三维地理信息技术助力规划辅助决策＊

梁国栋，蒙胜华

（河南省地质测绘总院，河南 郑州450006）

0 引 言

三维地理信息系统（3D－GIS）是城市地理信息系统向动态、多维和网络化方向发展的产物，是虚拟现实（Virtual Reality－VR）技术和地理信息系统（GIS）结合体。所谓3D－GIS就是从数据结构到空间查询和建模分析都建立在三维（x，y，z）数据模型基础上的地理信息系统。人们是生活在三维空间中的，如果再算上时间维，则是生活在（x，y，z，t）组成的四维空间中的。现实生活中的三维现象普遍存在，如飞机在天上飞行，汽车在地面奔驰，矿井在地下延伸。地球上的一切物体或活动都可以用一对（x，y，z）来描述它们的空间位置，用一对（x，y，z，t）来描述它们的空间、时间位置。3D／4D－GIS研究的突破必然推动GIS在地质、矿业、环境、海洋、城市以及相关信息管理领域的应用。利用地理信息系统（GIS）采集、存储、管理、分析和描述各类型空间地理数据，并将此信息属性赋予基于VR技术构建三维模型，使之能就特定目标进行分析、处理，实现对城市规划的辅助决策。

3D－GIS在城市规划行业中有多种应用形式，目前作为商品成果出现的有“数字城市管理系统”、“三维地图系统”等。虽然其名称不同，但都采用同样技术架构。即利用GIS提供的三维空间坐标找到真实地物与虚拟模型之间拓扑关系和逻辑顺序，最终将计算机环境中模拟的各种城市规划要素映射到实际工作当中。

2 城市景观规划管理的基本问题

2.1 城市景观规划管理现状

近年来我国大部分城市进入城市化快速发展期，城市建设大规模展开，人们对城市景观逐渐关注，城市管理者也逐渐重视城市景观的规划管理工作。目前我国大部分城市的城市景观规划管理的具体工作由城市规划行政主管部门负责实施，由于城市景观规划管理的理论水平以及技术手段还不够完善，而且各地没有完全建立起有效的管理体制和运行机制，规划管理者相对缺乏对城市景观应有的综合调控能力。

2.2 目前城市景观规划管理实施过程中的主要问题

按照目前法定要求所编制的控制性详细规划难以对建筑的外部空间环境和城市空间环境进行感性化建构。在城市景观规划管理中，往往需要依赖管理人员自身经验和感觉，容易造成在空间环境和形态上管理失控[3]。

城市景观规划的传统设计方法是制作方案工作模型，但这往往只能获得局部景观的鸟瞰形象和静态效果，规划管理者难以进行实施整体景观空间的把握和管理，使得城市景观形成没有得到有效的控制。

规划管理者在对城市规划方案进行审查时，经常需要将方案与其周边整体环境进行综合分析。由于传统技术手段难以进行有关数据成果的综合分析，因此对城市建设方案视察时需要花费大量时间和精力，导致城市景观规划管理缺乏及时性和系统性。

3 三维地理信息技术在城市景观规划辅助决策中的实例分析

中山斗门区块是奉化市中心城区规划的核心地块，根据市规划局的要求，对该区块进行了三维方案的建模工作，借助三维可视化技术和与虚拟现实技术，重现中山斗门区块的三维实景及规划方案，并结合GIS技术，实现景观规划方案的对比分析和建筑的日照分析，为中山斗门区块规划和管理工作的深化提供辅助决策手段。

3.1 构建城市三维仿真空间环境

在具体实践中，常借助三维地理信息系统软件的可视化分析模块和3DMax等建模工具，结合最新的航片数据、地形图及有关城市规划、土地利用资料，来构建城市的三维仿真空间环境，如图1所示。

图1 城市三维仿真空间环境构建的技术路线

为构造研究区域的实际地表，须建立精确的数字高程模型。数字高程模型的获取有多种方法，目前通过航空相片、航天遥感相片提取DEM方法使用比较方便和普及。三维地形表面就是在DEM叠加正射影像，生成真三维地形地面。再在建模环境中构造模型，完成建筑物和其他特征建模和纹理贴图[1]。接着将模型精确地叠加在三维地形表面上，构造城市三维建筑模型。之后建立起与模型相关的各类属性信息数据库，以支持三维环境下的目标信息查询。

3.2 三维地理信息系统技术在城市景观规划管理中主要应用

3.2.1 规划设计方案数字化三维浏览和审批

将规划设计方案制作成三维模型，并将其结合到现状城市三维仿真空间环境中，生成规划审批三维模型。通过实景模拟，规划管理者可以在计算机中从任意视角、高度来观察该方案，视察该方案与周边环境的关系，从而系统地全面地提出对方案的视查意见，实现对城市景观规划的科学审批和管理，如图2所示，为中山斗门区块三维方案场景。该方案的三维审批流程如下：1）将该方案的红线数据、设计方案图转换为ARCGIS的shp格式导入到三维平台中来叠加分析，检查方案和规划红线是否有冲突；2）将制作的三维方案导入到三维平台中来，检查方案的整体色调与周围的环境是否一致；3）如果有多套设计方案的可以都导入三维平台中来，进行立体对比；4）在三维平台中对方案进行容积率、控高、绿化率、日照时间进行分析。

图2 中山斗门区块三维方案浏览

3.2.2 规划设计方案比较

在城市景观规划设计过程中，一般会有几种不同的设计方案，要择优选择，可将不同的设计方案制作成多种三维模型，并将其分别结合到城市三维仿真空间环境中，以生成供审批的三维模型，这有助于规划管理者比较不同的景观规划设计方案，并从中择优审批，如图3所示，为斗门区块与市政府地块间分别采用地下通道和人行天桥连接的两个方案的对比。

图3 两种方案对比

3.2.3 虚拟城市景观三维分析研究

通过虚拟城市景观三维分析研究，规划管理者可以根据要求对城市重要地段的规划技术方案的色彩设计、布局、空间体量关系，以及建筑与环境之间的关系进行分析评价，从而在城市开发建设经济效益和社会效益、环境效益中，追求相应的平衡点。同时规划管理者还可以利用模拟的三维景观跟踪城市形态的建设发展，并根据城市建设发展不同阶段的要求，及时调整相应的控制性详细规划以及城市设计方案，以更好地指导城市景观建设。

1）空间量测[4]是三维地理信息系统的基本功能之一，包括坐标量测、距离量测（两点距离、连线距离、空间距离、水平距离、地表距离）、高度量测（高度量测、高差量测、累计高差）、面积量测（正投影面积、地表面积）等功能，通过这些功能可以实现对地理数据进行矢量化处理和应用。

图4 距离量算

2）实时阴影即根据日照时间实时显示地物阴影[2]，可以根据经验模型或设计要求，设置太阳（光源）的高度，并按照一定的倾斜角度，计算地物阴影大小与位置，并通过光源位置变化，实时计算阴影并显示出来，方便管理及应用，如图5所示。

图5 日照实时阴影分析

4 结 论

三维地理信息技术是随着计算机科学的进步而迅速发展起来的一门新的计算机图形技术，综合应用GIS、遥感、多媒体及虚拟现实等现代化技术，具有区域景观仿真的能力，实现科学、直观、快捷的动态规划，支持区域规划和管理工作的深化，这是传统规划方法的一种创新。当3D－GIS中描述的对象随时间变化比较缓慢且变化的历史过程无关紧要时，可以用“数据更新”的方式来处理时间变化的影响。然而，在某些应用中，被描述的对象随时间变化很快（例如云量变化、日照变化等）或者历史数据也必须予以保存（例如地籍变更、海岸线变化、环境变化、多年矿产资源调查信息、多尺度区调信息等）。在这种情况下，时间就必须作为一个与空间同等重要的因素引入到3D－GIS中来，这样便产生了四维GIS或时态GIS的概念。四维GIS或时态GIS的不断发展不仅在城市规划、建筑设计等领域有广阔的前景，而且在其他分析、评价、决策等部门如国土资源调查，其应用领域涵盖地质、矿山、环境、海洋等方面都有积极的作用。

[1]刘增良，杨 军，张保钢.面向城市规划的三维建模技术探讨与应用[J].北京测绘，2009（6）：1－3.

[2]张生德，王 磊.三维可视地理信息系统在城市规划中的应用研究[J].中国图象图形学报，2001，6（9）：935－939.

[3]尹海林.城市景观规划管理研究－以天津市为例[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[4]郭丽萍.基于ArcGIS Engine的三维地形可视化与分析系统设计[J].计算机系统应用，2007，12（1）：1－6.