基于三维地理信息系统的城市规划技术

姜峰

烟台市规划设计院（烟台市城市规划编研中心） 山东 烟台 265400

引言

城市是一个复杂的系统，是社会分工和社会经济发展到特定阶段的必然产物。现代化的城市是现代文明发展的一个重要标志，体现了国家经济发展的实力、综合管理能力。现代化城市不仅体现在三维空间上的聚集性，还体现在高度集约性和整体结构的开放性。城市信息数据量急剧增加，信息被快速地进行存储、分析和交换，信息的变化方式复杂，城市规划面临着更高的要求，需要不断探索先进的技术方案，获取、存储、管理、分析、挖掘城市的三维地理空间、经济、文化等信息，为城市规划决策提供前瞻化、集成化的综合信息管理能力[1]。城市规划的新形势，三维地理信息系统（3DGIS）需要具有全面的数据收集体系、数据存储体系、数据管理体系和数据可视化系统应用体系，以及数据实时更新的循环体系。本文探究当前的GIS技术发展的方向，归纳三维地理信息系统（3DGIS）的城市规划技术的基本模式和技术特点，提出了三维地理空间数据（地形模型、地下管线模型、地表对象模型）规划技术的框架体系、数据存储和分析体系、功能可视化体系和运行维护更新方案等。

数字城市是未来城市发展的趋势，对基础设施规划、建设和管理具有更高的要求。三维地理信息系统（3DGIS）为数字城市基础设施规划提供新的技术手段。卫星遥感技术已经突破到更高的分辨率，具有更强的获取和实时更新地理信息的能力；以光纤宽带和通信卫星为基础的信息传输和交换能力；数据分布式存储和分析能力；三维数据建立、仿真、可视化、虚拟化能力，为三维地理信息系统发展提供了基础。建立三维地理信息系统，可为城市规划技术提供重要支撑。

1 三维地理信息系统建设及其特点

三维城市模型发展于国外城市建设过程中，成功的例子包含纽约曼哈顿城市模型，东京局部地区。纽约曼哈顿三维城市模型主要是应用于土地规划、环境变化评估、城市天际线研究等，东京三维模型用于空气检测、灾难检测和预警、城市全景数字可视化。三维地理信息系统发展主要是基于卫星图片、航拍信息等数字摄影测量技术和三维数字模型。三维地理信息系统（3DGIS）主要包括以下特点[2]：

1.1 数据量大，管理范围大

城市规划涉及较大地域空间的范围，一般为几百平方公里的地域空间，有些城市甚至可以涉及几万平方公里，地域空间信息主要由3个层次的环境信息、自然生态环境、社会经济环境和人工建筑环境。自然生态环境信息主要涉及城市地理位置、规划城市周边地貌、地质、水文气象、动植物分布、自然资源和环境；社会环境信息主要包括经济、科技、文化、历史、人口、道德和民族风格等因素；人工建筑环境信息包括已存在的建筑和道路、地下和地表管网基础设施等。数据信息格式和维度多样化，致使数据获取的方式也是多样化的，三维地理信息体统管理的数据是海量的，一般都达到TB量级。

1.2 问题多样化，需多尺度无缝连接的数据支撑

地表层不仅包含自然生态环境，而且还涉及人工建筑环境，环境复杂，地理细节不易察觉。地理信息是对地表环境的近似描述，程度和多维度的尺度地理信息相关，不同程度的近似描述体现地理信息及其附属信息抽象尺寸。城市的不同尺度（宏观层次、微观层次）、不同层次（全系统层面、局部层面、子系统层面和孙系统层面）、不同主题等信息之间具有多尺度多层次的联系和交互，需要建立三维地理信息系统分析数据。

1.3 交互式动态可视化支持决策

认识和改造世界的基础便是对空间信息的运用。图形化的形式是空间信息的主要储存方式。二维图像界面抽象地展示了空间信息，需要立体化思维将抽象的信息丰富为三维模型。地理信息是实时变化的，同时变化具有多样性，需要交互式动态可视化的界面支持城市规划的决策。三维GIS因为具有多尺寸、多维度、动态交互、实时可视化的平台，体现更多更丰富的地理信息，结合相关经验，可以快速准确地做出决策，解决空间布局问题。空间信息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维GIS是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。

2 三维地理信息数据获取技术

三维GIS研究空间对象之间的关系，要客观、准确地描述和分析空间对象三维信息，可视化空间对象的信息。三维GIS不仅要有海量空间数据存储和分析能力，还要具有模拟虚拟现实的三维可视化效果。三维GIS系统涉及的三维数据的收集、存储、分析、可视化等内容。根据知觉方式将空间尺寸进行划分，分为图形、街景、环境和地理空间。图形空间需建立一个观察点进行全面感知；街景空间是在观察点的基础上，通过改变观察角度进行感知或扫描；环境空间是建立在多个观察点，通过在空间内变动，获取多个观察点的感知，形成知觉空间，知觉空间的拼接和叠加，形成认知空间，得到完整的空间知觉；地理空间难以通过亲身观察获得直接的空间感知，需将地图、三维模型等空间信息缩减为空间图形信息，从而感知得到。

三维地理信息数据获取技术可以按照数据源和建筑重建方法进行分类。按建筑物三维模型的重建方法主要分为3类，分别为地图、图像和点群；按照数据源，分为远距离数据（卫星图像、航空图形、空载激光扫描等）、近距离数据（近景拍照、人工实测、近距离激光扫描）和GIS/CAD模型数据[3]。大范围三维地理空间信息主要是通过遥感卫星和机载激光立体扫描获取；公路、铁路和沟渠等条带区域数据信息主要是通过车载激光扫描和数字摄影测量获取；建筑物高精度数据主要通过地面拍照测量和激光近距离三维扫描获取；空间对象的侧面纹理主要是通过倾斜航空摄影技术获得。

高分辨率遥感信息分析、虚拟地理环境的建模和地理空间认知与互联网中地理信息相结合，优先获取地理细节在不同尺度下的地理概念、认知和表达动态现象、空间信息参照的多模式和多框架、地理实体的本体、漫游的虚拟空间、图形图表的显示和推理、GIS认知的设计和实现等内容。

3 三维地理信息系统设计

城市三维地理信息是城市管理的关键，核心则是构件三维地理数据模型。城市三维模型是将地理自然环境和人文要素按照归一化的坐标拼接为可视化三维模型[4]。三维空间要素、时间维度和社会经济等信息，共同构成了空间、时间和经济信息网络化多维度的一体数字城市信息平台。三维地理信息系统采用多层结合的技术体系，整体系统框架设计可分为数据获取和处理、网络层、数据层、服务层和应用层五个层次设计，以及一个保障机制和一个安全机制。

3.1 数据获取和处理

采用空天一体遥感、摄影测量、激光立体扫描等技术，结合现存的地理空间信息资料，快速得到多数据源、多时态、多要素和多尺度的三维空间数据，便于建立多尺度全要素城市时态三维模型。

3.2 网络层

系统稳定运行的基础是网络层，负责数据源之间、数据与程序之间、程序与程序之间通信连接。网络层之间建立加密技术，保障各个数据之间互联互通时数据安全，网络层作为安全和高效的物理通道，是三维地理信息系统的数据交互和共享的基础。

3.3 数据层

基础数据、纹理数据、三维模型数据以及规划专题数据等均保存在数据层，还负责对数据的更新和管理[5]。在数据库一体化管理系统上，通过数据转换，可以实现多尺度全市域无缝管理数据，同时可以实现某个区域、某个类型甚至某个要素的数据更新。数据层可以实现多种格式数据准确地完整输出，并支持在联网情况下并发访问与可视化三维操作。

3.4 服务层

服务层是数据层和应用层之间连接的桥梁，服务层将数据层的数据提取并传递给应用层。服务层进行多种组合，可以服务于不同的应用层，当新的地理信息应用建立时，调取新的服务层组合，以支撑系统应用环境。服务层的建立可以有效降低3DGIS系统的建设难度，从而将开发者的经历和时间更有效地服务于具体业务的开发应用中，大大降低了开发成本，减少了数据资源的重复建设[6]。服务层主要提供目录、影像、数据、信息查询和元数据等服务内容，分割开数据层和应用层，使数据层和应用层具有独立性，便于提升系统的可扩展性。

3.5 应用层

作为系统框架的最顶层，应用层包含两个功能：一个功能为接收用户的请求，将用户请求进行分解，将任务传递给服务层，将服务层进行组合和调用；另一个功能为反馈处理结果，将服务层具有处理结果以影像的信息返回给用户。应用层根据行业和领域的不同，提供不同的应用系统。

3.6 保障机制

整个3DGIS系统设计过程中，需要规范化、流程化建立系统，实现系统的良性循环。系统设计时，需要标准化的各类数据、通用的接口、数据处理、管理方法和措施。

3.7 安全机制

数据存储系统、数据处理系统、数据传输和交换系统等硬件和软件系统共同构成了三维地理信息系统。整个系统涉及海量敏感的大比例尺城市数据运行，涉及的系统比较复杂，对系统安全机制具有极高的要求。安全机制包括物理安全、网络安全和数据安全，涉及数据收集、存储、传输和分析等一系列环节。

物理安全是指三维地理数据存储和传输环境的安全，包括计算机软硬件、机房设施和环境、网络设备连接和运行等。冗余机制是保证物理安全的关键，包括不限于冗余数据储存阵列、异地数据备份、双机热备份等。

网络安全分为局域网安全和广域网安全。局域网用户具有固定和可预知性，根据用户的不同需求授予访问权限[7]。局域网安全主要是对用户身份识别安全和用户信息存储控制安全。广域网是采用光纤将用户进行连接，对网络输出信息采用数据加密技术、防火墙技术、用户账号等措施保障广域网安全。

数据安全为对数据的读写、存储等操作时进行授权。根据用户对数据操作的不同需求授予不同的操作权限。数据需要定期备份，并建立冗余机制。建立数据更改日志或记录，保障数据操作的完整性和一致性。

4 结束语

城市规划是一个复杂的工程，科学合理的规划有利于提升空间利用率，留足城市未来发展空间，保障城市健康可持续发展战略。三维地理信息系统的应用，可以推动城市规划更合理、更科学，可以将规划蓝图直观地呈现在决策者和市民面前，让城市的规划有章可循。当前信息技术发展迅速，三维地理信息系统需适时优化技术方案，以满足城市规划的需求。