三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究

張駿

摘? 要：由于現(xiàn)代城市規(guī)劃中存在的一些問題，該文將提供實現(xiàn)城市三維空間信息可視化的重要性和方法以及應(yīng)用前景，三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究旨在研究如何利用現(xiàn)實環(huán)境重建現(xiàn)實建筑模型和城市景觀，并對其進行改造，以實現(xiàn)城市智能化的規(guī)劃和可視化的愿景。

關(guān)鍵詞：三維可視;地理信息系統(tǒng);城市規(guī)劃

中圖分類號：P208? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

三維可視化地理信息系統(tǒng)是近年來對城市的規(guī)劃發(fā)展比較重要的一種地理信息技術(shù)。系統(tǒng)以數(shù)字正射影像學、數(shù)字高程模型、在線數(shù)字繪圖和數(shù)字柵格圖等技術(shù)手段為基礎(chǔ)，將虛擬現(xiàn)實作為一個復(fù)雜的處理對象進行管理的地理信息系統(tǒng)，通常分為2個部分，三維視覺信息系統(tǒng)與圖形編輯系統(tǒng)一樣，通常情況下，二維圖形數(shù)據(jù)在圖形編輯后，可以進行編輯和格式化。三維可視化地理信息系統(tǒng)是一個可以用來重建和管理查詢和分析、確定屬性并進行各種可視化和圖形輸出的三維系統(tǒng)。它的初始基礎(chǔ)是平面的二維數(shù)據(jù)，而其中通常包含三維系統(tǒng)中通常的二維數(shù)據(jù)。系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)目標就是將數(shù)據(jù)模型擴展到三維空間，不僅可以實現(xiàn)二維數(shù)據(jù)的可視化，還可以為用戶提供強大的交互界面;注重空間設(shè)計和生態(tài)設(shè)計，可以直接影響建筑與建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系。

1 城市規(guī)劃的重要性

城市是擁有巨大物質(zhì)財富和精神財富的地方，是時代在不斷前進發(fā)展而產(chǎn)生出來的承載體，但是城市的發(fā)展具有很大的不確定性，另一方面，居住在城市中的人們并非無力控制城市的發(fā)展，想要城市合理有序的發(fā)展重要的是人民群眾對城市發(fā)展進程的調(diào)控，對城市發(fā)展的手段之一就是城市規(guī)劃。城市規(guī)劃作為城市社會經(jīng)濟發(fā)展的重要手段之一，直接關(guān)系到城市的社會、經(jīng)濟、政治和制度運行。城市的構(gòu)成越來越復(fù)雜，必須在其邊界內(nèi)生存、發(fā)展和發(fā)揮作用。在城市發(fā)展的過程中，影響城市發(fā)展的因素越來越多，城市的構(gòu)成也越來越復(fù)雜，綜合協(xié)調(diào)需要在城市規(guī)劃中進行管理和控制[1]。

隨著現(xiàn)代城市規(guī)劃的出現(xiàn)和發(fā)展，城市變得越來越復(fù)雜，城市問題的規(guī)模和深度是對人類社會的重大挑戰(zhàn)。這是一個前所未有的事實。城市規(guī)劃這門學科正在向多學科發(fā)展，規(guī)劃的內(nèi)容不僅要解決環(huán)境、城市景觀、交通等問題，還要解決城市環(huán)境問題，城市發(fā)展、城市規(guī)劃和土地利用都發(fā)生了一些變化，分工協(xié)作已成為營造城市環(huán)境的全球性難題?，F(xiàn)代城市高樓林立，現(xiàn)代化的車輛川流不息，人口密集，居住區(qū)荒蕪。這一時期，許多城市規(guī)劃實踐得以實施，人文主義成為設(shè)計的主流思想。

如今，城市規(guī)劃已成為政府對城市國土空間資源進行宏觀調(diào)控的重要手段。此外，城市規(guī)劃還促進了城市經(jīng)濟社會發(fā)展、土地利用、空間布局和建設(shè)的綜合利用[1]。在一定時期內(nèi)，城市經(jīng)濟社會的健康發(fā)展，保證了城市土地的合理有效利用，提高了人們的生產(chǎn)和社會福利，不斷促進城市可持續(xù)發(fā)展。

2 三維可視地理信息系統(tǒng)

2.1 地理信息系統(tǒng)

在城市規(guī)劃中新興的技術(shù)——地理信息系統(tǒng)（GIS）是集計算機科學、信息科學、測繪科學、地球科學、空間科學、信息技術(shù)于一體的系統(tǒng)。它是構(gòu)成“數(shù)字地球”的重要技術(shù)組成部分，也是當今科技發(fā)展的重要組成部分。

地理信息系統(tǒng)是一個由計算機硬件、軟件和各種計算機算法組成的支持空間數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)[2]。地理信息系統(tǒng)是一門研究空間數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，它包含了地理信息系統(tǒng)的基本理論、地理信息系統(tǒng)技術(shù)系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)的管理、經(jīng)營、分析、建模和顯示功能，可以解決復(fù)雜的規(guī)劃和管理問題。地理信息系統(tǒng)的研究對象是地理數(shù)據(jù)，包括地理信息系統(tǒng)的基本理論、地理信息系統(tǒng)技術(shù)體系和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，地理信息系統(tǒng)應(yīng)用的3個方面是相互聯(lián)系、相互促進的。

測繪、制圖和地理是地理信息系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，地圖和遙感影像是地理信息系統(tǒng)的主要數(shù)據(jù)來源。計算機科學為建立地理信息系統(tǒng)提供了技術(shù)手段，開發(fā)了地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息空間信息技術(shù)，包括數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、可視化技術(shù)、空間分析技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

2.2 三維可視地理信息系統(tǒng)的發(fā)展

2.2.1 三維地理信息系統(tǒng)的內(nèi)涵

隨著信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和新技術(shù)的出現(xiàn)，城市規(guī)劃將利用新的手段，通過新的途徑來提高生活質(zhì)量。地理信息系統(tǒng)從二維發(fā)展到三維，是從20世紀70年代初開始不斷發(fā)展逐漸成熟的邊緣技術(shù)手段。二維地理信息系統(tǒng)在整個城市規(guī)劃中起到重要的作用，但是在城市中仍有其局限性，這是因為城市本身是立體的，要處理很多高度的信息，例如地面的高度、建筑物的高度等[2]。為了解決這些問題，近年來，地理信息系統(tǒng)的一個重要領(lǐng)域是研究城市的三維模型。

世界是一個三維空間，而傳統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)是基于二維空間，二維的地理信息系統(tǒng)雖然考慮了三維世界的表面可視化，但是對物體的內(nèi)部屬性卻沒有做任何處理[2]。一個真正的三維地理信息系統(tǒng)不僅要考慮到三維對象的表面信息，還要建立這些對象內(nèi)部的拓撲關(guān)系，三維空間表示不僅考慮到了高度，還考慮到了將幾個觀測值（x，y，z）放在一個空間中。從整體結(jié)構(gòu)上看，這種處理方式是對人類狀況的反應(yīng)，更接近我們的生活空間。

2.2.2 三維地理信息系統(tǒng)的特點

地理信息系統(tǒng)主要是對地球表面的數(shù)據(jù)進行處理，因此被稱為二維地理信息系統(tǒng)。二維系統(tǒng)可以表示為V=F（X，Y），其中（X，Y）為二維平面的坐標，V為點對應(yīng)的屬性值。對于真正的三維數(shù)據(jù)模型可以用表達式V=F（X，Y，Z）來描述，其中Z為自變量，不受變化X，Y的影響，即（X，Y，Z）是三維空間中的連續(xù)變化。三維數(shù)據(jù)模型可以有效地表示各種關(guān)系和地上、地下的信息。

三維地理信息系統(tǒng)不僅可以表達三維的地理對象，還可以表達一維與二維的空間位置，除此之外，此系統(tǒng)的可視化操作是基于二維到三維之間的空間來展開的。

3 三維可視地理信息系統(tǒng)與城市規(guī)劃

3.1 三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的數(shù)據(jù)來源

城市的數(shù)據(jù)源有很多，不同的數(shù)據(jù)源決定了城市建設(shè)數(shù)據(jù)的內(nèi)容、格式、準確性和采集方式。不同方法的三維模型有不同的作用。這些數(shù)據(jù)來源包括以下3個方面。

3.1.1 施工圖和設(shè)計文件

這些基礎(chǔ)參考資料包括建筑物各部分的詳細信息，也可以作為三維幾何建模的基礎(chǔ)。要將一個三維模型放置在一個地理參考框架中，必須對大量數(shù)據(jù)進行解釋和手動輸入，因此這種方法只適用于少量建筑物的建模[3]。

3.1.2 數(shù)字城市地圖和二維地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

這些數(shù)據(jù)源不僅包括三維建模所需的幾何信息，例如地理對象的位置、創(chuàng)建DEM所需的數(shù)據(jù)位置，等高線或高程點、建筑物的屋面形狀、屋面邊緣和基礎(chǔ)面積、屋面坡度、屋面邊緣和屋面高度。而且，它還具有豐富的屬性信息，例如建筑用途、建筑高度和層數(shù)等，建筑物的年齡、名稱、結(jié)構(gòu)和屬性等?，F(xiàn)有的模擬系統(tǒng)可以城市地圖轉(zhuǎn)換為數(shù)字地圖，數(shù)據(jù)可以存儲在二維地理信息系統(tǒng)中，但是目前這種數(shù)據(jù)源缺少建筑物垂直面的幾何和紋理信息。

3.1.3 衛(wèi)星遙感

當前，衛(wèi)星遙感已進入高分辨率、高精度、多光譜技術(shù)和低成本的時代。通過高分辨率遙感影像，可以清晰地看到土地的環(huán)境、社會、經(jīng)濟等情況，可以更清晰地了解地面情況[3]。城市的三維模型其高精度的特點使其達到了以前只有航拍才能達到的精度。高時間分辨率意味著可以在短時間內(nèi)反復(fù)采集同一區(qū)域的圖像，保證了數(shù)據(jù)采集的動態(tài)性、及時性和時效性;低廉的成本使得用戶可以負擔得起，也可以使用。

3.2 三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的技術(shù)特點

三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的優(yōu)點包括逼真度高，容易與相應(yīng)的空間屬性信息相關(guān)聯(lián)，還可以將模型的空間屬性與模型的圖形屬性相關(guān)聯(lián)，3DUGIS中的拓撲關(guān)系很容易建立，缺點是現(xiàn)代計算機的計算能力有限，除了要求實時渲染外，很難獲得真實的物體，這也是基于圖像進行三維建模的初衷。

三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的圖像繪制不取決于場景的復(fù)雜程度，僅指生成圖像的分辨率;預(yù)錄圖像（或環(huán)境貼圖）既可以使用計算機圖像，也可以使用真實圖像，兩者可以混合使用。映射技術(shù)不需要大量的計算，可以在通常的工作站和微機上實時顯示復(fù)雜的場景[4]。但是基于圖像的建模方法存在交互性不強、真實性不高與3DUGIS數(shù)據(jù)庫連接困難等問題。

4 三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用

城市規(guī)劃在城市發(fā)展中起著至關(guān)重要的作用，因為它關(guān)系到城市發(fā)展戰(zhàn)略、城市區(qū)域功能和人力資源的作用。它與熱門生活的環(huán)境環(huán)境息息相關(guān)，對人們的學習、生活和工作方式有重大影響。城市交通與道路設(shè)計、景觀設(shè)計、建筑造型、商業(yè)網(wǎng)點規(guī)劃不僅是城市的重要內(nèi)容，這也決定了城市居民的生活方式和生活質(zhì)量，因此將三維技術(shù)引入規(guī)劃管理是提高規(guī)劃管理水平的重要方向[4]。在城市規(guī)劃部門，很多地方仍然采用手繪和模型進行設(shè)計和展示，但是效率低下的展示方法不利于城市規(guī)劃的有效開展，因此希望城市部門能輕松認識到建筑的規(guī)模、外觀和環(huán)境的和諧，以便創(chuàng)造或改變規(guī)劃，這些要求不能用傳統(tǒng)的方式來執(zhí)行，而應(yīng)該用三維的方式進行有效的可視化。

為了實現(xiàn)三維可視化，必須落實以下內(nèi)容，以支持城市規(guī)劃和管理目標。1）建立城市基本地形的三維模型。2）創(chuàng)建城市現(xiàn)狀立體模型，包括創(chuàng)建建筑現(xiàn)狀立體模型;創(chuàng)建綠地現(xiàn)狀立體模型;創(chuàng)建住區(qū)、雕塑等現(xiàn)狀立體模型。3）建立城市規(guī)劃的三維模型。

通過利用技術(shù)構(gòu)建三維可視地理信息系統(tǒng)城市景觀，可以在計算機上建立一個虛擬的城市環(huán)境，通過動態(tài)的交互方式對城市景觀進行全方位的可視化評價。

參考文獻

[1]欒大軍，郭強.探討三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用[J].科學技術(shù)創(chuàng)新，2019（16）：85-86.

[2]晏偉.三維可視地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用研究[J].城市建設(shè)理論研究（電子版），2018（1）：15.

[3]欒旭，崔磊，王寧.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].信息化建設(shè)，2016（5）：238.

[4]李宏斌.城市三維基礎(chǔ)地理信息系統(tǒng)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用探析[J].技術(shù)與市場，2015，22（8）：242.