高裕山，楊波，劉馨，劉曉飛

(濟南市不動產(chǎn)登記中心，山東 濟南 250101)

1 引 言

改革開放以來，我國城市規(guī)劃建設管理工作成就顯著，伴隨著城市建設高速發(fā)展，也不同程度存在“千城一面”和“貪大、媚洋、求怪”等現(xiàn)象。從2015年12月召開中央城市工作會議，到2016年2月中共中央、國務院印發(fā)《關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》[1]，再到2020年4月住房和城鄉(xiāng)建設部、國家發(fā)展改革委發(fā)布《關于進一步加強城市與建筑風貌管理的通知》，均要求各地進一步加強城市設計，強化對城市的空間立體性、平面協(xié)調性、風貌整體性、文脈延續(xù)性等方面的規(guī)劃和管控。隨著三維數(shù)字技術的發(fā)展，由于其具有全角度、多層次觀察城市空間整體和局部關系的技術特點，能夠通過多種運動方式展示城市形態(tài)甚至模擬不同階段的發(fā)展演變狀態(tài)，因此在城市設計領域應用日益廣泛。國內(nèi)很多地方在城市設計三維管控方面做了探索，但也面臨著兩個方面的問題，一是空間尺度拓展到城市級時，如何高效調度海量數(shù)據(jù)；二是城市設計與多層級規(guī)劃關聯(lián)時，如何精細化管控。

2017年7月，濟南市入選全國第二批城市設計試點城市，提出建設城市設計三維管控平臺，統(tǒng)籌城市設計的編制、管理和實施?；谠圏c工作研究成果，本文闡述了城市設計三維管控平臺在大尺度空間下實現(xiàn)精細化和高效化應用的濟南案例，以及對相關技術探索、改進的思路與方法。

2 三維數(shù)據(jù)的管理調度與可視化

濟南是歷史文化名城，有多處歷史建筑和歷史街區(qū)，三維建模采用實景三維為主、手工精細建模為輔的方式。在大區(qū)域三維建模中國內(nèi)外很多地方做了探索，Li等針對大規(guī)模的城市三維建模，利用傾斜攝影技術對超過 1 000 km2的區(qū)域進行三維建模[2]。Lingua等利用無人機傾斜攝影技術對意大利西北部的某個城市中的古建筑物進行了三維建模[3]。Kelly等通過無人機影像對建筑物進行了三維重建的方法驗證[4]。這些探索驗證了傾斜攝影大區(qū)域建模中的可行性。采用傾斜攝影技術建模提升了三維模型生產(chǎn)效率[5]，但也帶來了如何高效管理海量數(shù)據(jù)的問題。濟南市三維數(shù)據(jù)體量較大，包括 1 000余平方公里實景三維模型、10個片區(qū)100余平方公里手工三維模型以及全市域簡易三維模型，疊加拼合后數(shù)據(jù)量達到數(shù)十TB。面對海量數(shù)據(jù)，重點探索高效管理調度、可視化應用等技術，提升平臺性能、效率和使用體驗。

2.1 多空間列技術對傾斜攝影數(shù)據(jù)的適配

三維空間數(shù)據(jù)引擎是管理和訪問三維數(shù)據(jù)的關鍵技術之一[6]，項目中改進了CityMaker三維空間數(shù)據(jù)引擎FDE多空間列技術，將一個對象的多種空間表達在同一個表里存儲(圖1)，實現(xiàn)了傾斜攝影數(shù)據(jù)和其他類型三維數(shù)據(jù)融合，拓展了海量傾斜攝影數(shù)據(jù)查詢、分析及編輯能力。譬如對建筑做視域或者通視分析時，先用Polygon開展一次二維空間快速查詢(圖2)，得到初步結果后，再用網(wǎng)格模型開展更精細的三維分析，性能會有較大提升。

圖2 Polygon二維查詢

2.2 構件級多精度三維瓦片技術

瓦片金字塔模型是一種多層分辨率的模型，從金字塔底部到頂部分辨率越來越低。三維瓦片采用八叉樹算法切分空間網(wǎng)格，從上到下瓦片矩陣的行列數(shù)呈倍數(shù)遞增關系。這種算法把相同空間都裂分為同等精度，在大場景中不夠靈活，如一個小型構筑物或者雕塑，需要高的可視化精度，而大體量建筑則不需要同等精度，都分裂為相同精度，則造成資源浪費。構件級多精度瓦片技術是根據(jù)場景的最大尺寸建立第一個立方體，采用八叉樹算法將立方體分割為八個子立方體葉節(jié)點，若某個葉節(jié)點精細值不滿足設定值，則繼續(xù)分割該葉節(jié)點，直到所有葉節(jié)點精細都滿足要求。這種方法降低了海量三維數(shù)據(jù)動態(tài)加載與場景復雜度的關聯(lián)，提高了大場景三維模型展示效率。

2.3 多級網(wǎng)格索引技術

傳統(tǒng)索引技術隨著數(shù)據(jù)量增大，檢索效率逐漸降低。多級網(wǎng)格索引在二維平面上構建幾層虛擬網(wǎng)格，每層網(wǎng)格都是由等大的網(wǎng)格組成，這些網(wǎng)格空間相鄰接，每個空間對象按照其空間范圍和網(wǎng)格相交，空間查詢最終轉化成為網(wǎng)格ID的查詢(圖3)。這種方法直接在數(shù)據(jù)的實現(xiàn)層上設計，把空間掃描轉換成數(shù)據(jù)庫中線性掃描，最小存儲單位是數(shù)據(jù)庫中的行。多級網(wǎng)格索引與四叉樹索引和R樹索引等傳統(tǒng)索引技術相比，由于充分利用了關系數(shù)據(jù)庫特征，在功能和性能表現(xiàn)上更加敏捷，大大提升了檢索效率。

圖3 多級網(wǎng)格索引組織示意圖

2.4 三維渲染引擎的優(yōu)化

在有限的硬件資源下，為提升海量三維數(shù)據(jù)顯示性能，探索采用空間索引和渲染索引兩種索引機制，將模型和紋理通過雙重三級LOD技術控制，消耗較小的性能完成快速查詢及繪制渲染。改進后的三維渲染引擎，虛擬場景畫面真實，支持烘焙材質和多層紋理，能實時生成動態(tài)水面、動態(tài)貼圖、骨骼動畫、物體運動、雨雪霧等多種畫面特效，光影豐富，逼真地展示城市現(xiàn)狀、規(guī)劃和設計方案。

2.5 分布式內(nèi)存緩存技術

為提高三維數(shù)據(jù)的加載效率，采用MemCache技術，實現(xiàn)三維數(shù)據(jù)的分布式緩存，提升顯示平滑度和并發(fā)訪問服務能力。具體方法是先檢查客戶端請求數(shù)據(jù)是否在Memcache中，如果有就直接返回數(shù)據(jù)，不再對數(shù)據(jù)庫做任何操作，如果沒有再去訪問數(shù)據(jù)庫，獲取數(shù)據(jù)返回給客戶端，同時把數(shù)據(jù)緩存一份到Memcache中。當分配給Memcache內(nèi)存空間用完之后，采用LRU(Least Recently Used)策略和到期失效策略，替換掉失效數(shù)據(jù)和最近未使用的數(shù)據(jù)。項目依托于濟南市政務云網(wǎng)絡環(huán)境，通過分布式內(nèi)存緩存技術，將三維數(shù)據(jù)調度和繪制并行處理，實現(xiàn)了大場景三維模型的無障礙漫游，提升用戶體驗。

3 城市設計精細化管理

3.1 要素逐級傳遞

根據(jù)城市設計的管控體系，重點圍繞總體城市設計、區(qū)段城市設計、街區(qū)(地塊)城市設計和專項城市設計，構建指標要素體系[7]?？v向上將城市設計上下層級的管控內(nèi)容逐級延續(xù)和深化，構建整體到局部、結構到要素的控制和引導關系，上位指導下位，下位落實上位(圖4)。橫向上將城市設計與法定規(guī)劃對應關聯(lián)，把城市設計指標要素融入法定規(guī)劃(圖5)。具體實現(xiàn)上，一是依據(jù)標準規(guī)整編制成果，將不同層級城市設計的管控要素提煉、拆解為相應的指標，建立指標庫；二是依據(jù)管控體系建立上下相連、橫向對應的管控規(guī)則[8]。比如區(qū)段城市設計中的“街區(qū)建筑”相關要素對應到街區(qū)(地塊)城市設計中，就會分解為“退界控制”“高度與體量”“界面控制”“建筑設計”等更細化的相關要素?；诠芸匾?guī)則，通過數(shù)據(jù)關聯(lián)、對比分析等功能實現(xiàn)指標要素逐級傳遞。

圖4 縱向指標分解示意圖

圖5 橫向關聯(lián)關系示意圖

3.2 指標自動校核

指標校核是將各類具體的、非抽象的指標，在縱向或橫向的邏輯關系中核驗，確保管控指標在邏輯上一致。首先是將各層次城市設計成果和法定規(guī)劃成果的指標要素梳理，形成指標因子，構建不同層次的指標庫，然后通過平臺的測算與校核功能，對審核對象的各項指標與指標庫分析對比，自動生成校核報告，輔助審查與審批。如在用地管理中，在管控要素體系的約束下，通過參數(shù)化建?？焖偕赡M方案，動態(tài)計算指標，開展空間形態(tài)研究和景觀分析，優(yōu)化規(guī)劃條件，提高工作效率和精準性。

3.3 地上地下一體化動態(tài)分析

在審查建筑設計方案時，除了展示和分析建筑的形體、高度、外部風貌和空間關系外，還需要分析建筑內(nèi)部、地下空間的布局和結構。平臺通過改進三維剖切算法(圖6)，實現(xiàn)動態(tài)裁剪三維空間，即拖動剖面，可從不同角度任意剖切立體空間，形成動態(tài)剖面圖(如圖7所示)，為規(guī)劃師、建筑師分析研究地上建筑、小品以及地面道路、地下的管廊、管線、地鐵站點通道等城市立體空間，提供更加全面和便捷的技術手段。

圖6 三維動態(tài)剖切算法流程

圖7 三維動態(tài)剖面圖

4 綜合管控平臺主要應用

4.1 城市瀏覽

城市瀏覽模塊提供對城市、街區(qū)和建筑連續(xù)、實時、平滑的瀏覽和觀察功能，瀏覽方式包括定制瀏覽、自由瀏覽；觀察包括環(huán)視、頂視、透視、盤旋、定點觀察、反向觀察；瀏覽模式包括標準模式、簡潔模式和透明模式。面向不同對象提供兩種使用方式，一是C/S結構桌面端應用，為專業(yè)人員提供豐富的瀏覽功能；二是B/S結構Web端應用，為社會公眾提供便捷直觀的瀏覽場景。

4.2 編制項目成果審查

在編制城市設計過程中，需要檢查不同層次城市設計成果之間以及城市設計與總體規(guī)劃、控制性詳細規(guī)劃之間的關系。如果完全依靠人工判斷則會耗時費力，而且容易出現(xiàn)錯判漏判。平臺成果審查模塊，可在三維空間中分析高度、體量、形體、色彩、退讓等與城市空間環(huán)境關系，并利用自動化沖突檢測和預警功能對相關指標檢查與校核，輔助規(guī)劃成果審查，快速形成審查報告，提升審查效率與質量。

4.3 建設項目方案審查

在審批工程建設項目時，以三維電子報建為切入點開展方案審查。平臺提供建高分析、控高分析(圖8)、貼線率分析、沿街立面分析、通視分析、開敞度分析(圖9)、視域分析(圖10)、天際線分析(圖11)、水淹分析、日照模擬與分析等十幾種三維分析手段，可在項目選址、用地許可和工程許可多個階段，更精準地分析、評價報批方案的空間形態(tài)、色彩以及與周邊建筑、景觀和諧度等方面因素，輔助項目審批和規(guī)劃決策。

圖8 控高分析

圖9 開敞度分析

圖10 視域分析

圖11 天際線分析

5 結 語

隨著城市設計理論和方法的不斷創(chuàng)新，城市設計正從靜態(tài)城市空間擴展到動態(tài)城市空間，研究尺度增大，精細化程度提高，公眾參與程度增強。城市設計三維管控的需求在未來會不斷涌現(xiàn)。本文通過相關技術研究，探索建立城市級尺度下城市設計三維管控平臺，服務于濟南市城市設計的編制、管理及實施全過程，為全面提升城市設計和規(guī)劃管理的精細化水平，促進城市功能完善與環(huán)境品質提升，進一步彰顯“山泉湖河城”相融合的泉城特色風貌，提供信息化支撐。