基于ArcGIS的三維輔助規(guī)劃設計

龔 珍，吳 浩，黎 華

(武漢理工大學資源與環(huán)境工程學院，湖北武漢 430070)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，GIS廣泛應用于電力、水利、交通和城市規(guī)劃等行業(yè)中。單純的二維地理信息系統(tǒng)不能完全真實地反映現(xiàn)實的三維世界［1］。而以三維模型和遙感影像為基礎的三維GIS可視化技術，能產(chǎn)生逼真的環(huán)境模擬效果，有著廣闊的應用前景，越來越受到人們的關注［2］。

地形地貌是自然界最基本、最客觀、最復雜的實體，隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，土地利用類型不斷地發(fā)生變化，很難用統(tǒng)一的模型來表達。而高分辨率的遙感影像數(shù)據(jù)提供了豐富的地面資源，使得環(huán)境、建筑等主要內(nèi)容都清晰可見，能為地表模型的建立提供詳細、豐富、真實的幾何信息和語義信息。

筆者利用高分辨率的遙感影像，通過對影像進行數(shù)字化處理及DEM建模，建立了具有高度真實感的三維地形景觀。由于目前規(guī)劃設計常常在平面上進行，與實際偏離很大，使得項目難以實施［3］，即使制作了方案和工作模型，由于缺乏真實的地形信息，往往需要進行再次修訂。因此，筆者擬將規(guī)劃的三維模型與真實的地形相結(jié)合，將其應用于四川省某市的三維城市決策輔助中，對城市的三維規(guī)劃設計有一定的指導意義。

1 研究方案

1.1 系統(tǒng)總體框架設計

為了解決規(guī)劃中存在的地形失真問題以及數(shù)字化管理問題，所設計的系統(tǒng)將規(guī)劃中的三維模型存放在數(shù)據(jù)庫中，方便查詢和動態(tài)顯示。同時，針對四川省某市的水文情況進行了實時模擬和預警，為后續(xù)的研究打下了基礎。

系統(tǒng)的整體實現(xiàn)方案如下:采用ArcGIS提供的Geodatabase來存儲后臺數(shù)據(jù)，如三維建筑模型，離散數(shù)據(jù)點;采用VS2008(C#)和ESRI的二次開發(fā)組件ArcEngine作為前端開發(fā)系統(tǒng)。ArcEngine組件中提供了兩種三維控件，SceneControl和GlobeControl。GlobeControl控件將所有數(shù)據(jù)投影到球體表面上，使場景更加接近現(xiàn)實世界，適合大范圍的數(shù)據(jù)顯示，其統(tǒng)一的投影系統(tǒng)為WS84。而ArcScene在顯示場景時，會將所有的數(shù)據(jù)加載到場景中，矢量數(shù)據(jù)以矢量形式顯示，柵格數(shù)據(jù)會自動降低分辨率來顯示，以提高效率，并將所有數(shù)據(jù)投影到當前場景所定義的空間參考中。除此之外，GlobeControl封裝了SceneControl的大部分類庫，并支持紋理貼圖，因此該系統(tǒng)采用GlobeControl控件來進行三維場景的實時瀏覽［4］。

整體系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 基于ArcEngine的三維GIS整體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)實現(xiàn)流程

首先，將四川省某市的遙感影像用Erdas I-magine進行幾何校正和配準，然后將其分別導入ArcGIS和AutoCAD。在ArcGIS中，用ArcCatalong中的shp文件來組織這些二維的數(shù)據(jù)文件，每個圖層包含特定的數(shù)據(jù)集，如房屋、道路、水系、樹木等建筑物;在AutoCAD中，將其轉(zhuǎn)化為dwg格式，將該格式導入3DMAX中進行建模。將每個類別分批轉(zhuǎn)成ArcGIS的Multipatch模型要素文件，并保存于Geodatabase中。

其次，將數(shù)碼相機采集到的照片和遙感影像中截取的圖像用PS進行扭曲，調(diào)整亮度等色階操作。在這里，需要注意模型文件和紋理文件存放于同一文件夾下。

最后，在C#程序中，利用 ArcEngine，通過坐標查詢和名稱查詢兩種方式實現(xiàn)二維三維系統(tǒng)交互，其流程圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)交互流程圖

1.3 系統(tǒng)交互控制方式

在數(shù)據(jù)層面，該系統(tǒng)三維場景中的地物對應于二維圖層中的某一類矢量圖或者特征點，在進行數(shù)據(jù)查詢和更新操作時，通過這種對應關系可保證二維圖層數(shù)據(jù)與三維圖層數(shù)據(jù)的一致性。具體實現(xiàn)方式是將三維圖層的數(shù)據(jù)訪問與二維圖層的數(shù)據(jù)訪問在關系型數(shù)據(jù)庫中關聯(lián)起來，并將三維地物的名稱設置成二維圖層號中相應的模型名稱。

在表現(xiàn)方面，當用戶在三維GIS場景中漫游時，二維GIS中實時顯示出相應的位置。即當用戶在二維GIS中點擊目標地物時，三維GIS場景中對應的地物高亮顯示;反之，當在三維GIS場景中點擊目標地物時，二維GIS中相應的圖元或模型點高亮顯示。其交互過程如圖3所示。

圖3 交互控制效果圖

2 系統(tǒng)應用實例

2.1 在城市規(guī)劃設計中的應用

從目前實際情況來看，規(guī)劃設計中圖紙上的設計方案一般以二維平面圖為主，三維效果圖很少，缺乏對設計效果的感性表達和綜合管理。如果將規(guī)劃方案可視化，就可以解決此類問題。將三維GIS與規(guī)劃設計相結(jié)合，具有非常重要的現(xiàn)實意義。利用三維GIS創(chuàng)建區(qū)域三維景觀，提供交互式三維視景瀏覽，可方便設計師進行探討和修改，同時也避免了參與者由于專業(yè)知識欠缺，無法形象、直觀地感受和理解規(guī)劃設計效果的問題［5］。

具體實現(xiàn)關鍵步驟如下:

(1)新建點圖層。在ArcMap中新建點圖層，同時定義好空間參考坐標系，將測到的點數(shù)據(jù)存儲在其中。利用基于邊界的Delaunay三角網(wǎng)算法對已知的數(shù)據(jù)點進行了模擬，其效果如圖4所示。

(2)建立三維符號庫。為方便模型的快速存取，需建立專題符號庫。由于ArcGIS中的Arc-Globle已經(jīng)提供了3D basic，3D buildings和3D trees等多種三維符號，其符號設計系統(tǒng)StyleManage具有強大的管理符號庫和創(chuàng)建保存功能。因此，在這里，將擬建好的三維模型庫分類存儲于其中。

(3)模型加載。將DEM表面模型加載到ArcGloble中，同時將步驟(2)中建好的點圖層也加載到ArcGloble中。將屬性設置為附著在DEM表面，確定相應的坐標點，就能將步驟(2)中建好的三維模型添加進來。同時通過旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，將三維模型調(diào)整到合適的位置，如圖4所示。

圖4 房屋實際效果圖

其主要應用表現(xiàn)在將預處理引入到規(guī)劃設計中，在ArcGIS中，通過視域觀察、空間體驗和環(huán)境評價來發(fā)現(xiàn)規(guī)劃設計中的某些不合理之處，以便及時修正［6］。筆者從以下幾個方面綜合考慮規(guī)劃設計是否合理。

三維空間體驗利用模擬的三維景觀，對單個模型和圖紙等難以表達的問題提供具有真實感的三維空間體驗，為規(guī)劃設計組織了區(qū)域空間，也為增強空間效果提供了有力的技術考察手段。規(guī)劃方案優(yōu)化是指在規(guī)劃設計過程中，一般會有多種不同的規(guī)劃設計方案來對未來的區(qū)域景觀形象做規(guī)劃，通過模擬三維景觀，可以實時切換不同的方案，在同一觀察點感受不同的規(guī)劃設計所產(chǎn)生的三維景觀效果，有助于比較不同的區(qū)域規(guī)劃效果，從而確定最優(yōu)規(guī)劃設計方案［7-9］。

2.2 城市洪水淹沒預警

由于該城市位于長江邊，經(jīng)常會面臨洪水經(jīng)過的現(xiàn)象，為了有效地統(tǒng)計出受災面積，將該市的DEM網(wǎng)格進行紋理貼圖后，利用該市水文局提供的相關數(shù)據(jù)，計算出不同水流速度下，同一面積水流淹沒情況，估算出受災面積和范圍，為城市應急處理提供了直觀有效的數(shù)據(jù)，不同流速下的地形淹沒示意圖如圖5所示。

圖5 不同流速下地形淹沒示意圖

3 結(jié)論

筆者從三維模擬的角度對ArcGIS DeskTop桌面產(chǎn)品中的三維模塊進行了研究，將遙感影像引入到三維輔助規(guī)劃設計中，避免了復雜環(huán)境下二維設計圖紙展示的局限性和片面性，提高了設計效果的表現(xiàn)力和真實設計的再現(xiàn)力［10-11］。這一技術將在生態(tài)預警、洪水動態(tài)模擬、城市災害預警等方面發(fā)揮重要作用，具有一定的借鑒意義。

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