三维仿真技术在智慧城市规划中的应用

三维仿真技术在智慧城市规划中的应用以南通市三维仿真平台建设为例杨李强 曹阳 张家根（南通市规划编制研究中心 江苏 南通市 226006）摘要：随着计算机软硬件技术和全社会信息化意识的发展，数字城市、智慧城市建设开始全面加速，传统的二维矢量数据在表达上缺乏直观性，已难以满足科学化精细化规划审批工作的需求。本文以智慧城市规划为出发点，以“南通市三维仿真平台”为实例，详细介绍了城市级别三维仿真平台的在技术路线、系统架构及功能模块等方面的设计理念与方法。关键词：三维仿真，智慧城市，城市规划1. 引言智慧城市规划是数字城市规划向更高阶段发展的表现，通过构建城市规划编制、规划实施和规划监察的智慧环境，形成基于海量信息互联和智能信息处理的规划编制、决策、管理技术平台。南通市三维仿真平台将南通市的城市规划从二维平面拓展到三维立体，并结合城市管网管理、文物保护、光照变化等模块，可使用户从微观和宏观多个空间尺度充分考虑任一建筑项目自身特点及与周边环境的相互关系，并进行科学的模拟和分析，从而实现智慧的城市规划。2. 三维城市规划系统建设意义智慧城市规划作为城市规划发展的前沿理念，以智能化的三维可视化技术手段降低二维平面状态下的读图及人工空间分析的难度，同时并结合景观生态学、经济学、城市管理等多学科知识，从多思路、多角度规划建设一个空间格局优化，产业布局合理，生态优美的具有可持续发展能力的城市。2.1 从二维平面到三维立体利用三维城市规划管理系统可以将现状与规划预期放入到城市景观的虚拟环境中，提供一个逼真的三维模拟环境，通过空间信息进行可视化技术分析、查询大量数据信息并以直观的方式显示结果，改变了长期以来城市规划管理部门惯有的二维、平面、孤立环境审批手段，避免部分规划在融入整个城市后出现单体景观与区域景观不协调的现象。2.2 辅助城市规划设计基于 GIS 的城市总体规划信息管理系统，可以根据不同的要求来对城市信息进行分类统计，构建相应的专题，直观了解城市现状，还可以通过系统提供的分析功能，进行更深层次的研究，从而对多种规划方案进行优选，提升城市规划设计的科学性。2.3 辅助规划审批通过对三维虚拟城市环境中地物的编辑，能够直观反映出报审建设项目与其周边城市现状环境之间的空间关系，及早发现并规避规划方案设计中的缺陷，从而提高建设工程报审效率，为城市规划管理提供审批决策依据。2.4 多学科多数据拓展通过对专业的数据进行加工处理，在三维仿真系统中展现出具有该专业特色的功能，从而保证城市规划从多思路、多角度考虑问题。例如景观生态学中各景观指标的计算、岩土专业中地质状况的分析、经济学中经济发展状况的分析等。3. 南通市三维仿真平台为加快实现南通市信息化进程，推动可持续发展，南通市规划局经过近 10 年的信息化工作积累，已经具备建立虚拟仿真管理系统的数据基础和开发条件。在此基础上，南通市规划局于 2013 年建成南通市三维仿真平台，并投入使用。3.1 系统架构南通市三维仿真平台系统在架构上分为了数据层、服务层、应用层、表现层。（1）数据层主要为南通现状三维模型数据、规划模型数据，地形地貌数据、二维矢量地形图数据、地下管线数据以及其他数据，是整个系统的数据基础；（2）服务层提供二三维数据融合的空间数据服务，数据以服务方式发布可有效进行数据管理，提高数据安全保护，还能同时满足局域网以及互联网的数据访问需要；（3）应用层为系统具备的各功能，为规划局各项具体业务提供应用服务。本系统主要针对规划业务以及地下管线业务进行定制性深度开发，以满足南通市现有业务应用需求；（4）表现层为系统最终呈现在用户面前的表现形式，本系统充分利用架构优势，既能满足互联网用户、便携用户，也能满足局域网用户。南通市三维仿真平台系统框架结构如图 1 所示。城市三维模型数据库城市三维模型数据库规划方案成果数据库规划方案成果数据库空间对象属性数据库空间对象属性数据库基础地理信息数据库基础地理信息数据库地下管线数据库地下管线数据库基 础 空 间 数 据 库表 现 层地形地貌数据库地形地貌数据库三维场景发布服务三维场景发布服务模型数据发布服务模型数据发布服务二维矢量数据服务二维矢量数据服务二维地图服务二维地图服务属性查询服务属性查询服务空间分析服务空间分析服务系 统 服 务三维场景展示模块三维场景展示模块规划报建审批模块规划报建审批模块规划辅助决策模块规划辅助决策模块地下管线模块地下管线模块系 统 各 功 能 模 块数据管理功能模块数据管理功能模块用户安全功能模块用户安全功能模块应 用 层服 务 层数 据 层图 1 南通市三维仿真平台系统架构图3.2 技术路线三维仿真平台的建设是以地形数据、高分辨率数字正射影像数据、各类规划成果数据为基础，充分利用 GIS 技术、图形图像处理技术、三维快速建模与仿真技术、数据库技术，建立具有二维地理信息查询分析，三维实时浏览，三维实时编辑，三维空间分析，二、三维同步交互浏览与查询，多源海量数据管理功能的二、三维集成的三维地理信息系统，以满足辅助城市规划设计与审批及规划业务管理的需要。图 2 为设计和实现本平台的技术路线图。图纠正调色航片D E M地形地貌模型M P T3 D M A X纹理采集编辑1 : 5 0 0 基础地形图三维地物模型二维矢量数据收集检查规划资料收集整理城市三维仿真环境需求调研 应用开发二维矢量数据及文本资料库三维仿真平台2 南通市三维仿真平台技术路线3.3 系统功能模块南通市三维仿真平台的功能主要由三维场景展示、三维护规划审批、地下管线模块、规划辅助决策分析、仿真工程数据管理、用户安全管理等功能模块构成（图 3）：系统功能模块划分如下：大场景三维浏览视点定义编辑图层管理热点定位路径漫游矢量图层叠加图形绘制二三维联动快照输出快速标注视频导出三维场景展示三维信息检索建筑单体查询片区信息查询用户管理区域地形分析与计算建筑光影分析视域通视分析建筑分类显示空间管制评定方案比选空间量算用户安全管理规划辅助决策分析模型编辑管理修详规评审重点审核方案报建重点审核竣工验收重点审核指标核算日照分析三维规划审批功能 仿真工程数据管理仿真工程管理仿真资源管理属性管理场景管理用户管理数据库设置规划厅成果展示网上公示功 能 模 块 集精细逼真三维场景浏览地下管线模块管线地图浏览管线查询统计管线辅助设计管线断面分析管线其他分析管线三维可视化权限管理日志管理服务管理图 3 南通市三维仿真平台功能模块3.4 规划功能实现南通市三维仿真平台在城市规划工作的应用主要体现在三个方面：（1）控制性详细规划；（2）修建性详细规划；（3）规划辅助决策分析。3.4.1 控制性详细规划与修建性详细规划三维仿真平台可以对设计单位提交的规划设计方案自动统计分析，计算用地与建筑的面积指标，比对设计提供的建筑统计表、面积分解表、用地平衡表、综合经济指标表等，查验容积率、绿地率、停车率等控制性参数的合理程度，最终做出整体方案评价、确定方案可行性、提出方案核查报告书，从而完成方案的核查校验工作。主要功能包括：自动统计生成各类图表与申报指标对比、与设计条件对比、与控规指标对比等生成报告（图 4、5） 。图 4 建筑指标统计表图 5 用地指标对比表3.4.2 规划辅助决策分析三维仿真平台支持三维场景的光影分析以及景观视域的模拟评估，可以实现多个评审方案的三维双屏对比，总平图对比，指标对比；可以在场景中添加新的模型，并修改添加模型的位置、方向和大小以及相关属性数据，实现辅助规划决策（图 6、7） 。图 6 窗户分析图 7 多方案对比4. 平台特点4.1 二三维数据一体化动态连接南通市三维仿真平台实现了二维 GIS 数据与三维仿真的无缝融合，通过提供海量二维数据在三维场景中的高性能可视化展现，实现二维分析功能在三维场景中的直接操作及结果显示。4.2 辅助市政综合管网管理南通市三维仿真平台实现了三维地下综合管网的三维可视化和应用，可进行基于行业标准的三维净距分析、埋深分析及设施搜索等，以及基于管网拓扑关系的爆管分析、连通分析等，与二维 GIS 形成一体化应用。4.3 历史建筑保护南通市三维仿真平台通过对南通市内的文物保护单位及优秀历史建筑进行了精细的建模，可以在规划设计和审批中进行多角度、全方位地考量对优秀历史建筑的影响，实现历史建筑的存档及永久性保存，并且可以模拟展示尚未挖掘或者已经湮灭了的遗址、遗存提高历史建筑的展出率和展出效果，突破时空限制发挥文物的价值。（图 8） 。图 8 保护文物三维模型4.4 实时光照技术该系统平台实现了各种实时光照效果、实时阴影计算和显示如早晨、黄昏、春夏秋冬四季等的实时变化。使三维场景更加逼真（图 9） 。图 9 城市场景多时段动态光照4.5 专业三维植物引擎系统摒弃了目前业界普遍采用的十字交叉树技术研发了专业的三维植物引擎，通过调整风速，使场景中的植物能够随风自然摆动，使得场景展现效果更加生动逼真。 （图 10） 。图 10 实时渲染的植物5. 结语通过三维仿真技术，南通市建成了集城市风貌展示、市政管网管理、文物保护等多功能于一体的三维仿真平台，并成功运用到城市规划管理、设计和审批中，极大的提高这些工作的效率和科学性，使南通市的城市规划从传统的数字化迈向了智慧化的进程，并带来了显著的经济和社会效应。随着规划设计理念的发展，计算机硬件设施和软件水平的提高，越来越多的学科可以通过三维仿真技术融入到城市规划中，从多方法、多角度辅助城市规划，实现更高程度的智慧城市规划。参考文献1 李德仁,邵振峰,杨小敏. 从数字城市到智慧城市的理论与实践J. 地理空间信息, 2011.12 (9-6):1-3.2 王昌翰,李响. 二维 GIS 与三维仿真结合的城市规划信息系统的设计与实现J.城市勘测, 2008(3):