城市三维模型及其在城市规划中的应用

韦景尧

（江门市城市地理信息中心）

城市三维模型及其在城市规划中的应用

韦景尧

（江门市城市地理信息中心）

近几年随着我国城市化进程的深入发展，促使许多城市发展问题逐渐显现，如城市用地紧张、交通状况下降、人口扩张等众多问题，城市规划的完善实施已经成为未来城市建设的主要方向。而地理信息技术的发展，不仅可以有效的促进城市规划的效率，同时促使地理信息通过服务的方式逐渐进入到人们的入场生活中，提高了人们对城市建设的认知，促进了公众参与城市的规划和建设。尤其是三维地理信息系统的发展，打破了过去二位平面模型在复杂的环境中的片面性和局限性。本文首先探讨城市三维模型的构建，然后分析城市三维模型在城市规划中应用的意义，以深圳市罗湖区某一区域的规划为例深入分析城市三维模型在城市规划中的应用。

城市三维模型；城市规划；应用意义

城市三维模型是利用计算机存储相关数据的真实地理坐标，通过三维的建模软件按照一定比例在计算机中构建出地理事物的正式特征。目前三维的建模软件通常是指GIS（地理信息系统）三维模型，以地理的空间数据库为基础、利用地理模件的分析方法，提供多种空间的和动态的信息，不仅可以能够虚拟的表达现实的地理事物，同时还具有三维数据管理和立体空间的分析功能，还能和相关的人文社会信息互相联系。城市三维模型可以形象、直观将所要规划的区域进行多方位、多角度的展示，有助于城市的科学的规划，促使城市规划工作的效率和完善。

1　城市三维模型的构建和流程

1.1城市三维模型的构建

1.1.1基于激光扫描技术建模

主要是指利用LiDAR技术并与GPS导航技术和数码相机相互结合来构建城市三维模型，生成城市建模所需的数字正射影像图（DOM）、数字高程模型（DEM）以及数字的几何数据等。采用这种方法建模由于没有采用较高识别性的影像信息，使得判别地理事物受到影响[1]。

1.1.2基于影像信息建模

采用影像信息进行构建城市的三维模型，利用遥感图像进行分析，遥感图像具有空间分辨率高、清晰度明显，相关人员可以通过获取建筑物的阴影来获取建筑物的高度，因此可以通过高分辨率的遥感影像进行城市三维建模，这种方法虽然所需数据资源较少，但是存在获取信息的误差较大的缺陷。

1.1.3基于已有成果进行建模

主要是依据已有的测绘数据进行城市三维建模，主要包括由二维的GIS数据构建三维模型或将二维GIS数据和CAD系统进行结合生成不同细节和层次的城市三维模型，可以有效的保证模型几何位置的精度，既可以呈现建筑物内部的结构特征，又可以展现建筑物三维的空间特征，应用范围较为广泛。

1.2城市三维模型的构建流程

城市三维模型的构建是一项较为复杂的过程，具体有：①前期需要准备空间模型构建需要的数据，如遥感图像、CAD图像、建筑物和街景的地图、实地的照片、激光点云数据等。②进行模型的构建，需要获取模型的空间框架，包括提取地理信息物的高度、提取底物的高程点和属性等，同时还要确定建筑物的轮廓和内部的结构部件和小品的实地位置等。③获取模型纹理并进行处理，提取建筑物的实际位置和布局以及具体的细节特征。④空间模型的建立，包括地面、建筑物、城市部件等三维模型。⑤进行三维模型的质量测验，然后对三维模型的各个场景进行整合。

2　城市三维模型在城市规划中的应用意义

2.1为城市规划提供完整的地理信息数据

城市三维模型构建的地理信息系统具有数据内容丰富，信息直观性强、操作便利等优势。最重要的是具有强大的三维可视化功能，可以有效实时再现城市的三维景观，同时还具有地理信息查询、管理、数据统计和地理空间的分析功能，可以为城市规划提供一种可视化的、直观的地理信息三维立体的景观平台，为城市规划的实施提供形象的、准确的基础资料，有利于提高城市规划的效率和水平，为城市规划的实施提供推动力。

2.2促进规划决策的科学性

城市三维立体空间模型的构建，可以为城市规划的决策者提供准确直观的城市规划、建设和管理的分析数据和优化方案。城市的总体规划、建筑工程的选址、详细的城市规划建设、棚户区的改造等多项规划内容都可以利用三维空间模型的建立进行高效的整体分析和决策，不需要动用过多的人力去实地进行考察就可以获取直观的地理区域的勘察数据。

2.3提高城市规划的公众参与性

城市三维模型构建系统可以形象直观的展示仿真的规划成果。打破了传统二维模型的局限性，实现直观的视觉效果，从而降低了专业的门槛，非专业的人员也可以通过三维立体模型直观的了解和评价城市规划设计的具体的成果，并可以在城市规划监督平台中建言献策，提高公众参与城市规划建设的力度，可以增强群众对城市规划的监督和建设，提升城市规划的质量。

3　城市三维模型在城市规划中的应用

城市规划的主要目的是规划城市未来发展的蓝图、城市的总体布局以及具体的工程建设等，因此进行城市规划时必须要合理的预见城市未来发展的方向、城市中各项构筑物的布局和建设规模等，同时还要对城市的环境状况进行合理的预测和评价。在本次研究中，将广东省深圳市罗湖区某一区域的规划引入到文中作为实例，对城市三维模型在城市规划中的应用进行了探讨。

3.1区域规划的概况

本区域位于深圳市罗湖区，该区域毗邻和平路、解放路、河边北路及深南东路，地势平坦，相对高差4m，相对高差小。在本区域内，建筑样式繁多，风格迥异，布局差异万千，公共文化服务配套设施、市政办公单位、公共休闲娱乐场所、民房、公共社区、高档酒店等一应俱全。

3.2规划编制中的应用

首先将规划区域的现实数据进行收集和分析，同时城市三维模型中可以通过地物的纹理、遥感影像等为规划者提供丰富的规划信息，可以提供二维影像中无法显示的视角，还可以获得实地的地理勘察不能获得扥地理信息。三维模型可以帮助规划者进行场地选址分析、城市地形改造等诸多作用，减少了规划者需要到实地考察的工作量，有效的减少成本，提高规划的效率。城市规划编制的过程中，需要明确区域的各种控制指标，如街区的街景、机场的净空、高压走廊、通道的高程等。这些都可以通过三维模型直观的进行展示，规划这可以通过比例尺的计算合理确定构筑物的高度、形式、外型、色彩等。如图1所示，用1：500的大比例尺地形图与正射影像，借助3DS Max的UI建筑物基底进行勾勒。

图1　CAD图像数据

将由点云生成的DSM和DOM图像想叠加，再与实地勘查信息相结合，从而形成图2，在图2中，可以从不同角度对建筑的高度进行测量，然后通过计算的方式求得建筑的真实高度，并在3DS Max中进行真实建模。人工读取从街景地图和实际照片中的建筑物立面几何信息，将3DS Max中的建筑物局部细节进行完善，20cm以上以模型展现，不足20cm用纹理表达。从而得出最真实的三维模型。

图2　DSM和DOM图像的叠加效果

3.3进行城市的三维量测和日照分析

三维量测主要是指城市规划人员在规划时要根据相关的规范要求，为了保障城市的整体视觉和空间环境的卫生、提高城市城市构筑物的舒适性和整体感觉的适宜度而进行的城市内部构筑物的空间距离测量、地块的面积测算、建筑物总的占地面积和表面积等。城市空间的三维量测主要依靠ArcGIS这一具有空间分析能力的软件来实现，图3为空间面积测量展示，轻松得出墙的立面面积。通过城市三维模型的建立可以有效的进行城市空间三维的量测，为规划者提供合理的基础数据。其次在城市规划设计中必须要考虑日照的影响，因此可以根据建筑物的形状和高度等创建三维立体，在软件系统中分析光照的影响，例如城市某高层建筑物的规划，要考虑建筑物是否会遮挡住周围的建筑的光照，所以利用三维模型可以进行日照分析，进行合理的位置选择和建筑的朝向。

图3　空间面积量测

3.4创建三维场景

为城市规划创建三维场景主要包括以下几个方面：①提供三维地形场景，利用三维的高程模型和数字正射影像可以为城市规划者提供精度较高的三维地形场景，可以利用遥感数据处理软件对场景的图像进行预处理，例如处理DOM、DEM的坐标并进行格式转换。最后利用Terra Bulider软件生成三维地形场景。②创建建筑物的三维模型，主要是可以根据城市规划的实际需求将城市建筑物分为具有标志性的精细建筑物三维模型和粗略的建筑物三维模型。城市建筑物的精细建模通常采用3dsMax软件，先选择需要建模的构筑物，然后利用数码相机进行建筑物的图像拍摄，最后在系统软件中生成建筑物的三维模型。精细建筑物模型的构建要保证建模的纹理尽量少，有效的减少建模的构筑面。对建筑物的粗略建模，通常利用Terra Explorer Pro软件进行建模，主要是根据建筑物的实状况，勾画出建筑物的大体轮廓，根据数码相机所拍摄的建筑纹理，利用图像处理软件粘粘建筑物的纹理，最终形成建筑物的三维模型。这种方法的优势在于可以独立的创立建筑物的三维模型，并可以根据客户的要求进行实时修改[2]。

4　结语

目前城市三维模型的建立大都采用规划建模或者交互式建模的方法，具有精度较高、可视化强、形象逼真的优势。但是目前城市三维模型在城市规划中的应用还仅限于视觉的可视化和空间信息的展示方面，今后的城市三维模型发展应该将真实的室内结构、建筑材质、住户信息等相互联系的因素予以考虑，与较为成熟的二维GIS模型相互联系，建立二三维一体化的信息平台，为城市科学规划提供有力的支持。

[1]刘玉洁.城市三维模型及其在城市规划中的应用[D].天津师范大学，2014.

[2]刘明辉.三维建模在城市规划管理中的应用[J].山西建筑，2011，37（27）：252～253.

[3]张训虎，朱辉，陈秋伟，等.三维地理信息系统在城市规划领域应用研究[J].北京测绘，2012（3）：1～4.

[4]谷胜涛.城市三维GIS模型构建方法研究[D].桂林理工大学，2011.

TU984

A

1673-0038（2015）36-0047-03

2015-7-20

韦景尧（1987-），男，助理工程师，本科，主要从事城市规划设计及地理信息工作。