張 唯，郭容寰，馮 琰，顧星曄

（上海市測繪院，上海 200063）

特大型城市三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫構(gòu)建及三維審批應(yīng)用研究

張 唯，郭容寰，馮 琰，顧星曄

（上海市測繪院，上海 200063）

城市精細(xì)化管理對城市規(guī)劃審批工作提出了更高要求，本文以上海為例研究特大型城市三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫構(gòu)建方法和要素內(nèi)容，根據(jù)特大型城市區(qū)域發(fā)展不均衡和管理需求多樣化特點，提出三維現(xiàn)狀場景精細(xì)分級標(biāo)準(zhǔn)，并將三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)納入基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對三維場景的生產(chǎn)、更新和應(yīng)用的高效管理。結(jié)合上海三維審批管理應(yīng)用需求，從設(shè)計條件、方案咨詢、方案審理和三維竣工等四個環(huán)節(jié)明確了三維現(xiàn)狀場景的具體應(yīng)用方法，其中三維竣工成果實現(xiàn)了城市三維現(xiàn)狀場景的動態(tài)更新。研究成果可為大型城市三維現(xiàn)狀場景構(gòu)建和三維審批工作的開展，以及其他相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用提供有益借鑒。

智慧城市；地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫；三維現(xiàn)狀場景；三維規(guī)劃審批

隨著社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模和速度日益加快，以上海為代表的特大型城市，城市建筑數(shù)量多、密度大、高層多，這給城市規(guī)劃審批管理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。當(dāng)前上海正在推進(jìn)“智慧城市”建設(shè)，也對上海規(guī)劃管理提出了更高要求[1]。傳統(tǒng)的規(guī)劃管理依據(jù)二維圖紙，無法直觀地表現(xiàn)城市三維空間形態(tài)，難以有效地對城市空間布局和景觀風(fēng)貌進(jìn)行精確管控。如何利用新技術(shù)提高規(guī)劃管理科學(xué)水平，是目前特大型城市發(fā)展亟需解決的問題。隨著計算機軟硬件的發(fā)展日趨成熟，將三維技術(shù)應(yīng)用于規(guī)劃管理工作，能為城市空間布局與管制提供強有力的技術(shù)手段[2]，能有效提高城市規(guī)劃管理的決策水平。城市三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建是開展三維規(guī)劃審批工作的前提，在上海已開展的三維審批工作中，為城市重點地區(qū)的規(guī)劃審批工作提供了重要依據(jù)，有助于塑造和諧、美觀的城市空間形象，進(jìn)一步提高城市規(guī)劃管理水平。

1 城市三維現(xiàn)狀場景

本文所提出的城市三維現(xiàn)狀場景是通過對城市建筑、道路、樹木、小品等要素以三維建模的方式表現(xiàn)，實現(xiàn)對城市現(xiàn)狀面貌的精確還原。相比以往國內(nèi)其它城市僅依靠城市三維建筑模型進(jìn)行管理和審批，城市三維現(xiàn)狀場景的要素內(nèi)容更加豐富，對城市現(xiàn)狀的表達(dá)更加精細(xì)，能更完整地表現(xiàn)城市現(xiàn)狀面貌，最大限度地保證三維場景和現(xiàn)實場景的相似度，為城市管理的各個領(lǐng)域特別是規(guī)劃審批管理提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 場景數(shù)據(jù)內(nèi)容

城市是人類生產(chǎn)生活聚集的場所，涉及眾多自然人文要素。城市三維現(xiàn)狀場景要還原城市現(xiàn)狀，既要考慮場景逼真度和精細(xì)效果，又要考慮三維場景建模工作量和數(shù)據(jù)量。因此在構(gòu)建過程中，必須對場景內(nèi)容進(jìn)行梳理和取舍，選取最主要的要素內(nèi)容進(jìn)行建模，才能在最大限度保證場景真實性的條件下，盡量減小建模工作量和三維場景的數(shù)據(jù)量。上海構(gòu)建城市三維現(xiàn)狀場景的過程中，選取了建筑物、高架橋、地面、樹木和小品等五類主要要素作為場景構(gòu)建的內(nèi)容（表1）。

表1 城市三維現(xiàn)狀場景要素內(nèi)容Table 1 The contents of the 3d status quo scene

1.2 場景精細(xì)分級

城市三維現(xiàn)狀場景由建筑物、高架橋、地面等要素構(gòu)成，場景的構(gòu)成要素越精細(xì)場景也就更逼真，但數(shù)據(jù)量也相應(yīng)會更大?？紤]到特大型城市面積廣，城市區(qū)域發(fā)展不平衡，不同區(qū)域規(guī)劃管理工作的重點側(cè)重有所不同，因此在三維現(xiàn)狀場景的構(gòu)建過程中，需要對不同區(qū)域場景構(gòu)建的精細(xì)程度有所區(qū)分。

上海城市三維現(xiàn)狀場景構(gòu)建過程中，提出了精細(xì)分級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)城市區(qū)域功能定位不同，將整個城市區(qū)域劃分為一般區(qū)域、商業(yè)中心、公共活動中心、交通樞紐、歷史風(fēng)貌區(qū)、重要濱水和風(fēng)景區(qū)、市級中心和副中心等類型，

再結(jié)合不同區(qū)域規(guī)劃審批管理的側(cè)重點不同，按照精細(xì)程度由低到高依次劃分為標(biāo)準(zhǔn)場景、精細(xì)場景和超精細(xì)場景三個級別，其中精細(xì)場景根據(jù)區(qū)域性質(zhì)不同又分為I級和II級兩類（表2）。

表2 城市三維現(xiàn)狀場景精細(xì)分級Table 2 The classification of the 3D status quo scene

特大型城市三維現(xiàn)狀場景的構(gòu)建工作量非常大，將城市按區(qū)域不同按需建立相應(yīng)級別的場景，能最大限度地縮短場景構(gòu)建和更新周期，降低場景構(gòu)建成本，滿足不同層次的管理和應(yīng)用需求。如果特定區(qū)域的管理需求有所變化需要提升相應(yīng)場景的精細(xì)級別時，可根據(jù)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)對三維現(xiàn)狀場景中的一個或幾種元素進(jìn)行精細(xì)化加工處理，就可快速地提升場景精細(xì)級別滿足管理應(yīng)用需求。上海地區(qū)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)和超精細(xì)的不同級別場景如圖1所示。

圖1 上海城市三維現(xiàn)狀標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)和超精細(xì)場景Fig.1 The standard, fine and super fine 3D scenes of shanghai

1.3 三維現(xiàn)狀場景構(gòu)建

城市三維現(xiàn)狀場景包含多種要素，每類要素建模方法有所不同，同類要素因數(shù)據(jù)源不同采用的建模方法也有所區(qū)別[3]。因此城市三維現(xiàn)狀場景的構(gòu)建必須采用多種方法的融合，通過不同要素的建模和整合，最終形成一個無縫銜接的完整場景。上海城市三維現(xiàn)狀場景構(gòu)建時，根據(jù)區(qū)域重要性和數(shù)據(jù)源不同，對精細(xì)程度不同的模型采用了不同的建模方法[4]。重點區(qū)域超精細(xì)場景（如陸家嘴）構(gòu)建時，建筑物建模采用了精度達(dá)厘米級的機載激光掃描（LIDAR）方法，地面和小品則采用全建模方式表現(xiàn)，樹木采用精細(xì)的多面片的三維樹；其它區(qū)域的精細(xì)場景和標(biāo)準(zhǔn)場景，建筑物的制作主要采取了航空攝影測量方法，其精度稍低但數(shù)據(jù)處理較簡單、建模效率高，地面采用數(shù)字高程模型（DEM）疊合航空影像的方式進(jìn)行表現(xiàn)，樹木采用了以十字面片樹為主，結(jié)合部分多片面三維樹的表現(xiàn)方式。上海城市三維現(xiàn)狀場景的構(gòu)建方法如圖2所示。

2 三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

2.1 三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫建設(shè)

特大型城市的城市三維現(xiàn)狀場景由于覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)量極大，且場景分為不同精細(xì)等級，傳統(tǒng)的基于文件管理方式已不能滿足要求，特別在場景更新時表現(xiàn)得更為突出[5]。為實現(xiàn)城市三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)的有效管理，借鑒二維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)的管理方式，在國內(nèi)首次將城市三維場景納入到基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，采用大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle存儲三維模型數(shù)據(jù)，基于ArcGIS平臺管理，通過ArcSDE實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的訪問和操作[6]。數(shù)據(jù)庫中通過模型表、紋理表、場景信息表、圖幅信息表等，將城市三維現(xiàn)狀場景中的每個“部件”都作為單獨對象，通過空間位置對整個場景的所有要素進(jìn)行統(tǒng)一管理。場景中的模型經(jīng)格式轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為MultiPatch數(shù)據(jù)類型，通過空間數(shù)據(jù)引擎ArcSDE實現(xiàn)對Oracle的增加、刪除和更新操作，達(dá)到對三維數(shù)據(jù)管理和維護的目的。三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫的框架如圖3所示。

圖2 三維現(xiàn)狀場景構(gòu)建方法Fig.2 The construction methods of the 3D status quo scene

圖3 三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫框架Fig.3 The framework of the 3D status quo scene database

2.2 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)建設(shè)

三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)量大且類型復(fù)雜，不便于日常管理和更新維護。針對上海城市三維現(xiàn)狀場景的日常生產(chǎn)、更新和應(yīng)用的需求，研究了相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)對三維模型和屬性數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理[7]，包含數(shù)據(jù)加載、瀏覽、檢查統(tǒng)計、查詢和交換等模塊（圖4）。利用該管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)的入庫、提取和瀏覽等操作，還可對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、檢查和統(tǒng)計，并可對數(shù)據(jù)庫中的指定對象進(jìn)行

更新，在實際工作中滿足了上海城市三維現(xiàn)狀場景的生產(chǎn)和管理應(yīng)用需求。

圖4 三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)Fig.4 The database management system of the 3D status quo scene

3 城市三維現(xiàn)狀場景的三維審批應(yīng)用

上海自2013年3月1日起對重點地區(qū)的公共設(shè)施建設(shè)工程，在全國率先啟動建設(shè)工程設(shè)計方案三維審批規(guī)劃管理試點工作。針對試點工作的需求，本文研究解決了三維現(xiàn)狀場景應(yīng)用存在的難點，實現(xiàn)了大范圍三維現(xiàn)狀場景網(wǎng)絡(luò)共享；設(shè)計了三維現(xiàn)狀場景的具體應(yīng)用環(huán)節(jié)和方法，使審批人員在項目行政審批管理過程中，按需調(diào)用三維現(xiàn)狀場景和插入規(guī)劃方案，實現(xiàn)城市三維空間的規(guī)劃管理[8～11]。

3.1 三維現(xiàn)狀場景共享

上海已建成的地理信息公共服務(wù)平臺，利用現(xiàn)代信息服務(wù)技術(shù)，對各種分布式的、異構(gòu)的地理信息資源進(jìn)行組織與管理，在多重網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實現(xiàn)各種地理信息資源的整合與共享，為政府、企事業(yè)單位和公眾提供信息瀏覽、查詢檢索、信息加載、系統(tǒng)搭建等地理信息綜合服務(wù)[12]。將城市三維現(xiàn)狀場景通過地理信息公共服務(wù)平臺進(jìn)行服務(wù)共享，通過政務(wù)網(wǎng)，上海市區(qū)兩級規(guī)劃管理部門都可根據(jù)管理權(quán)限瀏覽到相應(yīng)審批區(qū)域的城市三維現(xiàn)狀場景。

同時依托地理信息公共服務(wù)平臺的相關(guān)三維瀏覽、量測和分析服務(wù)，與規(guī)劃審批辦公業(yè)務(wù)系統(tǒng)相結(jié)合，審批人員可在“一書兩證”系統(tǒng)中調(diào)取三維場景，插入待審批方案，查看待審批項目與周邊建筑在體量、高度等方面的相互關(guān)系是否協(xié)調(diào)，還可在三維場景中實時量測方案的各項指標(biāo)，分析項目方案對相鄰居住環(huán)境所產(chǎn)生的影響。

3.2 應(yīng)用環(huán)節(jié)設(shè)計

依據(jù)《行政許可法》、《城鄉(xiāng)規(guī)劃條例》等法律法規(guī)要求，本文還對三維技術(shù)手段應(yīng)用于規(guī)劃審批的具體環(huán)節(jié)進(jìn)行了研究。通過分析從項目準(zhǔn)備報建到項目竣工的整個審批流程，明確各個不同階段的應(yīng)用需求，設(shè)計了各環(huán)節(jié)中三維技術(shù)具體應(yīng)用方法，確立了在設(shè)計條件、方案咨詢、方案審理和竣工驗收四個環(huán)節(jié)，利用三維場景和技術(shù)手段輔助規(guī)劃審批管理工作[13]。各環(huán)節(jié)與現(xiàn)狀三維場景數(shù)據(jù)庫的交互關(guān)系如圖5所示。

（1）設(shè)計條件環(huán)節(jié)

審批人員根據(jù)試點工作的文件要求，確定建設(shè)項目需要進(jìn)行三維審批并告知行政相對人，行政相對人按需要可通過網(wǎng)絡(luò)獲取項目周邊的城市三維現(xiàn)狀場景，輔助項目方案設(shè)計，在項目方案設(shè)計階段就充分考慮方案與周邊場景的協(xié)調(diào)性。

（2）方案咨詢環(huán)節(jié)

需要咨詢專家意見的項目方案，在方案咨詢過程中將設(shè)計方案插入城市三維現(xiàn)狀場景中直觀呈現(xiàn)方案建成后成果，還可對多套方案進(jìn)行比選，為相關(guān)專家出具書面咨詢意見提供依據(jù)。

（3）方案審理環(huán)節(jié)

項目方案報建后審理人員在“一書兩證”系統(tǒng)中調(diào)取瀏覽三維現(xiàn)狀場景，并“植入”報建方案，同時利用查詢、量測和分析工具，對方案的景觀效果和各項指標(biāo)進(jìn)行審理，根據(jù)方案的實際情況出具審批意見。

（4）竣工驗收環(huán)節(jié)

項目建成后城市三維現(xiàn)狀發(fā)生了變更，在竣工驗收環(huán)節(jié)進(jìn)行三維竣工驗收，建立項目方案驗收的三維模型電子資料并歸檔，可以更新三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫。在三維審批應(yīng)用的過程中，本文還研究了三維竣工的電子模型建模的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了城市三維現(xiàn)狀的動態(tài)更新，保證了城市三維現(xiàn)狀數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性。

圖5 城市現(xiàn)狀場景在三維審批的應(yīng)用環(huán)節(jié)Fig.5 The application procedures of the 3D status quo scene in Shanghai 3D planning trial

以城市三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫的建設(shè)為基礎(chǔ)，上海自2013年起開展三維規(guī)劃審批試點工作，先后在上海歷史文化風(fēng)貌保護區(qū)、虹橋商務(wù)區(qū)和國際旅游度假區(qū)、佘山和淀山湖等自然風(fēng)貌保護區(qū)等地區(qū)的規(guī)劃審批管理中，為控制城市空間布局、協(xié)調(diào)城市風(fēng)貌景觀發(fā)揮積極作用。其中黃浦區(qū)179地塊改造項目位于外灘歷史風(fēng)貌保護區(qū)，適用于電子報建三維審批管理范圍。項目設(shè)計階段，設(shè)計人員根據(jù)周邊三維現(xiàn)狀場景指導(dǎo)設(shè)計工作的開展，設(shè)計了兩套指標(biāo)都符合規(guī)劃要求，但風(fēng)格差異較明顯的方案。在項目咨詢和審理階段，審批人員和各方專家在三維場景中利用空間量測、定點觀察、視線分析、日照分析、多屏方案比對等技術(shù)手段[14]，多角度、全方位地分析了不同方案對外灘歷史風(fēng)貌保護區(qū)周邊歷史風(fēng)貌景觀所產(chǎn)生的影響，最終選擇了風(fēng)格與周邊風(fēng)格協(xié)調(diào)一致的方案。方案的雙屏對比效果

如圖6所示。

圖6 黃浦區(qū)179地塊規(guī)劃方案雙屏比對Fig.6 The double screen camparison of the 179 block in Huangpu district

4 結(jié)論和展望

直觀的三維場景、有效的三維技術(shù)手段能提高城市管理特別是城市規(guī)劃管理的科學(xué)化水平。本文針對特大型城市三維現(xiàn)狀場景構(gòu)建范圍廣、數(shù)據(jù)量大和不易管理的特點，對城市三維現(xiàn)狀場景的內(nèi)容要素進(jìn)行了梳理，確立了以建筑物、地面等五類主要模型為場景的內(nèi)容；結(jié)合特大型城市區(qū)域發(fā)展不均衡、不同區(qū)域管理需求多樣化的特點，提出了城市三維現(xiàn)狀場景的分級標(biāo)準(zhǔn)，將特大型城市三維現(xiàn)狀場景劃分為標(biāo)準(zhǔn)、精細(xì)和超精細(xì)級別；根據(jù)特大型城市三維現(xiàn)狀場景應(yīng)用需求，首次在國內(nèi)將城市三維現(xiàn)狀場景納入到基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫，利用數(shù)據(jù)庫對場景進(jìn)行高效管理，并開發(fā)了相應(yīng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)實現(xiàn)場景數(shù)據(jù)庫的提取、導(dǎo)入、應(yīng)用和更新，構(gòu)建起了能應(yīng)用于實際規(guī)劃管理審批工作的三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫。

同時，結(jié)合上海三維審批工作推進(jìn)的需求，本文利用上海已建設(shè)的地理信息公共服務(wù)云平臺對三維場景進(jìn)行服務(wù)共享，并系統(tǒng)研究了三維現(xiàn)狀場景應(yīng)用于審理管理的流程環(huán)節(jié)和應(yīng)用方法，從設(shè)計條件、方案咨詢、方案審理和三維竣工等四個環(huán)節(jié)，明確了三維現(xiàn)狀場景如何具體服務(wù)于規(guī)劃審批工作，所研究的三維竣工的方法，能實現(xiàn)城市三維現(xiàn)狀場景的動態(tài)更新，保證三維現(xiàn)狀場景數(shù)據(jù)庫的現(xiàn)勢性。本文所研究的相關(guān)成果，在上海已推行的建設(shè)方案電子報建三維審批工作中，得到了實際的應(yīng)用。

逼真的城市三維現(xiàn)狀場景能應(yīng)用于城市管理的方方面面，隨著應(yīng)用的進(jìn)一步擴展，城市三維現(xiàn)狀場景要素內(nèi)容、分級標(biāo)準(zhǔn)以及數(shù)據(jù)庫管理方法上需要根據(jù)其它領(lǐng)域的管理需求相結(jié)合，標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行一定的補充和細(xì)化，同時城市三維現(xiàn)狀場景的更新維護機制和方法也有待進(jìn)一步的豐富和完善。

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Development of databases for three-dimensional status-quo scenes in massive cities

ZHANG Wei, GUO Rong-Huan, FENG Yan, GU Xing-Ye
(Shanghai Surveying and Mapping Institute, Shanghai 200063, China)

Increased management of large urban centers has created a higher demand for city planning. Using Shanghai as an example, this paper studies database construction for three-dimensional (3D) status quo scenes in massive cities. The contents and production methods for 3D status quo scenes are described, and 3D scene classification standards are systematically proposed. In order to manage and apply 3D scene data, database technology was used to incorporate 3D status quo scenes into a basic geographic database. Taking Shanghai 3D planning approval requirements into account, the application can produce design conditions, program advice and trials, and 3D acceptance surveys. Further, the 3D acceptance survey method can update the 3D status quo scene dynamically. Research in this paper has been used in a Shanghai 3D planning trial that began on March 1, 2013, and thus can provide useful insight into building 3D status quo scenes in other large cities.

wisdom city; cartography and GIS; database; three-dimensional status-quo scene; three-dimensional planning management

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.02.015

F208

A

2095-1329(2015)02-0066-05

2014-11-21

2015-01-20

張唯(1985-),男,碩士,工程師,主要從事城市三維地理信息研究與應(yīng)用.

電子郵箱: zhangweiwd2003@163.com

聯(lián)系電話: 021-62549550×8143

國家測繪地理信息局現(xiàn)代工程測量重點實驗室開放基金課題(TJES1309)