李曉燕，姜廣輝，胡 磊，李 瑜

(1．廣州城市信息研究所有限公司，北京 100190;2．北京師范大學(xué)資源學(xué)院，北京 100875;3．濟(jì)寧市國土資源局，濟(jì)寧 272017;4．中國國土資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

《全國土地利用總體規(guī)劃綱要(2006—2020年)》［1］中提出:土地利用總體規(guī)劃編制和實(shí)施過程中，要“建立健全公眾參與制度。對于縣、鄉(xiāng)級，在具體安排土地利用和土地整理復(fù)墾開發(fā)方面應(yīng)當(dāng)廣泛聽取公眾意見。經(jīng)批準(zhǔn)的土地利用總體規(guī)劃應(yīng)當(dāng)依法予以公告，接受公眾監(jiān)督?！蹦壳巴恋乩每傮w規(guī)劃的公示普遍采用“紙圖張貼”的方式，規(guī)劃傳播性較差。因此，開展規(guī)劃科學(xué)決策和成果有效公開的信息化研究尤為必要。盡管已有豐富的地理信息系統(tǒng)(GIS)和以虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)技術(shù)為主的展覽設(shè)計(jì)等相關(guān)研究，“規(guī)劃公開展示”方面的信息化研究與實(shí)踐仍處于探索期，鮮有論著［2］。

以地理信息為主的技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)了帶圖作業(yè)和可視化辦公，為城市管理和國土資源管理提供了強(qiáng)有力支撐。例如土地利用規(guī)劃管理信息系統(tǒng)、建設(shè)用地預(yù)審審批系統(tǒng)等［3－4］，屬于內(nèi)部業(yè)務(wù)辦理系統(tǒng);也有一些電子沙盤系統(tǒng)，如土地利用規(guī)劃、城市規(guī)劃等［5－7］，是局限于小眾范圍的純?nèi)S地理信息系統(tǒng)。然而，現(xiàn)有的展示系統(tǒng)往往存在界面過于僵化、功能操作專業(yè)復(fù)雜，難以滿足“公眾展示”的需求。近年來展覽系統(tǒng)得到了蓬勃發(fā)展［5－6］，通過虛擬現(xiàn)實(shí)等多媒體技術(shù)可模擬三維仿真展示效果，其鮮活的體驗(yàn)感頗受公眾青睞。這類系統(tǒng)多應(yīng)用于場景、產(chǎn)品等實(shí)體展覽，但受技術(shù)體系的制約，尚無法支撐海量地理數(shù)據(jù)的管理，不能體現(xiàn)規(guī)劃工作的時(shí)空性。

針對上述問題，本研究以SkyLine三維地理信息平臺與觸摸屏為依托，跨越GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的應(yīng)用壁壘，創(chuàng)新設(shè)計(jì)規(guī)劃三維模型，研制出規(guī)劃仿真展示平臺，以期實(shí)現(xiàn)三維模型與空間數(shù)據(jù)等海量數(shù)據(jù)的“一張圖”管理模式，全面、簡潔地展示規(guī)劃原理與成果。研究成果可實(shí)現(xiàn)展示平臺的二、三維一體化和虛實(shí)結(jié)合，對輔助規(guī)劃科學(xué)決策，普及社會(huì)公眾以實(shí)現(xiàn)“開門規(guī)劃”，提高國土資源行政管理部門的公共服務(wù)職能有重要作用。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

土地利用總體規(guī)劃仿真展示平臺(以下簡稱“展示平臺”)以土地利用總體規(guī)劃工作宗旨為導(dǎo)向，以影像金字塔、三維地理信息及虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)為支撐，以社會(huì)公眾為應(yīng)用對象，將專業(yè)的規(guī)劃知識與成果系統(tǒng)化、簡易化、普適化，最大程度對外公開，以期顯著提高規(guī)劃的公眾認(rèn)知度、參與度，提升“開門規(guī)劃”的可行性。

展示平臺以GIS為技術(shù)核心，結(jié)合多媒體等手段，既區(qū)別于日常的觀光展示(或電子沙盤)系統(tǒng)，又不同于集編輯、分析及查詢等功能于一體的復(fù)雜GIS業(yè)務(wù)系統(tǒng)，而是以“專業(yè)知識普適化展示”為目標(biāo)，以“展示”為核心定位的展示系統(tǒng)。

2 技術(shù)路線

2．1 運(yùn)行環(huán)境

展示平臺涉及海量圖形數(shù)據(jù)的管理與展現(xiàn)，需要大型數(shù)據(jù)庫管理平臺與地理信息平臺等環(huán)境的支持。相關(guān)運(yùn)行環(huán)境選型如下:

1)操作系統(tǒng)。服務(wù)器選用Windows Server 2008系統(tǒng)，客戶端選用Windows 7系統(tǒng)，并且為便于公眾交互操作，采用觸摸屏感應(yīng)設(shè)備。

2)基礎(chǔ)地理信息平臺。選用ArcGIS10進(jìn)行海量圖形數(shù)據(jù)的管理。

3)數(shù)據(jù)庫管理平臺。選用Oracle11g軟件，并與ArcSDE軟件配合對圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行管理。

4)三維地理信息平臺。選用SkyLine6．1軟件，具備強(qiáng)大穩(wěn)定的系統(tǒng)性能與便捷的二次開發(fā)能力，二、三維聯(lián)動(dòng)較強(qiáng)。

5)觸摸屏設(shè)備。選用新諾商橋SIB4601。

2．2 技術(shù)路線

嚴(yán)格遵循軟件工程的思想，采用面向?qū)ο筌浖O(shè)計(jì)方法和基于控件開發(fā)方法?？傮w技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 總體技術(shù)流程Fig．1 Technical flow chart

借助CAD，GIS和三維建模工具，建立城市景觀、規(guī)劃用途等三維模型。將三維模型、空間數(shù)據(jù)及其相關(guān)屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中。為保證能夠有較好的響應(yīng)速度，矢量與柵格數(shù)據(jù)通過ArcGIS Server發(fā)布，三維模型通過IIS發(fā)布，運(yùn)行時(shí)下載到觸摸屏本地。三維模型通過空間坐標(biāo)與二維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過模型實(shí)體標(biāo)識與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)二、三維一體化。在觸摸屏端，Skyline對三維模型驅(qū)動(dòng)，創(chuàng)建三維場景。仿真規(guī)劃場景是本平臺主要的用戶界面，其他數(shù)據(jù)的訪問也都要通過對三維模型的操作來實(shí)現(xiàn)。

3 數(shù)據(jù)體系建設(shè)

本研究涉及的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、規(guī)劃等矢量數(shù)據(jù)、城市景觀模型等已有成熟的技術(shù)路線，不再詳述建模過程。

3．1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3．1．1 設(shè)計(jì)原則

遵循“數(shù)據(jù)和應(yīng)用分離”的基本原則，建立關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)非空間數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)之間通過規(guī)則表和關(guān)系表實(shí)現(xiàn)互訪。同時(shí)，為有效利用系統(tǒng)資源，提高效率，建立元數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。

由于環(huán)境和業(yè)務(wù)的不斷改變，土地利用現(xiàn)狀、規(guī)劃等數(shù)據(jù)也會(huì)周期性更新。這些歷史數(shù)據(jù)所呈現(xiàn)的演變過程對規(guī)劃管理具有極其重要的指導(dǎo)意義。因此，本研究采用數(shù)據(jù)多時(shí)態(tài)管理技術(shù)，形成包括時(shí)間和空間要素的時(shí)空數(shù)據(jù)庫［8］。采用元組時(shí)間標(biāo)記法，將有效時(shí)間標(biāo)記在元組值上以建立時(shí)間索引，根據(jù)數(shù)據(jù)編制批次建立不同的時(shí)間版本，通過管理版本實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)和現(xiàn)狀數(shù)據(jù)的一體化管理;同時(shí)，存儲(chǔ)實(shí)體的變化，結(jié)合時(shí)間維信息，進(jìn)行基于圖層的歷史數(shù)據(jù)對比。

3．1．2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與關(guān)系

整個(gè)數(shù)據(jù)體系可分為元數(shù)據(jù)庫、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫、規(guī)劃數(shù)據(jù)庫、現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫、三維模型庫和三維模型屬性庫等。元數(shù)據(jù)庫通過建立在Oracle數(shù)據(jù)庫中的一組Oracle表來存儲(chǔ)管理，對于各個(gè)數(shù)據(jù)集均有相應(yīng)的元數(shù)據(jù)表來記錄、維護(hù)基于庫及基于圖幅的元數(shù)據(jù)信息，由于數(shù)據(jù)更新形成的歷史數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)版本信息也統(tǒng)一由元數(shù)據(jù)表維護(hù)。

對于主體數(shù)據(jù)，需要以空間坐標(biāo)、實(shí)體標(biāo)識等條件建立關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)二、三維數(shù)據(jù)一體化組織與展現(xiàn)。如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與關(guān)系Fig．2 Data organization and its relationship

3．1．3 數(shù)據(jù)組織存儲(chǔ)

為了降低空間數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的冗余度，本研究中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都是唯一的。同時(shí)為了能便捷地查詢到所需數(shù)據(jù)，在邏輯層，所有數(shù)據(jù)按照主題、時(shí)間和區(qū)域3個(gè)維度進(jìn)行組織分類(見圖3)，建立特定語義上的“規(guī)劃一張圖”展現(xiàn)結(jié)構(gòu)，形成包含存儲(chǔ)、組織和展現(xiàn)的一張圖管理模式。

圖3 數(shù)據(jù)邏輯組織Fig．3 Logical organization of data

影像數(shù)據(jù)由高精度、大容量的Tiff文件組成。采用“冗余存儲(chǔ)”策略，即將影像數(shù)據(jù)按照鑲嵌和柵格目錄兩種組織方式存儲(chǔ)到ArcSDE中，對影像進(jìn)行分層分塊，并建立金字塔索引，保證其高速調(diào)用，快速共享與發(fā)布。在平臺界面展現(xiàn)中，影像數(shù)據(jù)處于最底層。

對于基礎(chǔ)地理、現(xiàn)狀及規(guī)劃等矢量數(shù)據(jù)，以“鎮(zhèn)街”為單元存儲(chǔ)于ArcSDE數(shù)據(jù)集中，同時(shí)為了使觸摸屏系統(tǒng)實(shí)時(shí)瀏覽到三維模型，需將矢量數(shù)據(jù)按照“規(guī)劃一張圖”管理模式組織成mxd工作空間文件，mxd文件與數(shù)據(jù)集對應(yīng)，并通過ArcGIS Server發(fā)布。在平臺界面展現(xiàn)中，矢量數(shù)據(jù)處于影像數(shù)據(jù)之上。

三維模型，基礎(chǔ)地形模型MPT文件通過綁定到與MPT一一對應(yīng)的FLY文件來進(jìn)行發(fā)布，統(tǒng)一放置固定文件夾下;城市景觀與規(guī)劃三維模型文件則采用“區(qū)縣—鎮(zhèn)街—圖層—三維模型”的層次組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行存儲(chǔ)。在平臺界面展現(xiàn)中，三維模型數(shù)據(jù)處于矢量數(shù)據(jù)之上。

音頻等多媒體數(shù)據(jù)以獨(dú)立文件形式存儲(chǔ)，通過漸進(jìn)傳輸?shù)姆绞阶x取。

3．2 三維模型與場景制作

本研究通過3DMAX9．0制作三維圖標(biāo)、三維電子書及三維規(guī)劃等模型。以三維圖標(biāo)替代SkyLine中二維圖標(biāo)，以更好地體現(xiàn)仿真效果。為了呈現(xiàn)逼真的場景又避免不同層數(shù)據(jù)之間混淆，只對土地用途分區(qū)建模，根據(jù)規(guī)劃用途采集當(dāng)?shù)刂饕r(nóng)作物、植被的種類、形態(tài)、分布等信息，作為模型制作依據(jù)。其他規(guī)劃信息以二維矢量圖形呈現(xiàn)。

三維模型制作好后，與矢量數(shù)據(jù)集成，形成規(guī)劃仿真場景。制作流程見圖4。

圖4 規(guī)劃仿真場景制作流程Fig．4 Production process of simulation scene of planning

4 展示平臺關(guān)鍵技術(shù)

展示平臺以SkyLine為基礎(chǔ)，采用多媒體技術(shù)對SkyLine界面框架進(jìn)行整改，使之美觀、生動(dòng)，符合觸摸屏系統(tǒng)操作風(fēng)格。具體功能設(shè)計(jì)中，靈活采用數(shù)據(jù)緩存、三維地理信息、虛擬現(xiàn)實(shí)等地理信息與多媒體技術(shù)，使各項(xiàng)內(nèi)容能快捷、準(zhǔn)確、生動(dòng)地表達(dá)出來。

多媒體技術(shù)通過計(jì)算機(jī)把圖像、聲音、三維模型等綜合起來，其信息的多樣性和處理方式的多樣化更具表現(xiàn)力，尤其在動(dòng)態(tài)過程展示方面，比三維地理信息更流暢。系統(tǒng)簡介部分，運(yùn)用多媒體技術(shù)將介紹內(nèi)容組織起來，主動(dòng)呈現(xiàn);規(guī)劃成果展示部分，通過多媒體技術(shù)實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)三維規(guī)劃過程展示，并嵌入到SkyLine的虛擬仿真場景中。

三維地理信息將抽象的海量空間信息可視化和直觀化。圖形成果展示中，充分運(yùn)用SkyLine提供的基于真實(shí)地理信息的三維場景以準(zhǔn)確表達(dá)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的集成化、虛擬化特征，可彌補(bǔ)三維地理信息在虛擬體驗(yàn)感、表現(xiàn)形式等方面的不足，使人們結(jié)合自己的日常經(jīng)驗(yàn)就可以理解。本文通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)了三維電子書、三維規(guī)劃模型融入到三維地理環(huán)境中，建設(shè)仿真規(guī)劃場景。

在服務(wù)器端采用數(shù)據(jù)緩存技術(shù)，保障觸摸屏端在仿真環(huán)境中訪問影像數(shù)據(jù)的效率。調(diào)度時(shí)，緩存中的影像塊可選擇先進(jìn)先出、先進(jìn)后出或頻率最小先淘汰等方式，很好地提高了運(yùn)行效率。

前端展示設(shè)計(jì)中，將內(nèi)容分為系統(tǒng)簡介與規(guī)劃成果展示2部分?！跋到y(tǒng)簡介”在平臺中承擔(dān)“引導(dǎo)”職責(zé)，人機(jī)交互比較少，簡單觸摸點(diǎn)擊即可，留給公眾更多的思考空間?！耙?guī)劃成果展示”通過多形式、多維度瀏覽，實(shí)現(xiàn)全景與細(xì)節(jié)、分專題多層次體驗(yàn)，強(qiáng)調(diào)自主瀏覽，人機(jī)交互比較多。2塊內(nèi)容之間既有所區(qū)別又緊密關(guān)聯(lián);展示形式從簡單二維到仿真三維，展示內(nèi)容則包容建設(shè)背景到豐富的規(guī)劃文本、圖形等各類成果。

5 展示平臺實(shí)現(xiàn)

5．1 系統(tǒng)簡介

將文字內(nèi)容與語音、圖片同步匹配，制作成動(dòng)畫，介紹平臺設(shè)計(jì)目標(biāo)、建設(shè)意義與使用方法。各項(xiàng)內(nèi)容自動(dòng)播放，并選用核心圖片作為后續(xù)成果展示的引導(dǎo)，其界面如圖5所示。

圖5 平臺簡介界面Fig．5 Interface of platform introduction

5．2 規(guī)劃成果展示

5．2．1 文本成果展示

展示內(nèi)容主要包括《土地利用總體規(guī)劃》文本和相關(guān)專題圖。其具體展示方式有如下3種:

1)三維電子書。提取規(guī)劃文本核心內(nèi)容，制作成形象的三維電子書，通過“虛擬翻頁”操作輕松閱讀，再配以生動(dòng)的語音講解，實(shí)現(xiàn)圖、數(shù)、文、聲一體化，從感觀上吸引公眾，引領(lǐng)思路(圖6)。

圖6 文本成果Fig．6 Text files of planning

2)背景圖。根據(jù)規(guī)劃各專題圖的制作要求組織發(fā)布圖形數(shù)據(jù)，作為背景圖與文本介紹建立關(guān)聯(lián)，自動(dòng)對照切換，為后面的圖形成果展示做好鋪墊。

3)書簽。在三維電子書頁中設(shè)置書簽，用于從當(dāng)前文本直接切換到對應(yīng)的“圖形成果展示”。如果對文本已經(jīng)熟悉，可以略過直接跳轉(zhuǎn)到當(dāng)前專題的圖形成果部分。

5．2．2 圖形成果展示

1)二維規(guī)劃展示。圖形數(shù)據(jù)以顏色或二維符號表達(dá)(如規(guī)劃用途以色塊填充)，各圖層按照先后順序疊加。初始畫面展示所有圖層，配合圖層透明度調(diào)整、圖層顯隱功能，可了解各層數(shù)據(jù)內(nèi)容、數(shù)據(jù)之間的邏輯關(guān)系，初步建立電子數(shù)據(jù)與實(shí)景地物之間的關(guān)聯(lián)。隨著比例尺放大，市－縣－鄉(xiāng)3級行政區(qū)域的數(shù)據(jù)逐級呈現(xiàn)，其二維規(guī)劃展示界面見圖7。

圖7 二維規(guī)劃展示界面Fig．7 Interface of 2D maps of planning

2)二、三維一體化展示。三維地形地貌景觀與二維現(xiàn)狀、規(guī)劃矢量圖結(jié)合的場景中既有基本三維框架，又有顏色、文字等表達(dá)展示主體的屬性信息，形象與抽象結(jié)合，便于快速了解規(guī)劃用途分區(qū)、空間管制等全局宏觀信息。例如:土地利用總體規(guī)劃圖、空間管制圖、各類專題圖等(圖8)。

圖8 二、三維一體化展示Fig．8 2－3D coupling maps

3)仿真規(guī)劃全景展示。將三維地型地貌與城市景觀模型、虛擬三維規(guī)劃模型相結(jié)合，構(gòu)建完整的仿真規(guī)劃場景。適于展示規(guī)劃區(qū)域、地塊的細(xì)部仿真效果(圖9)。

圖9 仿真規(guī)劃全景Fig．9 Simulation scene of planning

4)飛行展示。包括既定路線、自由飛行2種方式。既定路線飛行是根據(jù)展示主題設(shè)計(jì)飛行路線以引導(dǎo)瀏覽，例如:景區(qū)規(guī)劃、基本農(nóng)田保護(hù)區(qū)(坡度分布)等。飛行的場景可以是二、三維一體化，也可以是仿真規(guī)劃全景。

5)動(dòng)態(tài)規(guī)劃展示。將重點(diǎn)區(qū)域由規(guī)劃基期的現(xiàn)狀數(shù)據(jù)演變成最終的規(guī)劃成果數(shù)據(jù)的過程制作成多媒體文件，嵌入到SkyLine三維場景中，點(diǎn)擊“播放”鍵，即可直觀地看到規(guī)劃前后的景象變化，包括微觀層面具體區(qū)域用途的對應(yīng)調(diào)整，宏觀層面土地利用結(jié)構(gòu)變化。

6)歷史數(shù)據(jù)對比展示。通過SkyLine中的時(shí)間軸，調(diào)用時(shí)空數(shù)據(jù)庫中的多期數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析2輪規(guī)劃之間的差異與關(guān)聯(lián)?？紤]到數(shù)據(jù)瀏覽效率，歷史數(shù)據(jù)對比功能只應(yīng)用于二、三維一體化場景中。對比方式可以是多窗口同步對比，也可以通過時(shí)間軸拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

6 結(jié)論

本研究創(chuàng)新集成GIS與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，將日常展示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念與三維地理信息、時(shí)空概念與二維輔助決策系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了規(guī)劃一張圖數(shù)據(jù)庫與仿真展示平臺，實(shí)現(xiàn)了跨領(lǐng)域技術(shù)整合、數(shù)據(jù)整合共享等方面的創(chuàng)新應(yīng)用，為信息化在社會(huì)公共服務(wù)方面的研究與實(shí)踐，提供了參考依據(jù)。

本項(xiàng)設(shè)計(jì)由表及里，由“二維平面”到“虛實(shí)結(jié)合的三維立體”，由“靜態(tài)”到“動(dòng)態(tài)”，形象生動(dòng)的表達(dá)先從感官上給予深刻的立意，進(jìn)而“以形蓄意”將規(guī)劃依據(jù)、成果、意義滲透在各種展示方式中，幫助公眾輕松地理解土地用途分區(qū)管制、土地利用結(jié)構(gòu)調(diào)整等專業(yè)知識，實(shí)現(xiàn)了日?？破张c實(shí)際業(yè)務(wù)管理意義。該展示平臺有利于促進(jìn)公眾與國土行政管理部門形成良好的互動(dòng)機(jī)制，提高規(guī)劃公眾參與程度，推動(dòng)“開門規(guī)劃”的實(shí)現(xiàn)。

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