基于GIS的城市规划三维辅助系统的设计与实现

徐正国，刘　新（山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590）

基于GIS的城市规划三维辅助系统的设计与实现

徐正国，刘新
（山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛 266590）

近几年来，我国城市建设所面临的空间规划和空间决策日趋复杂，传统的基于效果图和二维平面图的规划决策已适应不了城市建设发展的步伐。在真实现状三维环境和真实虚拟规划模型相结合的技术方法的基础上结合城市规划审批业务，研究了多种三维空间分析技术，开发了实用的系统，并投入工程化应用，取得了良好的效果。

城市规划；三维GIS；核心业务；三维空间分析

过去城市规划是基于二维GIS的，且规划成果多是图片、文字和CAD图件。三维GIS具有空间信息展示更为直观、空间分析更为强大的特点，运用三维GIS技术提供的虚拟环境、实时多方案比较、日照分析、方案展示等功能，能够使政府规划部门、项目开发商、公众等从虚拟环境中看到真实的规划效果，这样会使得决策者的宏观决策更加科学，公众的参与也可真正实现。

一、数据准备

1.数据分类

数据主要包括三维模型、规划数据和基础地理信息数据。

2.三维模型

三维模型主要包括建筑、树木、水、道路、路灯、小品等。

3.规划数据

规划数据包括以下四类：社会经济统计数据、规划专题数据、规划审批数据和文档资料。如图1所示。

图1　规划数据列表

4.基础地理信息数据

基础地理信息数据主要包括DEM数据、DOM数据、路网数据、地名地址数据、电子地图数据等。

二、三维空间分析方法

1.通视分析

通视分析包括两种情况：一个是两点中或者多点之间的可视性分析；另一个是可视域分析，即对于给定的观察点，分析观察所覆盖的区域。点对点的通视分析方法最常用的是视线分析法，先求视线方向的剖面线，然后以剖面线是否与观察点和目标点所在的直线相交为依据来判断是否通视，两种分析过程如图2所示。可视域的通视分析是点低点通视分析方法的扩展。

图2　通视分析

2.日照分析

日照分析有两个关键点：一是太阳高度角和方位角如何确定；二是阴影如何生成。阴影生成问题目前主要有三类方法：阴影贴图算法、平面投影算法和阴影体算法。平面投影算法计算非常简单，速度非常快，缺点是过于简化了场景的几何信息，使其无法准确将阴影投射到曲面和高低起伏的地形上去；阴影贴图算法实现简单、快速，非常适合复杂场景的渲染，但处理动态光源（或动态物体）时开销很大，且容易出现阴影边缘有严重锯齿的现象；阴影体算法可以实现边缘非常清晰的影子，质量比较高，但处理过程复杂，适合小场景的阴影渲染。在具体实现时，需结合日照分析的特点和当地实际情况进行优化。首先需要通过计算生成阴影的模型的包围盒来确定影响区域，减少后续的计算量，然后根据经验给出一个阈值，如果模型数量超过阈值，则采用阴影贴图算法生成阴影区域，否则采用阴影体算法得出阴影区域。

3.土方量分析

土方量的计算是指在求取在一定区域范围内设计标高与自然地面实测标高之间挖或填的土方体积，目前有DTM法、方格网法、断面法和等高线法四种土方量计算方法。DTM法精度最高，适合地形起伏大、精度要求高的地区的土方量计算，缺点是模型复杂；方格网法计算土方量的数据量小，计算速度快，精度较高，适合较平坦的平原区；断面法精度不高，适用于狭长地带，如公路、水渠等，缺点是限制条件多；而等高线法多用于概算山地的土方量。由于方格网法简明直观，可生成挖填线，而且城市内多平坦地区，因此在城市规划中最适合用方格网法。

4.路径分析

最短路径不仅仅是指一般地理意义上的距离最短，还可以引申到其他的度量，如时间、费用、线路容量等，所以有时也称为最优路径分析。首先利用手动输入或图上点击的方法获得起点和终点的坐标，然后调用相关服务得到起点到终点间的折点数组，接着借助DEM数据根据折点数组的X、Y坐标获取其Z值信息并放入数组内，最后利用NewMap Earth API中的Polyline类，将起点和终点间的折线段绘制在三维场景中，从而获得随地形起伏的起点到终点的路径。

5.剖面分析

剖面表示表面高程沿某条线（截面）的变化。首先画一条线，确定采样间隔；然后根据采样间隔获取到各采样点的X、Y坐标，并根据DEM获取其高程信息；最后，根据采样点数据绘制剖面线。

三、核心业务

结合城市规划的审批和决策流程，系统实现了从报建项目申请、项目资料提交、项目审批及方案讨论、项目公示全流程。下面是系统中项目管理中的功能模块，如下图3。

图3　项目和方案功能模块

业务流程如下：首先根据申请人提供的资料，建立项目节点。同时将项目位置、项目红线、项目各项控规指标、有关项目介绍的多媒体信息（图片、音频、视频）等存储到数据库中，然后将该项目存在的多个方案的方案指标、方案信息、平面效果图等也存储到数据库中。通过项目资料整理入库这一环节，实现了项目材料完备性检查，同时便于以后的数据查找和统计分析。其次，政府工作人员就每个方案的细节及差异，借助三维分析手段，在三维场景中直观真实地显示出来。一方面可以查看申请人所提供方案是否符合国家和当地的法律法规；另一方面有助于工作人员进行细致的对比、讨论，进行科学决策，给出评审意见。例如在系统中使用日照分析功能时，需先选定具体日期和起止时间，然后在这一时间段内动态演示选中建筑物的日照情况，并统计出该时间段内的日照总时间，检测建筑物的高度、建筑物间距等指标，从而判断该建筑物相对于周边环境是否合适；视域分析功能可以查找给定的范围内观察点所能通视覆盖的区域，可用于查看建筑物某个房间的视野情况、设置雷达站、设置电视台的发射站等；淹没分析功能可以模拟洪水来临时，虚拟规划模型被淹没的情况，从而评估其选址是否科学合理；方案对比功能可通过多个屏幕上同时显示不同方案，更便于工作人员直观地感受方案的差异，比如每个方案中模型的建设风格、与周围环境的融洽性、日照情况等，并从中选出最优方案；基本量测功能可通过在三维场景直接测量，了解每个虚拟规划模型的具体参数，如楼高、基座的面积、每层楼的高度等。如果评审通过，则以填写的项目资料为依据，进行项目的监督及追踪记录，否则进一步修改方案，并讨论直至通过。最后，项目在政府监管下，如果通过评审验收，则项目被标记为结束，否则需要进行修改，直至通过验收。项目报建审批流程如下图4。

图4　项目报建审批流程

四、系统建设

1.系统设计

在总结二维GIS应用的基础上，安康市规划管理信息系统运用计算机网络、地理信息系统、虚拟现实等技术手段，进行面向规划的三维GIS系统的设计与研发，使规划部门可以在三维虚拟城市中实现规划选址、规划评估、规划审核及项目管理等业务，为实现规划的精细化管理和科学化决策提供强有力的技术保障。系统架构图如图5所示。

图5　系统架构图

2.功能设计

（1）功能概述

系统的总体功能包括图层管理、三维浏览、信息查询、场景效果、城市规划、规划选址、规划审核、高级功能、后台管理9大部分。

（2）图层管理

根据图1的数据分类，在系统左侧的图层管理面板中设置了4个根目录，其中包括三维模型、基础地理信息数据，规划信息和其他。每个根目录又包含子目录，用户可通过目录前的勾选框，根据实际需要控制相应图层的显示与隐藏。

（3）三维浏览

系统具有城市场景快速展示的能力，用户可从任意角度浏览三维场景，也可以查看当前坐标和视角，以及可通过输入坐标进行快速定位。

（4）信息查询

在信息查询中，三维辅助规划系统不仅可以进行地名地址、控制性详细规划等查询二维GIS数据的属性信息，也可通过点选或框选的方式选择某个或某些模型，查询该模型对应的属性信息，例如建筑物的视频介绍、位置信息等。

（5）场景效果

可以查看在不同天气（晴天、小雨、中雨、大雨、小雪、中雪、大雪、大雾、傍晚等）效果下的城市景观，也可以查看城市天际线，同时可以通过飞行漫游、特定场景等方式进行快速浏览和定位，并可进行场景效果的出图。

（6）城市规划

主要包括规划编制浏览、模拟规划两大部分。规划编制浏览主要是指控制性详细规划和城市总体规划的显示。模拟规划主要包括文本标注、二维标注、三维标注、叠加图层、路网规划、复制对象等，其主要目的是对三维场景进行信息的标注、本地图层的叠加显示，进行模拟规划以辅助决策。

（7）高级功能

高级功能主要包括二三维联动、用户数据、文档查看、模型纹理库、下载中心、版本信息。其中用户数据主要是用于展示用户标注、特定场景、飞行漫游路线、运动路线；文档查看用于辅助规划部门向上级领导演示汇报；模型纹理库类似于符号库，用于显示现有的模型纹理分类。

（8）后台管理

后台管理主要对各种数据和用户权限进行配置与管理。

该系统于2015年10月份开始进行部署测试，于2015年年底通过验收。该系统具有操作简便、与核心业务结合紧密、场景真实逼真、功能众多等优点，已在政府决策中发挥了重要作用，得到了各级领导的认可。目前这个系统中还存在功能模块分类混乱、三维分析不够深入、数据迁移困难等缺点，在以后的建设过程中，需解决上述存在的问题，不断完善系统，最终实现用户由二维系统向三维系统的无缝过渡。

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TP

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1673-0046（2016）8-0179-03