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摘 要：通过介绍三维实景数字化模型系统，阐述该系统在城市规划领域的应用，三维GIS辅助城市规划提供科学有效的技术支持。
关键词：城市规划；三维GIS；空间分析
中图分类号：F49 文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2012）15-0101-02
一、项目建设背景
2009年末，哈尔滨市委在十二届七次全会中提出了“北跃、南拓、中兴、强县”的城市发展战略，并明确提出建设项目必须进行城市设计，着重强调了城市设计的重要性。按照“特色、和谐”的理念以及总体设计的要求，为提高哈尔滨市城市设计水平，哈尔滨市在深入研究当前国内外先进技术的基础上，组织引进并开发了哈尔滨市城乡规划科学决策系统，先后为哈尔滨市松花江沿岸景观设计及哈尔滨市百日城市设计等省市重点项目提供了相关的技术支持，并将100余项中观及微观城市景观设计纳入系统，加以三维辅助分析，为城市设计提供了更加科学化的依据，起到了重要的辅助决策作用，从而提高了规划审批的工作效率，系统成果总体达到了国内领先水平。
哈尔滨市城乡规划科学决策系统是运用计算机虚拟现实技术，实现对城市空间实体的重建和模拟，准确地描述城市立体空间布局，实现对城市建筑形态、单体建筑立面及色彩等多要素的有效控制。目前，北京、南宁、广州、厦门、重庆、武汉等国内大城市都已超前谋划并大力投入，将该技术广泛应用于规划、建设、管理、交通、旅游等行业中，让城市空间信息在服务、分析、决策和展示能力方面上一个新的台阶，取得了良好的效果。
二、项目建设解决的问题
哈尔滨市城乡规划决策系统的建设，可以将规划局目前建筑方案的二维审批模式转变到三维审批并辅助规划决策，并可利用GIS和VR技术，以3D建模互动技术和虚拟现实技术，如实表现三维信息；建成后的系统可应用于城市街景景观设计和规划方案成果的比选，通过调整建筑单体的纹理、位置、形体、高度、然后输出规划效果图，甚至是多媒体的动画展现，决策者还通过在三维的场景中任意漫游，可以发现许多不易察觉的设计缺陷，减少由于事先规划不周全而造成的无法挽回的损失与遗憾，从而打破规划设计在地理空间信息表达和处理方面的限制。
一是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以应用于规划局业务审批系统，利用GIS和VR技术，以3D建模互动技术和虚拟现实技术，辅助建筑单体设计方案审批。
二是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以实现对规划方案、建筑方案的多屏比较，城市景观设计的直观比选。
三是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以辅助城市街景景观设计和方案审批，在真三维立体空间中实现城市道路景观规划，对城市街道设施和广告等街道小品进行空间信息化管理，辅助城市色彩和灯光照明效果分析等三维街景信息化管理。
四是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以用于公眾服务，将城市三维数据和重点项目的规划方案及成果进行网络发布。
三、科学决策系统功能及特点
科学决策系统具有模型编辑、空间测量、查询统计、动画导航、交互浏览、鹰眼导航、控高分析、日照分析、通视分析、视域分析、指标分析、拆迁分析、绿地分析、方案对比、视觉走廊、设施管理、色彩分析、街景断面分析、三维发布、搜索定位、项目评价、二三维联动规划审批等二十多项功能。系统对于直观展示城市规划及现状提供了丰富的手段。
系统对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以三维立体视角给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。三维实景数字化模型辅助系统是从数据结构到空间查询和建模分析都建立在三维数据模型基础上的地理信息系统。三维实景数字化模型辅助系统通过有效集成各种现有规划管理服务，并逐步融入传统的规划审批流程中。
主要特点如下：
一是系统将二、三维GIS结合到一起。将传统的二维GIS中的一维、二维对象置于三维立体空间中，存贮它们的真实几何位置与空间拓扑关系，以表现这些对象在垂直方向上的变化和与其他对象之间的拓扑关系。无论在对象的建立、编辑、修改、存储的过程中，还是在对它们进行空间操作或输出分析结果时，系统都提供可视化的支持，从而创建真正的基于问题域的交互式可视化场景。
二是系统具备三维空间数据库管理。三维GIS的核心是三维空间数据库。它可由扩展的关系数据库系统或由面向对象的空间数据库系统来存储和管理三维空间对象。
三是三维空间分析。在二维GIS中，空间分析是GIS区别于CAD和科学计算可视化的特有功能。在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，使三维GIS明显地不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。
四是该系统与现有规划业务流程较好地结合。
五是系统具备较好的人机操作界面。规划者能够简单、便利地使用系统，对建筑、环境的规划审批提供辅助支持。
四、三维数据模型分类
第一，地形模型，包括：地形三维模型建模包含山体、水系和植被等地形地貌。
第二，建筑模型，包括：各类地上建筑物、各类地下建筑物、其他建（构）筑物等。
第三，交通设施模型，包括：道路、铁路及桥梁、道路附属设施等。
第四，其他模型，包括：其他模型主要包括除地形、建（构）筑物、交通设施以外的城市要素，可分为辅助系统和美化系统等两个大类。
五、网络平台数据更新与维护
网络平台实现海量影像数据、地形数据、三维场景模型的网络发布和应用服务。实现城市级海量影像数据、地形数据的更新与维护。
一是对影像、地形的增量与批量发布服务、管理。包括：城市级海量影像数据、地形数据的发布与管理；城市分区影像数据、地形数据的增量发布与管理；城市分区影像数据、地形数据的批量发布与管理；对已发布的地形数据的删除管理；
二是三维模型数据增量发布与更新。系统应具备全场景模型发布和局部场景模型增量发布能力。增量发布时，系统仅将新增的或被编辑过的模型数据进行网络发布处理，从而仅更新制作平台中有变化的数据。
三是属性数据单独更新与维护。在网络平台数据库中，二维属性信息与三维模型信息是分别存储的。对属性信息的更新，用户可以在后台进行属性信息的编辑。还可以通过网络发布，更新全部属性信息或部分属性信息，使网络平台与制作平台的属性信息保持一致。
六、项目建设的作用
一是运用现代科技手段服务于“北跃、南拓、中兴、强县”发展战略，为各级领导决策提供科学决策及三维展示平台；
二是哈尔滨市今后城市规划、建设、管理、交通、旅游等行业实现数字化、可视化管理的基础；
三是城市规划、建设、管理等各类业务和会议的交流平台；
四是全面展示城市总体规划、详细规划、专项规划、城市设计等各层面规划成果；
五是哈尔滨市城市规划展馆数字沙盘建设的前提条件；
六是将成为哈尔滨市提升城市形象和招商引资的重要展示手段；
七是公众参与城市规划，作为爱城市、爱家乡的载体；
八是系统作为城市信息产业的重要组成部分，将在城市道路、交通、旅游、应急、电信、医疗、商业、公共安全、数字警务、市政管线、数字国土、数字房产、数字城管等方面发挥重要作用；
九是保留城市发展和变迁的轨迹。将城市发展和建设的历史、现状和规划通过三维系统进行表现和保存，对城市的发展进行对比，展现城市建设发展的辉煌成就，是城市发展的宝贵历史资料。
七、系统与城市设计的关系
系统将城市设计概念引入规划建设管理，从空间尺度、形体尺度、色彩关系等方面，以城市三维空间的角度，利用三维辅助决策系统在空间环境中分析建设项目的功能，协调交通布局，建设项目与周边的相互关系，使项目功能性与审美性相统一，并与整体环境相一致。系统面向城市规划和城市设计，借助基础三维数据库、城市规划管理信息库等海量数据，虚拟再现城市真实环境，利用空间三维分析功能，让城市空间信息在服务、分析、决策和展示能力方面上一个新的台阶。
城市设计是从宏观、中观和微观三个层面实现城市规划布局、城市面貌、城市功能以及公共空间的和谐布局和分布的。三维虚拟空间的构建，保障了系统与城市设计空间关系的匹配；同时，通过时间序列的引入，使三维虚拟现实空间与时间完美结合。城市三维空间展示与辅助系统的基础来源于对现实的再现和对未来的正确推演，针对城市设计的三个层面，构建了合理的功能体系。
第一，宏观层面。系统用模拟的方式引入时间序列，通过模型时间属性的变换，重现城市过去、展示现状及推演未来。同时系统对单一场景也纳入了季节天气等因素，力求多时态、多视角、多方位地展示城市风貌，以变化的眼光去认识城市、读懂城市，以动态的应用去辅助城市设计。
第二，中观层面。系统针对中观层面城市设计的重点提供了控高分析、城市天际线控制等功能，可以对城市空间的基本比率、城市空间的分布层次进行总体控制与决策，让设计者和决策者以三维模式直观地反映城市空间分布的特点和区域，合理地协调城市空间分配。
第三，微观层面。系统提供了对微观空间信息的各类分析方法，如分析建筑日照情况的日照分析、建筑物视阈分析、通视分析以及设计方案对比等实用功能，能够有效地辅助城市设计的进行。
（责任编辑：陈雅莉）
关键词：城市规划；三维GIS；空间分析
中图分类号：F49 文献标志码：A 文章编号：1002-2589（2012）15-0101-02
一、项目建设背景
2009年末，哈尔滨市委在十二届七次全会中提出了“北跃、南拓、中兴、强县”的城市发展战略，并明确提出建设项目必须进行城市设计，着重强调了城市设计的重要性。按照“特色、和谐”的理念以及总体设计的要求，为提高哈尔滨市城市设计水平，哈尔滨市在深入研究当前国内外先进技术的基础上，组织引进并开发了哈尔滨市城乡规划科学决策系统，先后为哈尔滨市松花江沿岸景观设计及哈尔滨市百日城市设计等省市重点项目提供了相关的技术支持，并将100余项中观及微观城市景观设计纳入系统，加以三维辅助分析，为城市设计提供了更加科学化的依据，起到了重要的辅助决策作用，从而提高了规划审批的工作效率，系统成果总体达到了国内领先水平。
哈尔滨市城乡规划科学决策系统是运用计算机虚拟现实技术，实现对城市空间实体的重建和模拟，准确地描述城市立体空间布局，实现对城市建筑形态、单体建筑立面及色彩等多要素的有效控制。目前，北京、南宁、广州、厦门、重庆、武汉等国内大城市都已超前谋划并大力投入，将该技术广泛应用于规划、建设、管理、交通、旅游等行业中，让城市空间信息在服务、分析、决策和展示能力方面上一个新的台阶，取得了良好的效果。
二、项目建设解决的问题
哈尔滨市城乡规划决策系统的建设，可以将规划局目前建筑方案的二维审批模式转变到三维审批并辅助规划决策，并可利用GIS和VR技术，以3D建模互动技术和虚拟现实技术，如实表现三维信息；建成后的系统可应用于城市街景景观设计和规划方案成果的比选，通过调整建筑单体的纹理、位置、形体、高度、然后输出规划效果图，甚至是多媒体的动画展现，决策者还通过在三维的场景中任意漫游，可以发现许多不易察觉的设计缺陷，减少由于事先规划不周全而造成的无法挽回的损失与遗憾，从而打破规划设计在地理空间信息表达和处理方面的限制。
一是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以应用于规划局业务审批系统，利用GIS和VR技术，以3D建模互动技术和虚拟现实技术，辅助建筑单体设计方案审批。
二是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以实现对规划方案、建筑方案的多屏比较，城市景观设计的直观比选。
三是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以辅助城市街景景观设计和方案审批，在真三维立体空间中实现城市道路景观规划，对城市街道设施和广告等街道小品进行空间信息化管理，辅助城市色彩和灯光照明效果分析等三维街景信息化管理。
四是通过城市三维规划辅助决策支持系统，可以用于公眾服务，将城市三维数据和重点项目的规划方案及成果进行网络发布。
三、科学决策系统功能及特点
科学决策系统具有模型编辑、空间测量、查询统计、动画导航、交互浏览、鹰眼导航、控高分析、日照分析、通视分析、视域分析、指标分析、拆迁分析、绿地分析、方案对比、视觉走廊、设施管理、色彩分析、街景断面分析、三维发布、搜索定位、项目评价、二三维联动规划审批等二十多项功能。系统对于直观展示城市规划及现状提供了丰富的手段。
系统对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以三维立体视角给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。三维实景数字化模型辅助系统是从数据结构到空间查询和建模分析都建立在三维数据模型基础上的地理信息系统。三维实景数字化模型辅助系统通过有效集成各种现有规划管理服务，并逐步融入传统的规划审批流程中。
主要特点如下：
一是系统将二、三维GIS结合到一起。将传统的二维GIS中的一维、二维对象置于三维立体空间中，存贮它们的真实几何位置与空间拓扑关系，以表现这些对象在垂直方向上的变化和与其他对象之间的拓扑关系。无论在对象的建立、编辑、修改、存储的过程中，还是在对它们进行空间操作或输出分析结果时，系统都提供可视化的支持，从而创建真正的基于问题域的交互式可视化场景。
二是系统具备三维空间数据库管理。三维GIS的核心是三维空间数据库。它可由扩展的关系数据库系统或由面向对象的空间数据库系统来存储和管理三维空间对象。
三是三维空间分析。在二维GIS中，空间分析是GIS区别于CAD和科学计算可视化的特有功能。在三维GIS中也同样如此。空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，使三维GIS明显地不同于二维GIS，同时在功能上也更加强大。
四是该系统与现有规划业务流程较好地结合。
五是系统具备较好的人机操作界面。规划者能够简单、便利地使用系统，对建筑、环境的规划审批提供辅助支持。
四、三维数据模型分类
第一，地形模型，包括：地形三维模型建模包含山体、水系和植被等地形地貌。
第二，建筑模型，包括：各类地上建筑物、各类地下建筑物、其他建（构）筑物等。
第三，交通设施模型，包括：道路、铁路及桥梁、道路附属设施等。
第四，其他模型，包括：其他模型主要包括除地形、建（构）筑物、交通设施以外的城市要素，可分为辅助系统和美化系统等两个大类。
五、网络平台数据更新与维护
网络平台实现海量影像数据、地形数据、三维场景模型的网络发布和应用服务。实现城市级海量影像数据、地形数据的更新与维护。
一是对影像、地形的增量与批量发布服务、管理。包括：城市级海量影像数据、地形数据的发布与管理；城市分区影像数据、地形数据的增量发布与管理；城市分区影像数据、地形数据的批量发布与管理；对已发布的地形数据的删除管理；
二是三维模型数据增量发布与更新。系统应具备全场景模型发布和局部场景模型增量发布能力。增量发布时，系统仅将新增的或被编辑过的模型数据进行网络发布处理，从而仅更新制作平台中有变化的数据。
三是属性数据单独更新与维护。在网络平台数据库中，二维属性信息与三维模型信息是分别存储的。对属性信息的更新，用户可以在后台进行属性信息的编辑。还可以通过网络发布，更新全部属性信息或部分属性信息，使网络平台与制作平台的属性信息保持一致。
六、项目建设的作用
一是运用现代科技手段服务于“北跃、南拓、中兴、强县”发展战略，为各级领导决策提供科学决策及三维展示平台；
二是哈尔滨市今后城市规划、建设、管理、交通、旅游等行业实现数字化、可视化管理的基础；
三是城市规划、建设、管理等各类业务和会议的交流平台；
四是全面展示城市总体规划、详细规划、专项规划、城市设计等各层面规划成果；
五是哈尔滨市城市规划展馆数字沙盘建设的前提条件；
六是将成为哈尔滨市提升城市形象和招商引资的重要展示手段；
七是公众参与城市规划，作为爱城市、爱家乡的载体；
八是系统作为城市信息产业的重要组成部分，将在城市道路、交通、旅游、应急、电信、医疗、商业、公共安全、数字警务、市政管线、数字国土、数字房产、数字城管等方面发挥重要作用；
九是保留城市发展和变迁的轨迹。将城市发展和建设的历史、现状和规划通过三维系统进行表现和保存，对城市的发展进行对比，展现城市建设发展的辉煌成就，是城市发展的宝贵历史资料。
七、系统与城市设计的关系
系统将城市设计概念引入规划建设管理，从空间尺度、形体尺度、色彩关系等方面，以城市三维空间的角度，利用三维辅助决策系统在空间环境中分析建设项目的功能，协调交通布局，建设项目与周边的相互关系，使项目功能性与审美性相统一，并与整体环境相一致。系统面向城市规划和城市设计，借助基础三维数据库、城市规划管理信息库等海量数据，虚拟再现城市真实环境，利用空间三维分析功能，让城市空间信息在服务、分析、决策和展示能力方面上一个新的台阶。
城市设计是从宏观、中观和微观三个层面实现城市规划布局、城市面貌、城市功能以及公共空间的和谐布局和分布的。三维虚拟空间的构建，保障了系统与城市设计空间关系的匹配；同时，通过时间序列的引入，使三维虚拟现实空间与时间完美结合。城市三维空间展示与辅助系统的基础来源于对现实的再现和对未来的正确推演，针对城市设计的三个层面，构建了合理的功能体系。
第一，宏观层面。系统用模拟的方式引入时间序列，通过模型时间属性的变换，重现城市过去、展示现状及推演未来。同时系统对单一场景也纳入了季节天气等因素，力求多时态、多视角、多方位地展示城市风貌，以变化的眼光去认识城市、读懂城市，以动态的应用去辅助城市设计。
第二，中观层面。系统针对中观层面城市设计的重点提供了控高分析、城市天际线控制等功能，可以对城市空间的基本比率、城市空间的分布层次进行总体控制与决策，让设计者和决策者以三维模式直观地反映城市空间分布的特点和区域，合理地协调城市空间分配。
第三，微观层面。系统提供了对微观空间信息的各类分析方法，如分析建筑日照情况的日照分析、建筑物视阈分析、通视分析以及设计方案对比等实用功能，能够有效地辅助城市设计的进行。
（责任编辑：陈雅莉）