摘 要：隨著數字化城市建設工作的穩(wěn)步開展，城市三維地理信息系統（Three Dimensional Urban Geographic Information System，3DUCIS）的作用日益顯著，主要是該系統具備城市三維可視化功能，進而促進了城市規(guī)劃與市政管理工作的高效開展。文章介紹了城市三維地理信息系統的概況、設計及其應用，通過研究，旨在提高空間數據的利用率，降低系統的開發(fā)與維護成本。

關鍵詞：城市三維地理信息系統；設計；應用

在知識經濟時代，信息技術為城市的信息化與數字化建設提供了可靠的技術保障，在信息化革命中，地理信息系統（Geographic Information System，GIS）扮演著重要的角色，它不僅推動了信息技術的發(fā)展，還促進了信息化建設工作的開展。但關于GIS的研究主要集中于二維空間，欠缺三維信息的管理與分析能力，在此基礎上，難以適應城市規(guī)劃、市政管理與通訊發(fā)展等各方面的需求，因此，城市三維地理信息系統（3DUCIS）的建設與應用研究具有一定的緊迫性。當前，城市三維地理信息系統的應用存在一定的不足，為了有效解決城市單位建模及其成本控制的問題，本文對其進行了深入的研究，旨在促進該系統作用的全方位發(fā)揮。

一、城市三維地理信息系統的概況

（一）含義

城市三維地理信息系統（3DUCIS）是以城市區(qū)域內空間為對象，實現了真三維描述、三維可視化及分析與管理的地理信息系統。該系統屬于GIS系統，具備城市三維可視化功能，通過真三維仿真城市，為用戶提供了全新的體驗。

3DUCIS的功能如下：

其一，管理。管理的對象為三維數據，具體包括入庫、質檢、查詢與坐標轉換等。其二，交互。交互的對象為三維場景，主要是三維對象通過交互實現了三維空間瀏覽、選擇與查詢等。其三，分析。分析的對象為三維空間，主要是對三維場景中模型與地形等進行三維空間量算，并對其進行通視分析與日照分析等。

（二）研究現狀

現階段，關于3DUCIS的研究主要體現在以下幾方面：三維模型數據獲取、三維可視化、空間分析模型、數據管理與規(guī)范等。為了促進3DUCIS作用的發(fā)揮，世界范圍內的服務商均對其展開了積極的研究，如：Google Earth；同時，國內也對其展開了研究，如：靈圖公司。但時至今日，3DUCIS仍缺少完整性，主要是由于系統過于注重三維可視化、CAD軟件及其功能等。但3DUCIS仍存在不足，主要為：三維模型缺少實用性與便捷性、數據規(guī)范缺少完善性、理論與應用研究欠缺統一性等。

二、城市三維地理信息系統的設計

（一）數據

1.數據采集和建模。對于3DUCIS而言，三維空間數據是其核心與基礎，因此，數據采集和建模要具備一定的準確性與高效性。通過對三維空間數據的類型劃分，主要分為四種，數字線劃數據、影像數據、數字地面模型與對象屬性數據。

（1）數字線劃數據。此數據主要是對城市數據進行描述，如：建筑物。對于建筑物數據而言，主要為平面數據與高度數據，對此數據采集的技術主要為：

第一種，二維數據的運用。城市現有的二維數據為三維建筑物模型的構建提供了可靠的數據資源，保證了平面數據的精準性。高度數據主要是借助樓層數進行估算，同時也可以借助數字攝影測量或者建筑物修測、竣工測量等方式獲取。城市基礎數據庫促進了三維建筑物模型的構建，其作用十分顯著，主要表現為：保證了城市三維建筑物模型構建的便捷與高效；實現了三維與二維數據的緊密聯系，為空間數據的更新與維護奠定了基礎，但其缺點是未能展現建筑物的形狀，其應用范圍具有局限性。

第二種，全數字攝影測量的使用。當前，城市單位數據采集的關鍵性方法便是使用數據航空攝影系統，不僅實現了三維量測，還保證了三維成圖，同時它也為4D產品的生產提供了空間基礎數據。但在實際應用過程中，要注重生產成本與實際應用二者間的關系，以此保證系統建設成本的有效控制。

第三種，激光或者雷達等技術的運用。城市三維建筑物信息獲取過程中運用全數字攝影測量，對各個條件均有著較高的要求，數據獲取的難度較高。隨著技術水平的不斷提升，在全球定位系統與慣性導航系統的支持下，激光與雷達等技術得到了廣泛的應用，實現了建筑物平面與高度數據的有效獲取。此方法具有準確性、高效性與快速性等特點，促進了城市三維空間數據模型的構建。

（2）影像數據。此數據保證了城市三維景觀數據的真實性，其采集的方法主要為模擬法與攝影法，前者主要是模擬建筑物頂面、側面的紋理，以此促進相似圖像的形成，但此時獲取的圖像真實性相對較差；后者主要是結合了空中攝影和地面攝影兩種方法，通過拍攝實現了對建筑物紋理的全面獲取，進而提高了城市三維建筑物模型的真實性。

（3）數字地面模型。它作為城市三維空間數據的主要內容，其采集的方法主要為借助矢量數據、全數字攝影測量、機載激光掃描等。

（4）對象屬性數據。此數據獲取的方法主要為數據庫調取、野外調查等，該數據保證了3DUCIS的有效應用。

2.動態(tài)更新和維護。3DUCIS應用的要求相對較高，主要是要求空間數據要具備一定的現勢性與準確性，此時的數據是空間統計及分析的堅實基礎。因此，為了實現3DUCIS的廣泛應用，要對三維空間數據進行及時的更新與維護，主要的方法便是構建三維空間數據庫，使其具備動態(tài)更新和維護的能力。目前，3DUCIS的更新缺少同步性，主要是由于三維可視化系統需要借助建筑物模型的替換。

（二）模型

對于3DUCIS而言，三維城市模型是其重要的部分，但其生產具有復雜性，成本較高、模型數據量較大，在此基礎上，對其管理難以實現有效的開展，制約著3DUCIS的發(fā)展。目前，在激光雷達（Light Detection And Ranging，LIDAR）技術的作用下，三維城市模型的獲取與和管理均取得了一定的成績。

一方面，模型獲取。LIDAR屬于空間測量系統，它融合了激光、全球定位系統與慣性導航系統，借助高速激光掃描測量，實現了三維坐標數據的獲取，其測量具有高效性、高精度、全天候與豐富性的特點，在此基礎上，快速獲取了大量數據。

另一方面，模型管理。三維城市模型涉及大量的數據，傳統的存儲方式為文件，此時數據管理的難度較大。近幾年，空間數據庫日漸完善，逐漸形成了面向對象關系型的數據庫，在此基礎上，三維城市模型管理的方法日益豐富，由文件存儲轉向了大型關系型數據庫管理。此方式不僅包括空間信息，還擁有相匹配的屬性信息，從而實現了對空間及其屬性的查詢，便于數據的提取與調用。同時，對于企業(yè)級數據庫而言，保證了其安全。

三、城市三維地理信息系統的應用

在城市信息化、數字化建設快速發(fā)展的背景下，對GIS技術的依賴性更加顯著，但二維形式顯示未能滿足用戶的需求，三維空間數據的作用未能得到高效的發(fā)揮。在先進技術的支持下，對二維地理信息系統進行了改進，提出了三維地理信息系統，進而滿足了城市規(guī)劃與市政管理的需求。

（一）應用于城市規(guī)劃

在城市規(guī)劃中應用城市三維地理信息系統，保證了規(guī)劃的科學性與合理性，具體的應用案例為上海市。

1.方案對比。通常情況下，城市規(guī)劃要制定不同的方案，通過方案比較選取最適合的，以此保證規(guī)劃的科學性、準確性與可持續(xù)性。3DUCIS實現了對不同規(guī)劃方案的比較，利用接口導入，實現了設計單位三維規(guī)劃方案的三維場景展示，在雙屏對比的方式下，使用戶對方案實現了直觀的了解。在未施工前，便觀看到了規(guī)劃后的環(huán)境，同時也明確了規(guī)劃的影響，最終根據方案的經濟性、社會性與生態(tài)性等，對比了規(guī)劃方案的綜合效益，如圖1所示。

2.日照分析。隨著城市化進程的不斷加快，城市土地資源日益緊缺，建筑發(fā)展的高層化趨勢日益顯著，在高層建筑規(guī)模不斷擴大、數量不斷增多的背景下，日照問題得到了廣泛的關注，為了解決高層建筑發(fā)展與用戶日照需求二者間的問題，在城市規(guī)劃過程中，要注重日照分析，通過系統的分析，保證城市土地資源的高效利用，維護公民日照采光權的權益。如圖2所示。

3DUCIS的日照分析功能主要的根據用戶輸入的日期及建筑物，模擬了建筑物對周圍建筑物的光照遮擋情況，從而判定了建筑物設計是否滿足光照標準。圖2展示了上海規(guī)劃中商業(yè)高樓對附近居民小區(qū)的光照遮擋情況。

3.三維空間場景。城市規(guī)劃過程中急需三維空間場景，為了滿足此方面的需求，要積極發(fā)揮 3DUCIS的作用。該系統實現了城市環(huán)境的重現、比較了不同的方案、展示了公共參與結果、提供了城市規(guī)劃管理的相關業(yè)務，如：規(guī)劃審批、決策支持及地址分布表現等。同時，對城市重大工程建設項目實現了全面的管理，主要體現在宏觀與微觀兩方面，具體包括工程分布、工程進度、質量控制等。

（二）應用于市政管理

在城市發(fā)展與建設過程中，城市管理的作用日益顯著，同時對其管理的要求也不斷增多，在實際管理過程中應用3DUCIS，提高了管理的效率與質量，進而促進了城市的健康與和諧發(fā)展。

首先，在基礎設施方面。通過模塊化管理，將先進的技術與電子政務進行了有機的結合，從而形成了城市模塊化監(jiān)督管理系統。其次，在應急預案方面?；?DUCIS構建了城市重大危險源管理及應急指揮管理系統，在各個部門積極配合的基礎上，實現了突發(fā)性事件的有效處理。最后，在電子政務方面。隨著數字化城市建設的日益深入，城市政府開展了政府電子政務工作，在三維地理信息平臺的支持下，提高了電子政務服務工作的質量。

四、結語

綜上所述，本文主要研究了城市三維地理信息系統的設計與應用，其設計主要體現在數據與模型兩方面，其應用主要為城市規(guī)劃與市政管理。3DUCIS具有一定的直觀性與先進性，為用戶提供了高仿真的數字城市，在此基礎上，保證了城市規(guī)劃的科學性，提高了城市資源利用的高效性，確保了城市管理的質量。相信，在數字化與信息化城市建設過程中，3DUCIS的作用將更加顯著，其應用將更加廣泛。

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作者簡介：汪瀅（1984.02- ），女，漢族，湖北黃岡人，碩士研究生，講師，研究方向：地理信息系統應用。