面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)方法的探討與應(yīng)用

王海鷹，張新長，康停軍

(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東廣州510275)

面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)方法的探討與應(yīng)用

王海鷹，張新長，康停軍

(中山大學(xué)地理科學(xué)與規(guī)劃學(xué)院，廣東廣州510275)

隨著“數(shù)字地球”理論與技術(shù)的不斷發(fā)展，利用三維GIS技術(shù)輔助城市規(guī)劃已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的新趨勢。提出一種快捷、有效的城市規(guī)劃虛擬景觀建設(shè)路線方法，并基于Skyline組件開發(fā)虛擬規(guī)劃仿真系統(tǒng)，可利用該系統(tǒng)對(duì)城市規(guī)劃虛擬景觀的應(yīng)用進(jìn)行研究，為城市規(guī)劃提供輔助決策服務(wù)。

Skyline;虛擬景觀;城市規(guī)劃;三維GIS

一、引 言

隨著數(shù)字時(shí)代的來臨與信息技術(shù)的飛速發(fā)展，GIS技術(shù)已經(jīng)深入應(yīng)用到國土、規(guī)劃、土地管理［1-3］等各個(gè)行業(yè)。傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)對(duì)于三維空間信息的管理、表示與分析能力存在不足，已經(jīng)不能完全滿足規(guī)劃工作的需要，三維GIS就是在這樣的需求背景下產(chǎn)生的。三維GIS可以生成一個(gè)場景逼真的虛擬三維城市，規(guī)劃人員可以利用系統(tǒng)強(qiáng)大的三維可視化功能和計(jì)算分析能力進(jìn)行深度應(yīng)用［4］，促進(jìn)城市合理規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃人員的設(shè)計(jì)藍(lán)圖。

本文以增城市廣州東部汽車產(chǎn)業(yè)基地虛擬規(guī)劃仿真為例，在TerraSuite技術(shù)框架下，通過融合DEM和DOM數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)三維地形仿真。研究了一種有效的三維模型建設(shè)方法，完成面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)。開發(fā)了虛擬規(guī)劃仿真系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)對(duì)此區(qū)域進(jìn)行了案例研究，通過空間漫游、方案對(duì)比、規(guī)劃成果展示與審批、規(guī)劃信息查詢與分析等方式，為解決城市規(guī)劃問題提供了一種有效的輔助決策手段。

二、景觀建設(shè)的平臺(tái)選擇與分析

1.TerraSuite架構(gòu)

針對(duì)研究區(qū)虛擬規(guī)劃仿真的具體需求，選擇TerraSuite系列軟件作為三維GIS軟件平臺(tái)。Terra-Suite具有靈活、簡便的建模工具，穩(wěn)定的軟件功能以及組件化的軟件體系，是獨(dú)立于硬件之外，多平臺(tái)、多功能的軟件系統(tǒng)。

Skyline TerraSuite包含以下三類產(chǎn)品［5］。

1)TerraBuilder。它是迅速創(chuàng)建、編輯和維護(hù)三維地形數(shù)據(jù)庫的合成軟件。它能夠結(jié)合影像、DEM、矢量數(shù)據(jù)，簡潔、快速地創(chuàng)建三維地形數(shù)據(jù)集。

2)TerraExplorer Pro。它是創(chuàng)建、編輯、注記和發(fā)布照片實(shí)景效果三維場景的強(qiáng)大、便捷的軟件工具。

3)TerraGate。它是基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸海量三維地理數(shù)據(jù)的高性能服務(wù)器軟件，允許用戶通過網(wǎng)絡(luò)來訪問地形數(shù)據(jù)庫。

2.三維建模工具

模型的格式標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量對(duì)于建立一個(gè)成功的三維GIS系統(tǒng)來說是至關(guān)重要的。因此，在三維建模軟件選擇上，要考慮通用性、簡潔性等原則。筆者選擇 Google SketchUp［6］與 MultiGen Creator［7-8］軟件作為建模的基本平臺(tái)。

Google SketchUp軟件能面向設(shè)計(jì)過程，界面簡潔、易學(xué)易用、命令少，避免了其他三維設(shè)計(jì)軟件的復(fù)雜性，并且生成的模型簡潔、精細(xì)，便于導(dǎo)出渲染。利用它能夠快速、高效、低成本地構(gòu)建城市三維景觀模型，并且，通過該軟件生成的模型具有很好的通用性，可以方便地轉(zhuǎn)化Skyline系統(tǒng)所支持的格式。

在使用Google SketchUp進(jìn)行建模和轉(zhuǎn)換時(shí)，通常會(huì)產(chǎn)生大量冗余的點(diǎn)、線、面，這些模型必須在轉(zhuǎn)化的中間階段進(jìn)行精簡優(yōu)化。采用實(shí)時(shí)仿真建模軟件MultiGen Creator對(duì)三維模型進(jìn)行優(yōu)化處理。MultiGen Creator不僅具有強(qiáng)大的多邊形建模功能，而且有獨(dú)創(chuàng)的用于描述三維虛擬場景的層次化OpenFlight數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其模型數(shù)據(jù)庫可以在獲得極高渲染效率的同時(shí)保證實(shí)時(shí)交互的靈活性，為三維模型的精簡與優(yōu)化提供了面合并、點(diǎn)合并、LOD技術(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)工具和Vsimplify工具等，能夠最大限度地減少數(shù)據(jù)量。

三、區(qū)域概況與數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

廣州東部汽車產(chǎn)業(yè)基地北至南香山山腳、南至荔新公路、東至仙寧公路西面、西至東凌公司用地，總規(guī)劃面積約38 km2，基地以汽車整車及零部件、商貿(mào)物流業(yè)為主。本研究區(qū)為廣州汽車城產(chǎn)業(yè)基地的核心區(qū)域，包括廣州本田等十幾家大型企業(yè)，共約8 km2。

研究需要準(zhǔn)備的數(shù)據(jù)如下:① DEM數(shù)據(jù):38幅DEM數(shù)據(jù)，5 m網(wǎng)格;② DOM數(shù)據(jù):16幅高精度航空影像，分辨率0.2 m;③ DLG地形圖:38幅1∶2 000 DLG地形數(shù)據(jù);④ 測量及詳規(guī)DWG數(shù)據(jù):研究區(qū)內(nèi)的竣工測量驗(yàn)收數(shù)據(jù)以及詳規(guī)數(shù)據(jù);⑤ 紋理照片:研究區(qū)內(nèi)相關(guān)單位建筑及周邊環(huán)境詳細(xì)紋理照片。

將所需DLG地形圖、竣工測量圖、詳規(guī)圖轉(zhuǎn)成矢量文件，坐標(biāo)系采用1980西安坐標(biāo)系。

四、面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)

1.虛擬景觀建設(shè)流程設(shè)計(jì)

結(jié)合研究區(qū)虛擬規(guī)劃的需求分析，提出一種行之有效的虛擬規(guī)劃景觀建模方法。該方法如圖1所示，虛擬規(guī)劃模型建設(shè)主要分為三維地形模型建設(shè)、三維建筑模型建設(shè)與城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)三個(gè)部分。

圖1 虛擬規(guī)劃景觀建設(shè)流程

2.生成三維地形模型

利用TerraSuite的TerraBuilder軟件對(duì)三維基礎(chǔ)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、建立、更新和維護(hù)［9］。需要的原始數(shù)據(jù)主要是DEM數(shù)據(jù)和DOM數(shù)據(jù)，其中DEM數(shù)據(jù)除了可以對(duì)虛擬城市地表進(jìn)行描述，還可以為虛擬規(guī)劃城市的三維模型提供地面高程起算基準(zhǔn)。DOM數(shù)據(jù)提供了城市地表的真實(shí)色彩與紋理特征，可以對(duì)城市進(jìn)行直觀描述，也可以提供城市規(guī)劃等方面的基本信息。

首先，建立一個(gè)新的工程并指定WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)和橢球信息，將DOM數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)配準(zhǔn)并設(shè)置為同一投影坐標(biāo)系下(1980西安坐標(biāo)系，高斯—克呂格投影，DEM一般為TIFF格式，DOM為IMG格式)。利用七參數(shù)法將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)下，將數(shù)字高程與影像數(shù)據(jù)疊合生成基于真實(shí)世界的三維數(shù)字地形場景。

3.制作三維建筑模型

三維建筑模型可分為精細(xì)建筑模型與批量建筑模型［12］，對(duì)于城市的重點(diǎn)單位要進(jìn)場拍攝詳細(xì)的紋理照片，進(jìn)行精細(xì)三維幾何建模，以滿足項(xiàng)目需求，確保三維模型的可視化質(zhì)量。在進(jìn)行精細(xì)模型建模時(shí)，要按照三維模型建設(shè)與檢查流程進(jìn)行檢查，如圖2所示。

圖2 三維模型建設(shè)與檢查流程

(1)精細(xì)建筑模型

進(jìn)行精細(xì)建模時(shí)，要將竣工測量圖或詳規(guī)圖作為底圖，利用SketchUp或Creator等建模工具對(duì)城市建筑進(jìn)行建模，之后進(jìn)行精簡、優(yōu)化及轉(zhuǎn)換，如圖2所示。模型質(zhì)量要重點(diǎn)檢查模型大小、紋理命名、大小、尺寸和寬高比等指標(biāo)。調(diào)整優(yōu)化模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，設(shè)置模型表面的主顏色、可選顏色、渲染狀態(tài)等屬性。

對(duì)于規(guī)劃未建模型，要將模型處理成半透明化用以表示規(guī)劃未建的建筑。如圖3所示，調(diào)整規(guī)劃建筑與現(xiàn)實(shí)建筑在紋理色調(diào)與透明度方面的對(duì)比差異。

圖3

(2)批量建筑模型

對(duì)于一般的建筑物模型則不需精細(xì)建模，可以利用1∶2 000的DLG數(shù)據(jù)獲取建筑的面狀圖形。利用ArcGIS軟件的最近距離方法賦予建筑圖形相應(yīng)的建筑類型及層數(shù)、層高等相關(guān)屬性，建立建筑圖形與建筑屬性信息的關(guān)聯(lián)。通過TerraExplorer Pro導(dǎo)入建筑面狀矢量數(shù)據(jù)生成建筑物，利用VBScripts函數(shù)表達(dá)式計(jì)算求得每棟樓的高度。再對(duì)模型的墻面進(jìn)行紋理貼圖，生成具有真實(shí)感的三維建筑模型，如圖4所示。

本文利用該方法批量生成了23 382棟三維建筑模型。以流模式加載后，系統(tǒng)運(yùn)行流暢。

圖4 批量生成的建筑模型

(3)城市基礎(chǔ)設(shè)施模型

要生成虛擬城市景觀，需要大量的地物模型。為使系統(tǒng)運(yùn)行流暢，不產(chǎn)生遲滯感，需通過流模式、模型簡化、紋理壓縮、紋理共享、Billboard等技術(shù)對(duì)地物模型進(jìn)行優(yōu)化。

不同地物的制作方法有所不同，對(duì)于天空、橋梁、花壇等實(shí)體模型，采用圖2的技術(shù)路線進(jìn)行制作;對(duì)于路燈、樹木模型，采用Billboard及紋理共享技術(shù)大批量自動(dòng)生成;對(duì)于道路系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的道路生成程序，利用線狀SHP數(shù)據(jù)生成城市道路。

4.城市規(guī)劃虛擬景觀模型整合與生成

面向城市規(guī)劃虛擬景觀是由三維地形模型、三維建筑模型與城市基礎(chǔ)設(shè)施模型三個(gè)部分組成。因此要在TerraExplorer Pro中將三個(gè)部分分別加載［10］，形成一個(gè)完整的城市規(guī)劃虛擬景觀。

(1)三維模型定位

三維實(shí)體建模模型通常是在模型坐標(biāo)參考系中描述的。該坐標(biāo)系只是一種相對(duì)于模型位置的局部坐標(biāo)系。因此，在將三維實(shí)體模型導(dǎo)入城市規(guī)劃虛擬景觀時(shí)，需要對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行定位，賦予真實(shí)的空間地理坐標(biāo)。利用手工方法可以進(jìn)行定位，但是坐標(biāo)不精確，而且還需要花費(fèi)大量的時(shí)間，并且在以后的模型更新、編輯、信息讀取中會(huì)出現(xiàn)很多問題。本文研究出一種矢量關(guān)聯(lián)方法，可以實(shí)現(xiàn)大批量的三維實(shí)體模型在虛擬景觀中的快速、準(zhǔn)確定位。

具體做法就是:在模型CAD底圖中選擇建筑圖形的一邊腳點(diǎn)，記錄其精確坐標(biāo)值。并根據(jù)其坐標(biāo)點(diǎn)轉(zhuǎn)換為點(diǎn)狀的SHP數(shù)據(jù)格式。在Creator中找到實(shí)體模型的相應(yīng)腳點(diǎn)，將其腳點(diǎn)坐標(biāo)平移到模型的局部坐標(biāo)系原點(diǎn)，保存后以*.x格式導(dǎo)出。然后，在Terra-Explorer Pro中導(dǎo)入點(diǎn)矢量文件，利用矢量關(guān)聯(lián)方式將所有的*.x格式的實(shí)體模型批量導(dǎo)入虛擬景觀。

(2)三維模型整合

在三維實(shí)體模型的建設(shè)過程中，為達(dá)到在虛擬景觀中運(yùn)行流暢清晰、模型讀取方便等目的，必須對(duì)模型進(jìn)行整合處理。整合內(nèi)容通常有:對(duì)三維地形的改造處理、對(duì)精細(xì)模型矢量文件的處理與統(tǒng)一加載、對(duì)批量生成建筑的加載與流模型處理、對(duì)于地物實(shí)體模型的集成與加載、對(duì)Billboard模型的矢量文件整理與加載、道路模型的轉(zhuǎn)換與地形的疊加整合。最終，要形成虛擬景觀的目錄體系，通過目錄體系可以有效地管理虛擬景觀的模型。最終生成的城市規(guī)劃虛擬景觀如圖5所示。

圖5 面向城市規(guī)劃的虛擬景觀

五、面向城市規(guī)劃的虛擬景觀應(yīng)用

結(jié)合城市規(guī)劃實(shí)際需求，設(shè)計(jì)開發(fā)了三維城市規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)。該系統(tǒng)除實(shí)現(xiàn)了三維GIS系統(tǒng)的三維漫游、路徑瀏覽等基本功能以外，還為城市規(guī)劃人員提供了測量、陰影分析、對(duì)象查詢、方案比較、視域分析等多種三維輔助規(guī)劃功能。筆者利用該系統(tǒng)，結(jié)合城市規(guī)劃虛擬景觀，進(jìn)行了以下城市輔助規(guī)劃的應(yīng)用研究。

1.規(guī)劃成果展示與審批

在規(guī)劃設(shè)計(jì)過程中，一般會(huì)有幾種不同的設(shè)計(jì)方案。在虛擬景觀空間中，可以真實(shí)地展示與查詢規(guī)劃成果，直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)統(tǒng)計(jì)分析，提高規(guī)劃決策的科學(xué)性。規(guī)劃設(shè)計(jì)人員可以實(shí)時(shí)地切換不同的方案，在同一觀察點(diǎn)或同一個(gè)觀察序列中感受不同的三維景觀，比較各方案的合理性以及環(huán)境美學(xué)效果。還可以通過模型生成工具，現(xiàn)場生成規(guī)劃方案，對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行方位、大小、角度的修改，通過比較后獲得最佳的效果［11］。

由圖6比較可知，規(guī)劃方案一的規(guī)劃建筑是工業(yè)廠房，規(guī)劃方案二的規(guī)劃建筑是居民住宅，不符合相關(guān)的土地使用規(guī)定。因此，選擇方案一作為廠區(qū)二期建設(shè)依據(jù)。

圖6 規(guī)劃方案比較

2.信息查詢及分析評(píng)估

系統(tǒng)提供了三維可視化環(huán)境下的信息查詢、分析和統(tǒng)計(jì)功能，通過綜合使用這些功能可以詳細(xì)研究規(guī)劃區(qū)域的土地、道路、交通等情況，可方便地了解研究區(qū)的現(xiàn)狀與規(guī)劃信息，同時(shí)還可以查閱相關(guān)經(jīng)濟(jì)文化信息，更好地制定規(guī)劃方案。

通過對(duì)規(guī)劃建筑與已建成建筑的透明度設(shè)置，可以很清晰地看到廠區(qū)的規(guī)劃建筑與已建建筑的分布格局。對(duì)廠區(qū)各建筑進(jìn)行屬性查詢，可以得到建筑總面積、建筑編號(hào)、耐火等級(jí)、所屬單位、占地面積、建筑類型等建筑屬性信息，如圖7所示。

圖7 屬性查詢

進(jìn)一步可以利用面積計(jì)算工具得到廠區(qū)的用地面積和總建筑面積，進(jìn)而得到廠區(qū)的容積率，判斷其是否符合工業(yè)用地規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)［12］。利用水平、垂直距離工具獲得規(guī)劃建筑的高度、建筑樓距。利用陰影分析工具可以得到建筑在某時(shí)間段內(nèi)的日照總時(shí)間，還可以通過視域分析檢查規(guī)劃建筑高度相對(duì)于周邊建筑是否合適。

六、結(jié)束語

通過實(shí)踐檢驗(yàn)，證明本文提出的面向城市規(guī)劃的虛擬景觀建設(shè)方法與技術(shù)流程是可行的、有效的。研究開發(fā)的三維城市規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)可作為規(guī)劃成果展示與評(píng)審、規(guī)劃信息查詢和分析評(píng)估的應(yīng)用平臺(tái)，為城市新區(qū)建設(shè)、三舊改造、征地拆遷等項(xiàng)目提供輔助規(guī)劃決策支持。系統(tǒng)以其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)管理、空間分析及三維可視化功能，促進(jìn)了城市規(guī)劃輔助設(shè)計(jì)從二維平面走向三維空間，其規(guī)劃方案的表現(xiàn)形式從傳統(tǒng)效果圖、沙盤模型走向三維浸入式互動(dòng)體驗(yàn)，很大程度上改變了城市規(guī)劃設(shè)計(jì)與審批的工作方式，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)城市規(guī)劃審批過程中的一些不足。

［1］郭宏慧.地理信息系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢分析［J］.河北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，13(1):140-142.

［2］宋小冬，鈕心毅.城市規(guī)劃中GIS應(yīng)用歷程與趨勢:中美差異及展望［J］.城市規(guī)劃，2010(10):23-29.

［3］毛迎丹，黃作維.基于WebGIS的土地資源地理信息服務(wù)系統(tǒng)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(6):2485-2486.

［4］王軍，周偉，田鵬，等.城市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用［J］.工程勘察，2010(11):56-61.

［5］東方道邇GIS事業(yè)部.Skyline軟件產(chǎn)品概述［EB/OL］.2005-09-20.http:∥ www.skysymbol.com.cn/pro/pro6.htm.

［6］徐昌榮，孫濤，仲軍華.ArcGIS結(jié)合SketchUp輔助城市規(guī)劃的綜述［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36(34):15132-15134.

［7］黃艷芳，祝國瑞，龐前聰.3DS MAX和MultiGen Creator相結(jié)合的虛擬城市建模方法［J］.測繪信息與工程，2005，30(5):37-39.

［8］洪光，李洪儒，牟建.基于Creator的三維模型的簡化研究［J］.計(jì)算機(jī)仿真，2004，21(1):57-58.

［9］王愛國，劉春雷，胥存華.3D GIS技術(shù)在國土資源信息管理中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代測繪，2007，30(2):44-46.

［10］史翔，孫紅麗，孔凡偉.數(shù)字城市三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn):以“數(shù)字濰坊”為例［J］.礦山測量，2008(6):55-58.

［11］黃麗娜，費(fèi)立凡，龐前聰，等.城市規(guī)劃仿真審批系統(tǒng)開發(fā):以?？谑腥S仿真規(guī)劃審批系統(tǒng)為例［J］.測繪信息與工程，2007，32(1):18-20.

［12］劉增良，陳品祥，賈光軍，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在城市規(guī)劃管理中的應(yīng)用研究與實(shí)踐［J］.測繪通報(bào)，2010(5):45-47.

Discussion and Application of the Method of Virtual Landscape Construction for Urban Planning

WANG Haiying，ZHANG Xinchang，KANG Tingjun

0494-0911(2011)03-0029-05

P208

B

2010-11-26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(40971216)

王海鷹(1980—)，男，湖南益陽人，博士生，主要研究方向?yàn)橥恋乩脮r(shí)空結(jié)構(gòu)變化模擬與三維GIS。