三維仿真技術(shù)在智慧城市規(guī)劃中的應(yīng)用

1、三維仿真技術(shù)在智慧城市規(guī)劃中的應(yīng)用 以南通市三維仿真平臺建設(shè)為例楊李強 曹陽 張家根南通市規(guī)劃編制研究中心 江蘇 南通市 226006摘要：隨著電腦軟硬件技術(shù)和全社會信息化意識的發(fā)展，數(shù)字城市、智慧城市建設(shè)開始全面加速，傳統(tǒng)的二維矢量數(shù)據(jù)在表達上缺乏直觀性，已難以滿足科學(xué)化精細(xì)化規(guī)劃審批工作的需求。本文以智慧城市規(guī)劃為出發(fā)點，以“南通市三維仿真平臺”為實例，詳細(xì)介紹了城市級別三維仿真平臺的在技術(shù)路線、系統(tǒng)架構(gòu)及功能模塊等方面的設(shè)計理念與方法。關(guān)鍵詞：三維仿真，智慧城市，城市規(guī)劃1. 引言智慧城市規(guī)劃是數(shù)字城市規(guī)劃向更高階段發(fā)展的表現(xiàn)，通過構(gòu)建城市規(guī)劃編制、規(guī)劃實施和規(guī)劃監(jiān)察的智慧環(huán)境，形成基于

2、海量信息互聯(lián)和智能信息處理的規(guī)劃編制、決策、管理技術(shù)平臺。南通市三維仿真平臺將南通市的城市規(guī)劃從二維平面拓展到三維立體，并結(jié)合城市管網(wǎng)管理、文物保護、光照變化等模塊，可使用戶從微觀和宏觀多個空間尺度充分考慮任一建筑項目自身特點及與周邊環(huán)境的相互關(guān)系，并進行科學(xué)的模擬和分析，從而實現(xiàn)智慧的城市規(guī)劃。2. 三維城市規(guī)劃系統(tǒng)建設(shè)意義智慧城市規(guī)劃作為城市規(guī)劃發(fā)展的前沿理念，以智能化的三維可視化技術(shù)手段降低二維平面狀態(tài)下的讀圖及人工空間分析的難度，同時并結(jié)合景觀生態(tài)學(xué)、經(jīng)濟學(xué)、城市管理等多學(xué)科知識，從多思路、多角度規(guī)劃建設(shè)一個空間格局優(yōu)化，產(chǎn)業(yè)布局合理，生態(tài)優(yōu)美的具有可持續(xù)發(fā)展能力的城市。2.1 從二維

3、平面到三維立體利用三維城市規(guī)劃管理系統(tǒng)可以將現(xiàn)狀與規(guī)劃預(yù)期放入到城市景觀的虛擬環(huán)境中，提供一個逼真的三維模擬環(huán)境，通過空間信息進行可視化技術(shù)分析、查詢大量數(shù)據(jù)信息并以直觀的方式顯示結(jié)果，改變了長期以來城市規(guī)劃管理部門慣有的二維、平面、孤立環(huán)境審批手段，防止部分規(guī)劃在融入整個城市后出現(xiàn)單體景觀與區(qū)域景觀不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。2.2 輔助城市規(guī)劃設(shè)計基于GIS的城市總體規(guī)劃信息管理系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的要求來對城市信息進行分類統(tǒng)計，構(gòu)建相應(yīng)的專題，直觀了解城市現(xiàn)狀，還可以通過系統(tǒng)提供的分析功能，進行更深層次的研究，從而對多種規(guī)劃方案進行優(yōu)選，提升城市規(guī)劃設(shè)計的科學(xué)性。2.3 輔助規(guī)劃審批通過對三維虛擬城市環(huán)

4、境中地物的編輯，能夠直觀反映出報審建設(shè)項目與其周邊城市現(xiàn)狀環(huán)境之間的空間關(guān)系，及早發(fā)現(xiàn)并躲避規(guī)劃方案設(shè)計中的缺陷，從而提高建設(shè)工程報審效率，為城市規(guī)劃管理提供審批決策依據(jù)。2.4 多學(xué)科多數(shù)據(jù)拓展通過對專業(yè)的數(shù)據(jù)進行加工處理，在三維仿真系統(tǒng)中展現(xiàn)出具有該專業(yè)特色的功能，從而保證城市規(guī)劃從多思路、多角度考慮問題。例如景觀生態(tài)學(xué)中各景觀指標(biāo)的計算、巖土專業(yè)中地質(zhì)狀況的分析、經(jīng)濟學(xué)中經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r的分析等。3. 南通市三維仿真平臺為加快實現(xiàn)南通市信息化進程，推動可持續(xù)發(fā)展，南通市規(guī)劃局經(jīng)過近10年的信息化工作積累，已經(jīng)具備建立虛擬仿真管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和開發(fā)條件。在此基礎(chǔ)上，南通市規(guī)劃局于2013年建

5、成南通市三維仿真平臺，并投入使用。3.1 系統(tǒng)架構(gòu)南通市三維仿真平臺系統(tǒng)在架構(gòu)上分為了數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層、表現(xiàn)層。1數(shù)據(jù)層主要為南通現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)、規(guī)劃模型數(shù)據(jù)，地形地貌數(shù)據(jù)、二維矢量地形圖數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)以及其他數(shù)據(jù)，是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)；2服務(wù)層提供二三維數(shù)據(jù)融合的空間數(shù)據(jù)服務(wù)，數(shù)據(jù)以服務(wù)方式發(fā)布可有效進行數(shù)據(jù)管理，提高數(shù)據(jù)安全保護，還能同時滿足局域網(wǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)訪問需要；3應(yīng)用層為系統(tǒng)具備的各功能，為規(guī)劃局各項具體業(yè)務(wù)提供給用服務(wù)。本系統(tǒng)主要針對規(guī)劃業(yè)務(wù)以及地下管線業(yè)務(wù)進行定制性深度開發(fā)，以滿足南通市現(xiàn)有業(yè)務(wù)應(yīng)用需求；4表現(xiàn)層為系統(tǒng)最終呈現(xiàn)在用戶面前的表現(xiàn)形式，本系統(tǒng)充分利用

6、架構(gòu)優(yōu)勢，既能滿足互聯(lián)網(wǎng)用戶、便攜用戶，也能滿足局域網(wǎng)用戶。南通市三維仿真平臺系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1 南通市三維仿真平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖3.2 技術(shù)路線三維仿真平臺的建設(shè)是以地形數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、各類規(guī)劃成果數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，充分利用GIS技術(shù)、圖形圖像處理技術(shù)、三維快速建模與仿真技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)，建立具有二維地理信息查詢分析，三維實時瀏覽，三維實時編輯，三維空間分析，二、三維同步交互瀏覽與查詢，多源海量數(shù)據(jù)管理功能的二、三維集成的三維地理信息系統(tǒng)，以滿足輔助城市規(guī)劃設(shè)計與審批及規(guī)劃業(yè)務(wù)管理的需要。圖2為設(shè)計和實現(xiàn)本平臺的技術(shù)路線圖。圖2 南通市三維仿真平臺技術(shù)路線3.3 系統(tǒng)功能模塊

7、南通市三維仿真平臺的功能主要由三維場景展示、三維護規(guī)劃審批、地下管線模塊、規(guī)劃輔助決策分析、仿真工程數(shù)據(jù)管理、用戶安全管理等功能模塊構(gòu)成圖3：系統(tǒng)功能模塊劃分如下：圖3 南通市三維仿真平臺功能模塊3.4 規(guī)劃功能實現(xiàn)南通市三維仿真平臺在城市規(guī)劃工作的應(yīng)用主要表達在三個方面：1控制性詳細(xì)規(guī)劃；2修建性詳細(xì)規(guī)劃；3規(guī)劃輔助決策分析。3.4.1 控制性詳細(xì)規(guī)劃與修建性詳細(xì)規(guī)劃三維仿真平臺可以對設(shè)計單位提交的規(guī)劃設(shè)計方案自動統(tǒng)計分析，計算用地與建筑的面積指標(biāo)，比對設(shè)計提供的建筑統(tǒng)計表、面積分解表、用地平衡表、綜合經(jīng)濟指標(biāo)表等，查驗容積率、綠地率、停車率等控制性參數(shù)的合理程度，最終做出整體方案評價、確定

8、方案可行性、提出方案核查報告書，從而完成方案的核查校驗工作。主要功能包括：自動統(tǒng)計生成各類圖表與申報指標(biāo)比照、與設(shè)計條件比照、與控規(guī)指標(biāo)比照等生成報告圖4、5。圖4 建筑指標(biāo)統(tǒng)計表圖5 用地指標(biāo)比照表3.4.2 規(guī)劃輔助決策分析三維仿真平臺支持三維場景的光影分析以及景觀視域的模擬評估，可以實現(xiàn)多個評審方案的三維雙屏比照，總平圖比照，指標(biāo)比照；可以在場景中添加新的模型，并修改添加模型的位置、方向和大小以及相關(guān)屬性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)輔助規(guī)劃決策圖6、7。圖6 窗戶分析圖7 多方案比照4. 平臺特點4.1 二三維數(shù)據(jù)一體化動態(tài)連接南通市三維仿真平臺實現(xiàn)了二維GIS數(shù)據(jù)與三維仿真的無縫融合，通過提供海量二維數(shù)

9、據(jù)在三維場景中的高性能可視化展現(xiàn)，實現(xiàn)二維分析功能在三維場景中的直接操作及結(jié)果顯示。4.2 輔助市政綜合管網(wǎng)管理南通市三維仿真平臺實現(xiàn)了三維地下綜合管網(wǎng)的三維可視化和應(yīng)用，可進行基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的三維凈距分析、埋深分析及設(shè)施搜索等，以及基于管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的爆管分析、連通分析等，與二維GIS形成一體化應(yīng)用。4.3 歷史建筑保護南通市三維仿真平臺通過對南通市內(nèi)的文物保護單位及優(yōu)秀歷史建筑進行了精細(xì)的建模，可以在規(guī)劃設(shè)計和審批中進行多角度、全方位地考量對優(yōu)秀歷史建筑的影響，實現(xiàn)歷史建筑的存檔及永久性保存，并且可以模擬展示尚未挖掘或者已經(jīng)湮滅了的遺址、遺存提高歷史建筑的展出率和展出效果，突破時空限制發(fā)揮文物

10、的價值。圖8。圖8 保護文物三維模型4.4 實時光照技術(shù)該系統(tǒng)平臺實現(xiàn)了各種實時光照效果、實時陰影計算和顯示如早晨、黃昏、春夏秋冬四季等的實時變化。使三維場景更加逼真圖9。圖9 城市場景多時段動態(tài)光照4.5 專業(yè)三維植物引擎系統(tǒng)摒棄了目前業(yè)界普遍采用的十字交叉樹技術(shù)研發(fā)了專業(yè)的三維植物引擎，通過調(diào)整風(fēng)速，使場景中的植物能夠隨風(fēng)自然擺動，使得場景展現(xiàn)效果更加生動逼真。圖10。圖10 實時渲染的植物5. 結(jié)語通過三維仿真技術(shù)，南通市建成了集城市風(fēng)貌展示、市政管網(wǎng)管理、文物保護等多功能于一體的三維仿真平臺，并成功運用到城市規(guī)劃管理、設(shè)計和審批中，極大的提高這些工作的效率和科學(xué)性，使南通市的城市規(guī)劃從傳統(tǒng)的數(shù)字化邁向了智慧化的進程，并帶來了顯著的經(jīng)濟和社會效應(yīng)。隨著規(guī)劃設(shè)計理念的發(fā)展，電腦硬件設(shè)施和軟件水平的提高，越來越多的學(xué)科可以通過三維仿真技術(shù)融入到城市規(guī)劃中，從多方法、多角度輔助城市規(guī)劃，實現(xiàn)更高程度的智慧城市規(guī)劃。參考文獻1 李德仁,邵振峰,楊小敏. 從數(shù)字城市到智慧城市的理論與實踐J. 地理空間信息, 2011.12 (9-6):1-3.2 王昌翰,李響. 二維GIS與三維仿真結(jié)合的城市規(guī)劃信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)J.城市勘測, 2008(3):10-13.3 龔競,張新長,唐楨. 三維城市規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)研究J. 測繪通