李軍鋒 ，盧立

(宜昌市測繪大隊，湖北 宜昌 443000)

1 引 言

隨著城市經(jīng)濟與規(guī)模的不斷發(fā)展，城市規(guī)劃在城市發(fā)展進程中的重要性日益突出。科技的不斷發(fā)展與創(chuàng)新令城市規(guī)劃決策的手段也越來越多，不再是以往僅僅在二維空間依靠規(guī)劃師的經(jīng)驗來確定，而是結(jié)合三維數(shù)字化方式對城市進行控制性與詳細(xì)規(guī)劃。三維數(shù)字城市信息系統(tǒng)可以全面、直觀地展現(xiàn)城市，給人們創(chuàng)造身臨其境的感覺。三維城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)是建立在三維數(shù)字城市的基礎(chǔ)上，通過多種數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式、多種軟件功能模塊來實現(xiàn)對多種城市規(guī)劃的方案的查詢、統(tǒng)計、比較、瀏覽和管理，為城市規(guī)劃管理者提供極大的便利。近些年，大規(guī)模的三維數(shù)字城市信息系統(tǒng)已在很多行業(yè)部門得到了成功應(yīng)用［1］。

2 三維建模方法比較

隨著測繪技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前的測繪手段越來越豐富、測量精度越來越高，高精度的影像數(shù)據(jù)獲取也更容易。

三維數(shù)字城市建模有多種方法，包括機載激光雷達(dá)測量、三維激光掃描測量、傳統(tǒng)的手工建模等方式。

2.1 機載激光雷達(dá)測量

機載激光雷達(dá)測量系統(tǒng)主要包括:動態(tài)差分GPS接收機，用于確定掃描投影中心的空間位置;姿態(tài)測量裝置(慣性測量單元IMU)，用于測量掃描裝置主光軸的空間姿態(tài)參數(shù);激光掃描測距系統(tǒng)，用于測量傳感器到地面點的距離;一套成像裝置(現(xiàn)在主要是數(shù)碼相機)，用于獲取對應(yīng)地面的彩色數(shù)碼影像。利用激光測距原理和航空攝影測量原理，快速獲取大面積地球表面三維數(shù)據(jù)的技術(shù)［2］。

目前，全國大部分地區(qū)已經(jīng)建設(shè)完成連續(xù)運行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)CORS，機載三維激光雷達(dá)測量系統(tǒng)可以通過地面CORS 系統(tǒng)，實時、快速地獲取大范圍高精度地表目標(biāo)點的三維坐標(biāo)信息以及航空影像數(shù)據(jù)，并能通過這些數(shù)據(jù)快速生成數(shù)字高程模型(DEM)、數(shù)字表面模型(DSM)和數(shù)字正射影像(DOM)、城市三維模型等數(shù)據(jù)。機載激光雷達(dá)測量技術(shù)具有作業(yè)速度快、外業(yè)工作量小、測量精度高、測量數(shù)據(jù)量大等優(yōu)點，且貼圖紋理更加真實［4］。

通過此方法制作的三維模型場景中由于進行外業(yè)時高層建筑物的陰影對其他建筑物的遮擋，就需要通過其他方法對這些陰影進行處理。對于貼近地面的地物貼圖、城市部件等也需要通過其他方法來進行制作。

2.2 三維激光掃描測量

三維激光掃描技術(shù)又被稱為實景復(fù)制技術(shù)，是測繪領(lǐng)域繼GPS 技術(shù)之后的一次技術(shù)革命。它突破了傳統(tǒng)的單點測量方法，具有高點密度、高空間分辨率、高效率、高精度的優(yōu)勢。三維激光掃描技術(shù)能夠提供掃描物體表面的三維點云數(shù)據(jù)，因此可以用于獲取高精度高分辨率的數(shù)字地形模型。按照載體的不同，三維激光掃描又可分為車載、地面等類型。

目前三維激光掃描儀的硬件設(shè)備問題基本得到解決，數(shù)據(jù)獲取相對簡單;但數(shù)據(jù)處理的算法以及軟件的開發(fā)研制還相對滯后，需要進行大量的人工干預(yù)才能得到較為精確的模型數(shù)據(jù)。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的建筑物和地形，三維激光掃描技術(shù)能夠提高三維建模效率、三維建模的精度。

3 三維數(shù)字城市在宜昌規(guī)劃中的應(yīng)用

為了進一步推進宜昌市城市規(guī)劃成果的發(fā)展應(yīng)用，更精準(zhǔn)直觀地輔助政府科學(xué)決策和突發(fā)事件應(yīng)急，促進部門信息化，便捷百姓生活，實現(xiàn)城市規(guī)劃管理方式由二維向三維的提升，宜昌市規(guī)劃局開展了宜昌市城市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)和主城區(qū)三維建模項目建設(shè)工作。

3.1 建模方法

本次項目采用依圖建模的方法，主要是使用3ds Max、SketchUp 等建模軟件，采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)對城市中各類房屋、公園、標(biāo)志性建筑物及交通設(shè)施等人工構(gòu)筑物進行數(shù)字化建模，并于地形、地貌等自然要素相疊加，形成與真實場景一致的一種方法［3］。該方法建模的一般流程如圖1所示:

圖1 依圖建模流程圖

該種三維建模方法需要現(xiàn)勢性較好的DLG 數(shù)據(jù)、建筑物的高程信息、建模地物的紋理圖像數(shù)據(jù)。需要制作人員能夠?qū)LG 數(shù)據(jù)進行很好的判讀，才能構(gòu)建出更加真實、合理的三維模型。示例如圖2所示:

圖2 依圖建模示例

對于城市規(guī)劃設(shè)計來說，主要研究對象是城市的體形結(jié)構(gòu)以及各城市要素之間的關(guān)系，包括城市的天際線、城市邊緣和入口、視線走廊、水景和綠化、建筑物、廣場、街道等，這就需要設(shè)計者在設(shè)計過程中進行大量的空間形象思維。同時，應(yīng)從城市使用者的感受出發(fā)，分析城市各要素之間的關(guān)系［5］。

城市規(guī)劃設(shè)計的對象是三維的城市空間，考慮到二維設(shè)計不夠直觀，給設(shè)計者帶來很多不便，也無法評估設(shè)計的一些要素。因此，利用三維設(shè)計可對城市規(guī)劃設(shè)計起到很好的輔助作用［6］。

3.2 注意事項

上述的三種三維建模方法各有優(yōu)勢，但結(jié)合規(guī)劃輔助決策，使用依圖建模的方法構(gòu)建城市虛擬模型更符合城市規(guī)劃對整個城市進行空間分析、統(tǒng)計、展示等需求。因此，宜昌市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)所采用的三維模型數(shù)據(jù)是依照城市地形矢量、柵格數(shù)據(jù)、城市構(gòu)筑物的紋理貼圖來制作的。

使用該方法制作三維模型的過程中，需要注意以下幾點:

(1)將地形圖數(shù)據(jù)導(dǎo)入3ds Max 中，應(yīng)先對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將所有數(shù)據(jù)的標(biāo)高值改為零;

(2)地形圖使用的是大地坐標(biāo)，坐標(biāo)值往往很大，在導(dǎo)入前需要對圖形進行整體平移，避免到3ds Max中，出現(xiàn)點捕捉不準(zhǔn)確的情況;

(3)在制作模型前，應(yīng)對軟件進行一系列的基本設(shè)置，如統(tǒng)一單位、比例尺等;

(4)建模過程盡量減少用球體、圓柱體等多面體結(jié)構(gòu)的模型，尤其不能用Nurbs、Patch、布爾運算等方式建模;

(5)對于展示時，在保證仿真效果基本不變的基礎(chǔ)上，可以刪除不必要的面，如建筑物的地面、兩棟建筑重疊的部分等，以減少數(shù)據(jù)量;

(6)貼圖過程中，對于相同的紋理應(yīng)使用統(tǒng)一貼圖，避免統(tǒng)一類型貼圖使用多個貼圖;

(7)模型命名與貼圖命名應(yīng)統(tǒng)一，避免出現(xiàn)重復(fù)的命名。

3.3 命名及編碼規(guī)則

為了方便對圖層與三維模型的管理，需要制定一定的規(guī)則對圖層、模型進行統(tǒng)一命名。根據(jù)道路劃分建模地塊，并根據(jù)地塊所屬的行政區(qū)等信息進行建模區(qū)域的命名。劃分的地塊名如圖3所示。

圖3 建模地塊劃分圖

參照DLG 分層，將建模地物分為建筑、道路、小品、植物、水系、地形等六層。如表1所示:

表1 建模地物分層命名表

除了對各層中建模地物的命名進行規(guī)定，還要求對應(yīng)貼圖按照統(tǒng)一編碼來進行，方便貼圖的查找和修改。貼圖的命名需要注意以下幾點:

(1)制作原始貼圖文件名嚴(yán)格與材質(zhì)球命名一致;

(2)材質(zhì)球的父子層級的命名必須一致;

(3)同種貼圖必須使用同一個材質(zhì)球;

(4)不允許出現(xiàn)重復(fù)命名。

貼圖根據(jù)模型所屬的模型分層進行命名，該模型貼圖的名稱為模型名稱+順序編碼。

例如:模型名稱為SXDX01JZ001 的貼圖，命名采用SXDX01JZ001001、SXDX01JZ001002、SXDX01JZ001003…。

3.4 宜昌市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)功能

宜昌市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)界面如圖4所示。主要實現(xiàn)以下的系統(tǒng)功能:

圖4 宜昌市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)界面

(1)數(shù)據(jù)導(dǎo)入。系統(tǒng)不僅能導(dǎo)入用戶創(chuàng)建的模型，還能夠?qū)隒AD、DLG、DEM、DOM、SDE、Shape、DXF、MAX 等文件，并提供基礎(chǔ)模型庫。

(2)數(shù)據(jù)瀏覽。系統(tǒng)提供了多種的瀏覽方式，包括:環(huán)視、繞視、步行模式、飛行模式等，并能根據(jù)需要對顯示模式進行選擇，分類顯示各類模型。

(3)三維空間分析。提供基本的空間量算，包括:距離、長度、高度、面積等。根據(jù)規(guī)劃輔助的要求，系統(tǒng)還提供通視分析、日照分析、斷面分析、控高分析等。如圖5和圖6所示:

圖5 日照分析示意圖

圖6 通視分析示意圖

(4)信息查詢。實現(xiàn)了建筑物與屬性的雙向查詢，能夠選擇建筑，顯示相關(guān)屬性;也能夠通過輸入建筑物名稱，定位到建筑物所在位置。

(5)方案的對比和實時修改。提供多方案多屏對比分析的功能，用戶可以從不同角度，不同方位來同時觀察各個設(shè)計方案，比較不同方案對城市景觀，對周圍建筑的影響;可對方案模型根據(jù)高度，層數(shù)進行垂直方向的調(diào)整，根據(jù)方案模型基底形狀進行水平方向的調(diào)整，或直接對建筑模型進行對比縮放、位置移動以及根據(jù)特定要求對建筑模型進行調(diào)整(例如:建筑物直接升高到航空限高的高度、建筑模型針對某特定道路紅線進行退距等)，調(diào)整后方案的垂直高度、層高、建筑體量、容積率、建筑密度、綠化率等指標(biāo)自動更新。如圖7所示:

圖7 雙屏方案對比示意圖

(6)數(shù)據(jù)輸出。能導(dǎo)出方案的效果圖、立面圖、頂視圖等，并能導(dǎo)出方案的經(jīng)濟指標(biāo)分析表以及圖片、動畫等。

4 結(jié) 論

宜昌市規(guī)劃局于2012年底完成規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)的建立，該系統(tǒng)采用了地理信息系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實等先進技術(shù)，實現(xiàn)了對城市規(guī)劃方案逼真的效果展示和實時的方案修改。并根據(jù)需要在規(guī)劃委員會上進行了多次三維報建項目的演示。

宜昌市規(guī)劃三維輔助決策系統(tǒng)的建立，豐富了城市規(guī)劃設(shè)計的展示方法、增強了城市規(guī)劃設(shè)計的表達(dá)效果，不僅促進了非專業(yè)人士參與規(guī)劃，也為規(guī)劃師制作和修改方案、推敲設(shè)計、提高設(shè)計效率、有效利用有限的城市空間、優(yōu)化資源配備起到了輔助作用。

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［5］趙立珍．城市設(shè)計中的仿真技術(shù)應(yīng)用初探［D］．武漢:華中科技大學(xué)，2004．

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