城市三维模型及其在城市规划中的应用

摘 要：随着我国城市化进程的不断推进和发展，一些问题也逐渐显现出来，影响了城市的可持续发展。而近几年来，地理信息技术得到了快速的发展，使得人们人城市的全面感知更加的深刻，所以基于地理信息技术的城市三维模型在城市规划中得到了广泛的应用，能够为城市的规划分析提供比较科学的依据。

关键词：城市三维模型；城市规划；应用

随着我国经济水平的不断提高，城市化程度越来越高，因此对城市的管理和规划提出了更高的要求，而地理信息技术是属于三维空间信息，与过去的平面二维相比，在空间分析能力和可视化效果上具有明显的优势，随着GIS（地理信息系统）的发展和深入，人们在进行城市规划的时候，越来越依赖地理信息技术，构建三维城市模型，从而使得城市规划师设计的方案能够更加直观，而不是像二平面二维设计仅仅是存在头脑或是稿纸上，所以，对城市三维模型在城市规划中的研究具有很重要的现实意义。

一、三维城市规划

随着地理信息技术的不断发展，城市三维模型已经逐渐运用到了城市规划的各个阶段了， 通过利用GIS来对城市进行规划分析、方案设计、展示以及审批等，相较平面二维环境，能够解决更加复杂的问题，目前，我国在三维城市规划方面付了很多的努力：

（一）在建立城市规划系统方面。当下我国一些学者将三维地理信息技术与虚拟现实技术相结合运用到其中，而这其中需要更多的三维模型空间分析方法，所以开发出了规划管理系统以及三维城市规划信息系统。

（二）在促进规划者和决策者的沟通方面。在规划辅助审批系统以及辅助决策系统中，应用三维地理信息技术，可以很好地辅助规划者和决策者，因为三维模型都是具有真实性的几何信息数据，所以使得规划者和决策者之间沟通起来也就更加的直观、方便。

（三）在城市规划管理方面。利用城市三维模型，在城市的规划管理上可以处理许多问题，比如模拟和分析城市噪音、研究地面风场环境、模拟研究城市突发事件等等。此外，在对灾害方面也可以运用三维模型技术，如在发生地震灾害的地区，利用无人机技术对灾后地区进行影像的捕捉，然后通过三维建模技术对灾后环境进行分析，这也是近几年来对规划灾后重建时经常用到的技术。

二、城市三维模型的构建

（一）数据准备和处理

1.数据准备。数据是构建城市三维模型的一个基础，其中主要的基础数据包括遥感影像数据、点云数据、CAD数据、街景地图、建筑物属性及纹理照片，其中遥感影像数据、点云数据、CAD数据需要到相关部门中去获取所需比例尺的DLG数据，街景地图可以通过网络在线获取数据，而建筑物属性及纹理照片则需要建模的工作人员进行实地采集，由于城市每天的都在变化，这些数据肯定也会与实际有一定的差异，所以在实际工作中，还是应该尽量满足大部分数据区域的重合，对于发生变化的位置，应当按照最新数据进行处理。

2.数据处理

（1）获取城市空间框架。建立城市三维模型需要获取城市空间框架，在框架的获取中，建筑物的基底几何数据通常是依据CAD数据，其高度通过测量机载LiDAR数据，建筑物的细部特征主要是通过从街景数据中读取，其中表面细部大于0.2的细节特征就用模型表示，而侧面纹理则是由实地拍照处理而成，城市部件以及一些比较小的外部特征通过街景和采集实地数据的方式来获取，位置数据则从CAD中获取。

（2）数据处理。各个数据的处理流程如图1，在数据处理过程中，还要用到统一的比例尺，一般来说，在建立城市三维模型的时候经常采用的是1：2000、1：1000、1：500等比较大的比例尺，当然，在实际建模中，必须根据实际的应用需求以及模型需要划分的细节层次来决定。

图1 基础数据处理流程

（二）模型构建

城市三维模型的构建根据应用需求的不同，在构建的内容上也存在着一些差异，大致可以分为以下几步：

1.构建地形模型。地形模型主要是根据地面的测量数据或者设计资料制作的三维模型，主要表达的是自然或者人工修筑地面的空间位置、几何形态以及外观效果。建立地面模型的方式主要有三种，一是从CAD数据中提取高程点，构建TIN，从而生成规则格网DEM；二是从地形图中提取等高线，进而将等高线转换生成地形模型DEM；三是通过分类点云数据，然后将地上的建筑物以及植物剔除，从而构建地形模型DEM。

2.构建建筑物模型。建筑物模型主要是根据测量建筑物数据或者设计资料制作的三维模型，顾名思义，这个表达的就是建筑物的空间位置、外观效果以及几何形态等。

（1）建筑物基底。根据实际的测量结果，然后选择合适的比例尺以及正射影像，从而确定建模对象，并且在比例尺地形图数据上勾勒出建筑物的基底。

（2）高度信息。在点云生成的数字表面模型上叠加正射影像图，并且根据实际勘测信息，多次对建筑物高度进行测量并求平均值，从而就可以得到真实的高度信息，提高建模的准确性。

3、构建城市部件模型。城市部件模型主要是根据测量的城市部件的数据或者设计资料制作的三维模型，这个模型主要体现的是城市中的交通设施、植被、水系以及其他的附属设施等的空间位置、外观效果、几何形态。这其中当然就主要包括构建城市交通设施模型、植被模型、水系模型。

4、三维模型质量控制。制作完城市三维模型以后，还需要做的工作就是对其进行质量检查和质量控制，如果没有这个流程，就无法知道模型制作的是否正确，质量有没问题以及是否能够在实际中使用。

5、烘焙。在制作模型的时候还应当注意的是，为了使三维模型最终的效果更加真实，在建模的时候可以将阴影、材质、灯光等附加到模型上，对其进行烘焙与渲染处理，这样做的一个好处就是在以后处理一些大场景的时候，就可以不用计算灯光等，只需要对材质进行计算就可以了，从而提高处理场景的速度。

三、基于三维模型的城市规划分析

在制定城市规划的阶段，不仅要利用计算机三维环境对空间进行三维测量，还要根据我们在日常生活中的需要，对建筑物进行日照分析、通视分析、可视域分析、控高分析。

（一）三维测量。城市规划人员在规划设计的时候必须满足《城市居住区规划设计要求》以及《民用建筑设计通则》，而在这其中就要用到三维测量，比如测量空间距离、住宅间距、地块面积、建筑面积以及进行工程过程中需要的挖填方计算等。三维测量就是为这些面积、间距的设计提供合理的数据。

（二）日照分析。日照对于建筑物室内的采光、取暖以及视觉等都有比较大的影响，所以对日照进行分析主要是为了满足建筑容积、建筑间距等对指标的需求，从而防止遮挡光或者光污染等问题。日照分析主要包括四个方面，即遮挡分析、单点分析、窗洞分析以及日照仿真分析。在日照分析中需要对不同季节的日照情况对建筑物的高度、体积等的影响，并且计算出建筑物的日照时间、阴影面积等数据，然后通过三维模型展示现实光影效果。

（三）通视分析。通视分析主要是为了对建筑物的高度进行控制，让城市中一些重要的景点和景观周围的建筑都具有适合的尺度，从而保护景点或景观的视觉效果。通视分析主要有两种方法，一是可视域分析，就是给定一个观察点，然后分析其所能观察到的范围；二是两点或多点之间的可视性分析。

（四）控高分析。控高分析在在城市规划分析中比较重要，尤其是在一些风景旅游城市，现在很多城市都有出现了超高建筑，但是超高建筑在一定程度上会破坏城市景观的美感以及和谐，所以，控高对于城市规划来说是十分重要的一个研究课题，控高分析就是检测某一区域内的建筑物有没有超过高度要求的空间分析方法。

三、实际应用概述

以河南郑州市中原区为研究区，它的四面分别是嵩山路、工人路、伊河路、中原路，地势比较平坦，高度差都在4m以内，区域内的面积为0.36km2，在这个区域内，主要包括的建筑设施有中小学、老年干部大学、省图书馆、艺术宫、科技馆、档案馆、博物馆以及其他文化设施、花园、自建民房、酒店、服务类的普通店面以及市政办公大楼等。然后对各个数据进行测量和实地勘查，利用上述方法建立城市三位模型，并且在此三维模型的基础上对郑州市中原区0.36km2的区域内进行城市规划的分析，从结果可以看出，在这个研究部分内应用城市三维模型充分检验了在城市规划中的可行性、科学性以及正确性。

四、讨论

综上所述，在城市规划中应用三维模型技术进行分析，不仅对城市的科学合理规划能够起到有效的促进作用，还可以对城市化进程中一些老城区改建等的拆迁面积计算、规划设计效果提供帮助和支持，并且根据实际应用检验了城市三维模型在城市规划中的可行性。虽然目我们采用的城市三维模型有很多的优点，但是还是存在着一些不足，比如缺乏城市三维模型与当前城市发展的关联，对模型真实属性信息的获取和表达也还相对比较缺乏，相信随着科学技术的不断发展和城市规划理论的不断完善，城市三维模型技术在城市规划中的应用前景会越来越广。

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作者简介：

王灏翔，江西农业大学学生。研究方向：城市规划。