三維GIS在城市規劃中的應用體會
【摘 要】 本文介紹了三維地理信息系統的發展現狀和進展，闡述了利用Skyline TerraSuite三維地理信息系統在“數字北海”項目建立過程中的應用成果，在參與北海市重點規劃建設項目“海景大道”規劃選線與工程評估和北海市房地產論壇三維建模中發揮了重要的作用。
【關鍵詞】 數字城市 三維地理信息系統 城市規劃 數字北海 Skyline
1引言
自“數字地球”的概念提出後，“數字城市”也如雨後春筍，在蓬勃發展，特別是“城市規劃、建設、管理與服務數字化工程”列入國家“十五”重點科技攻關計劃後，“數字城市”在全國已經形成一股勢不可當的建設浪潮。“數字北海”項目是“數字城市”的重要組成部分，如何利用三維地理信息系統整合各種資源革新規劃手段、優化決策系統是主要的研究目的。
三維地理信息系統是城市地理信息系統向動態、多維和網絡化方向發展的產物，是虛擬現實(Virtual Reality－VR)技術和地理信息系統（GIS）的結合體，虛擬現實是人們對真實世界在計算機中的再現，地理信息系統是對重構的實體加入地理信息屬性並有機的結合起來，使之能夠處理、分析、輔助決策等。隨着計算機技術飛速地發展，以信息技術爲主要標誌的科技進步日新月異，制約三維地理信息系統的瓶頸也隨之消失。三維地理信息系統的完善意味着城市規劃管理和規劃體制的一次大變革，極大豐富了城市規劃、建設和管理的調控手段。
傳統的城市規劃師必須利用地形圖及各種專題圖，通過實地踏勘，首先在自己的大腦形成想象的虛擬模型，然後利用地理信息系統提供的數據在二維的基礎上進行規劃，再通過各種立體表現形式反饋給受衆，其中反饋的表現形式是乏味的。在三維地理信息系統基礎上，城市規劃師不用到現場就可以得到直觀的認識，規劃師能夠在三維地理信息系統中及早發現可能存在問題和快速研究大量設計及解決方案，城市規劃方案直接就可以在虛擬的場景中反饋給受衆，而受衆感受到的是真實場景。但目前能夠虛擬仿真建模的軟件雖然很多，如VRML、Multigen、3D
MAX、Maya、3Dimage等等，而具有三維地理信息系統功能的仿真軟件卻不多,如Multigen Creator/Vega、Vrmap、Imagis、Skyline TerraSuite等。
2三維地理信息系統軟件平臺及功能簡介
縱觀目前國內應用的三維軟件，大多都是側重於模型的構建，而在快速建模、數據庫支持、矢量數據、二次開發等方面還不太理想。Skyline TerraSuite 是美國Skyline公司在以色列基地開發的基於網絡的三維GIS軟件，具有精確的定位查詢、瀏覽、編輯、註釋、打印、空間分析、VR技術、用戶自定義工作界面、基於COM的二次開發以及網絡發佈等功能。Skyline TerraSuite軟件是獨立於硬件之外、多平臺、多功能的一套軟件系統，是利用航空影像、衛星數據、數字高程模型和其它的2D或3D多媒體信息源，包括GIS數據集層等創建的一個交互式環境。它能夠允許用戶快速的融合數據、創建更新數據庫，並且有效地支持大型數據庫和實時信息流通訊技術，此係統還能夠快速和實時地展現給用戶3D地理空間影像。
鑑於TerraSuite在三維地理信息系統方面具有的優勢，所以我們通過與北京時空信步合作，選擇TerraSuite作爲三維地理信息平臺，並以次展開城市規劃新技術應用與研究，下面就此對TerraSuite做個簡單介紹。
1.1 Skyline TerraSuite 的框架體系
1.2 主要產品
Skyline TerraSuite主要產品包括TerraExplorer Pro、TerraBuilder、TerraDeveloper 、TerraGate、TerraExplorer Viewer，每個產品都有用戶定製功能及二次開發接口，具體應用根據用戶實際要求定製。
3 虛擬場景構建
“數字北海”所涉及的內容、覆蓋的領域及對信息交互、共享的要求是非常廣泛的，空間信息基礎數據作爲“數字北海”的核心數據內容，它主要包括大比例尺數字化地形圖、數字化遙感影像圖、城市專題地理統計數據集、多媒體數據以及GIS等數據。目前構建具有地理信息可實時交互操作的虛擬現實系統目的是爲了拓寬城市規劃師的應用分析手段，將規劃方案呈現方式從二維提升爲三維，從抽象到虛擬仿真，這是“數字北海”當前的研究目標。
3.1 數據分析
構建空間信息的數據是海量級的，其中應用的數據有：高分辨率Quickbird（快鳥）遙感正射影像圖、數字地面模型、1：500數字地形圖及大量的實拍建築紋理圖片。Quickbird（快鳥）遙感影像具有分辨率高、更新及時、價格便宜等優點，利用其製作的正射影像圖顏色逼真、影像清晰，完全滿足構建地面模型的要求。
爲了適應北海市的長遠發展要求，此次構建地面模型的涉及面積達到了三百多平方公里，所以數字地面模型數據由原“863”航拍所得的DEM數據及1：500數字地形圖等高線生成的DEM數據合併構成，同時1：500數字地形圖也作爲三維建模的參考。Skyline TerraSuite 支持時下比較通用的數據格式，這次遙感影像及數字地面模型爲IMG格式，地形圖採用DXF格式，而紋理通過外業數碼攝影處理爲JPG或GIF格式，所以對於數據的處理基本上不用作什麼轉換就可以在系統裏進行融合。
3.2作業流程
採用Quickbird（快鳥）遙感正射影像圖和數字地面模型引入TerraBuilder中，經過疊加、勻色和裁減建立虛擬地面模型庫文件。TerraExplorer Pro引入虛擬地面模型庫文件，通過加載數字地形圖，在此基礎上經過分析外業數碼圖片和紋理構建三維模型，構建好的三維模型可以直接加入屬性，也可以與文本、超文本、多媒體或Oracal等大型數據庫建立連接。最後通過製作飛行瀏覽路線，實行系統自動漫遊，並製作成多媒體文件，也可以人工操作隨意瀏覽。
4 三維地理信息系統在北海規劃中的應用
在系統的建設過程中，正逢北海市規劃重點項目“海景大道”選線及工程評估和北海市全國房地產論壇的召開準備關鍵時期，這爲系統的應用檢驗提供了很好契機。房地產論壇是宣傳北海、展示北海優秀房地產項目的好機會，我們選了十幾個北海優秀住宅小區進行三維建模。虛擬場景的建立是系統建設的第一步，怎麼跟規劃建設結合實時互動纔是關鍵。所以我們還選擇了三縱兩橫共五條街道（其中包括主要街道、廣場、標誌性建築等）進行建模，最後建模成果要求能夠反映北海的城市基本面貌及亮點。成果應用如下：
1) 快速建立了城市基本模型，爲城市規劃提供了任意角度、任意方向的可視化空間分析模型。通過加載地理信息專題圖，比使用遙感影像圖與數字線劃圖疊加所提供的信息量豐富的多，多角度、任意場景的變換使得規劃師對城市的空間感悟以及城市的輪廓有了更深入的瞭解。
2) 十多個優秀房地產小區的建模有力的加大了北海市的宣傳力度，有如身臨其境的公衆和客商足不出戶就可以全面瞭解項目建設的具體實際情況，周邊環境的立體烘托增強了表現力，是一般表現圖無法體現的。
3) 實現人機交互的多方案比較，大大縮短了發現問題、解決問題的時間。平面規劃方案能夠及時在虛擬系統裏體現和構建，呈現立體規劃的效果，能夠馬上表現規劃方案的可行性、協調性。在北海市重點項目“海景大道”規劃早期，由於項目涉及範圍廣、路段長，而規劃人員沒有完全實地踏勘，通過把規劃方案加載到三維空間模型中比較發現幾個大的問題：
（1）、海邊灘塗環境破壞嚴重，對紅樹林的生態環境保護考慮不足。方案中有很多路段是直接穿過沙灘和紅樹林的，既破壞了周邊的景觀，也破壞了自然生態環境。
（2）、有的路段穿過懸崖和斷面過多，需要填埋和搭橋的地方也多，加大了開發工程量和週期，工程成本明顯過高，整體協調性不夠。
（3）、對原有道路利用不充分，部分路段與舊有道路間隔太小，既起不到增強景觀的效果，還造成固有資源的浪費，不利於城市的可持續發展。
（4）規劃方案沒能夠快速拿出真實的表現圖，始終處在事例的堆砌之中，沒有給審覈人員的視覺創造效果。
以上這些大問題在第二次方案的修改中得到了很好的解決，減少了人員踏勘調查時間，縮短了設計週期。規劃方案能夠在短時間內在虛擬場景裏構建，立時呈現規劃效果。三維可視化技術貫穿於整個規劃設計過程中，既提供了協同的多維可視化環境，又使得設計方案與建模之間產生了互動效應，建模中發現的部分問題和建議被採納到了方案中。
5）建立了北海市老街模型庫，爲保護北海市的歷史沿革打下了基礎，同時提供了更加詳實的數據。“北海老街”是北海市的城市歷史保護規劃重點，其歐式騎樓風格的立面建築見證了殖民統治與蛋家文化相融合的發展歷程。
6）爲城市規劃宣傳製作了多媒體視頻瀏覽光盤和演示，加強了公衆們被提議工程有審美感和環境衝擊所準確描繪的影響力和參與力度。
5 三維地理信息系統應用心得
Skyline TerraSuite憑藉其三維地理信息系統平臺優勢，使得“數字北海”項目在城市規劃中取得了成功的應用。TerraSuite其獨立於硬件之外集成的多種優化虛擬現實技術和對規劃行業現有數據的支持，保證了用戶可以低成本快速利用已有數據建立海量三維城市景觀，並且可以導入規劃數據，進行方案評估。在城市規劃應用中具有以下優點：
•應用起點低，操作簡單、快捷，編輯、修改方便；
•具有樹形結構的模型管理方式，便於分類管理、合併、分析；
•具有海量數據管理能力，多級分辨率影像無縫分級顯示、金字塔格網數據管理方式、
影像小波壓縮、海量數據流量顯示等；
• 軟件二次開發簡單，可用 vb/vc/Delphi等標準語言進行系統開發，直接讀取Qracle/SQL
Server/Access等數據庫及shp/dxf/GeoData等數據文件，便於GIS統計分析；
•強大的、實時爲用戶傳送3D地理數據流的網絡數據服務器技術
•準確再現城市三維景觀，實時瀏覽、實時編輯，隨時調整視點和方案，基本滿足規劃
可視化決策支持和輔助方案設計；
•實現空間數據與屬性數據的綁定，實現GIS圖形編輯、註釋、查詢、以及空間分析等
功能基本功能；
縱然有以上這麼多的優點，但是TerraSuite也有其自身不足之處：
•複雜的模型還是無法建立，必需藉助第三方建模軟件，如3D MAX等；
•在TerraExplorer瀏覽器上信息發佈的安全性不足，有可能造成信息泄漏；
•支持矢量輸入的數據格式太少，對於其他軟件製作的地理專題圖需要無損失轉換有時
是很困難的，數據輸出格式也很單一；
•GIS分析功能略顯不足，現有的查詢分析功能比較簡單；
總的來說TerraSuite雖然在複雜建模、信息發佈安全性、GIS分析功能上還稍顯不足，但是疵不掩瑕，其在拓寬規劃分析手段，輔助方案設計、提供可視化決策支持還是起到了決定性的作用。加載GPS模塊的Skyline TerraSuite拓寬了應用前景，將在跟蹤定位、交通、公安、消防、救護方面產生積極作用。
6 結語
“數字城市”是“數字北海”目標，其過程也是複雜、繁重、長期的，最終要達到什麼樣的境界目前國內外還沒有具體統一的標準。但是可以肯定的說它不是一個單純的技術系統，而是人機結合的大型綜合集成體系，三維地理信息系統在城市規劃中的應用只是反映了部門領域中的一個側面。其中在三維城市模型的數據內容與數據快速獲取方法，多種類型數據的一體化管理與集成應用，海量數據的動態交互式可視化等關鍵技術方面還有待加強。相比其他領域，城市規劃管理問題具有特別的複雜性，其對 GIS技術提出了更高的要求。
(圖略,摘自第二屆中國國際數字城市大會論文集 聯繫方式:[email protected] )