基于三維可視化的城市規(guī)劃管理方法優(yōu)化研究

摘 要：城市規(guī)劃管理是一項系統(tǒng)工程，傳統(tǒng)的二維技術(shù)手段已難以滿足精細化管理的需求。在梳理三維可視化技術(shù)特征的基礎(chǔ)上，分析現(xiàn)有規(guī)劃管理方法的不足，提出優(yōu)化對策，包括引入高精度遙感與實景建模、構(gòu)建多尺度多維度的規(guī)劃信息模型、融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行方案仿真以及開發(fā)基于Web的三維規(guī)劃公示平臺等。這些策略有助于提升規(guī)劃編制的精度，拓展規(guī)劃表達的廣度，深化規(guī)劃審批的力度，暢通規(guī)劃參與的渠道，為新時期城市規(guī)劃管理變革提供新思路與新方法。

關(guān)鍵詞：城市規(guī)劃；三維可視化；規(guī)劃信息模型

隨著城市化進程的快速推進，城市規(guī)劃管理面臨著空間數(shù)據(jù)采集與處理效率低下、二維規(guī)劃信息表達能力有限、規(guī)劃方案缺乏動態(tài)模擬與評估、公眾參與度低且信息傳遞不暢等諸多挑戰(zhàn)。三維可視化技術(shù)以其直觀、真實、可交互等優(yōu)勢為破解這些難題提供了新思路。因此，探討基于三維可視化的城市規(guī)劃管理方法具有重要意義。

一、三維可視化技術(shù)概述

三維可視化技術(shù)是計算機圖形學與地理信息科學交叉融合的前沿領(lǐng)域，其核心在于通過三維建模、渲染、交互等技術(shù)手段，實現(xiàn)復雜空間數(shù)據(jù)的高效組織、逼真表達與智能分析。在數(shù)據(jù)獲取層面，三維激光掃描、傾斜攝影測量、合成孔徑雷達干涉測量等技術(shù)可快速獲取高精度的點云、模型與地表形變信息，點云密度可達每平方米數(shù)百至數(shù)千個，精度優(yōu)于5厘米。在數(shù)據(jù)處理方面，正射校正、模型簡化、紋理優(yōu)化等算法能夠去除數(shù)據(jù)冗余，提升場景加載與渲染效率。例如，基于八叉樹索引的網(wǎng)格簡化f23I9NR26xaxNW1mdUqEzv7mf+VMPaXU6enl14kzxcI=方法可在保證可視化效果的前提下，將模型面數(shù)降低80%以上[1]。在可視化表達方面，光照模型如BRDF模型，陰影算法如陰影映射和陰影體，可以模擬逼真的光影效果；粒子系統(tǒng)、體繪制等技術(shù)可生動模擬水流、煙霧、爆炸等動態(tài)場景。此外，VR/AR、體感交互、語音識別等技術(shù)為三維場景交互提供了嶄新的路徑，如采用頭盔式顯示器搭配數(shù)據(jù)手套，可實現(xiàn)沉浸式的場景漫游和操作。三維可視化技術(shù)已廣泛應用于多個領(lǐng)域，展現(xiàn)出巨大的應用價值和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

二、傳統(tǒng)城市規(guī)劃管理方法應用存在的問題

（一）空間數(shù)據(jù)采集與處理效率低下

城市規(guī)劃管理工作對空間數(shù)據(jù)的時效性、精準度有著較高要求，然而傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)卻難以有效滿足這一需求。當前，在大比例尺地形圖測繪中，雖已廣泛采用了GPS-RTK、全站儀等先進測量設(shè)備，但受限于操作模式，外業(yè)采集效率仍難以突破每平方公里數(shù)小時的瓶頸。以三維建筑物模型重建為例，即使采用車載激光雷達掃描技術(shù)，也難以直接獲得符合LOD2級精度要求的模型，往往需投入大量人工進行孔洞修補、幾何優(yōu)化等處理[2]。在不同坐標系、不同比例尺的規(guī)劃數(shù)據(jù)整合中，由于缺乏統(tǒng)一的空間參考框架，各圖層間的疊合分析、變化更新等操作十分耗時。在海量異構(gòu)空間數(shù)據(jù)挖掘方面，傳統(tǒng)的人工目視解譯方式更是難以適應千平方公里量級的數(shù)據(jù)規(guī)模，急需借助人工智能、深度學習等前沿技術(shù)實現(xiàn)關(guān)鍵要素的自動化提取與識別。

（二）二維規(guī)劃信息表達能力有限

城市規(guī)劃管理是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及土地利用、交通組織、環(huán)境保護等諸多專項規(guī)劃。然而，受制于傳統(tǒng)的二維制圖技術(shù)，各專項規(guī)劃成果難以有機融合，全面表達城市“立體化”的時空特征。以控制性詳細規(guī)劃為例，現(xiàn)有的技術(shù)規(guī)范雖對用地性質(zhì)、容積率、建筑高度等要素的表達內(nèi)容與形式進行了細致規(guī)定，但僅局限于平面向度，難以準確刻畫城市開發(fā)強度在垂直方向的差異變化，易導致規(guī)劃藍圖與實際建設(shè)相脫節(jié)。在立交橋、高架路等復雜交通設(shè)施規(guī)劃中，二維方案難以直觀表達上下層車流的穿插組織關(guān)系，不利于多方案比選和工程協(xié)調(diào)。在城市設(shè)計中，二維的總平面圖、鳥瞰圖等表現(xiàn)手法無法準確傳遞街道尺度、天際輪廓等關(guān)乎城市品質(zhì)的關(guān)鍵要素[3]。此外，在地下管線規(guī)劃中，由于缺乏三維空間位置、埋深等信息，二維圖件難以支撐精細化的豎向設(shè)計與工程施工，進而造成管線反復遷改、空間資源浪費等問題。

（三）規(guī)劃方案缺乏動態(tài)模擬與評估

城市是一個高度動態(tài)變化的復雜系統(tǒng)，各類規(guī)劃方案的實施往往會引發(fā)連鎖反應，對城市形態(tài)、功能、品質(zhì)產(chǎn)生深遠影響，但是傳統(tǒng)的規(guī)劃編制流程缺乏必要的動態(tài)模擬與量化評估環(huán)節(jié)，難以科學預判規(guī)劃實施效果，易導致規(guī)劃方案與城市發(fā)展實際相脫節(jié)。以交通規(guī)劃為例，在研究道路網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整時，現(xiàn)有的方法主要依賴靜態(tài)的小時交通量預測與分配，難以準確模擬車流在時變路網(wǎng)中的動態(tài)選擇行為，無法評估交通組織方案對路網(wǎng)通行能力的影響，進而造成規(guī)劃方案難以有效緩解交通擁堵等問題。在城市更新項目規(guī)劃中，由于缺乏長期、動態(tài)的效益測算，規(guī)劃的公共服務設(shè)施規(guī)模、布局等往往難以適應人口結(jié)構(gòu)變化趨勢，甚至出現(xiàn)“規(guī)劃剛建成即飽和”的尷尬局面。此外，在防災減災規(guī)劃中，由于缺乏突發(fā)事件的動力學演化模型，傳統(tǒng)的基于歷史數(shù)據(jù)的災損評估方法難以準確預測重大災害的影響范圍和損失程度，不利于應急避難、救援物資等關(guān)鍵資源的優(yōu)化配置[4]。

（四）公眾參與度低且信息傳遞不暢

城市規(guī)劃作為一項關(guān)乎公共利益的事業(yè)，理應廣泛吸納民意、接受社會監(jiān)督，但受傳統(tǒng)的技術(shù)手段和管理模式制約，現(xiàn)有的規(guī)劃編制和實施流程往往缺乏有效的公眾參與機制和信息公開渠道。以規(guī)劃公示為例，雖然《城鄉(xiāng)規(guī)劃法》明確要求對城市總體規(guī)劃草案進行公示，并采納公眾合理意見，但實際操作中，公示期往往僅有30天，公示方式也局限于在指定地點張貼紙質(zhì)文本，鮮少與公眾深入互動交流，難以真正發(fā)揮民主監(jiān)督的作用[5]。在控制性詳細規(guī)劃等專項規(guī)劃編制中，規(guī)劃方案的技術(shù)性、專業(yè)性較強，采用傳統(tǒng)的問卷調(diào)查、座談會等形式很難使公眾準確理解規(guī)劃內(nèi)容，表達意見建議，導致公眾參與流于形式。在重大市政工程項目推進中，由于規(guī)劃批前公示缺位，加之信息發(fā)布滯后，公眾難以及時了解工程進展，更談不上有效參與工程監(jiān)督。在日常規(guī)劃管理中，違法建設(shè)、擅自改變規(guī)劃用途等行為時有發(fā)生，但由于缺乏便捷高效的信息舉報渠道，基層執(zhí)法難以及時開展工作。

三、基于三維可視化的城市規(guī)劃管理方法優(yōu)化對策

（一）引入高精度遙感與實景三維建模技術(shù)

為解決當前城市規(guī)劃管理中空間數(shù)據(jù)采集與處理效率低下的問題，可從數(shù)據(jù)獲取、處理、建模、應用等環(huán)節(jié)入手，構(gòu)建基于高精度遙感與實景三維建模技術(shù)的精細化規(guī)劃編制與管理流程。第一，在數(shù)據(jù)獲取階段，應綜合利用高分辨率衛(wèi)星遙感、低空無人機傾斜攝影、車載移動測量系統(tǒng)等多平臺的數(shù)據(jù)采集手段，并借助譜段優(yōu)化、多角度成像等策略，在獲取廣覆蓋影像數(shù)據(jù)的同時提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，確保數(shù)據(jù)集的空間分辨率優(yōu)于0.2米，位置精度優(yōu)于0.5米，滿足大比例尺地形圖測繪要求。第二，在數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，應加強人工智能技術(shù)的研發(fā)與集成應用，如采用基于注意力機制的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對建筑物、道路、地類等關(guān)鍵地物要素的高精度自動化提取，并嵌入知識圖譜推理模型，實現(xiàn)不同地物間空間關(guān)系的自動構(gòu)建，進而大幅提升數(shù)據(jù)入庫效率。第三，在三維建模方面，應立足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，探索發(fā)展多尺度、多風格的模型生成技術(shù)，既可通過城市設(shè)計草圖速建矢量化白模，也可利用實景三維重建軟件由點云數(shù)據(jù)生成精細化實景模型，并運用VR/AR等交互式設(shè)計工具，支撐規(guī)劃設(shè)計方案的動態(tài)模擬和優(yōu)化。第四，在模型應用層面，應著眼全生命周期管理，加快三維規(guī)劃審批、工程驗收、設(shè)施運維等管理流程的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，形成“空間規(guī)劃數(shù)據(jù)庫—三維規(guī)劃模型庫—應用場景庫”的規(guī)劃信息資源體系，助力提升規(guī)劃管理效能。

（二）構(gòu)建多尺度、多維度的規(guī)劃信息模型

針對二維規(guī)劃信息表達能力不足這一難題，構(gòu)建多尺度、多維度的規(guī)劃信息模型不失為一劑良方。首先是夯實數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，可充分利用傾斜攝影測量技術(shù)，通過無人機搭載多鏡頭傳感器對建筑立面、街巷空間進行全方位、高清晰度的影像采集，再運用多視角影像匹配、點云拼接等算法生成逼真的城市三維實景模型。特別對于在建工程、施工現(xiàn)場等動態(tài)變化區(qū)域，可引入四維激光掃描技術(shù)，通過連續(xù)多次掃描獲取不同時間點的高精度點云數(shù)據(jù)，并利用點云配準、變化檢測等算法揭示城市肌理、地物狀貌的動態(tài)演變規(guī)律。在數(shù)據(jù)采集的同時，可嵌入智能算法，實現(xiàn)空間基礎(chǔ)信息的自動提取與分類，進而形成室內(nèi)外一體化、動靜結(jié)合的城市數(shù)字副本。

其次是深化跨維關(guān)聯(lián)，充分挖掘各專項規(guī)劃的共性信息，如在控規(guī)階段即對學校、醫(yī)院、公園等各類公共服務設(shè)施提出建筑信息模型（BIM）的硬性要求，并借助IFC、CityGML等標準規(guī)范BIM模型的創(chuàng)建，使其能與城市信息模型（CIM）無縫銜接、互為補充。再比如在管線綜合中，可依托高精度三維地質(zhì)模型，在BIM設(shè)計階段即完成管線的豎向排布、斷面優(yōu)化，而后利用管線智能鋪排算法實現(xiàn)管線路由的自動生成，讓“下得去、接得通”成為現(xiàn)實。

最后是拓展智能應用，可充分利用人工智能優(yōu)勢，在三維規(guī)劃模型中植入群智感知、迭代優(yōu)化等算法，動態(tài)模擬規(guī)劃方案實施后的人流、物流、信息流時空分布，評估對居住、出行、消費等活動的影響，并支持在虛擬環(huán)境中與利益相關(guān)方溝通、博弈，讓規(guī)劃成果經(jīng)受住反復推敲與論證的考驗，從而走向科學化、精細化、人本化。

（三）融合虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行規(guī)劃方案仿真

規(guī)劃方案猶如一枚硬幣，靜態(tài)的藍圖只是一面，動態(tài)的模擬評估才能看到另一面的真實價值。引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，讓規(guī)劃藍圖躍然紙上，活靈活現(xiàn)。以交通規(guī)劃為例，可先將規(guī)劃道路網(wǎng)絡(luò)、交叉口平面、公交線路等要素在三維場景中復現(xiàn)，再通過網(wǎng)絡(luò)仿真模擬連續(xù)多日的車流走廊分布、交通流量變化，并結(jié)合VISSIM等微觀仿真工具模擬個體車輛的跟馳、變道等行為，從而客觀評價路網(wǎng)通行能力、擁堵緩解效果。在此基礎(chǔ)上，可進一步植入群體決策模型，在虛擬環(huán)境中模擬不同車輛群體在多種誘導策略下的動態(tài)路徑選擇，探索車流引導的最優(yōu)方案。又如在消防安全規(guī)劃中，可充分利用BIM信息構(gòu)建裝配式建筑的精細三維模型，并整合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)反映建筑材料特性、可燃物分布等，在虛擬現(xiàn)實場景中模擬火災擴散、煙氣蔓延的動態(tài)過程，結(jié)合人員逃生模擬分析疏散路徑設(shè)置、避難空間布局的合理性，并為后續(xù)智慧消防系統(tǒng)的研發(fā)提供科學支撐。面向重大危機事件，可充分發(fā)揮元宇宙的虛實交互優(yōu)勢，讓各部門、各專業(yè)在虛擬孿生的城市中開展跨場景聯(lián)合推演，及時發(fā)現(xiàn)應急預案在人員協(xié)同、信息共享等方面的缺陷，并通過頭盔、數(shù)據(jù)手套等交互設(shè)備記錄決策行為，形成沉浸式應急培訓的素材庫。

（四）開發(fā)基于Web的三維規(guī)劃公示平臺

規(guī)劃公示不應是“暗箱操作”，而應借助Web技術(shù)打造“透明盒子”。首先，用好用活三維規(guī)劃成果，以Web三維GIS為載體，構(gòu)建集二三維一體、全流程集成的規(guī)劃信息發(fā)布平臺。如在前期調(diào)研階段，可通過無人機傾斜攝影、激光掃描獲取現(xiàn)狀建筑物、地形地貌的實景三維模型，生動再現(xiàn)規(guī)劃片區(qū)的空間環(huán)境，并支持公眾通過瀏覽器、手機App隨時隨地瀏覽漫游，沉浸感知城市肌理、天際輪廓。而后隨著規(guī)劃方案的深化，各專業(yè)的BIM模型可實時發(fā)布到Web平臺中，讓城市設(shè)計、景觀設(shè)計、市政工程等專業(yè)規(guī)劃的關(guān)鍵界面呈現(xiàn)在公眾面前，接受隨時隨地品評把脈。其次，用活用透互聯(lián)網(wǎng)思維，積極擁抱移動社交媒體，開辟規(guī)劃公示的新陣地。如在規(guī)劃方案公示期，可借助“云直播”功能面向社會公眾開展方案說明會，通過視頻連線、屏幕共享等方式與利益相關(guān)方“面對面”交流，讓規(guī)劃師現(xiàn)場解惑釋疑、聽取意見建議。針對公眾普遍關(guān)注的話題，可通過話題標簽、彈幕評論等方式引導社會輿論的聚焦與互動，并運用文本挖掘、情感分析等自然語言處理技術(shù)客觀歸納網(wǎng)民訴求，將其作為規(guī)劃優(yōu)化的“風向標”。當然，要將互聯(lián)網(wǎng)參與常態(tài)化、制度化，可搭建在線“規(guī)劃眾包”平臺，定期發(fā)布城市設(shè)計、街道美化等任務，鼓勵社會公眾積極獻計獻策，眾智眾力，讓規(guī)劃成果更“接地氣”。

綜上所述，城市規(guī)劃管理既面臨難得的發(fā)展機遇，也面臨嚴峻的變革挑戰(zhàn)，以三維可視化技術(shù)為代表的時空大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新興技術(shù)的崛起，為破解規(guī)劃編制、表達、實施、評估、公示等環(huán)節(jié)的堵點難點提供了新思路、新路徑。未來，隨著數(shù)字孿生城市建設(shè)的縱深推進，全域全要素的實景三維模型、跨空間尺度的城市信息模型、橫跨規(guī)劃設(shè)計施工管理全生命周期的智能化應用將水到渠成。展望未來，城市規(guī)劃管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型之路方興未艾、道阻且長，亟須政產(chǎn)學研多方協(xié)同發(fā)力，聚焦關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)，健全數(shù)據(jù)共享開放機制，完善標準規(guī)范體系建設(shè)，打造跨部門跨領(lǐng)域的協(xié)同創(chuàng)新生態(tài)。

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