摘 要：隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)和發(fā)展，一些問題也逐漸顯現(xiàn)出來，影響了城市的可持續(xù)發(fā)展。而近幾年來，地理信息技術(shù)得到了快速的發(fā)展，使得人們?nèi)顺鞘械娜娓兄拥纳羁?，所以基于地理信息技術(shù)的城市三維模型在城市規(guī)劃中得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?yàn)槌鞘械囊?guī)劃分析提供比較科學(xué)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：城市三維模型；城市規(guī)劃；應(yīng)用

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，城市化程度越來越高，因此對(duì)城市的管理和規(guī)劃提出了更高的要求，而地理信息技術(shù)是屬于三維空間信息，與過去的平面二維相比，在空間分析能力和可視化效果上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，隨著GIS（地理信息系統(tǒng)）的發(fā)展和深入，人們?cè)谶M(jìn)行城市規(guī)劃的時(shí)候，越來越依賴地理信息技術(shù)，構(gòu)建三維城市模型，從而使得城市規(guī)劃師設(shè)計(jì)的方案能夠更加直觀，而不是像二平面二維設(shè)計(jì)僅僅是存在頭腦或是稿紙上，所以，對(duì)城市三維模型在城市規(guī)劃中的研究具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、三維城市規(guī)劃

隨著地理信息技術(shù)的不斷發(fā)展，城市三維模型已經(jīng)逐漸運(yùn)用到了城市規(guī)劃的各個(gè)階段了， 通過利用GIS來對(duì)城市進(jìn)行規(guī)劃分析、方案設(shè)計(jì)、展示以及審批等，相較平面二維環(huán)境，能夠解決更加復(fù)雜的問題，目前，我國(guó)在三維城市規(guī)劃方面付了很多的努力：

（一）在建立城市規(guī)劃系統(tǒng)方面。當(dāng)下我國(guó)一些學(xué)者將三維地理信息技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合運(yùn)用到其中，而這其中需要更多的三維模型空間分析方法，所以開發(fā)出了規(guī)劃管理系統(tǒng)以及三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)。

（二）在促進(jìn)規(guī)劃者和決策者的溝通方面。在規(guī)劃輔助審批系統(tǒng)以及輔助決策系統(tǒng)中，應(yīng)用三維地理信息技術(shù)，可以很好地輔助規(guī)劃者和決策者，因?yàn)槿S模型都是具有真實(shí)性的幾何信息數(shù)據(jù)，所以使得規(guī)劃者和決策者之間溝通起來也就更加的直觀、方便。

（三）在城市規(guī)劃管理方面。利用城市三維模型，在城市的規(guī)劃管理上可以處理許多問題，比如模擬和分析城市噪音、研究地面風(fēng)場(chǎng)環(huán)境、模擬研究城市突發(fā)事件等等。此外，在對(duì)災(zāi)害方面也可以運(yùn)用三維模型技術(shù)，如在發(fā)生地震災(zāi)害的地區(qū)，利用無人機(jī)技術(shù)對(duì)災(zāi)后地區(qū)進(jìn)行影像的捕捉，然后通過三維建模技術(shù)對(duì)災(zāi)后環(huán)境進(jìn)行分析，這也是近幾年來對(duì)規(guī)劃災(zāi)后重建時(shí)經(jīng)常用到的技術(shù)。

二、城市三維模型的構(gòu)建

（一）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和處理

1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。數(shù)據(jù)是構(gòu)建城市三維模型的一個(gè)基礎(chǔ)，其中主要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括遙感影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)、街景地圖、建筑物屬性及紋理照片，其中遙感影像數(shù)據(jù)、點(diǎn)云數(shù)據(jù)、CAD數(shù)據(jù)需要到相關(guān)部門中去獲取所需比例尺的DLG數(shù)據(jù)，街景地圖可以通過網(wǎng)絡(luò)在線獲取數(shù)據(jù)，而建筑物屬性及紋理照片則需要建模的工作人員進(jìn)行實(shí)地采集，由于城市每天的都在變化，這些數(shù)據(jù)肯定也會(huì)與實(shí)際有一定的差異，所以在實(shí)際工作中，還是應(yīng)該盡量滿足大部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)域的重合，對(duì)于發(fā)生變化的位置，應(yīng)當(dāng)按照最新數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.數(shù)據(jù)處理

（1）獲取城市空間框架。建立城市三維模型需要獲取城市空間框架，在框架的獲取中，建筑物的基底幾何數(shù)據(jù)通常是依據(jù)CAD數(shù)據(jù)，其高度通過測(cè)量機(jī)載LiDAR數(shù)據(jù)，建筑物的細(xì)部特征主要是通過從街景數(shù)據(jù)中讀取，其中表面細(xì)部大于0.2的細(xì)節(jié)特征就用模型表示，而側(cè)面紋理則是由實(shí)地拍照處理而成，城市部件以及一些比較小的外部特征通過街景和采集實(shí)地?cái)?shù)據(jù)的方式來獲取，位置數(shù)據(jù)則從CAD中獲取。

（2）數(shù)據(jù)處理。各個(gè)數(shù)據(jù)的處理流程如圖1，在數(shù)據(jù)處理過程中，還要用到統(tǒng)一的比例尺，一般來說，在建立城市三維模型的時(shí)候經(jīng)常采用的是1：2000、1：1000、1：500等比較大的比例尺，當(dāng)然，在實(shí)際建模中，必須根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用需求以及模型需要?jiǎng)澐值募?xì)節(jié)層次來決定。

圖1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理流程

（二）模型構(gòu)建

城市三維模型的構(gòu)建根據(jù)應(yīng)用需求的不同，在構(gòu)建的內(nèi)容上也存在著一些差異，大致可以分為以下幾步：

1.構(gòu)建地形模型。地形模型主要是根據(jù)地面的測(cè)量數(shù)據(jù)或者設(shè)計(jì)資料制作的三維模型，主要表達(dá)的是自然或者人工修筑地面的空間位置、幾何形態(tài)以及外觀效果。建立地面模型的方式主要有三種，一是從CAD數(shù)據(jù)中提取高程點(diǎn)，構(gòu)建TIN，從而生成規(guī)則格網(wǎng)DEM；二是從地形圖中提取等高線，進(jìn)而將等高線轉(zhuǎn)換生成地形模型DEM；三是通過分類點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后將地上的建筑物以及植物剔除，從而構(gòu)建地形模型DEM。

2.構(gòu)建建筑物模型。建筑物模型主要是根據(jù)測(cè)量建筑物數(shù)據(jù)或者設(shè)計(jì)資料制作的三維模型，顧名思義，這個(gè)表達(dá)的就是建筑物的空間位置、外觀效果以及幾何形態(tài)等。

（1）建筑物基底。根據(jù)實(shí)際的測(cè)量結(jié)果，然后選擇合適的比例尺以及正射影像，從而確定建模對(duì)象，并且在比例尺地形圖數(shù)據(jù)上勾勒出建筑物的基底。

（2）高度信息。在點(diǎn)云生成的數(shù)字表面模型上疊加正射影像圖，并且根據(jù)實(shí)際勘測(cè)信息，多次對(duì)建筑物高度進(jìn)行測(cè)量并求平均值，從而就可以得到真實(shí)的高度信息，提高建模的準(zhǔn)確性。

3、構(gòu)建城市部件模型。城市部件模型主要是根據(jù)測(cè)量的城市部件的數(shù)據(jù)或者設(shè)計(jì)資料制作的三維模型，這個(gè)模型主要體現(xiàn)的是城市中的交通設(shè)施、植被、水系以及其他的附屬設(shè)施等的空間位置、外觀效果、幾何形態(tài)。這其中當(dāng)然就主要包括構(gòu)建城市交通設(shè)施模型、植被模型、水系模型。

4、三維模型質(zhì)量控制。制作完城市三維模型以后，還需要做的工作就是對(duì)其進(jìn)行質(zhì)量檢查和質(zhì)量控制，如果沒有這個(gè)流程，就無法知道模型制作的是否正確，質(zhì)量有沒問題以及是否能夠在實(shí)際中使用。

5、烘焙。在制作模型的時(shí)候還應(yīng)當(dāng)注意的是，為了使三維模型最終的效果更加真實(shí)，在建模的時(shí)候可以將陰影、材質(zhì)、燈光等附加到模型上，對(duì)其進(jìn)行烘焙與渲染處理，這樣做的一個(gè)好處就是在以后處理一些大場(chǎng)景的時(shí)候，就可以不用計(jì)算燈光等，只需要對(duì)材質(zhì)進(jìn)行計(jì)算就可以了，從而提高處理場(chǎng)景的速度。

三、基于三維模型的城市規(guī)劃分析

在制定城市規(guī)劃的階段，不僅要利用計(jì)算機(jī)三維環(huán)境對(duì)空間進(jìn)行三維測(cè)量，還要根據(jù)我們?cè)谌粘Ｉ钪械男枰瑢?duì)建筑物進(jìn)行日照分析、通視分析、可視域分析、控高分析。

（一）三維測(cè)量。城市規(guī)劃人員在規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)候必須滿足《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)要求》以及《民用建筑設(shè)計(jì)通則》，而在這其中就要用到三維測(cè)量，比如測(cè)量空間距離、住宅間距、地塊面積、建筑面積以及進(jìn)行工程過程中需要的挖填方計(jì)算等。三維測(cè)量就是為這些面積、間距的設(shè)計(jì)提供合理的數(shù)據(jù)。

（二）日照分析。日照對(duì)于建筑物室內(nèi)的采光、取暖以及視覺等都有比較大的影響，所以對(duì)日照進(jìn)行分析主要是為了滿足建筑容積、建筑間距等對(duì)指標(biāo)的需求，從而防止遮擋光或者光污染等問題。日照分析主要包括四個(gè)方面，即遮擋分析、單點(diǎn)分析、窗洞分析以及日照仿真分析。在日照分析中需要對(duì)不同季節(jié)的日照情況對(duì)建筑物的高度、體積等的影響，并且計(jì)算出建筑物的日照時(shí)間、陰影面積等數(shù)據(jù)，然后通過三維模型展示現(xiàn)實(shí)光影效果。

（三）通視分析。通視分析主要是為了對(duì)建筑物的高度進(jìn)行控制，讓城市中一些重要的景點(diǎn)和景觀周圍的建筑都具有適合的尺度，從而保護(hù)景點(diǎn)或景觀的視覺效果。通視分析主要有兩種方法，一是可視域分析，就是給定一個(gè)觀察點(diǎn)，然后分析其所能觀察到的范圍；二是兩點(diǎn)或多點(diǎn)之間的可視性分析。

（四）控高分析?？馗叻治鲈谠诔鞘幸?guī)劃分析中比較重要，尤其是在一些風(fēng)景旅游城市，現(xiàn)在很多城市都有出現(xiàn)了超高建筑，但是超高建筑在一定程度上會(huì)破壞城市景觀的美感以及和諧，所以，控高對(duì)于城市規(guī)劃來說是十分重要的一個(gè)研究課題，控高分析就是檢測(cè)某一區(qū)域內(nèi)的建筑物有沒有超過高度要求的空間分析方法。

三、實(shí)際應(yīng)用概述

以河南鄭州市中原區(qū)為研究區(qū)，它的四面分別是嵩山路、工人路、伊河路、中原路，地勢(shì)比較平坦，高度差都在4m以內(nèi)，區(qū)域內(nèi)的面積為0.36km2，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主要包括的建筑設(shè)施有中小學(xué)、老年干部大學(xué)、省圖書館、藝術(shù)宮、科技館、檔案館、博物館以及其他文化設(shè)施、花園、自建民房、酒店、服務(wù)類的普通店面以及市政辦公大樓等。然后對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和實(shí)地勘查，利用上述方法建立城市三位模型，并且在此三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)鄭州市中原區(qū)0.36km2的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行城市規(guī)劃的分析，從結(jié)果可以看出，在這個(gè)研究部分內(nèi)應(yīng)用城市三維模型充分檢驗(yàn)了在城市規(guī)劃中的可行性、科學(xué)性以及正確性。

四、討論

綜上所述，在城市規(guī)劃中應(yīng)用三維模型技術(shù)進(jìn)行分析，不僅對(duì)城市的科學(xué)合理規(guī)劃能夠起到有效的促進(jìn)作用，還可以對(duì)城市化進(jìn)程中一些老城區(qū)改建等的拆遷面積計(jì)算、規(guī)劃設(shè)計(jì)效果提供幫助和支持，并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用檢驗(yàn)了城市三維模型在城市規(guī)劃中的可行性。雖然目我們采用的城市三維模型有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是還是存在著一些不足，比如缺乏城市三維模型與當(dāng)前城市發(fā)展的關(guān)聯(lián)，對(duì)模型真實(shí)屬性信息的獲取和表達(dá)也還相對(duì)比較缺乏，相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和城市規(guī)劃理論的不斷完善，城市三維模型技術(shù)在城市規(guī)劃中的應(yīng)用前景會(huì)越來越廣。

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作者簡(jiǎn)介：

王灝翔，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)生。研究方向：城市規(guī)劃。