城市三维辅助规划评审系统的设计与实现

丁爱民 （安庆市勘察测绘院，安徽 安庆 246000）

1 引言

长期以来，二维地图是我们获取地理信息的主要方式，随着测绘技术、信息技术的发展，三维地理信息已然突破二维平面单调展示的束缚，平面拓展为立体，将地理空间现象以立体造型展现给用户，清晰表达了自然资源空间及人类开发利用活动的空间位置关系，提供三维立体时空感受，更直观、更真实、更能满足复杂空间分析、关系管理和快速信息判读的需要。

建设三维基础地理信息数据及其展示分析能力，开发三维辅助规划评审系统，旨在满足规划业务的相关需求，基于地理信息系统、遥感与虚拟现实等技术集成，将实景建筑运用三维倾斜摄影技术建立三维实景模型，并集成地理信息底图数据和规划专题数据，构建三维地理信息场景，实现与规划业务相关的GIS功能，从而为城市管理提供三维可视化的决策手段。

基于空间地理信息数据的三维辅助规划评审系统，可实现包括日照分析、通视分析、剖面分析、可视域分析、天际线分析、限高分析、坡度坡向分析、淹没分析等深入的空间分析服务，进一步拓展自然资源空间一体化展示和分析能力。

2 系统总体设计

系统总体设计以一标准、一库、一平台建设为基本技术路线。一套标准建设既包含二维、三维数据生产和建库，也包含业务数据标准制定；一库建设包含二维数据、三维数据以及业务数据的建设，数据直接可实现数据库层级的互联互通；一平台建设基于底层数据支持完成二维、三维数据的发布共享，实现二、三维一体化集成应用。

2.1 标准及规范制定

依据国家及行业标准规范体系，制定相应的测绘数据生产、三维建模、建库规范以及规划成果提交标准，可以有效保证在整个空间地理信息数据生产入库、三维城市建模建库以及规划指标审核过程中的标准化和规范性。主要内容如下：

①空间地理信息数据规范；

②空间地理信息数据库建设规程；

③三维建模技术规程；

④三维数据建库规范；

⑤总平面图、建筑单体图成果提交标准。

2.2 数据库设计

数据库采用基于Oracle和ESRI ArcGIS的应用模式，实现对二、三维地理信息数据的存储和管理。基础数据层采用Oracle+Arc SDE实现基础数据的存储；采用Arc SDE作为数据服务器构成数据管理层；在数据应用层则采用ArcEngine作为中间件建立的平台，通过ArcSDE和ADO.NET访问底层数据。

运用分布式数据库系统把数据库技术和网络技术的应用统一起来。数据库技术是一种抽象的集中数据管理方法，它通过集中实现数据共享，通过抽象达到数据的独立性。它向用户提供一个聚合的、唯一的数据集合及其统一的管理方法，以适应政府组织地域分散的需要，也是系统本身可靠性的保证。

数据库主要内容为现状数据库及规划专题数据库，如图1所示。

现状数据库：包括影像数据、现状模型、纹理等。

规划专题库：包括规划方案数据和纹理以及规划专题数据等。

图1 数据库结构图

通过数据库管理系统，实现对数据方便、高效的管理，满足查询检索、基本分析等功能。数据库管理系统由数据入库与更新子系统、数据管理子系统、地名数据管理子系统、数据质量监理子系统、元数据管理子系统和系统维护子系统等组成。

2.3 三维地理信息平台设计

3DVP三维地理信息平台采用工业图形标准OpenGL为底层，基于3DVP Engine三维驱动，系统采用B/S和C/S混合架构，包括基础层、数据层、支撑层、服务层和应用层。系统不仅支持桌面应用，还支持C/S或B/S架构的网络应用，各类行业用户可按照设定权限共享和使用数据。支持DEM、DOM、3DCM、矢量等多类数据融合显示，具有沉浸式三维漫游、空间分析、效果展示等技术特性。支持开放底层SDKAPI接口，满足二次开发应用。

三维平台采用组件式技术，浏览端采用Windows控件集成技术，使得平台在C/S和B/S的核心框架得到统一，保障了平台效率。另一方面，虽然windows操作系统本身基于安全原因针对IE浏览器有着一定的安全访问限制，三维平台采用缓存技术，并针对操作系统安全管理进行科学设计，使得因安全限制原因下降的效率降至最低。

基于松耦合的模块组装架构设计，使系统的部署变得更加灵活，可以根据用户的业务需求对功能模块进行合理的拆分重组，形成满足不同应用需求的子系统。用户还可以根据自身的需要，开发个性化的插件组件，该插件只需满足系统接口即可，以插件的方式进行开发，可以使系统如计算机硬件一样做到“即插即用”。

此外，针对网络应用，三维地形影像采用金字塔技术，满足分级分区域快速网络抽取加载，三维模型采用高效压缩技术及纹理渐进技术，同时结合客户端的高效调度机制保障数据的快速传输。

基于以上技术手段，实现三维平台可以满足在网络上进行三维数据传输，发布影像、地形、三维模型、矢量等场景数据，并支持数据多任务快速发布，提供支持断点续发功能，支持基于Windows系统IE 6.0（及其以上版本）浏览器。系统既能够在政府100/1000Mbps专网稳定运行发布，也能够支持互联网条件下的稳定运行。3DVP三维地理信息服务平台架构如图2所示。

图2 3DVP三维地理信息服务平台架构图

3 三维辅助规划评审系统功能实现

基于3DVP三维地理信息服务平台开发的城市三维辅助规划评审系统，针对规划设计以及决策管理等对象需求，设计功能包括：基础功能模块、三维辅助规划评审系统（规划空间分析模块、规划方案管理模块）和规划核实系统。

3.1 基础功能模块

系统基础功能主要包含场景浏览、路径绘制、空间量算、标注标绘、图层控制、特效模拟、场景输出等功能，满足城市级场景快速展示与漫游，能够承载城市级精细模型的展示，包括灵活的、交互式的浏览漫游，信息查询等。

3.2 三维辅助规划评审系统

辅助规划评审系统可以为决策管理者、设计师和专家等提供一个非常直观、简单易懂的业务操作平台，系统以规划设计方案及评审的真实城市为背景，在对方案中涉及的建筑和环境进行建模后，可以对场景模型进行由单个物体到整个场景、从点到面的准确有效的分析。方便大型复杂工程项目的规划、设计、报批与管理，三维场景的真实再现，有利于设计人员、领导决策者和其他参与者对各种规划设计方案进行辅助设计或最终的审定。三维辅助规划评审功能结构图如图3所示。

图3 辅助规划评审功能结构图

①规划空间分析模块，以丰富、真实的城市空间数据库为基础，进行准确、快速、有效的互动编辑、空间分析、协同设计、协同评审等操作，具体功能包括通视分析、视域分析、控高分析、退让分析、断面（天际线）分析和日照分析等如图4、5、6、7、8、9 所示。

通视分析：检测场景中两点之间在直线方向上的可视性。

图4 通视分析界面

视域分析：分析判断当前视点朝向一定位置的可视范围内的对象数据，并进行统计。

图5 视域分析界面

图6 控高分析界面

图7 退让线分析界面

控高分析：判断任一范围内的建筑对象是否满足控制性高度规划要求，对不满足条件的建筑进行统计。

退让分析：对规划控制线(红线、绿线、紫线、橙线、蓝线、黄线等)的退让距离进行分析统计，是否满足规划需求。

断面分析：通过绘制起始点间的线段范围，生成该线路沿线的建筑天际线，用于辅助城市设计、控制沿街（江、海岸线）景观等。

图8 断面分析界面

日照分析（日照模拟）：设定场景中某幢建筑的某个窗户，系统模拟日照阴影效果，通过计算指定时刻太阳的高度角，计算太阳入射角，显示建筑的阴影。支持实时定点日照时长分析。

②规划方案管理模块实现在三维场景中，能任意提取对象或建立方案管理对象，对多方案进行有效的管理，功能包括方案导入定位、方案调整和多方案对比分析。其业务流程与功能如图10、11、12、13所示。

图9 日照分析界面

图10 业务流程图

方案导入定位：对新提交的单体建筑模型数据进行检查，对不符合要求的数据提供修改手段和方法，将符合系统要求的方案数据直接导入到三维场景中，进行审批前期处理。支持同一位置多个方案的导入。对于场景中已经存在的方案，能够通过快速定位的方式找到选定的方案，方便决策者在多个方案之间进行定位切换。

图11 方案导入定位界面

方案调整：系统除了增加、删除方案外，可对当前方案进行体量、朝向、材质、栋数、高度等信息进行调整。

图12 方案调整界面

多方案对比分析：通过双屏方式，左右屏分别展示不同方案，进行比较分析。

图13 分屏对比界面

3.3 规划核实系统

规划核实模块是对规划方案直接提取相关图形和属性数据、自动计算方案各种指标的工具，并生成各种指标表格，最终导出审查报告。系统通过接口开放以及参数传递等方式，实现图形与数据的二、三维联动展现。该工具包括：总平面方案审查计算、建筑单体面积复核计算等功能。

①总平面方案审查计算

总平面方案审查计算工具按照国家相关设计规范开发，相关参数可按地方标准调整，实现对规划方案指标自动计算，并生成相应的指标表格。功能包括系统设置、轮廓转换与属性参数读取、检测工具、指标统计如图14所示。

图14 计算面域自动生成界面

②建筑单体面积复核工具

建筑单体面积复核工具是建筑面积计算辅助工具，通过设置审核图层、按幢号、楼层、单元分别勾绘轮廓图，然后自动计算、汇总统计面积，生成汇总报表。主要功能有参数设置、面积计算、计算检测、指标报告生成等。可完成各类建筑面积统计，包括：标准层面积、坡屋顶楼层面积、住宅面积、公建面积、地表占地面积、地下空间面积、计容积率面积和不计容积率面积等如图15、16所示。

图15 按幢、层自动计算建筑面积界面

图16 面积计算表格和报告界面

4 结语

建设空间三维地理信息数据库，是实现三维空间的空间分析、效果模拟和变化对比等功能，形成基于三维空间的数据一体化展示和分析能力的基础。城市三维辅助规划评审系统的应用，为规划编制与设计单位提供更为直观的科学设计手段。三维辅助规划评审系统与规划业务管理系统相融合，可以叠加显示二维数据及相关的规划成果数据，实现立体和平面的系统互通，增强了规划管理部门对现实场景和规划方案的认知。系统三维场景为景观分析、方案优化、辅助评审提供了身临其境的感知体验，进一步提升了城市管理者科学决策能力。