利用三维仿真技术辅助城市规划决策

2011-08-10 04:46李大超
城市勘测 2011年4期
关键词:城市规划建筑物决策

李大超

(合肥市测绘设计研究院,安徽 合肥 230061)

1 前言

利用三维仿真技术辅助城市规划决策,可以在仿真的城市场景中实时互动地评估与分析规划方案,为规划管理者提供更加直观与科学的依据,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,是当今城市规划信息化发展的重要方向。合肥市测绘设计研究院开发建设的“三维城市规划辅助决策系统”综合运用遥感技术、地理信息系统技术、虚拟现实技术、计算机可视化技术和数据库技术,采用城市大比例尺基本地形图数据、数字正摄影像数据(DOM)和数字高程模型数据(DEM)建立起具有较高地理精度的城市三维地形场景,在此基础上,集成建筑物、市政设施等三维模型,构建起整个城市三维景观,在电脑中构筑真实的城市面貌,为城市管理者面对复杂的城市,实施科学的、人文的、生态的规划,提供有力的决策手段。

2 系统设计目标与预期功能

系统总体设计目标:

以数字正射影像数据、地形数据和三维建筑模型数据为核心,充分利用影像和GIS技术的特点和优势,选取合适的三维平台,建立三维城市规划辅助决策系统。

总体功能要求实现:

(1)三维城市风貌的展现:现代卫星技术的发展为我们提供了更直观的了解城市风貌的条件,在沉浸式三维场景环境中,能实现数字城市的实时互动。将城市的复杂性整体客观地展示给管理者,利于及时掌握情况、客观分析问题和正确处理决策。

(2)城市三维地理信息系统的建立:结合城市基础地理信息数据(DEM、DOM、DLG、DRG),将现有的数据纳入到三维信息系统平台中,在实现城市风貌展示的同时,能提供在三维可视化环境中的属性信息查询和空间分析。

(3)城市规划辅助决策:三维城市规划辅助决策系统可以生动地展示城市的现在和未来,可以方便地辅助城市规划与城市管理工作,为规划审批提供决策服务。

3 三维开发平台的选取及系统建立

3.1 系统开发平台的选取

目前三维GIS平台可供选择的很多,如Google Earth、ESRI的ArcGlobe及ArcScene以及Skyline等。合肥市测绘设计研究院在综合三维平台展示效果及二次开发功能表现力上,选取了Skyline软件作为开发平台。

Skyline 由 TerraBuilder,TerraExplorer,TerraGate 等主要产品组成。TerraBuilder按照精确的三维地理信息模型将大量的影像、高程和矢量数据集中在一起并建立三维地理信息数据库;TerraGate则是用于将三维地理信息进行Internet发布的服务器端软件。TerraExplorer又可分为 TerraExplorer,TerraExplorer Pro以及TerraDeveloper,其中TerraExplorer Pro允许用户经由编辑、注记及分析资料,创建自己的3D可视化展示环境;TerraExplorer可允许用户免费浏览 TerraExplorer Pro所开发的专用功能并执行TerraExplorer所提供的基本功能;TerraDeveloper即TerraExplorer Pro的二次开发包,用户可利用它定制自己的应用程序。

3.2 系统设计架构

首先将处理好的数据(矢量数据、影像数据以及三维模型数据)放入到三维信息管理与发布平台中,该平台为规划应用系统提供环境数据支持,然后在该平台上搭建具体的城市规划应用系统。系统架构如图1所示。

图1 系统框架图

3.3 三维场景的建立

三维场景的建立主要包括两个方面,城市三维地形场景建立及建筑物三维模型建立。

(1)三维地形场景建立

利用数字正射影像与数字高程模型建立高精度的三维地形场景。要求DEM、DOM数据采用GEOTIFF格式或image格式,GEOTIFF压缩比采用1∶1,以保证影像精度不受损失。通过遥感处理软件对数据进行预处理和编辑,内容包括DEM在ArcGIS或Erdas里修改,DEM和DOM的格式、坐标转换,使之统一在WGS-84坐标系统下;然后利用TerraBuilder软件进行场景生成,获得MPT场景文件。

(2)建筑物三维模型建立

根据城市规划需求的不同,可以分为一般建筑物粗略建模和城市标志性建筑物精细建模两种。

①一般建筑物建模

这种建筑模型可以在Skyline软件TerraExplorer Pro里面来实现,其技术手段是首先根据影像上建筑的顶面勾画出该建筑的轮廓,然后在实地调查拍摄出建筑的纹理,利用图像处理软件进行纹理编辑,最后贴上该建筑的纹理,形成建筑模型。这样的方法优势是建立的建筑物模型是独立的对象,可以对每个建筑模型进行纹理编辑和修改,但缺点是不如在专门的三维软件里建立的模型精美。

②城市标志性建筑物精细建模

采用3ds Max软件来进行城市标志性建筑建模,首先根据系统需要选择和确定需要精细建模的建筑物,接着利用数码相机对所选择的建筑物进行数码拍摄,然后在3ds Max里建立模型,格式为3DS,最后利用其扩展模块转换成.X的格式。需要注意的是在3ds Max里建模要求构面尽可能的简化,纹理尽量数据小,单张纹理要求不多于1024 K。

4 三维仿真技术在城市规划中的应用实例

4.1 规划方案比较分析功能

通过模拟实际的三维场景,使城市的规划设计工作不在仅仅建立在二维的规划图纸上,三维的场景模型使规划变得简单直观,普通的百姓也能够参与到城市的规划中来。如某个城市现在想在道路两旁进行绿化工作,通过仿真模型,规划前后的样子一目了然,为设计者提供了思路。规划前后的样子如图2、图3所示。

图2 道路绿化前模拟图

图3 道路绿化后模拟图

4.2 日照分析功能

在城市建筑规划设计时,日照分析是必不可少的一个环节。通过对待规划建筑物的高度、形状进行模拟,利用TerraExplorer Pro提供的接口,在系统中很容易进行日照分析。例如,在城市的某个小区旁欲修建一座大厦,大厦对小区楼房的日照影响分析情况如图4~图6所示。

通过分析可知,几乎在整个上午的时间里,靠近大厦的楼房几乎全部被遮挡。

图4 上午8点分析

图5 上午10点分析

图6 中午12点分析

4.3 三维空间信息查询功能

将前期调查的建筑物属性信息输入数据库中,使用户在点击具体建筑物时,能够显示其详细的属性信息,在表达上更加直观,如图7所示。

图7 建筑物属性信息查询

5 系统的应用与推广

“合肥市三维城市规划辅助决策系统”主要应用于城市规划方案审批,目前已经在合肥市的滨湖新区、政务区、老城区的一些重点规划项目的方案评审中得到了实际应用,发挥了显著作用。另外,经过适当开发,系统可应用于灾难救助与研究:如发生森林火灾可直观察看什么地方有水源;在城市智能交通管理方面:如可以实时模拟从任意方向观察某一交通标志是否可见,三维城市模型可以提供所需要的空间数据;可用于房产管理:系统中每个城市建筑都带有楼层、住户、电话等属性信息,可直观查询、统计,不会产生房产管理上的遗漏现象;由此可见,系统可以广泛应用于环境研究与模拟、安全和防卫、旧城改造、汽车导航、虚拟旅游、微气候研究等诸多领域。

总之,凡使用平面地图的部门都可以利用三维地理信息系统,随着应用成本的下降,不断拓展应用领域,系统中的三维模型可以附带各领域的专业属性,为各行业的信息综合运用提供基础框架。

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