基于GIS与虚拟现实的土地利用总体规划仿真展示平台设计

李晓燕，姜广辉，胡 磊，李 瑜

(1．广州城市信息研究所有限公司，北京 100190;2．北京师范大学资源学院，北京 100875;3．济宁市国土资源局，济宁 272017;4．中国国土资源航空物探遥感中心，北京 100083)

0 引言

《全国土地利用总体规划纲要(2006—2020年)》［1］中提出:土地利用总体规划编制和实施过程中，要“建立健全公众参与制度。对于县、乡级，在具体安排土地利用和土地整理复垦开发方面应当广泛听取公众意见。经批准的土地利用总体规划应当依法予以公告，接受公众监督。”目前土地利用总体规划的公示普遍采用“纸图张贴”的方式，规划传播性较差。因此，开展规划科学决策和成果有效公开的信息化研究尤为必要。尽管已有丰富的地理信息系统(GIS)和以虚拟现实(VR)技术为主的展览设计等相关研究，“规划公开展示”方面的信息化研究与实践仍处于探索期，鲜有论著［2］。

以地理信息为主的技术体系实现了带图作业和可视化办公，为城市管理和国土资源管理提供了强有力支撑。例如土地利用规划管理信息系统、建设用地预审审批系统等［3－4］，属于内部业务办理系统;也有一些电子沙盘系统，如土地利用规划、城市规划等［5－7］，是局限于小众范围的纯三维地理信息系统。然而，现有的展示系统往往存在界面过于僵化、功能操作专业复杂，难以满足“公众展示”的需求。近年来展览系统得到了蓬勃发展［5－6］，通过虚拟现实等多媒体技术可模拟三维仿真展示效果，其鲜活的体验感颇受公众青睐。这类系统多应用于场景、产品等实体展览，但受技术体系的制约，尚无法支撑海量地理数据的管理，不能体现规划工作的时空性。

针对上述问题，本研究以SkyLine三维地理信息平台与触摸屏为依托，跨越GIS与虚拟现实领域的应用壁垒，创新设计规划三维模型，研制出规划仿真展示平台，以期实现三维模型与空间数据等海量数据的“一张图”管理模式，全面、简洁地展示规划原理与成果。研究成果可实现展示平台的二、三维一体化和虚实结合，对辅助规划科学决策，普及社会公众以实现“开门规划”，提高国土资源行政管理部门的公共服务职能有重要作用。

1 设计目标

土地利用总体规划仿真展示平台(以下简称“展示平台”)以土地利用总体规划工作宗旨为导向，以影像金字塔、三维地理信息及虚拟现实等技术为支撑，以社会公众为应用对象，将专业的规划知识与成果系统化、简易化、普适化，最大程度对外公开，以期显著提高规划的公众认知度、参与度，提升“开门规划”的可行性。

展示平台以GIS为技术核心，结合多媒体等手段，既区别于日常的观光展示(或电子沙盘)系统，又不同于集编辑、分析及查询等功能于一体的复杂GIS业务系统，而是以“专业知识普适化展示”为目标，以“展示”为核心定位的展示系统。

2 技术路线

2．1 运行环境

展示平台涉及海量图形数据的管理与展现，需要大型数据库管理平台与地理信息平台等环境的支持。相关运行环境选型如下:

1)操作系统。服务器选用Windows Server 2008系统，客户端选用Windows 7系统，并且为便于公众交互操作，采用触摸屏感应设备。

2)基础地理信息平台。选用ArcGIS10进行海量图形数据的管理。

3)数据库管理平台。选用Oracle11g软件，并与ArcSDE软件配合对图形数据进行管理。

4)三维地理信息平台。选用SkyLine6．1软件，具备强大稳定的系统性能与便捷的二次开发能力，二、三维联动较强。

5)触摸屏设备。选用新诺商桥SIB4601。

2．2 技术路线

严格遵循软件工程的思想，采用面向对象软件设计方法和基于控件开发方法。总体技术路线如图1所示。

图1 总体技术流程Fig．1 Technical flow chart

借助CAD，GIS和三维建模工具，建立城市景观、规划用途等三维模型。将三维模型、空间数据及其相关属性数据存储在服务器端的数据库中。为保证能够有较好的响应速度，矢量与栅格数据通过ArcGIS Server发布，三维模型通过IIS发布，运行时下载到触摸屏本地。三维模型通过空间坐标与二维基础地理数据关联，通过模型实体标识与业务数据关联，实现二、三维一体化。在触摸屏端，Skyline对三维模型驱动，创建三维场景。仿真规划场景是本平台主要的用户界面，其他数据的访问也都要通过对三维模型的操作来实现。

3 数据体系建设

本研究涉及的基础地理数据、规划等矢量数据、城市景观模型等已有成熟的技术路线，不再详述建模过程。

3．1 数据库设计

3．1．1 设计原则

遵循“数据和应用分离”的基本原则，建立关系型数据库存储非空间数据，数据之间通过规则表和关系表实现互访。同时，为有效利用系统资源，提高效率，建立元数据对数据进行统一管理。

由于环境和业务的不断改变，土地利用现状、规划等数据也会周期性更新。这些历史数据所呈现的演变过程对规划管理具有极其重要的指导意义。因此，本研究采用数据多时态管理技术，形成包括时间和空间要素的时空数据库［8］。采用元组时间标记法，将有效时间标记在元组值上以建立时间索引，根据数据编制批次建立不同的时间版本，通过管理版本实现历史数据和现状数据的一体化管理;同时，存储实体的变化，结合时间维信息，进行基于图层的历史数据对比。

3．1．2 数据结构与关系

整个数据体系可分为元数据库、基础地理数据库、规划数据库、现状数据库、三维模型库和三维模型属性库等。元数据库通过建立在Oracle数据库中的一组Oracle表来存储管理，对于各个数据集均有相应的元数据表来记录、维护基于库及基于图幅的元数据信息，由于数据更新形成的历史数据和数据版本信息也统一由元数据表维护。

对于主体数据，需要以空间坐标、实体标识等条件建立关联，实现二、三维数据一体化组织与展现。如图2所示。

图2 数据结构与关系Fig．2 Data organization and its relationship

3．1．3 数据组织存储

为了降低空间数据存储的冗余度，本研究中数据存储都是唯一的。同时为了能便捷地查询到所需数据，在逻辑层，所有数据按照主题、时间和区域3个维度进行组织分类(见图3)，建立特定语义上的“规划一张图”展现结构，形成包含存储、组织和展现的一张图管理模式。

图3 数据逻辑组织Fig．3 Logical organization of data

影像数据由高精度、大容量的Tiff文件组成。采用“冗余存储”策略，即将影像数据按照镶嵌和栅格目录两种组织方式存储到ArcSDE中，对影像进行分层分块，并建立金字塔索引，保证其高速调用，快速共享与发布。在平台界面展现中，影像数据处于最底层。

对于基础地理、现状及规划等矢量数据，以“镇街”为单元存储于ArcSDE数据集中，同时为了使触摸屏系统实时浏览到三维模型，需将矢量数据按照“规划一张图”管理模式组织成mxd工作空间文件，mxd文件与数据集对应，并通过ArcGIS Server发布。在平台界面展现中，矢量数据处于影像数据之上。

三维模型，基础地形模型MPT文件通过绑定到与MPT一一对应的FLY文件来进行发布，统一放置固定文件夹下;城市景观与规划三维模型文件则采用“区县—镇街—图层—三维模型”的层次组织结构进行存储。在平台界面展现中，三维模型数据处于矢量数据之上。

音频等多媒体数据以独立文件形式存储，通过渐进传输的方式读取。

3．2 三维模型与场景制作

本研究通过3DMAX9．0制作三维图标、三维电子书及三维规划等模型。以三维图标替代SkyLine中二维图标，以更好地体现仿真效果。为了呈现逼真的场景又避免不同层数据之间混淆，只对土地用途分区建模，根据规划用途采集当地主要农作物、植被的种类、形态、分布等信息，作为模型制作依据。其他规划信息以二维矢量图形呈现。

三维模型制作好后，与矢量数据集成，形成规划仿真场景。制作流程见图4。

图4 规划仿真场景制作流程Fig．4 Production process of simulation scene of planning

4 展示平台关键技术

展示平台以SkyLine为基础，采用多媒体技术对SkyLine界面框架进行整改，使之美观、生动，符合触摸屏系统操作风格。具体功能设计中，灵活采用数据缓存、三维地理信息、虚拟现实等地理信息与多媒体技术，使各项内容能快捷、准确、生动地表达出来。

多媒体技术通过计算机把图像、声音、三维模型等综合起来，其信息的多样性和处理方式的多样化更具表现力，尤其在动态过程展示方面，比三维地理信息更流畅。系统简介部分，运用多媒体技术将介绍内容组织起来，主动呈现;规划成果展示部分，通过多媒体技术实现重点区域的动态三维规划过程展示，并嵌入到SkyLine的虚拟仿真场景中。

三维地理信息将抽象的海量空间信息可视化和直观化。图形成果展示中，充分运用SkyLine提供的基于真实地理信息的三维场景以准确表达。虚拟现实技术的集成化、虚拟化特征，可弥补三维地理信息在虚拟体验感、表现形式等方面的不足，使人们结合自己的日常经验就可以理解。本文通过虚拟现实技术设计了三维电子书、三维规划模型融入到三维地理环境中，建设仿真规划场景。

在服务器端采用数据缓存技术，保障触摸屏端在仿真环境中访问影像数据的效率。调度时，缓存中的影像块可选择先进先出、先进后出或频率最小先淘汰等方式，很好地提高了运行效率。

前端展示设计中，将内容分为系统简介与规划成果展示2部分。“系统简介”在平台中承担“引导”职责，人机交互比较少，简单触摸点击即可，留给公众更多的思考空间。“规划成果展示”通过多形式、多维度浏览，实现全景与细节、分专题多层次体验，强调自主浏览，人机交互比较多。2块内容之间既有所区别又紧密关联;展示形式从简单二维到仿真三维，展示内容则包容建设背景到丰富的规划文本、图形等各类成果。

5 展示平台实现

5．1 系统简介

将文字内容与语音、图片同步匹配，制作成动画，介绍平台设计目标、建设意义与使用方法。各项内容自动播放，并选用核心图片作为后续成果展示的引导，其界面如图5所示。

图5 平台简介界面Fig．5 Interface of platform introduction

5．2 规划成果展示

5．2．1 文本成果展示

展示内容主要包括《土地利用总体规划》文本和相关专题图。其具体展示方式有如下3种:

1)三维电子书。提取规划文本核心内容，制作成形象的三维电子书，通过“虚拟翻页”操作轻松阅读，再配以生动的语音讲解，实现图、数、文、声一体化，从感观上吸引公众，引领思路(图6)。

图6 文本成果Fig．6 Text files of planning

2)背景图。根据规划各专题图的制作要求组织发布图形数据，作为背景图与文本介绍建立关联，自动对照切换，为后面的图形成果展示做好铺垫。

3)书签。在三维电子书页中设置书签，用于从当前文本直接切换到对应的“图形成果展示”。如果对文本已经熟悉，可以略过直接跳转到当前专题的图形成果部分。

5．2．2 图形成果展示

1)二维规划展示。图形数据以颜色或二维符号表达(如规划用途以色块填充)，各图层按照先后顺序叠加。初始画面展示所有图层，配合图层透明度调整、图层显隐功能，可了解各层数据内容、数据之间的逻辑关系，初步建立电子数据与实景地物之间的关联。随着比例尺放大，市－县－乡3级行政区域的数据逐级呈现，其二维规划展示界面见图7。

图7 二维规划展示界面Fig．7 Interface of 2D maps of planning

2)二、三维一体化展示。三维地形地貌景观与二维现状、规划矢量图结合的场景中既有基本三维框架，又有颜色、文字等表达展示主体的属性信息，形象与抽象结合，便于快速了解规划用途分区、空间管制等全局宏观信息。例如:土地利用总体规划图、空间管制图、各类专题图等(图8)。

图8 二、三维一体化展示Fig．8 2－3D coupling maps

3)仿真规划全景展示。将三维地型地貌与城市景观模型、虚拟三维规划模型相结合，构建完整的仿真规划场景。适于展示规划区域、地块的细部仿真效果(图9)。

图9 仿真规划全景Fig．9 Simulation scene of planning

4)飞行展示。包括既定路线、自由飞行2种方式。既定路线飞行是根据展示主题设计飞行路线以引导浏览，例如:景区规划、基本农田保护区(坡度分布)等。飞行的场景可以是二、三维一体化，也可以是仿真规划全景。

5)动态规划展示。将重点区域由规划基期的现状数据演变成最终的规划成果数据的过程制作成多媒体文件，嵌入到SkyLine三维场景中，点击“播放”键，即可直观地看到规划前后的景象变化，包括微观层面具体区域用途的对应调整，宏观层面土地利用结构变化。

6)历史数据对比展示。通过SkyLine中的时间轴，调用时空数据库中的多期数据进行对比，分析2轮规划之间的差异与关联。考虑到数据浏览效率，历史数据对比功能只应用于二、三维一体化场景中。对比方式可以是多窗口同步对比，也可以通过时间轴拖动实现。

6 结论

本研究创新集成GIS与虚拟现实等技术，将日常展示系统的设计理念与三维地理信息、时空概念与二维辅助决策系统有机结合，设计了规划一张图数据库与仿真展示平台，实现了跨领域技术整合、数据整合共享等方面的创新应用，为信息化在社会公共服务方面的研究与实践，提供了参考依据。

本项设计由表及里，由“二维平面”到“虚实结合的三维立体”，由“静态”到“动态”，形象生动的表达先从感官上给予深刻的立意，进而“以形蓄意”将规划依据、成果、意义渗透在各种展示方式中，帮助公众轻松地理解土地用途分区管制、土地利用结构调整等专业知识，实现了日常科普与实际业务管理意义。该展示平台有利于促进公众与国土行政管理部门形成良好的互动机制，提高规划公众参与程度，推动“开门规划”的实现。

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