基于SuperMap的二三维一体化城乡规划设计技术研究

罗 瑶，汤放华，莫文波，易 海



基于SuperMap的二三维一体化城乡规划设计技术研究

罗 瑶a，汤放华b，莫文波a，易 海a

（湖南城市学院 a. 规划建筑设计研究院；b. 建筑与城市规划学院，湖南 益阳 413000）

基于SuperMap iDesktop 9D软件平台，设计与集成一套可实现二三维规划的技术方法，主要包括二维数据分析、三维实景建模，三维模型空间分析、地物单体化、方案设计、多方案比选等多种功能。结合项目实例进行应用验证，结果显示该技术具有一定的可行性，可为提高规划设计效率及规划方案的科学性等方面提供借鉴。

三维建模；数据融合；可视化表达

随着社会经济与城市建设的快速发展、信息技术的进步，传统的二维规划已越来越难以满足行业的需求。与二维规划相比，三维规划技术更具直观性，其逼真的三维场景，有助于技术人员更为准确地判断规划成果的科学性和合理性。[1-3]近年来，在城乡规划设计与管理方面，传统的利用AutoCAD等二维平台进行方案设计已不再是主流，而是通过二三维数据的融合实现三维城乡规划设计。尤其是随着无人机倾斜摄影建模技术与地理信息系统的兴起，直接在三维场景中重建场地的道路、建筑及周边环境，以实时动态的、更形象的、多视角的方式展示城市地表格局或设计方案，为规划技术人员与管理者提供更为直观的感受。[4-7]

如何实现传统二维与现代三维一体化，实现二三维规划技术优势互补，以达到系统功能最大化利用，需要技术人员不断探索与研究。[8-10]本研究基于SuperMap iDesktop 9D软件平台，集成国内外先进的三维建模软件功能，建立一套适用于城乡规划设计的二三维一体化技术，可实现二维数据分析、三维精细建模、空间分析与单体化等多种处理与分析功能，以期为规划设计与管理提供重要的技术支撑。

一、技术总体设计

（一）技术框架搭建

本研究意在综合各类先进软件研发一套二三维规划一体化的集成技术。首先通过无人机倾斜摄影或激光雷达扫描及其他方法获取区域的基础数据，这就形成了最基本的数据源；其次利用Bentley ContextCapture三维建模软件构建区域实景模型、天际航Dp Modeler进行模型的优化与修饰、SuperMap iDesktop 9D完成数据融合；最终基于SuperMap软件平台，实现二维数据分析、三维实景方案设计与比选等多种功能，形成二三维优势互补，以更好地辅助城乡规划与设计，研究框架如图1所示。

（二）技术特点

基于SuperMap iDesktop 9D软件平台，开展二三维规划技术集成。该软件是北京超图软件股份有限公司研发的一款同时具有二维GIS分析功能和三维GIS可视化效果的软件，支持二维数据与三维GIS的无缝融合，主要包括：二维与三维数据模型、数据存储方式、数据管理、符号管理、可视化与分析功能的一体化；海量二维数据在三维场景中的高性能可视化及三维空间分析功能；可直接加载无人机倾斜摄影模型数据并支持倾斜模型数据的动态投影、实景三维模型的单体化等。主要有以下特点：

图1 技术框架搭建

1.建模简便，易于操作

SuperMap iDesktop 9D支持导入二维的AutoCAD数据，并将二维数据转化为三维数据，也可直接在软件平台中绘制二维矢量数据拉伸为三维模型，赋予纹理，进行空间分析；支持导入倾斜摄影三维模型OSGB、OBJ等格式的数据，并进行单体化。这样的建模方法一方面可以实现二三维数据的无缝融合，另一方面提高了城市规划师们的工作效率。

2. 实时修改，利于优化

当无人机倾斜摄影数据经过三维建模、模型修正、场地压平等步骤，最后导入到SuperMap iDesktop 9D中时，形成了一张实景三维的规划底图，再将设计方案数据导入三维场景中，可实时修改方案，并逐步优化，有效避免方案优化过程中的反复修改图纸，节省了人力成本。

3. 真实场景，直观表达

真实的三维场景既展示了规划区周边真实的环境，又完整、形象、直观地表达了规划设计方案，将规划师们的设计理念和意图表现得淋漓尽致，在成果展示和公众交流等方面作用十分重要。

二、关键技术研究

基于Bentley ContextCapture、Dp Modeler、SuperMap iDesktop 9D等软件来开展技术集成，主要包含无人机倾斜摄影数据自动三维建模、实景三维模型修饰、实景三维底图与方案数据融合等关键技术研究。

（一）基于Bentley ContextCapture的自动三维建模

无人机倾斜摄影测量技术是近年来备受关注的一项测绘技术，它利用无人机上搭载的多镜头倾斜相机，全方位地采集目标地物的影像，以获得地物表面丰富的纹理信息。其中，利用镜头垂直拍照得到的像片称为垂直影像，与地面成不同角度拍照得到的像片为倾斜影像，从而收集各个角度的纹理信息，最终结合三维建模软件构建出各类三维模型。

Bentley ContextCapture是由Bentley公司开发的三维建模软件，可实现三维自动建模。[11]其过程如下：首先利用无人机倾斜摄影技术获取的测区影像数据和POS数据，结合相机检校文件等资料，将数据进行预处理，经自动空中三角测量、区域网平差计算，获取相片精确的外方位元素。然后，基于空三加密解算的成果，采用计算机图像密集匹配技术，利用GPU并行加速，实现三维场景运算。最后，建立数字地表模型后进行纹理映射，从而生成区域实景三维模型。

（二）基于Dp Modeler的实景三维模型修饰

Dp Modeler是武汉天际航信息科技股份有限公司自主研发的一款精细化单体建模及Mesh网格模型修饰软件，[12]在模型修饰过程中需要多种类型的数据：包括三维网格、点云、正射影像等。其中，OSGB是目前应用最广且开源的通用文件格式，主要是以二进制存储并自带嵌入式链接纹理数据。OSGB文件主要是将三维模型数据归并为一系列连续的对象来进行数据管理，以文件形式进行存储与管理，并以瓦片的形式来进行操作，在建模过程中，将目标区域划分成几个小区，小区再细分为瓦片数，瓦片之下为其他层级的金字塔数据。OBJ 文件格式是 Wavefront 软件公司为它的 3D 建模和动画软件“Advanced Visualizer”开发的一种标准三维模型文件数据格式，很适合用于 3D 软件模型之间的互相转换。OBJ 文件是一种采用文本格式存储的数据文件，它可以直接用写字板等文本编辑软件打开并进行查看和编辑修改。

基于OSGB与OBJ模型格式的特性，Dp Modeler通过特有的摄影测量算法，对实景三维模型进行修饰，有效地提高三维建模的精度及质量。我们可分别将OSGB格式及OBJ格式的实景三维模型、空三区块文件、无人机航测原始影像导入Dp Modeler软件平台，平台支持修饰实景三维模型、模型压平、新建单体模型、区块重新生成模型等，既保证了实景三维模型的精度，也能很好的将规划模型在三维场景中体现。

（三）基于SuperMap iDesktop 9D的二三维数据融合

SuperMap iDesktop 9D平台支持多种数据格式，倾斜摄影模型无需导入，可直接加载；且支持倾斜摄影模型数据的动态投影，实现与其他GIS数据叠加；支持倾斜摄影模型的单体化选择、查询及专题图表达等二三维一体化的GIS应用；支持倾斜摄影模型的三维空间分析。

在Dp Modeler中对需规划的区域进行模型压平、纹理修改、重新生成模型等步骤，以三维模型的格式导入至SuperMap iDesktop 9D平台，就形成了一张三维的底图。在规划区范围内支持传统二维矢量方案数据导入，也可直接进行三维方案设计，同时支持外部精细模型导入等。[13]

三、技术应用案例

（一）案例概况

以益阳市石长铁路生活配套区规划设计为例，项目区域位于益阳市火车站附近，由丁香路、玉兰路、金山南路、鹿角园路等四条城市道路围合区域，面积约为21.14公顷。北边是战备仓库与家属区住宅，南边为空地，规划整治内部交通，保留北边建筑，在南边空地新增战备仓库和住宅。首先利用无人机航测数据建立场地现状实景模型，然后对模型进行修饰与优化，最后将二三维数据融入SuperMap软件平台进行方案设计，将设计理念直接在三维平台中表现，提高了规划设计效率与方案的科学性。

（二）基于无人机倾斜摄影数据的三维建模

利用大疆PHANTOM 4无人机对场地进行航拍，分别从4个倾斜方向以及1个垂直对地的角度采集像片数据，相对航高100米，航向重叠率70%旁向重叠率50%，分4组进行，共获取854幅影像。拍摄完成后，对原始影像进行预处理，包括纠正影像畸变差、匀光匀色处理等；编写区块信息文档供Bentley ContextCapture建模使用。然后，启动Bentley ContextCapture软件开始运行三维模型的创建。为保证三维模型质量与运行速度，结合整个项目的范围情况，以及软件瓦片量16G的上限条件，软件按规则平面网格切块将所有数据划分为70个瓦片，如图2。

图2 空间框架下三维瓦片设置

经过自动空中三角测量以确定其精确的外方位元素、基于GPU进行三维场景运算形成数字地表模型、全自动纹理匹配后形成初步模型。对初步生成的三维模型进行仔细检查，将有问题的三维瓦片在软件中及时进行相应的修改处理，再次运行建模软件。修正后的三维模型修正了初步模型的错误与漏洞，最终得到完整的实景三维模型，如图3。

图3 区域实景三维模型

由于Dp Modeler软件平台需要的数据为.xml的空三区块文件及OSGB与OBJ格式的三维模型文件，要求所有数据空间参考统一，所以在Bentley ContextCapture建模过程中分别生成空三区块文件、OSGB格式模型、OBJ格式模型等。

（三）模型修饰与场地整平

1. 数据导入

分别将航测影像、空三区块文件、OSGB格式模型数据、OBJ模型数据导入至Dp Modeler，对影像进行照片路径的映射，使影像与模型纹理保持一致，对数据进行中心点坐标设置，使得模型位于正确的空间位置。其中，空三区块文件是确定整个无人机测区的定位和定姿，从而获得测区内任意点的绝对坐标。OSGB主要是以二进制存储并自带嵌入式链接纹理数据，将三维模型数据归并为一系列连续的对象来进行数据管理。它是以文件形式进行存储与管理，并以瓦片的形式来进行操作，缺点是这样的三维模型数据量通常都比较大，便于区域的展示但不便于数据编辑与修改。而OBJ文件是一种采用文本格式存储的数据文件，可以直接用进行查看和编辑修改。将这两种数据都导入至Dp Modeler平台，自由视图显示的是OSGB格式模型，Mesh视图显示的是OBJ格式模型，当模型细节需要修改时，将自由视图中的某个瓦片发送至Mesh视图，修改完毕返回至OSGB进行储存，对修改了的瓦片，软件会将修改内容储存于obj_edit及osgb_edit文件夹。

2. 模型修饰

受无人机拍摄精度、数据处理精度、空三计算精度、三维场景运算精度等因素影响，Bentley ContextCapture生成的实景三维模型可能会出现水面空洞、纹理匹配错乱、建筑立面模糊等各种问题，一方面可以在Bentley ContextCapture软件中利用OBJ修饰、3D数据约束等方法进行校正提高精度，另一方面也可在Dp Modeler软件中采用空洞修复、模型重建、手动贴图、模型修饰等方法对三维模型进行处理。

对于水面而言，由于特征点较少，建模软件在计算时很难匹配正确，导致输出模型的水面通常是支离破碎的，在Dp Modeler平台中的处理方法为将问题瓦片发送至Mesh视图，分瓦片逐个进行三角网的桥接，再手动进行纹理映射，见图4。建筑模型有可能会出现墙体不直、纹理扭曲、细部质量差等问题，处理方法为重建建筑模型，手动选择建筑立面影像进行纹理映射或利用高清相机地面拍摄后进行纹理映射，见图5。对于模型中出现的突兀的地物采取平滑的方法；对于模型中出现的漂浮物进行选取并批量删除。

图4 水面修复前后对比

图5 原始模型与重建模型对比

规划区南边地块高程最大值为91.04米，最小值为66.23米，在此地块上新建建筑需先整平场地，将需要编辑的瓦片全部加载至Mesh视图，设定某个区块的竖向标高并定为基准面，Mesh选面后三点对齐拟合至此基准面来实现场地整平，并可进行纹理修改。修改完成后的瓦片保存为OSGB格式文件，新建模型保存为OBJ文件。

（四）二三维一体化规划

在 SuperMap iDesktop 9D平台中，以修饰好的三维实景模型为基础，将二维数据按照相应的格式融入三维场景，或者直接在三维场景中进行方案构思。相较于传统的规划设计过程，本次项目的技术方法具有以下几个特点：直观的表现设计理念、科学的二三维数据分析、高效的优化方案、360度展示设计成果等。

1. 二三维数据融合

OSGB模型数据由几十个甚至几百个瓦片构成，数据量极大，不便于操作，利用SuperMap iDesktop 9D在修改后的OSGB文件目录下生成一个.scp格式的配置文件，模型数据则会以三维切片缓存图层的形式导入到SuperMap iDesktop 9D球面场景中，相当于一个三维瓦片的索 引文件，软件平台中展现的即是一张三维规划 底图。

传统的二维平面设计方案导入至SuperMap iDesktop 9D，见图6，二维数据融入SuperMap平台表现为文字、点、线、面几种形式，每个图层具备其属性信息，属性字段根据实际情况进行编辑，如用地性质、用地规模、地名、道路宽度、建筑物信息等均由属性表信息表现。

图6 二维数据导入SuperMap iDesktop 9D

在此案例中将路网按线图层导入，建筑底面拉伸为三维体块，赋予表面纹理，则形成了初步的方案。

2. 三维数据分析与方案优化

初步方案形成后，对某栋建筑进行的可视域分析，见图7。所选视点位置离地面的距离为27 m，视域的水平视角为90°，垂直视角为60°，可视距离为117.9 m，而图中可见范围为绿色，被地物遮挡的不可见范围为红色，利用其强大的三维分析功能，进行日照分析、可视域分析、淹没分析等，分析结果则是方案优化的重要支撑与依据。对图层的属性信息进行修改，则可实时改变道路宽度、地块性质、建筑物高度、表面材质等，实现了方案的实时优化，对地块或建筑物进行单体化操作，方便规划管理。

3. 成果展示

传统的二维数据到三维效果图的成果展示，往往需要在多个软件中进行切换，花费大量的时间和人力，建模效率低下，尤其是在方案进行修改时，需要反复修改二维数据源。而基于SuperMap iDesktop 9D平台可快速实现对成果进行编辑、修改、及多角度展示，其二三联动技术可对成果进行实时、动态处理，极大提高了成果输出与展示的效率，有效缩短项目成果生产时间。

图7 可视域分析

四、结论与展望

（一）结论

当前，城乡规划技术正面临着转型发展，迫切需要新技术应用作为导向，引导技术创新，以推动行业发展。本研究利用无人机航测、实景三维建模、三维模型修饰、二三维数据融合等技术，实现了基于SuperMap的二三维一体化城乡规划技术，以期为今后的国土空间规划提供重要的技术参考，研究结论如下：

1. 实景三维建模过程应选择最优路径

三维模型数据生产中易受地形地貌、建筑物密集程度、超高地物等因素的影响，会产生各类不同的问题，因此在处理模型数据时应按照实际情况选择最合适的方法，如无人机获取数据阶段可增加野外控制点以提高影像数据精度、软件自动建模后加入修饰与约束数据可以修正模型、修饰模型阶段也可对细部纹理进行手动修改等。

2. 根据项目需求决定模型精细化程度

由于倾斜摄影建模所需的影像数据量大，在大区域的实景三维模型中难免会出现纹理像素低、局部模糊、细节混乱等现象，所以在模型修饰的过程中不适合新建过多的建筑模型，以免造成数据量过大导致建模失败。但在小区域范围的城市规划设计过程中完全可以对实景三维模型进行精细化处理，有助于方案的表达与展示。因此，根据项目的实际需求开展模型修饰处理，避免盲目的大范围成果，这样才能保证建模效率与模型精度。

3. 应充分利用SuperMap进行规划设计

由于受到传统AutoCAD等二维软件使用习惯的影响，规划师们往往会在二维软件里画好设计草图，再导入至SuperMap iDesktop 9D中，然后进行拓扑处理。相比于直接在SuperMap中绘制草图，导入矢量数据的方法会出现效率低、数据修改程序繁琐、投影坐标系与三维数据不一致等问题，SuperMap提供了丰富的绘制与编辑功能，可充分满足设计的需要，所以应充分使用SuperMap直接进行方案设计。

（二）展望

本研究虽然有效地利用二三维数据融合实现了二三维一体化规划全过程，但该技术还不够完善。事实上，SuperMap iDesktop 9D具有强大的三维数据处理、空间分析、三维地理设计等功能，但在成果数据展示方面不具备渲染功能。目前成果展示的方法主要是利用外部精细化的建模软件实现，如SketchUp、3D Max、Rhinoceros等，但此类方法工作量大、效率不高、不便于是实时优化。在今后的研究过程中需进一步利用软件平台的优势，探索既能满足方案设计全过程需要又能满足成果展示需求的技术方法，为国土空间规划技术方法研究提供重要的技术支撑。

[1] 李小敏, 马庆勋, 岳贵杰, 等. 二三维一体化WebGIS在城市规划中的应用[J]. 北京测绘, 2019, 33(2): 226-231.

[2] 董莉, 许梦媛, 李成名. 三维规划辅助决策系统的设计与实现[J]. 测绘与空间地理信息, 2018, 41(7): 83-84+87+91.

[3] 晏四方, 郭亮, 粟梽桐, 等. 二三维一体化的城市三维仿真应用系统设计与实现——以琶洲为例[J]. 测绘与空间地理信息, 2018, 41(4): 69-71.

[4] 吴开兴, 冯笑雪. 基于SuperMap二三维一体化的WebGIS系统开发[J]. 科技通报, 2018, 34(2): 38-40.

[5] 疏礼春. 基于二三维与全景一体化的数字矿山综合管理平台研究与应用[J]. 中国煤炭, 2016, 42(12): 81-85.

[6] 乔志勇, 徐敬仙. 三维规划辅助决策系统研究[J]. 测绘地理信息, 2015, 40(4): 90-92.

[7] 王聪, 曾兴国. 二、三维联动WebGIS支持下的通信基站选址规划审批[J]. 测绘地理信息, 2015, 40(3): 83-85.

[8] 吴德华, 谢家豪, 罗成, 等. 基于MapGIS 10的二三维城市规划地理信息平台设计[J]. 湖南城市学院学报(自然科学版), 2015, 24(1): 51-53.

[9] 刘小春, 韩慎友, 李响. 国土资源二三维一体化服务平台建设——以禹州市为例[J]. 地矿测绘, 2014, 30(2): 22-24+31.

[10] 刘兴权, 董淼, 刘晶晶. 基于Skyline的三维城市规划方案对比功能研究[J]. 计算机应用与软件, 2014, 31(6): 221-223+ 243.

[11] 曹潇雷, 董燕. 基于ContextCapture的无人机倾斜影像建模方法研究[J]. 软件, 2019, 40(3): 207-210.

[12] 张富玲, 高利鹏. 基于DP-Modeler的倾斜影像实景三维建模技术分析[J]. 测绘与空间地理信息, 2018, 41(3): 196-198.

[13] 曹文, 张曦. 基于地理设计的数字化城市设计技术方法研究[J]. 湖南城市学院学报(自然科学版), 2019, 28(2): 33-37.

Research on the Technology of Urban and Rural Planning and Design Based on SuperMap

LUO Yaoa, TANG Fanghuab, MO Wenboa, YI Haia

（a. Urban Planning Architectural Design Institute; b. College of Architecture & Urban Planning, Hunan City Unversity, Yiyang, Hunan 413000, China）

Based on the SuperMap iDesktop 9D software platform a set of the reliable two and three dimensional planning technology was designed and integrated to realize a variety of data analysis functions, such as the two-dimensional data analysis, three-dimensional real scene modeling, three-dimensional model space analysis and monomer, and program selection. The results show that the technology is feasible and can be used for reference to improve the efficiency of planning and design and the scientificity of planning scheme.

3D modeling; data fusion; visual representation

2018-07-22

湖南省教育厅项目（14K017）；湖南省科技创新平台与人才计划项目（2017TP2006）；益阳市社科课题（2019YS068）

罗瑶（1987-），女，湖南浏阳人，注册测绘师，工程师，硕士，主要从事空间规划新技术及其应用研究；

汤放华（1964-），男，湖南益阳人，二级教授，博士，主要从事城乡规划设计与研究；莫文波（1989-），男，湖南邵阳人，工程师，硕士，主要从事空间规划新技术及其应用研究；易海（1987-），男，湖南醴陵人，注册城乡规划师，工程师，主要从事城乡规划设计与研究

TU 984；TP 315

A

10.3969/j. issn. 2096-059X.2019.03.012

2096-059X(2019)03–0066–07

（责任编校：贺常颖）