三维可视化在城市规划的应用.docx
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三维可视化在城市规划的应用
1三维可视化在城市规划的应用
三维可视化以其强大的功能和应用的广泛改变了城市规划和建筑设计表现形式从传统效果图、沙盘模型、三维动画的设计模式提升到数字技术发展的变革。
更重要的是实现了对城市环境从过去到未来变化状态及趋势进行科学的仿真、模拟和预测。
利用城市空间数据建立一个逼真的、立体的、可交互的虚拟城市环境，可实现城市规划的全方位、自动化设计理念；并且利用三维可视化技术构建的虚拟城市景观可以从众多的规划方案中选择具有最佳效益的一个。
1.1研究现状
目前，许多国外学者己经开发了三维GIS原型系统，使三维可视化技术在建筑、交通、城市规划等许多领域得到应用。
德国Rostock大学、Stuttgart大学等研究机构联合研究了三维GIS在数字城市模型中的应用，他们对城市的空间对象进行了分类和表示，建立了数字城市模拟系统，对城市基础设施（包括房屋、道路、绿地等）可方便地进行查询、分析和显示。
一些商用GIS系统中，也加入了三维GIS模块，如ArcINFO的ArcScene、IMAGINE的VirtualGIS模块，能在实时三维环境下，提供GIS分析和实时三维飞行方式的访问和漫游。
还有许多其它一些模拟实验系统，其研究集中于三维可视化和虚拟现实功能方面，以及与计算机网络的结合上。
目前，国际上成立了许多专门机构进行三维GIS的基础研究，大量有关三维GIS的学术论文开始涌现。
20世纪90年代后，三维GIS研究得到了极大的发展。
由于GIS的容涉及很广，包括天文、地理、地质、城镇建设、环境评估等，同时GIS又是一门新兴的边缘学科，它涉及到图形学、管理学、计算机科学、测绘科学等众多的学科，各专业领域的专家都有人在根据自身学科的特点对真三维GIS进行研究。
在国，关于城市三维可视化软件较典型的有灵图软件技术的VRMap和适普软件的IMAGIS。
VRMap是三维地理信息系统平台，可以在三维地理信息系统与虚拟现实领域提供从底层引擎到专业应用的全面解决方案，（如图1－1为VRMap的界面）;IMAGIs三维可视地理信息系统，是一套以数字正射影像（DOM）。
数字地面模型（DEM）、数字线划图（DLG）和数字栅格图（DRG）作为处理对象的GIS系统。
该系统结合了三维可视化技术与虚拟现实技术，完全再现管理环境下的真实情况，把所有管理对象都置于一个真实的三维世界中，真正做到了管理意义上的“所见即所得”。
（图1－2为IMAGIS电力系统解决方案）
图1－1VRMap的界面
图1－2IMAGIS电力系统解决方案
1.2三维可视化给城市规划工作带来的优势
（1）决策的科学性
城市规划管理是一个以土地空间使用为主要表征的多信息处理、复合过程，需要分析大量的信息以辅助规划决策，并且实时动态查看、修正的需求也极为频繁，需要决策者做出更具科学性、权威性的决策。
（2）先进的管理方式
城市的快速发展使规划管理部门的业务工作量不断增加，由各种数据、图形和文字资料综合而成的信息量也随之急剧膨胀，传统的管理手段和人工作业方式在现势性、准确性、科学性和效率方面已不能适应目前的需要，更不能满足将来的发展，一个高效、规、自动化、智能化的城市规划管理信息系统能够有效的处理这些问题。
（3）实现标准化的工作模式
实现办案过程程序化和标准化、审批成果的规化以及义务数据及图形数据的集成化管理，并使办公自动化达到先进水平，不仅使得审批项目环节上实现办公自动化，也建立起一整套完善的窗口和部门之间的网络联系，建立计算机程序化的工作汇报制、备案制、检查制。
1.3三维可视化GIS在城市规划中的功能
三维可视化GIS在规划中的应用，除了具有管理信息系统和二维的地理信息系统的功能，如日常的办公管理、二维信息管理、二维的信息查询和分析等，还具有对城市和城市规划中三维信息的管理和处理和分析的功能。
1.3.1二维、三维信息的联合管理
无论是城市规划的管理和城市规划的编制，都是把数据作为开展工作的基础。
三维GIS系统秉承了管理信息系统和地理信息系统的特点，同时又加入了三维信息管理、显示、查询、分析的功能，因此，城市规划中三维GIS系统的首要用途就是数据管理和信息管理。
1现状信息的管理
对现状信息的掌握和分析，是城市规划编制、审批和实施的首要步骤。
城市规划管理的现状信息错综复杂，并且数据量极大。
现状信息分为：
现状地形信息、现状建筑物信息、现状的专题信息。
（1）现状地形信息
传统的地形信息是以地图的形式储存的，在三维GIS中，既可以存储和管理传统意义的二维的地图信息，也可以存储和管理三维数据特有的信息。
由于城市规划工作涉及到的部门很多，数据的格式上有可能产生不统一的情况，如在某些测绘部门习惯使用Mircostation来绘制地形图，在城市规划管理习惯使用AutoCAD来查看地形图，这就产生的数据的转换和兼容问题。
在GIS数据库中，能够融合各种数据格式，把它们统一管理起来，并能统一更新。
现状地形信息包括以下几个部分：
传统的二维数据：
二维矢量地图、栅格地图、航空摄影资料和卫星遥感影像资料。
三维地形数据：
地形的数字高程模型（DEM）或者数字地形模型（DTM），以及数字正射影像（DOM）。
（2）现状建筑物信息
传统的建筑物信息是存储在二维数据中，建筑物的平面数据是以建筑物投影在水平面上的轮廓表示，高度信息作为属性存储在数据库中。
人们要从这种二维的信息推测建筑物的三维体量需要加入自己的主要判断和分析，十分不便。
尤其对于重要的建筑物，在进行规划的时候可能要作为主要的参考信息，三维建筑物就能够满足这样的要求。
对于所存储建筑物信息的详细程度，可以按照建筑物的重要程度来划分，对于重要的建筑物，建立详细得模型并附上纹理。
（3）现状专题信息
专题信息可以包括以下几个部分，行政区划、人口经济、基础设施、公共服务设施、文物保护、道路管线、建筑物高度、容积率等。
专题信息一般是以二维来表示的，但是对于建筑物高度这样的信息，用三维的形式来表达就更合适一些。
2规划信息的管理
规划信息的管理是对城市规划的成果进行管理。
按照传统城市规划的编制阶段来说，规划的成果分为以下几个部分：
城市总体规划成果、城市分区规划成果、城市控制性详细规划成果和城市修建性详细规划成果。
（1）总体规划成果
总体规划的成果包括规划文件和主要图纸。
规划文件包括文本和附件。
总体规划的图纸主要包括：
1）现状图：
市域城镇布局的现状图和市区现状图；2）用地评价图；3）市域城镇体系规划图；4）城市总体规划图；5）各项专业规划图，包括：
综合交通体系及道路交通规划图，给水、排水工程规划图，电力、电信、热气燃气工程规划图，环境卫生设施与环境保护规划图，绿化系统及园林绿化规划图，名胜古迹和风景规划图，地下空间开发及人防工程
规划图，河湖水系及防洪规划图。
城市总体规划所要求的数据的比例尺的较小，总体规划图纸的比例：
大中城市为1：
10000或1：
25000；小城市为1：
5000～1：
10000，其中建制镇为1：
5000。
因此在三维可视化的地理信息系统中，模型的详细程度可以选用最粗略的等级。
（2）分区规划成果
在实际工作中，大中城市的总体规划的图纸比例较小，深度也是有限的，主要是在结构上作轮廓性的规定。
为了提高详细规划的设计质量，大中城市常常在总体规划河详细规划之间增加分区规划这一程序。
分区规划的成果包括规划文件和主要图纸。
分区规划的文件包括规划文本和附件，规划说明及基础资料收入附件。
分区规划的图纸主要包括：
规划分区的位置图；分区现状图；分区土地利用及建筑容量规划图；各项专业规划图。
随着规划围的缩小和规划要求图纸比例的增大，分区规划对三维GIS提出的更高的要求，模型的尺度为1：
5000，才能满足分区规划的出图要求。
（3）详细规划成果
根据不同的工作要求，详细规划分为控制性详细规划和修建性详细规划。
1）控制性详细规划
控制性详细规划是以控制建设用地性质、使用强度和空间环境，作为城市规划管理的依据，并指导修建性详细规划。
控制性详细规划的成果包括文件和图纸。
控制性详细规划文件包括规划文本和附件，规划说明及基础资料收入附件，规划文本中包括规划围土地使用及建筑管理的规定；规划图纸主要包括规划围的现状图、控制性规划图等。
图纸的比例为1：
1000～1：
2000。
2）修建性详细规划
修建性详细规划适用于当前成片开发、新建、改建的地区和建设工程项目比较落实的地区，用于指导各项建筑和工程设施的设计和施工。
修建性详细规划文件为规划设计说明书，规划图纸包括：
规划地段的现状图，详细规划总平面图，竖向规划图，各项专业规划图，反映规划设计意图的透视图。
详细规划的深度，一般应满足房屋建筑和各项工程编制初步设计的需要。
其容和图纸可根据具体要求的条件有所增减。
图纸比例一般为1：
2000，也可以用1：
500和1：
1000。
1.3.2基于三维信息的显示和查询
将城市规划相关的数据输入计算机中的数据库，利用GIS的空间查询功能对这些信息进行查询、检索、统计、显示、输出，实现管理的自动化、规化和标准化，为城市建设单位和公众提供信息咨询服务，提高城市规划管理的水平和建设项目的审批质量。
这是GIS在城市规划中的最基本的应用。
三维可视化GIS的优势就在于对三维数据的展示和查询功能，并能够在原有的二维专题数据叠加到三维地形表面，形成具有三维效果的三维专题数据。
这些数据包括：
现状资料，控制性详细规划资料，建设工程注记，建设用地注记，以及优秀近代保护建筑等。
1多源数据的显示和融合
有两种数据融合的方式：
简单融合和复杂融合。
可以把以上数据源的数据两种进行简单叠加显示，也可以把多种数据源进行叠加显示，并建立各种数据之间的拓扑关系，以方便数据的分析。
2多源数据的查询
（1）针对地形的查询与分析：
对地理数据的空间数据和非空间数据进行查询和分析，或对这两种数据进行组合操作，并以交互工作方式将分析和查询的工具提供给用户。
功能包括：
识别用户所指定的空间实体，并显示相关信息。
空间信息量算功能：
距离量测，用户指定两点间的空间距离；其它还包括任意两实体（点、线、面、体）间的距离；面积量测：
框山头的表面积；体积量测：
框山头的体积。
具有拓扑关系数据的分析：
网络追踪分析，多边形的叠置分析，数字化数据的检查（质量控制）。
（2）针对建筑物的查询与分析：
指定建筑物，查询相关的属性数据；通过属性数据定位建筑物；量算建筑物之间的距离。
1.3.3基于三维数据源的分析三维可视化
GIS能够提供二维GIS不具备的分析功能如下：
1专题分析
GIS在城市规划中已成功运用来做大量的专题分析，如：
城市用地规划平衡分析、城市规划技术指标分析、城市规划路网分析、城市规划绿地分析、城市居住人口规模及其分布状况分析、超市布局与居住人口空间关系分析、城市土地级差地租的评价等。
这些主要利用了GIS的空间量测、空间分析功能，如建立缓冲区、拓扑叠加、特征提取、邻域分析等，加大了分析的深度和广度，提供城市的实时信息，为城市规划、管理提供了先进的现代化技术手段。
二维操作的优点是可以无极放大、选择的唯一性、定位的准确性等，而三维操作的特点是空间分布关系直观明了，因此，不同目的的应用往往需要二维和三维这两种方式交替的操作。
三维的查询和分析最基本的要将指定的目标或者结果叠加在三维模型上显示，或者直接从三维模型上进行查询和分析。
2日照分析
根据日照分析模型，进行某一时刻的三维空间的日照阴影分析。
并能够据此作出日照时间的统计，形成日照分析结果，辅助规划设计。
3空间遮挡分析
视域性分析根据观察点的位置、高度、方位角、视线围等参数进行计算，得到一个以观察点为圆心的视域围，提供该围的可见区域和隐藏区域。
而且视域性分析可以通过对几个观察点的相关计算得到其中几个观察点或全部观察点能同时观察到的区域，并以不同颜色显示。
在视域性分析中还可以不断地调整视点的位置和高度来选择最佳的视点。
1.4城市三维可视化方法
城市三维可视化是指通过研究三维地形、地物的构成，建立分析应用模型，运用计算机图形学和图像处理技术，将城市实体以三维图形的方式在屏幕上显示出来。
三维可视化以直观、逼真的方式表达地理要素，实现空间数据可视化。
1.4.1工作流程
图1-3工作流程
1.4.2数据的来源
三维城市模型数据的容包括数字高程模型、数字正射影像数据、城市固定地物（房屋、道路、水系、桥梁、路灯等）的三维矢量数据、材质与贴图、纹理和相关的多媒体属性数据。
DEM数据和城市固体地物数据的来源主要有三种途径：
野外实地测量；地形图数字化；全数字摄影测量。
材质、贴图数据来源可以是软件自带的，用PHOTOSHOP制作的和从拍摄的照片中截取。
获得纹理的数据最经济的的方法是从遥感影像中提取，也可是航空象片；实地拍摄的大视角象片等。
1.4.3三维实体建模
1 基础地形地貌三维建模
在真实地形数据（DEM）基础上，加入地表真实影像（DOM）以形成基础地形地貌三维模型。
三维地形地貌可以通过两种方法重建:
一种是通过Virtuo-Zo，直接对立体像对进行处理，可以生成IMAGIS直接使用的三维地形地貌。
此方法的优点是地形数据与地表纹理数据直接匹配，减少了匹配误差。
另一种是通过已生成的DEM与航片或卫片纹理相叠合，利用Imagis生成三维地形地貌。
此方法的优点是可以灵活的覆盖不同比例尺不同分辨率的地面纹理，达到数据快速更新的目的。
2 现状建筑物建模
现状建筑物是城市景观中最重要的组成部分，包括大厦、传统民居、道路、桥梁、堤坝、公园、古建筑、亭阁、绿地、树木、路灯、公交车站等。
现状建筑物可分为:
规则形状和不规则形状两类。
对于规则形状建筑物，只要给出这些建筑物的底部轮廓线及建筑物高度，就可以采用批量建模。
对于大量形状不规则的建筑物，如不规则形状房屋、立交桥、等，只能采用交互式手工建模，或者采用专业建模软件如3dsmax等来建模并导入系统中。
不同建筑物有着不同的重要性，一般来说，对于越重要的建筑，模型就建得越详细，面片数也越多;对于越不重要的建筑，模型就建得越简单，面片数也就越少。
这样既能节约系统资源，又不影响整体效果。
建筑模型的美观性、逼真性主要是通过对实际建筑纹理的采集来体现的。
通过航片和高分辨率卫片采集建筑物顶端的纹理，可以减少相当程度的野外工作量。
建筑物侧面纹理主要来自实地拍摄，一般采用Photo-shop等软件对其进行基本的图像复原和裁剪。
必须确保建筑物主要立面的纹理完整真实（特别是地物的临街立面），减少降低图像清晰度的操作，消除对地物侧面纹理的遮挡（如树木对墙面的遮挡），并注重保持工作区所有纹理影像色调的均衡。
3 规划三维模型的建立
规划三维模型，可以在AutoCAD或者3Dmax等三维软件中设计，再加入本系统与现状三维模型融为一体，规划师可以根据现状三维模型周围环境对全部规划模型或部分模型进行修改、调整、替换，或在本系统上重新生成新模型，包括位置、朝向、形状、高度、外部色调和纹理等，这些修改调整完全是在真实坐标中依比例进行的。
这个过程完全是一个人机交互过程，可以反复进行直至修改调整到规划师获得一个满意的方案为止。
4 模型拼接
将常规房屋模型，准确地按地理位置集成到三维地形地貌上;将异形、标志性建筑物及规划三维模型按地理位置及正确的比例集成到地形地貌上。
由于地形表面在空间上是一个连续的空间曲面，而建筑物模型的底面（与地面接触的面）在理论上是一个平面。
为了保证地形表面与建筑物模型以及其他地物模型叠加后的模型在空间上无缝性，必须对和建筑物底面或其他地物面与地形面相交的部分做特殊处理，否则，不但会引起整体模型在空间上的缝隙，而且影响可视化的效果。
解决建筑物与地形匹配的方法有两种:
①改变房屋模型。
在与地形的合成中，首先寻找出房屋覆盖的地形面片中的最高点和最低点，然后将模型的水平基准面放在最高点，最后构造房屋基准面之下的模型。
这种方法适用于相对分散的点状特征物与地形匹配上。
②改变地形模型。
如果大片的居民区，其水平基准面相同，可以通过对地形模型的改造完成。
可将多边形得网格点高程置平，将多边形剖分，并将多边形经过的网格进行重新剖分。
集成后的场景可能存在很多问题，如场景模型存在着严重的走样现象，场景存在较大的漏洞，建筑物比例失调，模型存在重复面等。
这就要进行反复修改调整，直至形成满意的最终场景。
5 属性管理
与一般三维飞行软件不同的是，系统建立三维模型的目的不只是提供一个三维景观，而且需要存储管理大量的自然地理、资源环境、城市设施和社会经济等数据，以支持城市景观规划应用的目的。
因此必须对所有建筑物及地物特征进行属性建库，并实现分层管理。
系统提供ODBC与外部数据库的接口;支持属性和图形联动检索显示;可以对实体属性进行编辑、查询、浏览、统计分析及属性提取等;可方便维护数据表，可动态修改表的结构，增删记录等;用户可以在已建成的环境中进行各种三维分析及模拟，实现真实意义上的决策系统。
1.4.4三维场景建模过程
三维场景建模过程包括以下步骤（图4－1）
1）根据应用的需要，选取合适精度的数字化高程数据、人文景观特征数
据、航拍或卫星、遥感照片等。
2）对所收集的数据进行一致性处理，包括数据的筛选、简化、格式转换等，最终形成精度一致的高程数据与人文景观特征数据，作为以后三维建模的基础。
3）生成特征物的三维模型，如道路的加宽、湖泊的平放等。
4）三维特征物与地形的整合，可以采用两种方式：
直接将特征物贴在地形表面上；在生成三维特征物模型后，再选取地形点来生成整合模型。
5）在整合后的地形模型上加入其他的三维模型，如建筑物、树木等独立地物，最终形成三维场景综合环境数据库
图1-4城市三维可视化GIS的数据流程及交互方式
1.5小结
三维可视化GIS目前仍在探索之中，其在城市规划领域的应用，也随着技术本身的前进而不断深入。
我们在项目和论文中所做出的成果远远没有达到三维可视化地理信息系统在城市规划中应用的最大潜力，尽管如此，我们的研究成果看起来也是可喜的。
正如前文所述，我们能够在这个交互的三维可视化GIS中对空间物体操作，改变物体的状态和属性，并能够进行各种专题图的信息查询，这些功能能够灵活应用到城市规划的各个阶段。
对于城市规划来讲，并不存在真正意义上的“实验”，因为建设活动是不可逆的变化，将会给社会带来各方面的影响。
三维可视化GIS的发展，为我们提供了把规划成果展现的一个虚拟平台，这个平台不同于以往的实体模型，因为这个平台不仅能够为我们展现规划成果的空间体量和视觉影响，它更是一个可交互的平台，我们可以查询我们所需要的信息，修改我们的作品，并把修改后所引起的各种视觉变化以及视觉变化背后的各项指标的变化及时地反馈回来。
随着计算机硬件水平的发展，以及地理信息系统和其他信息技术的不断发展和完善，三维可视化GIS将在城市规划中有着更广阔的发展前景。
目前，城市规划越来越强调生态规划和可持续发展规划，我们在进行城市规划制定的时候也要把可持续发展和生态目标考虑进来，并越来越主导我们的规划。
三维可视化GIS的应用，可以使我们把关注的目标从空间形体放宽到各种环境指标上。
一个规划的实施产生的不仅仅是视觉的影响，还会对一定区域在一定时间产生更深远的影响，比如经济的兴衰、噪音的变化、环境的改变等等，这些东西是不能通过简单的可视化来解决，但是随着各种理论技术的成熟，借助于丰富的数据和成熟的模型，我们可以利用三维可视化GIS分析城市规划所产生的各种变化指标，并加以分析和比较，形成最优的城市规划方案，并能够及时的发现和解决问题。
这是三维地理信息系统在城市规划领域发展的一个前景。
同时，三维可视化GIS又是一个可以集成多种工具的平台，利用三维地理信息系统技术，我们可以把遥感和决策信息系统技术都集中起来，在城市规划和设计发挥更重要的作用。
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