng)大的多維度空間分析功能，不僅是GIS空間分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分體現(xiàn)了GIS的特點(diǎn)和優(yōu)越性。

2 三維地理信息數(shù)據(jù)獲取技術(shù)

三維GIS研究空間對象之間的關(guān)系，要客觀、準(zhǔn)確地描述和分析空間對象三維信息，可視化空間對象的信息。三維GIS不僅要有海量空間數(shù)據(jù)存儲和分析能力，還要具有模擬虛擬現(xiàn)實(shí)的三維可視化效果。三維GIS系統(tǒng)涉及的三維數(shù)據(jù)的收集、存儲、分析、可視化等內(nèi)容。根據(jù)知覺方式將空間尺寸進(jìn)行劃分，分為圖形、街景、環(huán)境和地理空間。圖形空間需建立一個觀察點(diǎn)進(jìn)行全面感知；街景空間是在觀察點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過改變觀察角度進(jìn)行感知或掃描；環(huán)境空間是建立在多個觀察點(diǎn)，通過在空間內(nèi)變動，獲取多個觀察點(diǎn)的感知，形成知覺空間，知覺空間的拼接和疊加，形成認(rèn)知空間，得到完整的空間知覺；地理空間難以通過親身觀察獲得直接的空間感知，需將地圖、三維模型等空間信息縮減為空間圖形信息，從而感知得到。

三維地理信息數(shù)據(jù)獲取技術(shù)可以按照數(shù)據(jù)源和建筑重建方法進(jìn)行分類。按建筑物三維模型的重建方法主要分為3類，分別為地圖、圖像和點(diǎn)群；按照數(shù)據(jù)源，分為遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)（衛(wèi)星圖像、航空圖形、空載激光掃描等）、近距離數(shù)據(jù)（近景拍照、人工實(shí)測、近距離激光掃描）和GIS/CAD模型數(shù)據(jù)[3]。大范圍三維地理空間信息主要是通過遙感衛(wèi)星和機(jī)載激光立體掃描獲取；公路、鐵路和溝渠等條帶區(qū)域數(shù)據(jù)信息主要是通過車載激光掃描和數(shù)字?jǐn)z影測量獲?。唤ㄖ锔呔葦?shù)據(jù)主要通過地面拍照測量和激光近距離三維掃描獲?。豢臻g對象的側(cè)面紋理主要是通過傾斜航空攝影技術(shù)獲得。

高分辨率遙感信息分析、虛擬地理環(huán)境的建模和地理空間認(rèn)知與互聯(lián)網(wǎng)中地理信息相結(jié)合，優(yōu)先獲取地理細(xì)節(jié)在不同尺度下的地理概念、認(rèn)知和表達(dá)動態(tài)現(xiàn)象、空間信息參照的多模式和多框架、地理實(shí)體的本體、漫游的虛擬空間、圖形圖表的顯示和推理、GIS認(rèn)知的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)等內(nèi)容。

3 三維地理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

城市三維地理信息是城市管理的關(guān)鍵，核心則是構(gòu)件三維地理數(shù)據(jù)模型。城市三維模型是將地理自然環(huán)境和人文要素按照歸一化的坐標(biāo)拼接為可視化三維模型[4]。三維空間要素、時間維度和社會經(jīng)濟(jì)等信息，共同構(gòu)成了空間、時間和經(jīng)濟(jì)信息網(wǎng)絡(luò)化多維度的一體數(shù)字城市信息平臺。三維地理信息系統(tǒng)采用多層結(jié)合的技術(shù)體系，整體系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)可分為數(shù)據(jù)獲取和處理、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層、服務(wù)層和應(yīng)用層五個層次設(shè)計(jì)，以及一個保障機(jī)制和一個安全機(jī)制。

3.1 數(shù)據(jù)獲取和處理

采用空天一體遙感、攝影測量、激光立體掃描等技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)存的地理空間信息資料，快速得到多數(shù)據(jù)源、多時態(tài)、多要素和多尺度的三維空間數(shù)據(jù)，便于建立多尺度全要素城市時態(tài)三維模型。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)源之間、數(shù)據(jù)與程序之間、程序與程序之間通信連接。網(wǎng)絡(luò)層之間建立加密技術(shù)，保障各個數(shù)據(jù)之間互聯(lián)互通時數(shù)據(jù)安全，網(wǎng)絡(luò)層作為安全和高效的物理通道，是三維地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互和共享的基礎(chǔ)。

3.3 數(shù)據(jù)層

基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)以及規(guī)劃專題數(shù)據(jù)等均保存在數(shù)據(jù)層，還負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的更新和管理[5]。在數(shù)據(jù)庫一體化管理系統(tǒng)上，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)多尺度全市域無縫管理數(shù)據(jù)，同時可以實(shí)現(xiàn)某個區(qū)域、某個類型甚至某個要素的數(shù)據(jù)更新。數(shù)據(jù)層可以實(shí)現(xiàn)多種格式數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地完整輸出，并支持在聯(lián)網(wǎng)情況下并發(fā)訪問與可視化三維操作。

3.4 服務(wù)層

服務(wù)層是數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層之間連接的橋梁，服務(wù)層將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)提取并傳遞給應(yīng)用層。服務(wù)層進(jìn)行多種組合，可以服務(wù)于不同的應(yīng)用層，當(dāng)新的地理信息應(yīng)用建立時，調(diào)取新的服務(wù)層組合，以支撐系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境。服務(wù)層的建立可以有效降低3DGIS系統(tǒng)的建設(shè)難度，從而將開發(fā)者的經(jīng)歷和時間更有效地服務(wù)于具體業(yè)務(wù)的開發(fā)應(yīng)用中，大大降低了開發(fā)成本，減少了數(shù)據(jù)資源的重復(fù)建設(shè)[6]。服務(wù)層主要提供目錄、影像、數(shù)據(jù)、信息查詢和元數(shù)據(jù)等服務(wù)內(nèi)容，分割開數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層，使數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層具有獨(dú)立性，便于提升系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

3.5 應(yīng)用層

作為系統(tǒng)框架的最頂層，應(yīng)用層包含兩個功能：一個功能為接收用戶的請求，將用戶請求進(jìn)行分解，將任務(wù)傳遞給服務(wù)層，將服務(wù)層進(jìn)行組合和調(diào)用；另一個功能為反饋處理結(jié)果，將服務(wù)層具有處理結(jié)果以影像的信息返回給用戶。應(yīng)用層根據(jù)行業(yè)和領(lǐng)域的不同，提供不同的應(yīng)用系統(tǒng)。

3.6 保障機(jī)制

整個3DGIS系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，需要規(guī)范化、流程化建立系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的良性循環(huán)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，需要標(biāo)準(zhǔn)化的各類數(shù)據(jù)、通用的接口、數(shù)據(jù)處理、管理方法和措施。

3.7 安全機(jī)制

數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和交換系統(tǒng)等硬件和軟件系統(tǒng)共同構(gòu)成了三維地理信息系統(tǒng)。整個系統(tǒng)涉及海量敏感的大比例尺城市數(shù)據(jù)運(yùn)行，涉及的系統(tǒng)比較復(fù)雜，對系統(tǒng)安全機(jī)制具有極高的要求。安全機(jī)制包括物理安全、網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全，涉及數(shù)據(jù)收集、存儲、傳輸和分析等一系列環(huán)節(jié)。

物理安全是指三維地理數(shù)據(jù)存儲和傳輸環(huán)境的安全，包括計(jì)算機(jī)軟硬件、機(jī)房設(shè)施和環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接和運(yùn)行等。冗余機(jī)制是保證物理安全的關(guān)鍵，包括不限于冗余數(shù)據(jù)儲存陣列、異地?cái)?shù)據(jù)備份、雙機(jī)熱備份等。

網(wǎng)絡(luò)安全分為局域網(wǎng)安全和廣域網(wǎng)安全。局域網(wǎng)用戶具有固定和可預(yù)知性，根據(jù)用戶的不同需求授予訪問權(quán)限[7]。局域網(wǎng)安全主要是對用戶身份識別安全和用戶信息存儲控制安全。廣域網(wǎng)是采用光纖將用戶進(jìn)行連接，對網(wǎng)絡(luò)輸出信息采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)、防火墻技術(shù)、用戶賬號等措施保障廣域網(wǎng)安全。

數(shù)據(jù)安全為對數(shù)據(jù)的讀寫、存儲等操作時進(jìn)行授權(quán)。根據(jù)用戶對數(shù)據(jù)操作的不同需求授予不同的操作權(quán)限。數(shù)據(jù)需要定期備份，并建立冗余機(jī)制。建立數(shù)據(jù)更改日志或記錄，保障數(shù)據(jù)操作的完整性和一致性。

4 結(jié)束語

城市規(guī)劃是一個復(fù)雜的工程，科學(xué)合理的規(guī)劃有利于提升空間利用率，留足城市未來發(fā)展空間，保障城市健康可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。三維地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用，可以推動城市規(guī)劃更合理、更科學(xué)，可以將規(guī)劃藍(lán)圖直觀地呈現(xiàn)在決策者和市民面前，讓城市的規(guī)劃有章可循。當(dāng)前信息技術(shù)發(fā)展迅速，三維地理信息系統(tǒng)需適時優(yōu)化技術(shù)方案，以滿足城市規(guī)劃的需求。