三维数字城市在宜昌市城市规划中的应用研究

李军锋 ，卢立

(宜昌市测绘大队，湖北 宜昌 443000)

1 引 言

随着城市经济与规模的不断发展，城市规划在城市发展进程中的重要性日益突出。科技的不断发展与创新令城市规划决策的手段也越来越多，不再是以往仅仅在二维空间依靠规划师的经验来确定，而是结合三维数字化方式对城市进行控制性与详细规划。三维数字城市信息系统可以全面、直观地展现城市，给人们创造身临其境的感觉。三维城市规划辅助决策系统是建立在三维数字城市的基础上，通过多种数据的表现形式、多种软件功能模块来实现对多种城市规划的方案的查询、统计、比较、浏览和管理，为城市规划管理者提供极大的便利。近些年，大规模的三维数字城市信息系统已在很多行业部门得到了成功应用［1］。

2 三维建模方法比较

随着测绘技术的发展，当前的测绘手段越来越丰富、测量精度越来越高，高精度的影像数据获取也更容易。

三维数字城市建模有多种方法，包括机载激光雷达测量、三维激光扫描测量、传统的手工建模等方式。

2.1 机载激光雷达测量

机载激光雷达测量系统主要包括:动态差分GPS接收机，用于确定扫描投影中心的空间位置;姿态测量装置(惯性测量单元IMU)，用于测量扫描装置主光轴的空间姿态参数;激光扫描测距系统，用于测量传感器到地面点的距离;一套成像装置(现在主要是数码相机)，用于获取对应地面的彩色数码影像。利用激光测距原理和航空摄影测量原理，快速获取大面积地球表面三维数据的技术［2］。

目前，全国大部分地区已经建设完成连续运行卫星定位服务系统CORS，机载三维激光雷达测量系统可以通过地面CORS 系统，实时、快速地获取大范围高精度地表目标点的三维坐标信息以及航空影像数据，并能通过这些数据快速生成数字高程模型(DEM)、数字表面模型(DSM)和数字正射影像(DOM)、城市三维模型等数据。机载激光雷达测量技术具有作业速度快、外业工作量小、测量精度高、测量数据量大等优点，且贴图纹理更加真实［4］。

通过此方法制作的三维模型场景中由于进行外业时高层建筑物的阴影对其他建筑物的遮挡，就需要通过其他方法对这些阴影进行处理。对于贴近地面的地物贴图、城市部件等也需要通过其他方法来进行制作。

2.2 三维激光扫描测量

三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，是测绘领域继GPS 技术之后的一次技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高点密度、高空间分辨率、高效率、高精度的优势。三维激光扫描技术能够提供扫描物体表面的三维点云数据，因此可以用于获取高精度高分辨率的数字地形模型。按照载体的不同，三维激光扫描又可分为车载、地面等类型。

目前三维激光扫描仪的硬件设备问题基本得到解决，数据获取相对简单;但数据处理的算法以及软件的开发研制还相对滞后，需要进行大量的人工干预才能得到较为精确的模型数据。对于结构复杂的建筑物和地形，三维激光扫描技术能够提高三维建模效率、三维建模的精度。

3 三维数字城市在宜昌规划中的应用

为了进一步推进宜昌市城市规划成果的发展应用，更精准直观地辅助政府科学决策和突发事件应急，促进部门信息化，便捷百姓生活，实现城市规划管理方式由二维向三维的提升，宜昌市规划局开展了宜昌市城市规划三维辅助决策系统和主城区三维建模项目建设工作。

3.1 建模方法

本次项目采用依图建模的方法，主要是使用3ds Max、SketchUp 等建模软件，采用地理信息系统技术和虚拟现实技术对城市中各类房屋、公园、标志性建筑物及交通设施等人工构筑物进行数字化建模，并于地形、地貌等自然要素相叠加，形成与真实场景一致的一种方法［3］。该方法建模的一般流程如图1所示:

图1 依图建模流程图

该种三维建模方法需要现势性较好的DLG 数据、建筑物的高程信息、建模地物的纹理图像数据。需要制作人员能够对DLG 数据进行很好的判读，才能构建出更加真实、合理的三维模型。示例如图2所示:

图2 依图建模示例

对于城市规划设计来说，主要研究对象是城市的体形结构以及各城市要素之间的关系，包括城市的天际线、城市边缘和入口、视线走廊、水景和绿化、建筑物、广场、街道等，这就需要设计者在设计过程中进行大量的空间形象思维。同时，应从城市使用者的感受出发，分析城市各要素之间的关系［5］。

城市规划设计的对象是三维的城市空间，考虑到二维设计不够直观，给设计者带来很多不便，也无法评估设计的一些要素。因此，利用三维设计可对城市规划设计起到很好的辅助作用［6］。

3.2 注意事项

上述的三种三维建模方法各有优势，但结合规划辅助决策，使用依图建模的方法构建城市虚拟模型更符合城市规划对整个城市进行空间分析、统计、展示等需求。因此，宜昌市规划三维辅助决策系统所采用的三维模型数据是依照城市地形矢量、栅格数据、城市构筑物的纹理贴图来制作的。

使用该方法制作三维模型的过程中，需要注意以下几点:

(1)将地形图数据导入3ds Max 中，应先对数据进行预处理，将所有数据的标高值改为零;

(2)地形图使用的是大地坐标，坐标值往往很大，在导入前需要对图形进行整体平移，避免到3ds Max中，出现点捕捉不准确的情况;

(3)在制作模型前，应对软件进行一系列的基本设置，如统一单位、比例尺等;

(4)建模过程尽量减少用球体、圆柱体等多面体结构的模型，尤其不能用Nurbs、Patch、布尔运算等方式建模;

(5)对于展示时，在保证仿真效果基本不变的基础上，可以删除不必要的面，如建筑物的地面、两栋建筑重叠的部分等，以减少数据量;

(6)贴图过程中，对于相同的纹理应使用统一贴图，避免统一类型贴图使用多个贴图;

(7)模型命名与贴图命名应统一，避免出现重复的命名。

3.3 命名及编码规则

为了方便对图层与三维模型的管理，需要制定一定的规则对图层、模型进行统一命名。根据道路划分建模地块，并根据地块所属的行政区等信息进行建模区域的命名。划分的地块名如图3所示。

图3 建模地块划分图

参照DLG 分层，将建模地物分为建筑、道路、小品、植物、水系、地形等六层。如表1所示:

表1 建模地物分层命名表

除了对各层中建模地物的命名进行规定，还要求对应贴图按照统一编码来进行，方便贴图的查找和修改。贴图的命名需要注意以下几点:

(1)制作原始贴图文件名严格与材质球命名一致;

(2)材质球的父子层级的命名必须一致;

(3)同种贴图必须使用同一个材质球;

(4)不允许出现重复命名。

贴图根据模型所属的模型分层进行命名，该模型贴图的名称为模型名称+顺序编码。

例如:模型名称为SXDX01JZ001 的贴图，命名采用SXDX01JZ001001、SXDX01JZ001002、SXDX01JZ001003…。

3.4 宜昌市规划三维辅助决策系统功能

宜昌市规划三维辅助决策系统界面如图4所示。主要实现以下的系统功能:

图4 宜昌市规划三维辅助决策系统界面

(1)数据导入。系统不仅能导入用户创建的模型，还能够导入CAD、DLG、DEM、DOM、SDE、Shape、DXF、MAX 等文件，并提供基础模型库。

(2)数据浏览。系统提供了多种的浏览方式，包括:环视、绕视、步行模式、飞行模式等，并能根据需要对显示模式进行选择，分类显示各类模型。

(3)三维空间分析。提供基本的空间量算，包括:距离、长度、高度、面积等。根据规划辅助的要求，系统还提供通视分析、日照分析、断面分析、控高分析等。如图5和图6所示:

图5 日照分析示意图

图6 通视分析示意图

(4)信息查询。实现了建筑物与属性的双向查询，能够选择建筑，显示相关属性;也能够通过输入建筑物名称，定位到建筑物所在位置。

(5)方案的对比和实时修改。提供多方案多屏对比分析的功能，用户可以从不同角度，不同方位来同时观察各个设计方案，比较不同方案对城市景观，对周围建筑的影响;可对方案模型根据高度，层数进行垂直方向的调整，根据方案模型基底形状进行水平方向的调整，或直接对建筑模型进行对比缩放、位置移动以及根据特定要求对建筑模型进行调整(例如:建筑物直接升高到航空限高的高度、建筑模型针对某特定道路红线进行退距等)，调整后方案的垂直高度、层高、建筑体量、容积率、建筑密度、绿化率等指标自动更新。如图7所示:

图7 双屏方案对比示意图

(6)数据输出。能导出方案的效果图、立面图、顶视图等，并能导出方案的经济指标分析表以及图片、动画等。

4 结 论

宜昌市规划局于2012年底完成规划三维辅助决策系统的建立，该系统采用了地理信息系统和虚拟现实等先进技术，实现了对城市规划方案逼真的效果展示和实时的方案修改。并根据需要在规划委员会上进行了多次三维报建项目的演示。

宜昌市规划三维辅助决策系统的建立，丰富了城市规划设计的展示方法、增强了城市规划设计的表达效果，不仅促进了非专业人士参与规划，也为规划师制作和修改方案、推敲设计、提高设计效率、有效利用有限的城市空间、优化资源配备起到了辅助作用。

［1］李琦，刘纯波，承继成．数字城市若干理论问题探讨［J］．地理与地理信息科学，2003，19(1):31 ～33．

［2］张祖勋，张剑清．数字摄影测量学［M］．武汉:武汉大学出版社，1997．

［3］杨建思，杜志强，彭正洪等．数字城市三维景观模型的建模技术［J］．武汉大学学报:信息科学版，2002(3):37 ～40．

［4］陈爱军，徐光祐，史元春．基于城市航空立体像对的全自动三维建筑物建模［J］．测绘学报，2002，31(1):54 ～59．

［5］赵立珍．城市设计中的仿真技术应用初探［D］．武汉:华中科技大学，2004．

［6］艾丽双．三维可视化GIS 在城市规划中的应用研究［D］．北京:清华大学，2004．