三维城市

三维城市（共12篇）

三维城市 篇1

城市是地表上人居环境相对集中的地区,也是人们生产、生活所必需的活动空间,城市的空间信息大多数是三维数据源,要处理城市三维数据,就要求建立合适的三维城市模型,它不但要建立起三维数据的可视化模型,还要能对这些数据进行操作。

数字城市中涉及到多种地物模型,如建筑物、地下管线等,而地形模型是其中必不可少的一种特殊模型类别。三维GIS中的建筑物模型必须以地形模型为载体,从而能够确定它们在空间坐标系中的具体位置。要建立一个三维可视化平台,三维建筑物模型的建立是非常重要的,而城市地形模型则是这些工作的基础。

1 地形模型的构造原理

1.1 TIN构建方法

在数字地形建模中,不规则三角网(Triangulated Irregular Network,TIN)通过从离散的不规则分布的数据点生成连续的三角面来模拟地形表面。TIN模型的特点在于它能以不同层次的分辨率来描述地形表面。与GRID数据模型相比,TIN模型在某一特定分辨率下能用更少的空间和时间更精确地表示更加复杂的表面,还可以克服GRID模型在地形起伏不大的地区所产生的数据冗余问题。当地形中包含有大量特征如断裂线、构造线时,TIN模型能更好地顾及这些特征从而可以更精确、合理地表达地表形态。

1.2 GRID构建方法

规则格网DEM是利用一系列在X,Y方向上都是等间隔排列的地形点的高程Z来表示地形,形成一个矩形格网DEM。其中任意点Pij的平面坐标可根据该点在DEM中的行列号I,J及存放在该DEM头部文件的基本信息推算出来。这些基本信息文件应包括DEM起始点坐标X0,Y0,DEM格网在X方向与Y方向的间隔Dx,Dy及DEM的行列数M,N等。点Pij的平面坐标(X,Y)为:

X=X0+J×Dx,Y=Y0+I×Dy。

1.3 TIN与GRID的比较

在现有的地理信息系统中,TIN和GRID都被广泛的用来表示数字地形模型表面的数据结构。对于TIN模型最主要的优点在于:TIN能够充分地表达地形的结构特征,具有可变的分辨率,即当地形表面粗糙或变化剧烈时,TIN能包含大量的数据点,而当地形表面相对平缓时,TIN只需要最少的数据点。此外,TIN还具有考虑重要表面数据点的能力,便于表达断裂线、构造线等地形特征。TIN的缺点也很明显,主要表现在数据存储与操作复杂、存储空间较大。GRID的优点主要在于:数据结构简单、易于构网、数据存储量小、可以方便有效地进行各种分析与计算、建模方法直接等。它的缺点是存储数据冗余,在地势起伏不大的地区数据冗余量较大。

2 建筑物模型的建立

几何模型就是指城市建筑物的形状和外表。建筑物根据几何形状可以分为规则建筑物和不规则建筑物。其中,不规则建筑物主要是指那些具有保存价值的古建筑和由曲面造型所设计的现代建筑。至于不规则的建筑物,可以用数字表面模型(DSM)来表达,TIN是目前表达DSM的最佳方法,因此可以定义TIN面片来表达不规则的面对象。文中以单体建筑物几何模型为例,利用CSG/B-rep混合技术对单体建筑物进行三维建模的研究。

2.1 单体建筑物的CSG/B-rep建模

要对城市单体建筑物进行三维建模,这就要求知道组成单体建筑物的基本CSG体元。所以,对单体建筑物进行三维建模时,首要的问题是抽象出单体建筑物的几何形体模型,然后是按照一定规则对单体建筑物进行分解,其目的就是要通过单体建筑物分解获得简单、基本的建筑CSG体元。因此,建立合适的分解规则是非常重要的。这里可以采用几点规则:基于建筑构件的分解;基于各种特殊轮廓的分解;基于自身外部形状的分解。利用得到的建筑物CSG体元,通过实体间的正则布尔运算和空间变换,就可以获得建筑物的实体模型。B-rep法在图形处理上有明显的优点,因为这种方法与工程图的表示相近,根据B-rep数据可迅速转换为线框模型,尤其在曲面造型领域,便于计算机处理、交互设计与修改。此外,B-rep多面体系统在生成浓淡图时也有特点。CSG和B-rep表示法各有所长,许多系统采用两者综合的表示方法进行实体造型。现在许多CAD/CAM系统均已采用CSG模型系统为外部模型,而用B-rep模型作为系统的内部数据。为了发挥CSG和B-rep的长处,同时保留CSG和B-rep模型的数据是十分必要的,CSG加上B-rep一起可以作为整个几何数据模型。这样,当面临一个复杂的问题时,各应用程序可并行进行,时间和空间效率都可以提高。同时,CSG信息和B-rep信息可以相互补充,确保几何模型信息的完整与精确。

2.2 单体建筑物模型的CSG/B-rep混合表达

城市单体建筑物大都具有楼层,对楼层进行表示是必然的。单体建筑物三维建模的CSG和B-rep表达,而其中的“体”可以进一步进行分层描述,这就是单体建筑物模型的分层组合表达。根据建筑物CSG分层组合与B-rep混合表达的总体思路,具体建筑物建模思路如图1所示。

3 植物模型的建立

植物无疑是自然场景的重要构成因素,植物种类繁多,形态各异,复杂的结构使其无论在造型、存储还是在绘制上都存在相当的困难。植物的研究主要集中在造型上,常见的几种植物建模方法有系统模拟法、IFS法、基于表面剖分法、贴图法等。

4 道路模型的建立

道路模型可以用紧贴地表和高出于地表两种方式来建立,视其宽度、等级及有关具体情况来确定。级别低的,如乡村路、小路等,可以让其紧贴地表,而高速公路、国道及其他高等级公路可以让它高出地表一定的距离,使之尽可能地接近真实情况。

5 结语

在综合分析、对比不同三维数据模型的优缺点及其适用范围的基础上,文中通过试验表明,不同模型的适应性各不相同,要根据应用环境和用户的需要,从现存的各类独立、分散的三维GIS系统出发,从效果、效率和经济的最佳化考虑,城市三维景观建模中的三维空间数据模型应是各类模型的集成和综合。

摘要：概述了建立三维城市模型的重要性,介绍了不同三维数据模型的特点,研究了城市建筑物模型的建立方法,表明了三维可视化技术的优越性,指出三维GIS使城市规划、基础设施设计更加科学化,对于城市可持续发展研究具有重要意义。

关键词：数据模型,建筑物,混合模型

参考文献

[1]李德仁,刘强,朱庆.数码城市GIS中建筑物室外与室内三维一体化表示与漫游[J].武汉大学学报(信息科学版),2003,28(3):31-32.

[2]李金山,张建民,赵欢.高逼真度三维地理信息系统的研究[J].计算机仿真,2005,22(4):280-282.

[3]田智慧,武舫.基于DEM的三维地图研究[J].安徽师范大学学报(自然科学版),2005(3):44-45.

[4]岳朝瑞.基于OpenGL的城市三维模型可视化研究[J].山西建筑,2007,33(1):358-359.

三维城市 篇2

利用二维平面地图来表示多维世界,是人类认识世界改造世界发展史上产生的一次伟大的飞跃.现阶段二维地理信息系统和三维虚拟现实系统各自具有优缺点,将二者结合解决各自的不足之处,即可实现二维地理信息系统的宏观性、整体性和三维虚拟场景系统的现实性、直观性等的`优势互补,克服二维地理信息系统的符号抽象性和三维虚拟现实漫游时的“迷失”.在北京经济技术开发区的城市三维信息系统建设中有效实现了二者的集成与应用.

作 者：刘东琴 徐文中 林宗坚 LIU Dong-qin XU Wen-zhong Lin Zong-jian 作者单位：刘东琴,LIU Dong-qin(中国测绘科学研究院,北京,100039;山东科技大学,山东青岛,266500)

徐文中,XU Wen-zhong(北京苍穹数码测绘有限公司,北京,100044)

林宗坚,Lin Zong-jian(中国测绘科学研究院,北京,100039)

数字城市三维建模关键技术研究 篇3

关键词：数字城市；三维建模；关键技术；探讨

从专业角度分析，“数字城市”是“数字地球”概念的一种延伸和拓展，两者之间的差异主要表现在理解深度以及切入角度的不同，对于现阶段而言，理论上对“数字城市”并没有形成一个严格的定义，且研究过程中还存在着一定的分歧，但是随着研究的不断深入，有关“数字城市”的内容将会更加的丰富，研究也会越来越规范，其建设也会逐渐进入到正轨。

一、简述数字城市三维建模的主要内容

对于现阶段而言，建筑物的三维建模流程如下1所示。从理论上分析，所谓的三维空间数据其实质上就是对空间定位数据进行采集，同时它也是对三维模型进行建立以及编辑的主要依据，通过对三维几何模型的分析可以有效的提取有关空间的紋理数据以及相关的属性数据，也在一定程度上提高了对数字城市建设中GIS系统的应用性能。

1.1三维建模数据的获取。在进行三维建模的过程中，主要的工作内容就是对与建模有关的数据进行收集。数字城市建设过程中涉及到诸多的数据源，其中主要包括建筑物设计图纸以及与其相关的文档资料、城市的数字地图以及2DGIS数据库、摄影测量数据以及遥感数据等多方面的数据内容，但是就目前实际应用情况分析，数字城市三维建模使用到的数据为二维图形、地形数据、地标图像以及三维观测数据等。

1.2建模方式。对于现阶段而言，数字城市三维建模中建立模式方式多种多样，其主要有以下几种。首先CAD软件建模。A u to CAD软件在三维建模中具有十分重要的应用意义，这是因为该软件的二维图形绘制以及编辑功能比较完善，因此在目前二维图形绘制过程中CAD软件的应用作为广泛，但是其应用在三维建模中存在着一定的局限性，如渲染处理能力差等，因此该软件一般应用于较为简单的三维建模中。其次动画软件建模。一般情况下动画软件建模中使用较多是3DMAX等，该类型的软件在实际的应用过程中保证了模型的精确度，且其建模工具较多，这就为复杂三维建模的进行提供了一定的基础，但是由于其本身数据结构复杂，且数据量大，因此在地形叠加应用中受到了一定的限制。最后专业建模软件。常用的专业建模软件有M u tiG enC re a tor，该软件在实际的应用过程中其较为完善的功能最大限度的保证了大面积地形建筑建模任务的完成，同时该软件的模型数据的结构并不复杂.且在运行过程中还可以进行交互操作，实现了与影像、相关矢量数据等叠加处理。

二、探讨三维建模技术在数字城市建设中的应用

通过以上分析介绍可知，传统二维建模技术的应用在数字城市建设过程中受到了一定的限制，而三维建模技术由于其对三维空间表达的更为形象和直观，因而在数字城市建设中受到了广泛的应用，但是由我国对该技术的应用时间尚短，有些方面发展的还不成熟，因此应当加大重视研究力度，而接下来本文将以“skyline“中三维建模为主要研究对象，对3DMAX软件在对建筑物进行三维建模过程中的应用向详细分析。

2.1地形建模。一般情况下，在进行地形建模的过程中主要是通过利用某地DEM数据以及相应的遥感图像来构成三维地形显示图像的。首先在建模初期应当对DWG地形地图进行一定的处理，将不必要的图层删除，最终地形图中主要的内容有建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层，并对其中高等线图层进行提取以作进一步处理。其次将提取到的等高线图层数据做内插处理，为形成地形DEM提供基础条件。在制作地形DEM时可以全程都在A u to CAD和A rc GIS中完成。最后还应当对快鸟影像进行纠正以及投影变换处理，同时利用Photoshop软件对地形图进行适当的调色处理，直至符合相关的标准要求，通过以上流程“数字城市“的地形纹理就形成了，这同时也是数字城市三维建模的基础。

2.2建筑物建模。在对建筑物进行建模过程中，为了最大限度的提高建模效率，一般情况下会根据建筑物类型的不同做不同的建模处理，例如简单的纹理体块代表城市内部建筑，简单纹理体块叠加照片纹理代表沿街主要建筑，而对于一些数据结构较为复杂的代表性建筑可以通过利用3D AMAX软件进行处理，这样将会极大地提高体块了结构精细度。总的来说，通过对不同类型建筑进行不同建模可以极大地提高建模周期，对城市三维空间的显示等具有十分重要的意义。首先，对于普通建筑建模而言，将已经生成的地形数据集合在Te rraE xplo re rP ro软件运行之前导进建筑物矢量数据中，并根据高度的不同进行拉伸处理，以得到不同类型建筑物体块，但是在实际的处理过程中由于数据源本身存在着一定的时间差，因此部分建筑物与遥感图像中显示建筑物并不匹配，这时就必须利用Te rraE xp to te rp ro软件的3D-u ild ing功能，对建筑物不合理位置处进行三维建模，直至建筑物体块与遥感图像相匹配为止。其次纹理映射。对于建筑物而言，其纹理主要包括两方面的内容，即侧面和顶面。对于侧面纹理来说，利用Pho to shop软件对在试验区所拍摄的近景数码相片进行处理，例如裁剪、拼接、变化以及拉伸等多种基本操作处理，同时为了进一步减少数据量，最终相片的保存格式应当设置为JPG，另外为了提高相片的清晰度，分辨率应当设置为2的幂次方。而建筑物顶面纹理主要是在遥感图像中采集的，因此在对纹理图片进行一定的处理之后，还应当选取建筑对立面，进行纹理映射，以进一步提高数字城市三维空间表达的形象感和真实感。

结论：综上所述，对于现阶段而言，数字城市建设过程中应当对数据获取、三维建模以及模型的发布机和应用等三方面引起高度的重视，这样以来一方面可以最大限度的保障数字城市建设工作的完成，另一方面也可以满足当下社会发展的需求，形成双赢的局面，同时也在一定程度上推进了我国现代化城市建设的进程。

三维城市 篇4

近年来,人们也提出了一些三维城市模型,但这些模型大多是纯几何模型,而忽略了语义和拓扑层面,基本上只能用于可视化目的,对专题查询、分析或空间数据挖掘等支持很差,可重用性有限。因此有必要采用泛化建模方法,以满足不同应用场合的信息需求。CityGML由德国北莱茵河-威斯特伐利亚地区空间数据基础设施三维特别兴趣小组于2002年开始研发,致力于描述三维城市对象的共同语义信息,以期能成为三维城市模型数据交换格式标准。而三维城市模型标准化的研究,尚未引起国内学者的注意。

1 CityGML基本概念

1.1 细节层次模型(LO D)

Clark于1976年最初提出了细节层次模型的概念。根据处理分析和展示多源数据的需要,CityGML把描述三维城市对象的精细程度分为5个细节层次。LOD0实质上就是2.5维的DTM数据,可以在其上叠加航空影像或者2维地图。LOD1用块状表示建筑物,屋顶、纹理数据、植被对象在LOD2层次描述。LOD3层次描述建筑物的结构,包括墙、屋顶结构、阳台等,可以把高分辨率的纹理叠加到这些结构面上。此外,交通对象、植被对象在这一层次做了更精细地描述。LOD4层次主要对房间的内部结构、门、窗、楼梯、家具等对象进行建模。

不同细节层次,点位的定位精度要求是不一样的,如LOD1下定位精度要求为5 m,而在LOD4下要求为0.2 m甚至更小。因此可以通过LOD级别来评价三维城市数据集的质量。

由此可见,用户可根据应用需求,采用不同的层次建模。在一个CityGML数据集中,同一对象可以在不同细节层次上表示,而同一个对象的不同细节层次的数据也可以分别放在两个数据集中。细节层次模型既便于三维对象可视化展示,也便于多源数据的集成。

1.2 几何拓扑建模

如果既要维护空间完整性又要避免对象的几何描述数据的冗余,几何拓扑模型是比不可少的。ISO19107标准已建立表达空间对象的几何属性与拓扑关系的概念。然而该标准提供了大量的建模选择,如果建模目的仅局限于某一方面,该标准显得太过复杂。因此基于ISO19107,CityGML采用更为紧凑易用的模型。

CityGML用边界表达方法对专题对象的空间属性进行几何拓扑建模,即0～3维基本几何元素分别为点、边、面、立体等。边、面、立体等基元可以相应地聚合成为弧聚合体、面聚合体、立体聚合体。CityGML要求点、边、面、立体基元及聚合体必须满足一些完整性约束,确保模型的一致性。如几何基元内部元素必须是相离的,如果两个元素有公共边界,则该边界必须是低一维的几何基元。这些约束条件消除数据冗余,并确保拓扑关系清晰性,如任两个立体基元之间是相离的,它们的体积即为两者体积之和,反之若允许两个立体基元有交叉的话,计算它们的体积将麻烦得多。

1.3 几何语义建模

CityGML实现了对空间对象的几何拓扑属性和语义进行一致性建模。在语义特征方面,CityGML通过专题模型描述现实对象(如建筑物)及其属性、层次关系等。在空间特征方面,现实对象的空间属性即为几何拓扑对象。CityGML模型涵盖语义和几何拓扑两个层次体系,其优点是便于分别在各自层次体系中遍历,或在它们之间相互遍历。

1.4 闭合面和地下对象

在三维建模时,隧道、地下人行通道等地下对象,其建模方法有别于一般的地表面对象。首先不易确定其几何体类型。地上对象可直观地使用一个闭合几何体表达其形状,但对地下对象,却需要形象描述其中空部分所处的空间。ISO19107标准用外壳表达这样的中空部分。然而,既然这个外壳是闭合的,即不应存在从其内部连接到外部的通道,但这和人造地下构筑物的概念不相符合。因此,必须使模型能够较好的表达地下构筑物的入口。

另一个问题是地下对象和DTM的无缝集成。其一是在DTM中产生孔洞描述入口,然而DTM要描述地表面,要求不应存在孔洞。

当DTM和地下对象集成时,确保它们在入口处无缝接合,可用受约束三角网来实现,即把地下对象和地表相交形成的边,当作DTM的边,相交面为两者所共有。CityGML引进了“闭合面”(ClosureSurface)这个概念,对于没有闭合的对象,用虚拟的“闭合面”缝合,如这里提到的相交面。当计算体积时,把地下对象当作闭合实体来看待,当进行可视化时,把相交面设为不可见。

1.5 三维模型的简化

CityGML支持对现实对象精细化描述,但并不意味着在建模时一味地盲目追求仿真、模拟原形。对于具有几何不变性、表面材质纹理的相似性及重要的形状和位置特征(朱庆等,2003)的现实对象,如同一种类的树木、路灯、电杆等,CityGML采用几何隐含的建模方法,即建立一个逼真的三维模型(保存到VRML、DXF或X3D文件中)重复使用,三维模型的定位由表达其三维空间地理位置的参考点(referencePoint)和空间姿态参数(一个4维变换矩阵)决定。

2 专题模型

作为一种多功能三维城市数据模型和交换格式,CityGML基于ISO191XX系列标准,用GML3实现了建筑物、DTM、交通、植被、水资源、城市设施、土地利用等三维城市模型。作为示例,本文介绍DTM模型和建筑物模型。

2.1 DTM模型

地形在三维城市建模中重要一部分,CityGML用起伏要素(ReliefFeature)来描述,一个起伏要素对象描述了某一块地域的地形起伏。地形可以表现为规则格网(RasterRelief)、不规则三角形(TINRelief)、断裂线(BreaklineRelief)、质点集(一系列三维点,MassPointRelief)等。断裂线表示地形表面不连续的部分,如山脊、峡谷等,在几何上表现为三维曲线。

在CityGML数据集中,这四种地形表现形式可以灵活组合。首先,每种类型均可在不同LOD中出现,反映不同的精度和分辨率。其次,每块地表可用不同组合方式来描述,如格网和断裂线,或TIN、断裂线的组合。在这种情形下,断裂线和不规则三角网必须缝合。再次,相邻地域的地形可以使用不同的形式表达。为便于不同地域地形的组合,每一起伏要素对象用一个二维(可含“洞”)多边形来指定它的有效范围,这种方法便于对不同精度的地形进行拼合(图1)。

2.2 建筑物模型

建筑物模型是CityGML的核心,用于表达建筑物及组成部分、附属部分的空间和专题特征。图2描述了建筑物模型在LOD4下的类及其关系,图3给出四种细节层次下建筑物的展示效果。AbstractBuilding类是该模型的枢纽,它是CityObject类的子类。AbstractBuilding的派生类有BuildingPart和Building类,即把建筑物的某一部分在建模时把它当作抽象“建筑物对象”。另外,一个Building对象可以是一个复杂建筑物对象(BuildingComplex)的一部分。

建筑物和地形的集成是三维城市建模的一个重要课题,特别是当考虑不同LOD层次的地形数据和建筑物模型数据叠加时。为此引入了建筑物和地表面的“交叉曲线”(TerrainIntersection)这个概念,该曲线描述了建筑物和地表面接合的确切位置,为环绕该建筑物的一个闭环。如果某个建筑物包含院子,则该曲线由两个闭环组成,依次类推。在集成时,把建筑物和地形表面进行拖拽,直至其与交叉曲线缝合,确保纹理的正确定位。因不同LOD层次的数据精度不同,所以在一个建筑物可能在不同的LOD有相应的交叉曲线。

在LOD2层次,已可以清晰分辨建筑物的各个面,如屋顶、墙、地板等。为消除数据冗余,表达它们空间属性的面几何体,同时又为表达整个建筑物的几何立体所引用。建筑物的空缺部分如窗口,用闭合面表达。一个LOD2建筑物的几何形状,可由多个立体聚合体和面聚合体组成。此外,一个LOD2的建筑物还可能包括烟囱、阳台、天线等,用BuildingInstallation表示。CityGML对这类设施的几何形状类型没有作限制,用Object Geometr y类来描述。该类是S o l i d G e o m e t r i e s(立体聚合体)、C u r v e G e o m e t r i e s(弧聚合体)、SurfaceGeometries(面聚合体)等聚合类的父类(图2)。

在LOD3层次下,建筑物的空缺部分用Opening类对象来表达,其派生类包括Door和Window等。Openings类是CityObject类的派生类,意味着可以直接从外部数据集直接引用它的对象实例。

LOD4对LOD3进一步作了补充,添加了对建筑物内部结构的描述,如“房间”为天花板、内墙、地板等面“包”住。多个房间聚合成“房间组合体”(GroupOfRooms),房间之内放置家具(Building_Furnitures)、附属设施等。CityGML区分二者的准则是前者是房间内可移动的部分,而后者是永久性地和房间固定在一起,如楼梯、柱子。在LOD4层次,门在拓扑意义上连接了两个邻接的房间,即表示门的面体在几何意义上是两个房间几何体的边界之一部分(图3)。

3 建模实例

CityGML目前主要在德国的柏林等几个城市得到了应用。柏林市建设了一个虚拟三维城市模型系统,其系统数据库基于CityGML的逻辑结构设计,用于存储和管理三维数据,目前主要有以下类型的数据:(1)地籍数据。(2)航空影像。(3)DTM(数字地型模型),20 m精度部分作为框架数据,高分辨率DTM作为三维城市模型的核心数据,特殊地区用TIN建模。(4)建筑物模型数据,在大约250 km2范围内采用激光扫描或摄像测量方法对建筑物进行三维重建,LOD3、LOD4层次的数据主要通过CAD或3D MAX等工具建模,然后再转换成为CityGML格式。

CityGML开发人员也做了一些应用于灾害管理方面的建模实验,如在洪水淹没仿真时,评估人员可以根据楼层的高度和楼层的地下部分,评估建筑物的受损程度;利用建筑物内部拓扑结构图,求解水、烟气等的通路,用经典的最短路径算法来计算逃生路径等。对于每一个建筑物而言,在三维模型中把它当作一个cityObjectMember看待,它的空间属性可以用不同LOD2层次的数据来描述。

4 结语

CityGML致力于提供三维城市模型数据标准,使人们避免针对不同的应用进行大量的重复建模工作,便于在网络环境下实现三维数据的交换与互操作。CityGML开发小组于2005年向OGC提交了0.3.0版本的讨论稿,今年9月份在其网站上已经发布了0.4.0版本,其专题模型还在完善之中。CityGML被OGC评为GML最佳实践项目,预计将很快成为OGC的一项标准。为使WFS规范支持CityGML,OGC已经开始做了相关的实验。波恩大学制图与地理信息学院向OGC提交了W3DS(Web 3D Service)规范的讨论稿,或许CityGML会像GML一样,成为W3DS服务的传输介质。

在软件支持方面,目前LandXplorer等软件可编辑并对CityGML进行三维可视化展示;英国Snowf lake软件公司的GO Publisher,是一款WFS服务器软件,可以从关系数据库中把三维模型数据直接发布成为CityGML数据。目前一些主流GIS软件已经部分支持GML文件的读取,如ArcGIS9等,可以期待当CityGML成为OGC标准之后,将会得到更多GIS平台软件的支持。

参考文献

[1]李军.三维GIS空间数据模型及可视化技术研究[D].长沙:国防科学技术大学,2000.

三维城市 篇5

城市道路交叉口气流运动的三维数值模拟

采用数值模拟的方法,探究了城市道路交叉口内的气流运动规律.基于德国汉堡大学风洞试验中的.交叉口物理模型,采用耦合湍流模型的N-S方程,数值求解了交叉口处的三维气流场.数值模拟结果与风洞实验结果基本符合,达到了相互印证的效果.数值模拟结果表明:对于有纵向偏移(偏移量等于建筑物高度)的道路交叉口,在与来流风向垂直的纵向街道的水平面上形成三个旋涡;在远离交叉口中心并与来流风向垂直的交叉口街道峡谷内垂直面上形成一个顺时针旋涡;由于存在建筑物偏移,交叉口处的空气交换表现为来流从左方和上方街道导入,而从右方和下方街道导出,该空气交换特征与对称交叉口的空气交换规律截然不同.

作 者：黄远东 曾宁斌 孙亚男 胡晓南 作者单位：上海理工大学,环境与建筑学院,上海,93刊 名：宜春学院学报英文刊名：JOURNAL OF YICHUN COLLEGE年，卷(期)：31(6)分类号：X169关键词：城市交叉口 气流运动 数值模拟 湍流模型

三维城市 篇6

关键词：地下管网;三维;建模;Sweep;Mesh;效果

1 引言

城市地下管网由给水、排水、燃气、热力、电力、电信管网等组成，各类管网纵横交错地分布在城市地下空间，构成了复杂的地下管网空间体系。随着信息社会的飞速发展，清楚的了解掌控城市地下管网情况，可为城市的有效规划、系统性建设和高效管理提供有力的决策支持。而传统二维地下管网管理信息系统有着空间表现能力差[1]、空间查询分析功能缺乏、交互性差等局限性，因此城市地下管网三维信息系统是管网系统发展的一个新方向。下面就城市地下管网三维精细化建模与实现进行探讨。

2 管网三维数据处理与存储设计

2.1 数据处理

要建立管网的三维系统，那么必须以规范准确的信息数据为参照，所以在对管网进行建模前就要根据这些数据理清管网和建筑相互之间的关系，此外还包括规范性的参数、拓扑等，其主要的检查内容在下表中表示。

表1  检查内容

进入数据库的数据必须通过严格的检查和处理，并符合相关要求，才能形成动态管网模式下的数据源。

2.2 存储并设计三维数据

在三维管网存储数据的功能中包含了管网的容器和节点，而在每一个要素中又包括管网线表以及管网点表，在表中会对附属物等各种信息进行详细的记录，而在线表中则会记录容器以及线的相关内容。这种数据库是通过Oracle10g+ArcSDE方法来达到存储数据与非数据的目的，存储数据的相关情况见下表。

表2 字段管点层

以上数据在表格中列出，此外包括的数据还有图片的存储以及相关演示文档的应用，可以有效增加动画视觉上的效果。

3 精细化建模研究

在对管网进行建模时不但要对固态的模型进行充分的考虑，还要对动态模型进行考虑，这就是与其他的三维系统区别最大的地方。固态建模也就是通过3DMax以1：1的比例做的模型，包括电杆或是阀门等，动态的则表示随属性比较大并且根据管点尺寸大小如弯头、三通等。本文主要是对动态的模型所需要的建模方式以及相关技术进行探讨。

3.1 Sweep+Mesh方法

很多的管网体都输于比较规则的圆筒，可以将管网那个看作是连接直管以及直管之间的两部分构成，它们的几何属性可以通过长度、位置等方面的参数进行准确的计算和测量。而三维建模可以采用重建的形式进行，其中出现的问题则是通过管网的中心线相关的坐标情况如何对其表面顶端的坐标进行准确的计算，这个问题的难度在其表面具有转折处，要充分对其进行考虑。通过Sweep+Mesh可以对其表面的转折处做有效的拼接，也就是把管网当作是连续画面，连接中心線并在段点上建立坐标从而对相应的表面定点坐标进行计算，于是形成了连续性比较强的网格。

Sweep则是在计算机绘图中比较常用的一种手段，通过这种手段建模的方式首先就要确定截面与轨迹线，随后根据轨迹线的情况对截面进行扫描，逐渐形成模型。用户可以根据自己的意愿指定截面以及轨迹线的形状，所以采用这种造型的方式具有很高的灵活性。它是面、点和边的集合，其定义包括了多面体，也就是包括四边形片或是三角形片的各种多边形片组成，同时它还是一种较好的表达方式，采用各种多边形面片对曲表面进行表达，随即生成Sweeo模型，并由截面在轨迹线的运动过程计算出定点的具体坐标，具体情况由下图所示。

图1  造型方法探讨

工作流程的具体情况：

1）在管网的轨迹线的位置进行处理。

2）轨迹线位置上建立坐标，为了保证其连续性框架的实现，可以采用倒圆角或是分段处理的形式对管网进行处理，同时生成坐标的框架，保证表面得以连续，具体情况见下表2。

3）分布在截线的坐标要进行准确的计算。

4）网格的建立。

5）渲染以后生成三维管网。

图2  轨迹线的处理

3.2 模型工艺创建的流程分析

在对三维系统进行创建的过程中需要面对的一个难题就是海量模型相关的数据加载，为了保证系统得到充分并且流畅的应用，必须通过预集中生成的形式并展示后流媒体的方式对这个问题进行有效的解决。以下就针对这种解决方式进行深入的探讨，具体情况如下图3所示。

在对模型最原始的相关数据进行有效的检查并已符合规范以后，这些数据才能在拓扑关系中进行处理，经过加工后从而在三维模型中形成有效利用数据。通常情况下，管网的完整模型工艺流程要通过5个形式才能实现，包括管点的生成、模型的构建、数据的发布、数据的搜索与生成以及数据发布与入库。这需要一个完整的处理流程才能得到有效数据加以使用，具体的数据包括以下三类。

图3  创建数据的工艺流程情况

1）数据在浏览以后显示在管网三维中;

2）数据被搜索出来以后，可以通过查询等各种形式互查。

4 实现的效果

由上述的剖析可知，通过检查数据可以满足二维管网的需要，通过制作3DMax则可以实现三维固态的模型，此外将三维动态模型算法以及预集中数据进行有效的创建与整合，能够形成一个有效的管网数据库。下面的三个图示则是代表系统管点以及管段创建出来的模型效果。

图4  管网生成的动态情况

图5  大小不同的动态模型

图6  井内相关设施情况

5 结束语

由上述情况可知，地下管网如今已成为了城市生存与发展的重要物质基础，其追求精细的建模必须引起人们足够的重视。大量的历史经验和实践证明，采用地下管网精细化的三维建模方式是具有可靠性的，能够为人们展示更多的空间特性，使内部表达更加准确，全面地展现模型的内部信息。

参考文献：

[1]扈震;徐狮.地下管网设施三维精细化模拟技术研究[J].中国给水排水，2012（17）.

数字城市三维建模关键技术研究 篇7

三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。

三维地理信息系统的建立, 可以和现有的二维地籍数据、规划数据、土地利用数据等结合, 分别形成三维地籍系统、三维规划系统、三维土地利用系统等。这些三维系统具有快速的三维漫游、查询、定位、统计、分析、打印输出等功能, 将更好地为“数字国土”服务。三维模型的快速建立与更新, 对维护三维地理信息系统数据的现势性、直观性、更好地为国土资源利用提供更好的决策, 具有十分重要的作用和意义。

1 三维建模技术现状

三维城市模型 (3DCityModel, 3ocM) 是地理信息系统、数字摄影测量及其相关学科的研究热点之一。尽管3DCM的研究历史非常短暂, 但人们针对不同的应用目的, 构建了各种具有不同功能的3DCM, 具体分为以下几类。

1.1 遥感影像与DEM结合方式

即直接利用D E M生成地形三维透视图, 遥感影像作为纹理映射到地形表面。这种方式只是一种地形景观, 无法对地表实体对象进行三维显示、空间信息查询和分层管理。大多数成熟的商品化GIS系统 (如ArcView、MapGuide) 己经具有这种2.5维的地形显示功能。

1.2 基于2DGIS的构建方式

即利用现有2DGIS数据及其三维属性信息建立3DCM。该方式包括以下具有代表性的构建方法。

(1) 在二维GIS的基础上, 直接添加一些信息 (如房屋高度、墙面纹理等) , 使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象。这种方法的缺点在于模型真实感差, 对城市景观信息的表达少, 另外没有考虑DEM。 (2) DEM和二维G I S结合的方式, 这种方式用DEM作为建筑物的承载体, 表达地表的起伏, 然后使用假定高度和模拟纹理来构建建筑物对象, 比上一种方式更具真实感。 (3) 部分2DGIS系统 (Arc/Info) 发展了构建3DCM的功能模块, 具有初步的量测功能, 但缺乏对建筑物纹理的提取与处理, 景观表达的真实感程度不够。

1.3 纯三维的构建方式

针对数据获取方式的差异, 纯三维构建3DCM方式分以下不同方法。

(1) 利用地面摄影影像与地面激光扫描仪来构建, 这种方法每次采集数据范围受通视条件所限, 在建筑群密集地区难以应用; (2) 利用卫星影像与机载激光扫描仪来构建, 该方法采集数据快, 但获取的DEM精度不高; (3) 利用航空立体像对的方法, 利用目标提取技术, 实现航空影像房屋三维数据的半自动量测, 进而在地面与建筑物表面二维半不规则三角网和原始数字影像的基础上, 实现建筑物可见表面纹理恢复, 重建城市三维景观。

2 数字城市三维建模的关键内容

目前建筑物三维建模的一般流程如图1所示。三维空间数据的获取, 实质是空间定位数据的采集。三维模型的建立与编辑, 三维几何模型是纹理数据和属性数据的载体, 也是数码城市GIS提供各种定量空间解析分析能力的基础。建筑物表面纹理数据主要用于提供逼真的视觉标识, 增强对建筑物本身及其相互之间空间关系的感知和识别。可视化技术的运用, 用于增强用户与数据模型之间的交互操作性能, 尤其是与虚拟现实技术的结合, 使得用户沉浸于三维的场景中与模型数据直接进行交互操作。

2.1 三维建模数据的获取

三维建模的首要任务就是要收集建模的数据。在城市中存在着众多的数据源, 这些数据源包括: (1) 规划建筑物的设计图纸及文档资料。 (2) 城市数字地图 (地形图、地籍图等) 和2DGIS数据库。 (3) 摄影测量数据。数字摄影测量不仅可以提供丰富的几何和纹理数据, 而且还可以提供丰富的拓扑和语义信息。 (4) 遥感数据。

就当前的应用需求来说, 场景三维建模需要的数据主要有:二维图形、地形数据、地表图像、三维观测数据和模型表面纹理等。

2.2 建模方式

目前在数字城市的三维建模中有很多种建立模型的方式。现介绍如下。

(1) 使用CAD软件建模。AutoCAD软件具有强大的二维图形绘制功能及编辑功能, 是当今二维图形绘制软件的主流工具, 这是它的优点。但是它在三维图形建模、渲染处理及动画制作方面功能较弱, 不适合于复杂三维模型的建造和动画的制作。AutoCAD模型表达精细、精确, 有精确尺寸定义, 但数据结构复杂、数据量大, 不支持与地形的叠加, 不支持属性定义, 主要用于工业零部件建模和单独的桥梁等建筑物建模。 (2) 常用动画软件建模。如3DMAX等, 模型表达精细, 建模工具丰富, 但是数据结构复杂, 数据量大, 不支持与地形叠加, 且不能交互编辑查询, 仅限于动画浏览。 (3) 专业软件建模。如MutiGenCreator软件功能强大, 支持大面积地形建模, 支持建筑物建模。模型数据结构简洁, 可以在运行过程中进行交互操作, 实时计算动画场景, 通过开发, 可以与影像、矢量数据、DEM数据等叠加。但表达不精细, 数据交互编辑、查询能力较弱。 (4) OpenGL开发。使用OpenGL+VC模式, 通过编程的方式建立模型。此方式能大量使用数学曲线、曲面表达三维模型、自定义数据结构、数据显示算法等。一般用于开发三维基础软件。

目前, 在实际应用技术中, 较为普遍和实际的模型制作是利用3 D M A X制作或者是利用MultiGenCreator制作。

2.3 模型的发布与应用

采用提供了二次开发功能的数字城市开发平台, 使用asp.net技术, 开发了一套能够实现对矢量数据、影像数据、DEM、三维模型等多源数据集中管理的三维地理信息发布系统, 从而实现三维场景的显示、漫游、定位、查询等功能, 为决策部门提供辅助决策。

3 应用

本次实验以“skyline”中的三维建模为例。采用3Dmax软件对建筑物进行三维建模, 以及能够访问海量数据、具有强大二次开发功能的三维地理信息软件skyline作为开发平台开发演示系统。

3.1 地形建模

地形建模的方法主要是采用在某地区的DEM数据的基础上叠加遥感影像来完成三维地形的显示。对DWG地形图进行处理, 删除不必要的图层, 仅保留建筑物、标注、绿地、道路树木以及等高线所在的图层, 提取其中的等高线图层, 然后对等高线数据进行内插处理, 生成地形DEM。这一过程可以在AutoCAD和ArcGIS中完成。对快鸟影像进行纠正和投影变换, 并使用Photoshop进行调色处理, 使其符合美观自然的原则, 作为地形纹理或者说是三维城市的“底图”。

3.2 建筑物建模

对于大区域的建筑群进行三维建模时, 需要对不同类型的建筑物进行分别建模, 提高效率。对于城市片区内部的建筑以简单纹理的体块表示;沿街的主要建筑需要在体块的基础上添加照片纹理, 增强真实感;对于结构复杂或者重要的标志性建筑可使用3 D S M A X进行单独建模, 赋以精细的结构和纹理。这样处理不仅会提高建模的效率, 而且减少了数据量, 有利于三维场景的显示和漫游。

3.2.1 普通建筑的建模

在Skyline系列的TerraExplorerPro软件中加载之前生成的地形数据集, 导入建筑物矢量数据, 按照高度属性进行拉伸处理, 得到建筑物体块。由于数据源的时间差问题, 可能会存在少量的建筑物与遥感底图中显示的建筑物不匹配的问题, 需要使用TerraExplorerPro中的3D-Building功能, 在建筑物的位置上进行三维建模, 使建筑物体块与遥感底图一致, 并辅以简单统一的纹理。对于处于城市地块内部的大量建筑群可采用这种方式进行建模。

3.2.2 纹理映射

建筑物的纹理包括侧面和顶面两部分, 分别通过近景数码照片提取和影像提取的方式。试验区内拍摄有大量的建筑近景照片, 需要在Photoshop中对近景照片进行处理, 主要是综合利用裁剪、拼接、自由变换和拉伸等一些基本操作。根据试验可以得出:处理后的照片最好保存为JPG格式, 以减少数据量, 同时图像的分辨率应调整为2的幂次方, 图像的大小也应该尽量小于100KB。而建筑模型的顶面纹理则是从遥感影像中采集的。对纹理图片进行处理之后, 在TerraExplorerPro软件中选择沿街建筑的相应立面, 进行纹理映射, 添加纹理, 增强了城市三维表达的真实感。

4 结语

文章对数字城市中的三维建模关键环节进行探讨, 总结了当前三维建模过程中的主要技术和方法, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模和发布, 结果表明在数字城市建设中, 主要把握数据获取、三维建模和模型的发布与应用三个环节, 即能较好完成数字城市工作, 使其满足实际应用。

摘要：三维模型能够真实、生动地表达三维空间信息, 成为数字城市的研究重点。建筑物的三维建模作为主要的建模内容有着重要的地位, 快速、逼真地建立建筑物的三维模型成为建模的研究重点。本文基于笔者多年从事数字城市的相关工作经验, 以三维数字城市为研究对象。探讨了数字城市中三维建模的主要内容和相关建模方式, 并以实例的方式实现了三维建筑物建模, 结果表明该思路能满足实际应用。全文是笔者长期工作实践基础上的理论升华, 相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：数字城市,三维建模

参考文献

[1]朱庆, 林珲.数码城市地理信息系统——虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社, 2004.

三维城市规划信息系统建设研究 篇8

城市规划一直是对三维可视化技术需求最为迫切的领域之一, 随着“数字城市”建设的深入发展和科学技术的不断进步, 城市规划对城市空间信息化应用的需求越来越高, 传统的二维数字地图已经不能满足现阶段城市规划及管理的需求。因此各地都把建设三维城市规划信息系统作为提高城市规划及管理水平的重大战略措施。

1 相关技术研究现状

当前, 一个三维“数字城市”建设的热潮已经悄然兴起, 北京、上海、武汉、重庆、哈尔滨等城市相继提出了三维“数字城市”建设规划, 目前已经开始应用于规划方案展示、三维报建、项目宣传、招商引资等工作中, 并且发挥了重要的作用。

沈阳市于2008年开展了此技术的研究, 通过三年的探索与研究目前已建设完成了近100平方公里现状与规划重点地区的三维模型, 该系统也逐步在一些规划项目中得到了应用。随着三维模型建设范围的不断括大, 该系统在规划设计、规划管理中的应用将会发挥出更重要的作用。

2 系统建设现阶段的主要问题

近年来, 三维数字城市的建设在我国发展十分迅速, 各个城市已由研究阶段开始进入了实施阶段。尽管许多城市都积极开展了城市三维信息平台及相关数据库的建设工作, 但目前仍然有很多问题有待解决, 主要有以下几个方面:

2.1 三维数字城市系统的理论框架

目前二维地理信息系统的理论框架比较完善, 但是对于三维数字城市系统的理论框架研究各城市尚未形成一致的意见, 缺乏完整统一的理论基础。

2.2 数据的标准化

数据标准化是信息系统建设、应用及维护的根本, 是数据生产和共享的前提, 目前各地还缺乏统一的数据标准。

2.3 数据的采集与处理

系统数据的来源多种多样, 来自社会各个领域各个部门, 并且以多种的数据格式存在。数据来源的多元异构性使得数据融合的操作非常困难, 也增大了数据处理的复杂度。

2.4 城市三维数据的更新与维护问题

城市建设直接导致城市空间数据的变化, 因此城市三维数据的更新不仅需要技术手段, 更需要从管理手段方面着手, 建立更新维护的工作机制。

3 系统建设内容

3.1 系统研究内容

三维城市规划信息系统主要是建立一个城市空间信息与规划信息高效集成的城市三维模拟平台, 将城市地理、地籍、规划、人口、经济、社会等复杂信息以该系统为载体, 并虚拟仿真, 实现可视化。提供在三维可视化环境中的信息查询、统计和分析, 为各级领导决策提供支持。它是“数字城市”建设的基础框架, 通过该系统的建立, 能更好满足城市建设发展的需要, 提高城市规划管理信息化的水平以及规划局各项工作的效率, 更好地为城市建设服务, 为领导决策服务。

3.2 系统关键问题解决办法

3.2.1 建立系统总体框架结构

通过对国内其他城市相关系统的考察, 同时结合自身的工作特点确立沈阳三维城市规划信息系统的理论框架 (如图1) 。系统主要包括数据库、系统功能、系统应用三个部分。

3.2.2 制定系统标准化体系

三维城市规划信息系统的建设是一项涉及面广、技术新, 工作量大的系统工程, 在系统建设过程中, 必须采用分步实施、稳步推进的策略。在分步建设的过程中, 必须有统一的规范和标准, 才能保证系统的一致性。系统标准化体系在整个系统的建设中起着决定性作用, 它决定了整个系统的应用前景、后续拓展以及与其他系统的兼容性。系统标准主要包括两个方面:

1) 数据标准

系统标准化体系的核心是数据的标准化和规范化, 数据标准包括数据分类与编码标准、数据生产规范、数据质量控制标准。

2) 业务应用标准

业务应用标准是贯穿规划部门所有业务、各种数据以及业务流程的规范和约束, 是在系统建设基础上所形成的业务规则和管理标准。

3.2.3 规范数据采集与处理流程

针对数据采集与处理的各个环节都制定相应的规范, 包括收集和整理特定比例尺的测绘资料;野外实地调绘各类地物空间与属性信息;采集相关地物的纹理影像;现状立面拍摄等都要有相关标准控制。

3.2.4 建立城市三维数据的更新与维护机制

城市的改造与建设都将对系统数据产生影响, 系统三维数据的维护与更新需要与项目的建设审批和验收紧密结合, 需要建审和验收部门及时反馈项目信息和资料, 这样才能保持该系统的现势性。

3.3 系统主要功能

本系统主要是为规划审批、领导决策、规划方案设计提供辅助作用, 系统的主要功能分为四部分:

3.3.1 实现城市空间漫游

沈阳三维城市规划信息系统中的三维数据包括现状三维数据和规划三维数据, 所有的三维数据都要严格遵照地形图、现状照片、规划条件, 并按照真实尺度进行制作。因此在该系统中可以真地实感受城市空间, 全方位、多角度在场景中漫游, 真实地看到规划方案建成效果。这是传统手段如平面图、效果图、沙盘乃至动画等所不能达到的。运用该系统可以快速导出效果图和动画视频文件, 解决以往表现手段的弊端, 这一功能将是对传统表现手段的一次革新。

3.3.2 规划分析

运用该系统可对多个方案进行多屏对比分析, 可以从不同角度、不同的方位同时观察多个规划方案, 比较不同方案对城市景观、周边建筑的影响, 以直观的方式评估各个方案的优缺点。

3.3.3 辅助规划管理与决策

运用该系统规划师与规划管理者在有准确坐标的三维城市空间中, 论证规划、景观与建筑设计方案的可行性, 通过对方案建成前后进行描绘, 这样就可以减少甚至杜绝实际建成效果与设计意图偏差很大的情况。

3.3.4 完善城市规划信息系统

通过该系统可以把城市所有的三维数据统一的整合起来, 并且把城市的信息以三维数据为载体加载到该系统中, 同时该系统支持信息的快速查找功能。

3.3.5 展示规划成果与城市形象

系统建成后可以在规划展示馆及互联网向市民展示城市建设的成果和公示重大城市建设项目, 本系统将成为展示城市形象和宣传城市的重要窗口。

4 系统在城市规划中应用实践

该系统提供了准确的城市空间信息, 包括现状建筑、规划建筑、道路系统、绿化等信息。因此我们可以利用该系统进行项目现状调研、现状情况分析、分析规划方案对周边环境的影响等。目前该系统已在城市规划、景观设计、交通规划、辅助审批、规划展示馆等工作中得到极大的应用。

案例一:太原街地区战略规划与城市设计 (现状与规划方案对比)

案例二:金廊沿线绿化景观规划 (改造前后对比)

案例三:沈阳市城市规划展示馆数字沙盘影院 (展示城市建设成果)

5 结语

三维城市规划信息系统的建设将会大大提高规划项目的评估质量, 提供了全新的城市规划、建设和管理的调控手段, 使沈阳城市的规划与建设具有更高的效率。该系统将为认识城市打开了新的视野, 经济效益和社会效益潜力巨大, 必将大大地加速城市科技和城市文明的进程, 推动城市的发展。该系统的建设是一项长期的工作, 需要大量的人力、物力和财力的投入, 随着系统的不断完善, 怎样将该系统广泛的应用于城市其他部门中成为下一阶段新的挑战。

参考文献

[1]李成名, 王纪周, 马照婷.数字城市三维地理空间框架原理与方法[M].科学出版社, 2008.

[2]宋小冬, 叶嘉安, 钮心毅.地理信息系统及其在城市规划与管理中的应用[M].2版.科学出版社, 2010.

[3]詹庆明.城市规划中的空间地理信息与决策支持[M].武汉大学出版社, 2009.

三维城市 篇9

1 城市三维模型用于城市规划的可行性分析

近年来, 我国的数字化城市建设进程在快速的发展, 根据相关调查表明, 我国700各大、中城市, 总共有3万多个小城镇逐渐的开始创建“数字化城市”工程, “数字化城市”已经成为城市信息化、现代化建设的关键环节, 其涉及的内容包括城市规划、经济、文化、管理等各个领域。然而数字化城市的规划建设需要相应的科学技术为基础, 例如, 元数据技术、数据库建设技术、虚拟技术、数字化城市的管理信息技术、城市综合功能GIS技术、地理信息系统技术、全球定位系统技术、遥感技术等众多技术的综合应用, 其中三位模型技术的应用, 能够创建城市电信基础平台、城市综合信息平台、城市空间基础信息平台等共同组成的核心系统, 能够实现城市规划数据的获取、分析、归纳与整合, 这位数字化城市的建设以及运行提供管理、组织、标准、经济等方面的保障。

2 城市三维模型在城市规划中应用的有效对策分析

2.1城市三维模型在城市规划中的应用

(1) 三维数据的获取:1激光雷达数码像片, 激光雷达系统包括数码相机、高精度惯导系统、全球定位系统、激光扫描仪等, 保证系统既具有数字影像的能力, 由具有采集三维地形数据的能力;2近景摄影测量影像, 摄影测量中的近景通常指的是距离小于100m的摄影, 该种影像的拍摄方法需要从同一地物的不同方向进行拍摄, 进而形成一个具有重叠度的多幅影像;3建筑规划设计图纸, 建筑规划设计图纸包含了建筑物的所有数据信息, 是一种基础的参考数据;4城市大比例尺地形图, 通过城市大比例尺地形图, 能够获得城市建筑的二维平面几何信息, 包括建筑物的各角点平面坐标、建筑物平面的轮廓等。

(2) 三维模型的构建。城市三维模型的构成通常采用B/S模式, Web服务器能够实现使用终端以及数据发布服务器的无缝连接, 同时能够在浏览器环境中为使用者提供查询服务以及数据浏览业务, 城市三维模型的应用体系主要包括以下几个模块:1应用服务模块, 该功能模块是利用空间网络三维数据信息的端口, 向用户提供各种使用服务, 例如, 电力能源、虚拟旅游、水利、交通国土资源、公共安全等领域;2功能展示模块, 该功能模块能够用用于提供一个友好的截面, 支持系统完成三维数据信息的展示, 通过多媒体屏幕能够展示三维建模的图形;数据浏览, 该系统提供了众多浏览方式, 例如飞行模式、不行模式、绕视以及环视等;三维空间分析, 提供三维模型的空间量算, 主要包括模型的面积、高度、长度以及距离等;信息查询, 能够实现建筑物和属性的双向查询, 输入建筑物的名称, 能够进行建筑物的定位, 也可以选择建筑, 展示建筑物的具体参数以及相关属性等;此外, 还能够为其他业务提供一些可以扩展的端口, 便于各种功能模块的扩展需求;3数据模块, 数据模块通过利用地形数据融合软件, 把高程数据以及遥感影像数据融合成三维模型, 通过压缩处理之后形成MPT, 其读取采用数据流的形式, WMS以及WFS会在Open GIS数据服务端口进行规范化处理, 同时还能够提供二维数据信息服务。

(3) 创建三维场景。三维场景的创建主要包括以下两个方面:1创建城市三维地形场景, 通过采用数字高程模型、数字正射影像创建精度高的城市三维地形场景, 其中DOM数据以及DEM数据要求使用image格式或者GEOTIFE格式, 其中GEOTIFE的压缩比为1∶1, 以此防止出现影响影像精度的现象, 采用遥感处理软件进行数据的预处理与编辑, 需要处理的内容包括DOM、DEM坐标以及格式的准换;DEM在Erdas或者ARCGIS里的修改, 以此创建彼岸准的坐标体系, 最后通过Terra Bulider软件中生成相应的三维地形场景;2创建建筑物三维模型, 根据城市规划的实际需求, 将建筑物三维模型创建氛围城市标志性建筑物精细建模以及建筑物粗略建模两种:对于城市标志性建筑物精细建模, 其建模需要利用3ds Max软件, 根据系统的实际需求选择需要精细建模的建筑物, 然后采用数码相机进行该建筑物的数码拍摄, 最后采用3ds Max软件进行模型创建, 最终形成的模型格式为3DS, 通过扩展模块能够将格式转变成X格式, 在进行城市标志性建筑物精细建模的过程中, 建模的纹理应该尽可能的少, 尽可能的简化建模的构面;对于建筑物粗略建模, 通常采用Terra Explorer Pro创建, 该种技术手段需要根据建筑物的实际状况, 勾画出建筑物的大概轮廓, 再根据数码相机拍摄的建筑物纹理, 通过图像处理软件处理之后粘贴建筑物纹理, 最终形成建筑物三维模型, 该种建模方式的优势在于能够创建独立的建筑物三维模型, 并且可以根据用户的实际需求对建筑物模型进行修改, 但是缺点在于该种模型设计的不够精细。

(4) 应用实例分析。城市三维模型在城市规划中应用的功能主要包括以下几个方面:1日照分析功能, 城市规划设计过程中必须考虑到日照, 根据城市建筑物的形状、高度等创建三维模型, 在系统中进行日照分析, 以某大厦为例, 该大厦建筑在某小区旁边, 为了防止大厦对小区的日照造成影响, 通过创建三维模型, 能够分析大厦的日照状况;2城市规划方案的比较, 城市三维模型设计的三维场景能够使城市规划变得更加直观而简单, 即使是普通的百姓参考城市三维模型也能够参与到城市的规划设计中, 以某个城市道路绿化的三维模型设计。同时, 还能够进行双屏方案对比, 以某建筑规划的两种方案进行对比。

3 结束语

总而言之, 城市三维模型杂城市规划中的应用, 能够创建高精度空间地理信息、人机交互方便、扩展性强、分析效率高、真实仿真的三维模型, 对于提高城市规划建设的正确性、严密性、合理性、科学性等具有非常重要的作用。

参考文献

[1]王军, 周伟, 田鹏, 李娜.城市三维基础地理信息系统在城市规划中的应用[J].工程勘察, 2010 (11) :56-59.

[2]李大超.利用三维仿真技术辅助城市规划决策[J].城市勘测, 2011, 8 (4) :40-42.

[3]高海峰, 金鑫.基于Skyline三维GIS城市规划辅助决策系统的设计与实现[J].科技创新与应用, 2012 (2) :20-21.

[4]曹蕾.三维城市建模在数字城市建设中的应用[J].交通科技与经济, 2014, 16 (2) :124-16.

[5]刘增良, 杨军, 张保钢.面向城市规划的三维建模技术探讨与应用[J].北京测绘, 2009 (2) :1-4.

[6]李军锋, 卢立.三维数字城市在宜昌市城市规划中的应用研究[J].城市勘测, 2014 (1) :38-42.

[7]李卉.集成Li DAR和遥感影像城市道路提取与三维建模[J].测绘学报, 2011 (1) :133.

城市住宅小区三维景观模型的构建 篇10

随着计算机技术的不断发展以及国家信息化战略的持续推进，计算机技术在各个领域得到了广泛的应用，而计算机图形理论与技术的发展则是计算机领域发展最为迅速的一个分支。日益强大的计算机图形软硬件为普通用户提供了丰富多彩的图像呈现方式，其中三维图形显示方式以其良好的空间感与直接的空间操作性成为多种学科领域追求的表现方式。

1 城市住宅小区三维景观模型的应用

城市三维小区模型的建设作为城市小区最为直观的表现方式，不仅在城市规划管理、规划设计、市政建设、住宅产业发展、土地监测管理、环境监测评价、地质灾害防治与城市可持续发展战略研究制定等众多方面有广阔的发展前景，而且在其他分析、评价、决策等部门也有积极的现实意义。

传统市政规划中，往往利用城市平面图纸进行规划，不仅存在着操作困难的问题，而且由于平面图纸的不直观性，使得规划行为往往难以达到预期效果，尤其在建成后的景观效果上，即使是专业的城市规划人员也无法准确预测描述。而利用三维技术来对真实景观的构建、模拟和预测，则能够很好的弥补这个缺憾。

2 城市住宅小区三维景观模型的用户

以不同的侧重点划分城市住宅小区三维景观模型的用户可以有不同方法。从用户对三维景观认知程度以及对计算机熟练度两方面的考虑，可以将城市住宅小区三维景观模型的用户划分为三个层次，分别为初级用户、中级用户、高级用户。针对三种用户的不同特点，应当对用户采用不同的三维景观表现手法。

2.1 初级用户

城市住宅小区三维景观模型的初级用户指的是没有或者仅有初级的计算机操作经验，不能适应在计算机上表现的三维景观实时操作的三维景观用户。这种类型的用户属于城市住宅小区三维景观模型层次较低的应用，对于基于电脑端的三维景观浏览或者更加高级的操作存在较大障碍，但是可以无障碍的浏览图片素材或者流媒体视频。因此，适合初级用户的三维景观表现方法为三维效果图方式与流媒体视频方式。

2.2 中级用户

城市三维景观的中级用户是指具有一定计算机水平的三维景观用户。这一类的用户特点是他们对于计算机软件的界面比较熟悉，对于三维软件的一些简单功能可以在不加指导或者根据软件界面上的提示直接进行无障碍的使用。中级用户对计算机软件良好的适应性使得他们对于计算机端展示方法能够很快适应，因而对于中级用户比较适用的三维景观展示方式为计算机端的三维展示软件。

2.3 高级用户

高级用户是指需要对已建成的三维景观模型进行三维浏览更高层次应用的用户，这些应用包括模型调节与编辑、模型测量、模型转换等应用。高级用户的计算机操作水平一般比较熟练，但是部分高级行政决策者由于时代原因并不具有高层次的计算机水平，此时通常需要为其配备具有良好交流沟通能力的高级计算机人才，来跟随决策者的意志进行操作并描述结果。

3 三维景观模型的展现方式

通过对城市住宅小区三维景观模型不同层次用户的分析，可以得到下面四种三维景观模型的呈现方式：静态图像输出、动态视频输出、三维展示软件、带高级功能的三维软件。

在三维小区中建立的模型，如需要不同的呈现方式时，需要对其处理的方式也不同。不同呈现方式的方法与特点如下：

(1)静态图像输出

静态图像输出是将城市住宅小区三维模型在三维模型软件中进行高级加工处理以后，生成城市住宅小区的效果图，再用打印机生成纸面或其他平面硬拷贝的方法。

(2)动态影像输出

动态影像输出是将城市住宅小区三维模型在软件中进行高级加工处理以后，生成在三维小区模型中虚拟漫游的视频媒体。生成的影像流媒体文件可以通过多种载体进行最终展示，例如网络流媒体、光盘载体等。

(3)三维模型直接展示

三维模型的直接展示是在计算机端用计算机提供的图形显示功能来直接将三维小区景观模型显示出来的方法。这种方法可以使用户对预先编辑好的视角、路径、效果等不满意的情况下，提供对浏览范围、角度等的可操作性。

三维模型展示平台构建的一般过程是利用软件工程的方法进行，在进行需求分析的时候需要注意几点：

(1)三维展示软件的高级效果应该包含实时阴影渲染、高级光照效果、凹凸纹理贴图、光照映射贴图、抗锯齿、视频贴图、LOD等在三维城市小区模型展示中能够提升模型显示效果以及提升软件运行效率的高级特效。

(2)在三维展示软件中，要注意对镜头参数的限制。例如镜头的方向不应偏离城市小区模型过远，镜头距离不应使模型影像在软件窗口中的比例过小等。

(3)在三维展示软件中，添加虚拟人物行走功能，以增加三维场景的真实感。

(4)在三维展示软件中，添加天气改变、时间变化等功能。

(4)带高级功能的三维软件

带高级功能的三维软件是在三维浏览软件的基础上，提供对住宅小区三维模型进行高级操作的功能。这些高级操作主要包括实体的增加、删除、移动、复制、输出、量测等。可以让用户对已载入的小区模型添加或删除各种不同场景组件，设置小区不同单元的显示样式，进行各种工程测量，甚至设置小区的大范围区域模型背景等，从而让用户对小区拥有从宏观到微观的全部操作性。

4 城市小区模型构建实例

软件系统：Maya 2008,Photoshop CS2,Windows XP SP2Processional。

硬件系统：Intel Pentium 4 3.2G,2G DDR2 RAM,专业图形加速卡,DVD-ROM。

数据来源：全站仪采样高程点数据，土地规划线划图。

构建步骤：

(1)根据前文所述技术要点，利用Photoshop处理贴图，在Maya中构建小区建筑模型并设置贴图与材质，将模型单体输出为单个模型文件;

(2)根据地形测量技术要点，利用全站仪采集小区内地形数据，将获得的数据利用ArcGIS 9.2处理成为DEM图形，输出为TIFF格式文件;

(3)在Maya中建立区域的地形模型，导入数字高程模型TIFF格式文件以及土地规划线划图作为建模参照;

(4)在建立的地形模型中导入建筑模型，根据土地规划线划图进行安置;

(5)添加光照、植被等细节效果;

(6)设置渲染参数，进行渲染输出。

效果如图一所示:

5 结束语

在实际应用中，不同场合下模型应用的用户层次构成不尽相同，因而在模型展示的方法选择上，要充分了解三维模型的应用用户，既要考虑到不同层次用户的需求，又要避免浪费人力物力，超需建设。在实施项目之前，应当注意考察国内外同行业模型建设水平与软件系统应用水平，吸取前人应用实例的优点，尽量争取创新与进步，避免同质化建设，从而促进整体产业的进步。

摘要：随着计算机技术的不断发展,传统二维地理信息系统已不能满足各种用户的需求,用户迫切希望能够以更加直观的三维模型方式来对地理信息进行观察研究,而计算机图形软硬件技术的发展则为此创造了有力的条件。文章将讨论多个情景下城市住宅小区三维景观的应用,针对不同情景下城市住宅小区三维景观构建与展示的不同方法,以及完成对思路的验证。

关键词：三维景观,虚拟漫游,3DGIS

参考文献

[1]苏玉扬,左建章,关艳玲等.虚拟城市小区构建方法[J].测绘科学,2005,30(2):25-28.

[2]张云霞,宋焕斌,钟延江.基于3维GIS的城市景观建模探究[J].测绘与空间地理信息,2005,28(2):27-29.

[3]况代智,李兵.基于GIS的城市小区三维仿真模型的设计[J].北京测绘,2008(,1):16-19.

[4]侯健,李小奇,陈蕾等.一种新的三维地景库的建模方法[J].系统仿真技术,2008,4(3):178-181.

三维城市 篇11

关键词：三维动画技术；城市景观；设计

现如今，三维动画技术以其独特的优势为人们所广泛使用，并日渐拓展到社会的各个领域，尤其是视觉领域，人们可以在利用计算机技术的同时，结合三维动画技术，制作出各种令人赏心悦目的作品。作为当前最为流行的一种图形、图像技术，三维动画技术的发展并非一蹴而就的，其所依赖的理论基础也不仅仅局限在图像学、美学方面，还包括数学、摄影学、计算机软硬件等多种学科。随着国内城市化进程的不断加快，城市景观规划势必成为其中的重要任务，而多媒体技术，特别是三维动画技术的出现，恰恰能够为城市景观规划提供一个强有力的工具或者手段。

一、城市景观的内涵及构成要素

（一）城市景观的内涵

通常来讲，景观就是某一地理区域的景色或者某一种类型的景色，其中，这里所说的景色既可以是自然景色，也可以人工创造的景色。景观的英文翻译是“landscape”，从字面意思上分析，景观总是与土地不可分割的。与此同时，景观又离不开人类的劳动实践，因此，多数人更倾向于将景观理解成“人与自然相互作用的最终成果”。从种类上分析，景观分为两种，其一是自然景观，主要是集中了天然景观与人文景观在内的、单纯包括自然方面的景观。值得一提的是，这里所说的天然景观并非是绝对没有发生任何变化的景观，而是基于人类活动而引起的尚未产生“明显变化”的景观。其二是人工景观，即因受到人类直接或者间接的长期活动而使得自然面貌发生明显变化的景观。根据定义可知，城市景观应该被纳人人文景观的范畴。准确地说，人类改造自然的过程的是漫长的，单纯依靠人类活动对于景观的影响大小来区分自然景观与人工景观，是不恰当的。换言之，自然景观与人工景观是很难以界定的。从这一角度分析，城市景观应该被看做是自然景观与人工景观的复杂综合体。

（二）城市景观的构成要素

从构成要素上分析，城市景观主要包括如下几个部分：

第一，地形。作为景观其他要素的重要载体，地形往往被人们比喻成“骨架”。按照不同的尺度，可以将地形细分为三种：第一种是大地性，占用地理面积相对较大的地形形态，常见的有山峦、丘陵、平原等；第二种是小地形，占用地理面积相对较小的地形形态，常见的有台地、平地、坡道等；第三种是微地形，主要包括基于微起伏的草地、沙丘、石头的变化而形成的地形形态。当然，还可以按照不同的地形形态，将地形分为平地、坡地、山体、山石等。

第二，水体。毋庸置疑，水体是城市景观中的重要元素之一，也是必不可少的元素。一般情况下，按照水体的不同形态，可以将它分为两大类：其一是动水，主要包括溪涧、瀑布、喷泉、河流等，其二是静水，常见的如湖海、池井、水潭等。与城市景观的其他要素不同，水是无形的，也是有形的，正是这种特质才使得水能够拥有万千种变化，也成就了城市景观的无穷景致。

第三，植物。与城市景观的其他构成要素不同，植物是最具生命力的、变化最丰富的要素，其所带来的观赏价值也是不可估量的。植物这一要素并非一成不变，往往随着季节变化而随之发生不同形态的改变，利用这一特征，可以给城市景观设计带来更佳的观赏效果。

第四，天时景象。通俗地讲，天时景象也可以被看做是大气环境。处于不同时间段的城市景观所呈现的效果是各不相同的。既可以是一天中的不同时辰，也可以是一年中的不同季节，不论何种，其所显示的形态效果都是动态变化的。如晨暮昼夜的时分变化、春夏秋冬的季相变化等等。因此，人们常常将景观的天时之美比作是“流动的自然形象，是时空交感的艺术”。

第五，景观设施。毫不夸张地说，景观设施是城市景观中的重要组成部分，凡是能够给人们的生活、娱乐、休闲等带来便利的人工设施，基本上都可以划为景观设施的范畴。一方面，景观设施应当能够满足大众需求，另一方面，景观设施与其所处的环境能够融为一体，相互呼应，并呈现出一种美感。

二、三维动画技术的应用原理

实际上，三维动画技术又可以被称为三维预渲染回放技术，具体流程就是先通过三维预渲染获取一个三维动画视频，后借助于特定的播放器进行视频播放。具体来说，三维动画技术的应用原理包括如下几部分内容：

（一）建模

简单地看，建模就是借助三维动画技术，在电脑上绘制二维物体。通常隋况下，在建模之前，应当做好准备工作，即明确不同物体的最终形状以及物体在电脑画面中所处的具体位置。从流程上分析，建模应该做好如下三步：第一步是按照绘制对象，在平面上画出几何形状；第二步，将不同的几何形状根据一定的顺序或者结构加以组合，从而得到一个三维形体；第三步，明确不同三维物体在场景中的位置，并进行摆放。

（二）动画

所谓动画，其本质就是使已经设计好的三维物体从静止变为运动的状态。具体而言，应当定义关键帧，就是设计者在电脑上进行画面绘制，如同将纸张放入电脑再进行图像绘制。可见，这一环节对于设计者的绘画水平具有较高的要求，只有那些绘画能力较高的人才能做到画面逼真。之后，插入关键帧。为确保不同画面播放的连续性，应当插入相关画面，通常这一步骤是由计算机完成的。

（三）绘图

在这一部分，应当重点关注贴图与光线控制等方面，唯有运用恰当，才有可能制作出一个较为逼真的动画作品。

（四）着色输出

所谓着色输出，本质就是利用动画制作软件可以实现动画的自动生成。也就是说，针对之前已经绘制好了的画面进行有序连接，从而生成动画视频。实际上，最终的动画视频就是文件，只需要点击一下即可进行视频播放。

三、三维动画技术在城市景观设计中的应用

众所周知，三维动画技术能够被应用到社会生活的各个领域，具体到城市景观设计，同样能够深入到不同的方面。接下来，将重点介绍几种三维动画技术的应用领域呈现。

（一）市政道路桥梁动画

必须明确的是，市政道路不仅仅是指公路，而是应当广义地理解为包括桥梁、船舶以及其他附属交通设施在内的一切交通设施。当需要进行市政道路建设的时候，应当在施工前，借助于三维动画技术，模拟道路修建过程以及成果，并将其呈给不同层级的领导，以此便于领导作出决定。不可否认，与平面图形相比，三维立体动画能够更加直观、更加全面、更加准确地向人们传达信息，借助于三维动画技术，能够客观审查市政道路桥梁设计的可操作性，还可以就其中的建设过程作出记录与评价，甚至有助于实现与周围环境的协调功能。除此之外，还可以在市政道路桥梁动画中，结合GPS定位系统，以便于管理人员进行监视或者管理；当然，对于汽车驾驶员而言，通过道路全景动画与地图的有效结合，实现路况信息的导航功能。

（二）城市漫游动画

所谓城市漫游动画就是在城市规划领域、建筑领域等方面借助于诸如三维动画技术等进行动画设计。截止到目前为止，城市漫游动画已经为诸多国家的城市建设作出了巨大贡献，之所以如此，是因为它自身有具有的多种优势是其他方式无法比拟的，例如，城市漫游动画能够实现人机交互，能够真实呈现建筑结构的空间感，还能够实现大面积三维地形仿真。借助于城市漫游动画，人们如身临其境，能够在结合动态交互方式来实现对城市规划以及未来建筑的观察或者审视，更为重要的是，在观察三维场景的时候，不论是观察角度，还是观察距离，亦或者是精细程度都不受任何限制。另外，根据不同的运动模式如步行、坐车、飞翔等等，能够实现不同路线的自由切换功能。最后，在城市漫游动画中，能够同时针对不同设计方案加以对比，从而帮助决策者选择出更为恰当的方案。

（三）虚拟现实小区漫游动画

一般而言，所谓虚拟现实小区漫游动画，其本质就是结合三维动画技术将小区环境的具体规划制作成动画作品。在小区规划的时候，往往需要考虑小区居民楼、生活配套建筑以及基础设施等等。或者，也可以将小区规划分为三大部分，第一是环境规划，其中主要涉及到道路、草坪、车辆、居民等等；第二是绿化带规划，重点从位置、占地面积、植物树种等等角度来考虑；第三是园林景观规划，主要体现在公园、假山、凉亭等等。这一系列因素均可以借助三维动画技术进行模拟仿真。从播放时间上说，虚拟现实小区漫游动画应当限制在五到二十分钟之间，借助于漫游等方式来实现小区规划设计。

（四）楼盘漫游动画

三维城市 篇12

城市三维基础地理信息系统是应用测绘、地理信息系统(GIS)、全球定位系统(GPS)、遥感(RS)、计算机仿真和网络等技术,以数字正射影像图、数字高程模型、城市三维精细模型为基础信息数据建立起来的地理信息系统。它将三维可视化、三维分析的作用提高到了整个地理信息系统的核心地位,不仅具有强大的三维可视化能力,同时具有强大的计算分析能力。因此,面向城市规划,对三维基础地理信息系统进行深度专业应用,对改变传统城市规划模式,促进城市合理规划,实现城市可持续性发展具有重要意义。

1 城市三维基础地理信息系统在城市规划中应用的意义

1.1 为规划提供直观、完整的城市基础地理信息数据资料

三维地理信息系统具有直观性强、信息负荷大、内容丰富、操作简单等特点。利用其独有三维可视化功能,可快速实现城市三维景观的实时再现,实现信息查询、统计、对象的空间分析等功能,为城市相关部门提供基于三维立体景观可视化和空间分析的基础平台,为城市规划提供直观、准确、现势性强的基础资料,提升规划设计、决策和城市管理的水平,服务于城市建设发展。

1.2 提高决策的科学性

为管理部门和相关领导对城市规划、建设、管理的重大问题论证和决策提供详实、准确的分析数据和优化方案。城市总体规划、详细规划、重点工程选址、规划委员会进行规划设计方案评审、棚户区改造、全市建设项目动态管理等都可以利用系统进行整体分析决策,而不需要实地勘察,而且能从系统中获取实地勘察不能获取的信息。

1.3 提高规划工作的可参与性

系统采用仿真技术展示规划设计成果,实现传统设计手段难以达到的形象直观的视觉效果,降低了专业门槛,为非规划专业的人员了解和品评规划成果、参与规划监督提供平台,为公众更深入地理解规划成果,参与规划工作提供了有利条件。

2 徐州市三维基础地理信息系统建设

2.1 系统总体框架

徐州市三维基础地理信息系统系统以0.072m高分辨率数字航空影像为数据源,Uniscope三维可视化软件为基础平台。集成了高分辨率真正射影像、高精度数字高程模型(DEM)、高仿真三维城市模型、城市大比例尺地形图、地下管线等多源数据,采用了数字摄影测量技术、真正射影像制作技术及先进的计算机网络技术,构建了共享型城市基础地理信息服务平台,实现了城市二、三维空间信息的一体化联动。系统的总体框架如图1所示。

2.2 系统数据

系统的数据分为四个层次:

(1)主城区0.072m分辨率真正射影像、DEM来源全市0.6m分辨率快鸟正射影像与高精度DEM叠加生成的三维影像。

(2)城市建筑物、城市部件及部分建筑物内部的精细三维模型。

(3)三维模型属性信息和用于查询定位的矢量数据。

(4)可供系统连接调入使用的徐州市基础地理信息系统数据库和徐州市综合管线数据库。

2.3 系统特点

2.3.1 系统性能

系统采用LINUX服务器搭建系统服务端,中低端性能的普通PC机作为客户端。多台客户端同时运行,客户端的三维场景调入和渲染速度快速、流畅、稳定,实现浏览无角度限制,渲染效率可以达到25帧/s,搜索效率毫秒级响应,可以满足大面积海量城市三维模型的实时、快速浏览。

2.3.2 系统功能

系统提供空间数据、属性信息搜索、距离量测、面积量测、挖填方分析、水淹分析、最短路径分析、剖面分析、日照分析、通视分析、控高分析、定点观察、方案比选等分析功能,提供路径游览、车行、人行、飞行模式等漫游功能,支持将外部CAD制作的规划设计方案进行导入等功能。

2.3.3 数据精度

本系统所用影像为0.072m分辨率真正射影像,模型数据采用数字摄影测量方法制作,模型精度优于0.5m,同时采用实地采集纹理方法获取模型外观贴图,与现状一致度可达到95%(如图2所示)。

综上,高精度的基础数据、高效率的分析工具以及流畅的可视化浏览平台,成为三维基础地理信息系统在各行业应用的有力保证。

3 城市三维基础地理信息系统在城市规划中的应用

城市规划研究城市的未来发展、城市的合理布局和综合安排城市各项工程建设的部署。它要预见并合理地确定城市的发展方向、规模和布局,作好环境预测和评价,协调各方面在发展中的关系,统筹安排各项建设[2]。三维基础地理信息系统辅助城市规划设计与管理的主要特点在于系统以三维为展示方式,对各种城市空间信息进行有效地管理与集成,充分地利用地理信息资源,将现实城市与城市规划方案以动态的形式展示给用户,用户可以非常直观地站在整个城市的角度对不同的规划方案进行客观比较,降低了原有规划方案与整个城市相融合时出现的狭隘性,从而在施工建设前发现设计方案不易发现的缺陷,避免了经济损失。同时,基于网络的共享型城市级三维基础地理信息平台,有利于各部门实现信息共享和综合应用,为其他相关部门提供以及展示规划成果,提高工作效率,减少重复建设带来的资金浪费。

3.1 规划编制中的应用

3.1.1 现状调查与资料收集

三维基础地理信息系统可以集成各种来源的规划数据,同时三维场景中三维模型、纹理、航摄影像涵盖的信息量非常大,可以拥有二维地形图无法提供的视角,从中获取实地勘察不能获取的信息。三维分析的功能可以辅助设计者进行场地分析、地形改造和土方计算等工作,足不出户就可以进行踏勘工作,从一定程度上减少实地调查的工作量和成本,提高了工作效率。

3.1.2 规划控制指标建立

在规划编制过程中,明确地块的各种控制指标是一个重要环节,如历史街区的街景、视线通廊、微波通道、机场净空、高压走廊的限制高度等,这也是规划管理部门实施管理工作的依据,对于地块的建筑控制高度、间距、退让距离等二维或三维的控规指标可以将其形态化,并在基础地理信息系统中管理起来,使管理部门对建筑后退红线、控制高度、景观连续性等进行直观、有效的控制。三维城市的现实场景对于建筑形式、色彩研究、建筑风格等一些指导性指标的规划都可发挥作用,为规划编制提供服务。

3.2 规划管理中的应用

城市规划管理是规划部门对城市规划的编制、审批、实施及有关工作的管理。城市规划编制管理中需要组织城市规划的编制,征求并综合协调各方面的意见,进行规划成果的质量把关、申报和管理;城市规划审批管理要对城市规划文件实行分级审批制度;城市规划实施管理要进行建设用地规划管理、建设工程规划管理和规划实施的监督检查管理等。三维基础地理信息平台在规划管理阶段,可以辅助管理者方便的获取各方面规划信息,方案审查中,可以更全面、迅速、直观地了解规划设计、审查设计理念及指标的合理性。

3.2.1 基础地理信息服务

三维基础地理信息系统采用面向服务架构体系,数据以服务的形式提供,仅需要简单的插件,既可将数据方便地加入各专业子系统(如CAD),利于数据共享。规划局各处室可以通过局域网连接信息中心三维地理信息数据库和二维基础地理信息数据库、综合管线数据库,进行二、三维数据的叠加显示和查询分析。一方面,城市三维模型及城市影像可以直观、生动地再现城市面貌,便于总体浏览、研究城市格局。另一方面,实现二、三维数据联动,与总体规划、详细规划数据叠加显示、分析,管理者可以对三维场景中的城市地物进行属性查询和叠置分析,方便审批和管理,提高工作效率(如图3、图4所示)。

3.2.2 建设项目审查

城市营建具体的建设项目,都需要规划部门审查建设项目的建设位置(包括具体的控制坐标和标高)和技术条件,如建筑物的密度、层数、体型、立面、色调、风格以及同环境的协调关系等有关设计文件。在方案审查过程中,规划管理者可以通过定点观察、方案比选、日照分析、通视分析、控高分析、三维量测等功能方便地得到周边建筑现状,山体、水域等情况。采用三维基础地理信息系统,可实现多视角三维可视化浏览,并通过各种三维分析功能,方便其确定以上需要了解的信息(如图5所示)。

3.3 公众参与

城市规划涉及的交通、土地利用等很多内容都与公众的生活息息相关,有的甚至涉及到切身利益,城市规划决策带来的城市建设状况和城市面貌的改变也是公众都看得见、摸得着的,尤其是百姓维护自身权益的意识越来越强,一旦出现不合理的情况就会有反馈。因此,城市规划具有广泛的社会性。近年来,无论是重大规划、重要建筑项目,还是小区内改建插建、“一书两证”等审批结果规划部门都事先向社会进行公示,征求公众意见,并把这些意见和建议作为今后调整和修改规划的依据之一,从一个侧面体现了城市规划的可参与性。如何加强沟通,使群众以更直观的方式了解规划成果呢?

3.3.1 城市三维规划公示窗口建立

在现有的规划公示平台下,可以以触摸屏或网络为载体,将规划方案的三维模型放入现实城市三维场景中,并提供日照,距离量测,定点观察,规划方案指标查询的功能,将群众关心的信息,如日照、间距、楼高等,以直观形象的方式展示,让群众看得懂、看明白,及时提出监督意见,更深入地参与到规划工作中来。

3.3.2 实例

在徐州市中心医院科研楼的建设过程中,周围居民认为该项目的建设侵犯了其采光权,在三维场景中,通过模拟冬至日日照情况,以及模拟最底层居民家中视野情况,使居民以更直观的方式了解该项目的建设方案,从而打消了疑虑。图6为2009年12月22日东至日上午11点日照情况。

今后,无论是建筑项目还是城市面貌改造、重大规划,都可以将其做成三维场景,接受公众的监督和品评,从而避免了规划工作的狭隘性,提高了规划的科学性。

3.4 三维辅助决策支持

三维地理信息系统集成了丰富的规划信息(矢量图、文字、图片、视频),运用虚拟现实技术展示规划设计成果,实现传统设计手段难以达到的形象直观的视觉效果,降低了专业门槛,为非规划专业的人员了解和品评规划成果提供了平台,在方案审批过程中,使各方面领导能够全面、迅速、直观地了解规划设计,提高规划决策的效率以及科学性。特别是在信息技术快速发展的今天,三维可视化平台的使用,更是为事务繁忙、把握宏观大局的各级领导提供了一个直观便捷、简单实用、功能丰富的操作平台,利用这个平台,他们对自己的辖区一目了然,可随意浏览感兴趣的地区,从不同的角度欣赏城市的建设与发展,从中发现可能存在的问题,如城市布局的合理性、不同建筑风格的协调性等。就像在现场,他们随时可提出自己的建议与想法,供设计与施工部门参考。

3.4.1 方案优选

在规划方案评审会上,通过将报审方案的三维模型加入平台,与现实城市三维模型进行融合,可以观察设计方案与周边建筑的相互关系。可以模拟车、人、飞机等不同视角进行真实直观的分析。对于不同的设计方案,可以同时载入多个场景进行多角度对比,决策者能够直观地判断方案的合理性以及选择最佳设计方案。图7为两种方案的双屏对比效果,图8为该项目与淮海战役烈士纪念塔之间的体量关系比较,图9为驾车沿解放南路行驶时的景观。

3.4.2 方案实时修改

在评审过程中,对于各方面领导与专家对于方案随时提出的意见,通过三维地理信息系统,可以实时调整建筑的高度、材质、色彩等等,新方案的规划指标包括建筑面积计算、容积率计算、建筑密度计算、绿地率等可以被实时计算出来,使得领导的想法可以立即得到实现,从而提高决策的效率以及科学性(如图10所示)。

3.4.3 小品添加

根据各方面专家在评审过程中提出的意见可以实时添加三维基础图元(球、立方体、圆柱、圆锥、多边形柱体)、建筑、路灯、喷泉、树木、设备设施等进行模拟(如图11所示),供设计与施工部门参考。

4 结语

长久以来,海量城市三维数据生产、可视化以及浏览和分析效率等问题没有得到很好的解决,制约着三维基础地理信息系统的广泛应用。通过徐州市三维基础地理信息系统的建设,基本完成了以高分辨率的航空影像为基础,创建具有高精度空间地理信息、真实仿真、分析效率高、扩展性强、人机交互方便的三维地理信息基础平台。在城市规划工作过程中引入三维地理信息技术,能有力地推动城市设计的科学性、规划的合理性、管理的严密性及决策的正确性。以该系统为基础,可进行更大范围的三维场景建设,更广泛地应用于城市数字化管理的诸多领域,促进城市基础空间信息的共享和利用。将三维基础地理信息系统与各行业专业系统进行扩展和融合,推进更深层次的应用是我们今后努力的方向。

本文的形成得益于徐州市规划局信息中心陈东主任的指导,特此感谢。

摘要：城市三维基础地理信息系统采用了先进的测绘技术、GIS技术、计算机技术,利用高分辨率航空像片,建立大面积城市三维模型数据,同时集成各种专业信息,具有高仿真、高精度、网络化、面向共享的特点。在城市规划工作过程中引入三维地理信息技术,可以有力地推动城市设计的科学性、规划的合理性、管理的严密性及决策的正确性。本文以徐州市三维基础地理信息系统建设为例,结合目前实际工作,探讨了三维基础地理信息系统在城市规划中的应用。

关键词：数字城市,三维基础地理信息系统,城市规划

参考文献

[1]朱庆,林珲.数码城市地理信息系统—虚拟城市环境中的三维城市模型初探[M].武汉:武汉大学出版社,2004.

[2]李德华.城市规划原理[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[3]曾忠平,李宗华,赵中元,卢新海.基于三维GIS的城市规划信息系统研究[J].重庆建筑大学学报,2007,29(5):26～30.