基于ArcGIS的三维辅助规划设计

龚 珍，吴 浩，黎 华

(武汉理工大学资源与环境工程学院，湖北武汉 430070)

随着社会经济的发展，GIS广泛应用于电力、水利、交通和城市规划等行业中。单纯的二维地理信息系统不能完全真实地反映现实的三维世界［1］。而以三维模型和遥感影像为基础的三维GIS可视化技术，能产生逼真的环境模拟效果，有着广阔的应用前景，越来越受到人们的关注［2］。

地形地貌是自然界最基本、最客观、最复杂的实体，随着社会经济的发展，土地利用类型不断地发生变化，很难用统一的模型来表达。而高分辨率的遥感影像数据提供了丰富的地面资源，使得环境、建筑等主要内容都清晰可见，能为地表模型的建立提供详细、丰富、真实的几何信息和语义信息。

笔者利用高分辨率的遥感影像，通过对影像进行数字化处理及DEM建模，建立了具有高度真实感的三维地形景观。由于目前规划设计常常在平面上进行，与实际偏离很大，使得项目难以实施［3］，即使制作了方案和工作模型，由于缺乏真实的地形信息，往往需要进行再次修订。因此，笔者拟将规划的三维模型与真实的地形相结合，将其应用于四川省某市的三维城市决策辅助中，对城市的三维规划设计有一定的指导意义。

1 研究方案

1.1 系统总体框架设计

为了解决规划中存在的地形失真问题以及数字化管理问题，所设计的系统将规划中的三维模型存放在数据库中，方便查询和动态显示。同时，针对四川省某市的水文情况进行了实时模拟和预警，为后续的研究打下了基础。

系统的整体实现方案如下:采用ArcGIS提供的Geodatabase来存储后台数据，如三维建筑模型，离散数据点;采用VS2008(C#)和ESRI的二次开发组件ArcEngine作为前端开发系统。ArcEngine组件中提供了两种三维控件，SceneControl和GlobeControl。GlobeControl控件将所有数据投影到球体表面上，使场景更加接近现实世界，适合大范围的数据显示，其统一的投影系统为WS84。而ArcScene在显示场景时，会将所有的数据加载到场景中，矢量数据以矢量形式显示，栅格数据会自动降低分辨率来显示，以提高效率，并将所有数据投影到当前场景所定义的空间参考中。除此之外，GlobeControl封装了SceneControl的大部分类库，并支持纹理贴图，因此该系统采用GlobeControl控件来进行三维场景的实时浏览［4］。

整体系统框架如图1所示。

图1 基于ArcEngine的三维GIS整体架构

1.2 系统实现流程

首先，将四川省某市的遥感影像用Erdas I-magine进行几何校正和配准，然后将其分别导入ArcGIS和AutoCAD。在ArcGIS中，用ArcCatalong中的shp文件来组织这些二维的数据文件，每个图层包含特定的数据集，如房屋、道路、水系、树木等建筑物;在AutoCAD中，将其转化为dwg格式，将该格式导入3DMAX中进行建模。将每个类别分批转成ArcGIS的Multipatch模型要素文件，并保存于Geodatabase中。

其次，将数码相机采集到的照片和遥感影像中截取的图像用PS进行扭曲，调整亮度等色阶操作。在这里，需要注意模型文件和纹理文件存放于同一文件夹下。

最后，在C#程序中，利用 ArcEngine，通过坐标查询和名称查询两种方式实现二维三维系统交互，其流程图如图2所示。

图2 系统交互流程图

1.3 系统交互控制方式

在数据层面，该系统三维场景中的地物对应于二维图层中的某一类矢量图或者特征点，在进行数据查询和更新操作时，通过这种对应关系可保证二维图层数据与三维图层数据的一致性。具体实现方式是将三维图层的数据访问与二维图层的数据访问在关系型数据库中关联起来，并将三维地物的名称设置成二维图层号中相应的模型名称。

在表现方面，当用户在三维GIS场景中漫游时，二维GIS中实时显示出相应的位置。即当用户在二维GIS中点击目标地物时，三维GIS场景中对应的地物高亮显示;反之，当在三维GIS场景中点击目标地物时，二维GIS中相应的图元或模型点高亮显示。其交互过程如图3所示。

图3 交互控制效果图

2 系统应用实例

2.1 在城市规划设计中的应用

从目前实际情况来看，规划设计中图纸上的设计方案一般以二维平面图为主，三维效果图很少，缺乏对设计效果的感性表达和综合管理。如果将规划方案可视化，就可以解决此类问题。将三维GIS与规划设计相结合，具有非常重要的现实意义。利用三维GIS创建区域三维景观，提供交互式三维视景浏览，可方便设计师进行探讨和修改，同时也避免了参与者由于专业知识欠缺，无法形象、直观地感受和理解规划设计效果的问题［5］。

具体实现关键步骤如下:

(1)新建点图层。在ArcMap中新建点图层，同时定义好空间参考坐标系，将测到的点数据存储在其中。利用基于边界的Delaunay三角网算法对已知的数据点进行了模拟，其效果如图4所示。

(2)建立三维符号库。为方便模型的快速存取，需建立专题符号库。由于ArcGIS中的Arc-Globle已经提供了3D basic，3D buildings和3D trees等多种三维符号，其符号设计系统StyleManage具有强大的管理符号库和创建保存功能。因此，在这里，将拟建好的三维模型库分类存储于其中。

(3)模型加载。将DEM表面模型加载到ArcGloble中，同时将步骤(2)中建好的点图层也加载到ArcGloble中。将属性设置为附着在DEM表面，确定相应的坐标点，就能将步骤(2)中建好的三维模型添加进来。同时通过旋转、放大、缩小等操作，将三维模型调整到合适的位置，如图4所示。

图4 房屋实际效果图

其主要应用表现在将预处理引入到规划设计中，在ArcGIS中，通过视域观察、空间体验和环境评价来发现规划设计中的某些不合理之处，以便及时修正［6］。笔者从以下几个方面综合考虑规划设计是否合理。

三维空间体验利用模拟的三维景观，对单个模型和图纸等难以表达的问题提供具有真实感的三维空间体验，为规划设计组织了区域空间，也为增强空间效果提供了有力的技术考察手段。规划方案优化是指在规划设计过程中，一般会有多种不同的规划设计方案来对未来的区域景观形象做规划，通过模拟三维景观，可以实时切换不同的方案，在同一观察点感受不同的规划设计所产生的三维景观效果，有助于比较不同的区域规划效果，从而确定最优规划设计方案［7-9］。

2.2 城市洪水淹没预警

由于该城市位于长江边，经常会面临洪水经过的现象，为了有效地统计出受灾面积，将该市的DEM网格进行纹理贴图后，利用该市水文局提供的相关数据，计算出不同水流速度下，同一面积水流淹没情况，估算出受灾面积和范围，为城市应急处理提供了直观有效的数据，不同流速下的地形淹没示意图如图5所示。

图5 不同流速下地形淹没示意图

3 结论

笔者从三维模拟的角度对ArcGIS DeskTop桌面产品中的三维模块进行了研究，将遥感影像引入到三维辅助规划设计中，避免了复杂环境下二维设计图纸展示的局限性和片面性，提高了设计效果的表现力和真实设计的再现力［10-11］。这一技术将在生态预警、洪水动态模拟、城市灾害预警等方面发挥重要作用，具有一定的借鉴意义。

［1］许捍卫，茆德柱，何江.基于ArcEngine的GIS三维工程开发技术研究［J］.测绘工程，2006，15(6):50-53.

［2］齐敏，郝重阳，佟明安.三维地形生成及实时显示技术研究进展［J］.中国图象图形学报，2000，5(4):260-275.

［3］杨润，刘悦翠.三维GIS与3DMAX相结合制作园林地形场景［J］.安徽农业科学，2008，36(2):550-553.

［4］HEI L，GUIFANG L，JIULIN S.Virtual huanghe river system:framework and technology［J］.Chinese Geographical Science，2006，16(3):255-259.

［5］党安荣，史慧珍，何新东，等.基于3S技术的土地利用动态变化研究［J］.清华大学学报:自然科学版，2003，43(10):1408-1411.

［6］顾杰，王建第，周斌，等.三维GIS技术在景观规划设计中的应用:以杭州“西湖西进”后景观区域为例［J］.地域研究与开发，2003，22(5):10-13.

［7］顾朝林，段学军，于涛方，等.论“数字城市”及其三维再现关键技术［J］.地理研究，2002，21(1):14-24.

［8］王艳，聂宜民，刘爱华，等.基于ArcGIS的三维虚拟校园建设的研究与探讨［J］.山东农业大学学报，2009，40(2):283-286.

［9］于倩，顾宏斌，汤勇.基于分类的CAD数据到VR模型转换方法［J］.武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2011，33(4):548-552.

［10］鲁恒，李永树，李何超，等.无人机影像数字处理及在地震灾区重建中的应用［J］.西南交通大学学报，2010，45(5):535-537.

［11］蒋文燕，栾汝朋，朱晓华.基于VRML_ARCGIS的虚拟旅游景点设计与实现［J］.地理研究，2010，29(9):1716-1722.