三维可视地理信息系统在城市规划中的应用研究

张骏

摘  要：由于现代城市规划中存在的一些问题，该文将提供实现城市三维空间信息可视化的重要性和方法以及应用前景，三维可视地理信息系统在城市规划中的应用研究旨在研究如何利用现实环境重建现实建筑模型和城市景观，并对其进行改造，以实现城市智能化的规划和可视化的愿景。

关键词：三维可视;地理信息系统;城市规划

中图分类号：P208          文献标志码：A

0 引言

三维可视化地理信息系统是近年来对城市的规划发展比较重要的一种地理信息技术。系统以数字正射影像学、数字高程模型、在线数字绘图和数字栅格图等技术手段为基础，将虚拟现实作为一个复杂的处理对象进行管理的地理信息系统，通常分为2个部分，三维视觉信息系统与图形编辑系统一样，通常情况下，二维图形数据在图形编辑后，可以进行编辑和格式化。三维可视化地理信息系统是一个可以用来重建和管理查询和分析、确定属性并进行各种可视化和图形输出的三维系统。它的初始基础是平面的二维数据，而其中通常包含三维系统中通常的二维数据。系统运行的基础目标就是将数据模型扩展到三维空间，不仅可以实现二维数据的可视化，还可以为用户提供强大的交互界面;注重空间设计和生态设计，可以直接影响建筑与建筑内部结构的关系。

1 城市规划的重要性

城市是拥有巨大物质财富和精神财富的地方，是时代在不断前进发展而产生出来的承载体，但是城市的发展具有很大的不确定性，另一方面，居住在城市中的人们并非无力控制城市的发展，想要城市合理有序的发展重要的是人民群众对城市发展进程的调控，对城市发展的手段之一就是城市规划。城市规划作为城市社会经济发展的重要手段之一，直接关系到城市的社会、经济、政治和制度运行。城市的构成越来越复杂，必须在其边界内生存、发展和发挥作用。在城市发展的过程中，影响城市发展的因素越来越多，城市的构成也越来越复杂，综合协调需要在城市规划中进行管理和控制[1]。

随着现代城市规划的出现和发展，城市变得越来越复杂，城市问题的规模和深度是对人类社会的重大挑战。这是一个前所未有的事实。城市规划这门学科正在向多学科发展，规划的内容不仅要解决环境、城市景观、交通等问题，还要解决城市环境问题，城市发展、城市规划和土地利用都发生了一些变化，分工协作已成为营造城市环境的全球性难题。现代城市高楼林立，现代化的车辆川流不息，人口密集，居住区荒芜。这一时期，许多城市规划实践得以实施，人文主义成为设计的主流思想。

如今，城市规划已成为政府对城市国土空间资源进行宏观调控的重要手段。此外，城市规划还促进了城市经济社会发展、土地利用、空间布局和建设的综合利用[1]。在一定时期内，城市经济社会的健康发展，保证了城市土地的合理有效利用，提高了人们的生产和社会福利，不断促进城市可持续发展。

2 三维可视地理信息系统

2.1 地理信息系统

在城市规划中新兴的技术——地理信息系统（GIS）是集计算机科学、信息科学、测绘科学、地球科学、空间科学、信息技术于一体的系统。它是构成“数字地球”的重要技术组成部分，也是当今科技发展的重要组成部分。

地理信息系统是一个由计算机硬件、软件和各种计算机算法组成的支持空间数据采集的系统[2]。地理信息系统是一门研究空间数据的系统，它包含了地理信息系统的基本理论、地理信息系统技术系统和地理信息系统的管理、经营、分析、建模和显示功能，可以解决复杂的规划和管理问题。地理信息系统的研究对象是地理数据，包括地理信息系统的基本理论、地理信息系统技术体系和地理信息系统技术，地理信息系统应用的3个方面是相互联系、相互促进的。

测绘、制图和地理是地理信息系统的理论基础，地图和遥感影像是地理信息系统的主要数据来源。计算机科学为建立地理信息系统提供了技术手段，开发了地理信息系统的基础信息空间信息技术，包括数据结构、数据库技术、可视化技术、空间分析技术以及网络技术等。

2.2 三维可视地理信息系统的发展

2.2.1 三维地理信息系统的内涵

随着信息产业的快速发展和新技术的出现，城市规划将利用新的手段，通过新的途径来提高生活质量。地理信息系统从二维发展到三维，是从20世纪70年代初开始不断发展逐渐成熟的边缘技术手段。二维地理信息系统在整个城市规划中起到重要的作用，但是在城市中仍有其局限性，这是因为城市本身是立体的，要处理很多高度的信息，例如地面的高度、建筑物的高度等[2]。为了解决这些问题，近年来，地理信息系统的一个重要领域是研究城市的三维模型。

世界是一个三维空间，而传统的地理信息系统是基于二维空间，二维的地理信息系统虽然考虑了三维世界的表面可视化，但是对物体的内部属性却没有做任何处理[2]。一个真正的三维地理信息系统不仅要考虑到三维对象的表面信息，还要建立这些对象内部的拓扑关系，三维空间表示不仅考虑到了高度，还考虑到了将几个观测值（x，y，z）放在一个空间中。从整体结构上看，这种处理方式是对人类状况的反应，更接近我们的生活空间。

2.2.2 三维地理信息系统的特点

地理信息系统主要是对地球表面的数据进行处理，因此被称为二维地理信息系统。二维系统可以表示为V=F（X，Y），其中（X，Y）為二维平面的坐标，V为点对应的属性值。对于真正的三维数据模型可以用表达式V=F（X，Y，Z）来描述，其中Z为自变量，不受变化X，Y的影响，即（X，Y，Z）是三维空间中的连续变化。三维数据模型可以有效地表示各种关系和地上、地下的信息。

三维地理信息系统不仅可以表达三维的地理对象，还可以表达一维与二维的空间位置，除此之外，此系统的可视化操作是基于二维到三维之间的空间来展开的。

3 三维可视地理信息系统与城市规划

3.1 三维可视地理信息系统在城市规划中的数据来源

城市的数据源有很多，不同的数据源决定了城市建设数据的内容、格式、准确性和采集方式。不同方法的三维模型有不同的作用。这些数据来源包括以下3个方面。

3.1.1 施工图和设计文件

这些基础参考资料包括建筑物各部分的详细信息，也可以作为三维几何建模的基础。要将一个三维模型放置在一个地理参考框架中，必须对大量数据进行解释和手动输入，因此这种方法只适用于少量建筑物的建模[3]。

3.1.2 数字城市地图和二维地理信息系统数据库

这些数据源不仅包括三维建模所需的几何信息，例如地理对象的位置、创建DEM所需的数据位置，等高线或高程点、建筑物的屋面形状、屋面边缘和基础面积、屋面坡度、屋面边缘和屋面高度。而且，它还具有丰富的属性信息，例如建筑用途、建筑高度和层数等，建筑物的年龄、名称、结构和属性等。现有的模拟系统可以城市地图转换为数字地图，数据可以存储在二维地理信息系统中，但是目前这种数据源缺少建筑物垂直面的几何和纹理信息。

3.1.3 衛星遥感

当前，卫星遥感已进入高分辨率、高精度、多光谱技术和低成本的时代。通过高分辨率遥感影像，可以清晰地看到土地的环境、社会、经济等情况，可以更清晰地了解地面情况[3]。城市的三维模型其高精度的特点使其达到了以前只有航拍才能达到的精度。高时间分辨率意味着可以在短时间内反复采集同一区域的图像，保证了数据采集的动态性、及时性和时效性;低廉的成本使得用户可以负担得起，也可以使用。

3.2 三维可视地理信息系统在城市规划中的技术特点

三维可视地理信息系统在城市规划中的优点包括逼真度高，容易与相应的空间属性信息相关联，还可以将模型的空间属性与模型的图形属性相关联，3DUGIS中的拓扑关系很容易建立，缺点是现代计算机的计算能力有限，除了要求实时渲染外，很难获得真实的物体，这也是基于图像进行三维建模的初衷。

三维可视地理信息系统在城市规划中的图像绘制不取决于场景的复杂程度，仅指生成图像的分辨率;预录图像（或环境贴图）既可以使用计算机图像，也可以使用真实图像，两者可以混合使用。映射技术不需要大量的计算，可以在通常的工作站和微机上实时显示复杂的场景[4]。但是基于图像的建模方法存在交互性不强、真实性不高与3DUGIS数据库连接困难等问题。

4 三维可视地理信息系统在城市规划中的应用

城市规划在城市发展中起着至关重要的作用，因为它关系到城市发展战略、城市区域功能和人力资源的作用。它与热门生活的环境环境息息相关，对人们的学习、生活和工作方式有重大影响。城市交通与道路设计、景观设计、建筑造型、商业网点规划不仅是城市的重要内容，这也决定了城市居民的生活方式和生活质量，因此将三维技术引入规划管理是提高规划管理水平的重要方向[4]。在城市规划部门，很多地方仍然采用手绘和模型进行设计和展示，但是效率低下的展示方法不利于城市规划的有效开展，因此希望城市部门能轻松认识到建筑的规模、外观和环境的和谐，以便创造或改变规划，这些要求不能用传统的方式来执行，而应该用三维的方式进行有效的可视化。

为了实现三维可视化，必须落实以下内容，以支持城市规划和管理目标。1）建立城市基本地形的三维模型。2）创建城市现状立体模型，包括创建建筑现状立体模型;创建绿地现状立体模型;创建住区、雕塑等现状立体模型。3）建立城市规划的三维模型。

通过利用技术构建三维可视地理信息系统城市景观，可以在计算机上建立一个虚拟的城市环境，通过动态的交互方式对城市景观进行全方位的可视化评价。

参考文献

[1]栾大军，郭强.探讨三维基础地理信息系统在城市规划中的应用[J].科学技术创新，2019（16）：85-86.

[2]晏伟.三维可视地理信息系统在城市规划中的应用研究[J].城市建设理论研究（电子版），2018（1）：15.

[3]栾旭，崔磊，王宁.城市三维基础地理信息系统在城市规划中的应用[J].信息化建设，2016（5）：238.

[4]李宏斌.城市三维基础地理信息系统在城市规划中的应用探析[J].技术与市场，2015，22（8）：242.