廉光伟1 寇付友2 翟林3
天津市测绘院 天津 300381
摘要：本文从面向城市规划管理的角度，详细介绍了天津滨海高新技术产业开发区（天津高新区）三维GIS规划管理系统的建设方法、建设内容。突出介绍了三维GIS系统建设的关键技术与数据库的建立方法，对城市规划管理的信息化数据集成与共享具有较强的实际借鉴意义。
关键词：三维GIS；数字城市；城市规划；OSG
1引言
近年来随着国内三维规划管理系统的日臻完善和城市规划信息化的深入开展，城市规划部门对虚拟现实技术（VR）的应用成为现实性需求。这项技术直观地判断城市设计方案是否满足尺度感、和谐性以及空间的确定性等方面的要求[1]。用动态交互的方式对规划方案今夕全方位的审视[2]，扩展了空间和时间的服务范围，有助于提高政府管理水平与决策能力，更好地服务于国民经济发展和社会信息化[3]。服务于城乡规划研究编制、实施管理和监督监察的全程，并能够分析汇集的信息数据，反哺于城市的规划设计与管理。
目前国内外主要有ESRI公司的Globe，Skyline公司的TerraExplorer，google公司的Google Earth，国内超图公司的IMAGIS[4]和伟景行公司的CityMaker，这些软件在三维GIS方面各有各的优势所在，但是都需要结合规划管理研发相应的软件模块。
办公自动化系统、管理信息系统与GIS有机结合，实现图、文、表一体化[5]，是当前城市规划信息化管理的主流做法之一，能够有效提高规划的工作质量和办公效率。天津高新区三维GIS系统的设计与建设也是基于这种理念开展的。
2系统概况
天津高新区城市规划管理部门注重精细化管理，自园区建设初期就选择了甲级测绘单位天津市测绘院作为数据服务供方，以确保面向规划管理的地理信息数据服务的可靠、完整、高效。按照信息化测绘的理念，天津市测绘院在地理信息数据采集的同时，同步开展面向城市规划管理应用的二三维一体化GIS应用系统研发与建设工作。
天津高新区三维GIS系统（以下简称“高新区三维系统”）以“空间属性数据一体化、地上地下二三维一体化、图文表一体化”为主导思想，立足规划管理，充分满足规划编制、规划辅助决策与实施、规划监督、规划服务、规划业务档案管理等需求，整合区域总体规划、控制性详细规划、城市设计导则、土地细分导则（一控规两导则）、规划设计方案、管网综合数据等多元规划数据；城市现状建筑、规划验收建筑、地下管线、现状地形等与规划管理密切相关的二三维地理信息数据；制定数据标准体系，改造测绘生产流程，建立实时、增量式二三维数据更新入库机制，加快地理信息资源更新速度，建立健全地理信息数据共享机制，实现规划业务管理的地上地下二三维一体化。
高新区三维系统着重在三维展示、规划辅助设计、信息查询、规划业务管理流程、规划业务档案管理等方面结合城市规划管理的需求进行功能模块设计与开发，同时注重系统的实用性、安全性、可扩展性。
3系统实现
3.1系统架构
高新区三维系统架构时突出考虑系统的可扩展性、经济性以及规划信息数据的安全性、保密性，注重低耦合的C/S架构，结合现有二维GIS规划服务系统，侧重GIS功能整合与完善。系统总体上划分为数据层、服务层、标准层、应用层、技术层等五个部分。其中数据层的构成有三维地形（DOM+DEM）、三维现状建筑模型库、三维规划模型数据库、三维现状地下管线模型库、三维地下空间模型库、用地专题数据库以及规划专题数据库，三维市政部件。三维现状建筑模型库着重对城市物体的建筑材料、外檐效果、外部环境、光照阴影等进行特定的描述。服务层主要是建立了三个软件平台：三维数据组织Builder，三维管线自动建模Builder，三维综合管理平台，用于数据的组织与管理。三维数据组织Builder基于VPB（VirtualPlanetBuilder）开发，能够灵活地对纹理数据和模型数据进行LOD分级和压缩，达到数据分页和建立索引的目的。管线自动建模Builder能够进行管线碰撞检测及碰撞示位，建立管线附属设施模型库辅助管线模型的自动建立，能够自动计算生成管道弯头。三维综合平台具有三维数据调度、浏览、漫游、查询、空间分析等GIS功能。标准层由一系列的三维建模技术标准、二维数据标准组成：《城市三维建模技术规范》，《三维地理信息模型数据产品规范》，《三维地理信息模型生产规范》，《城市规划三维数字设计方案制作标准》（天津市规划局），《城镇地籍数据库标准》。技术层由VC++编程技术、OSG三维渲染引擎技术、实时建模技术、GIS二次开发技术、网络技术、数据库技术等组成，实现三维可视化、二三维数据联动、三维实时建模以及GIS分析功能。系统架构图见图1。
图1 系统架构图
3.2功能设计
针对天津高新区规划管理部门需要使用现状地形、城市设计和建设项目三维模型数据的需求，高新区三维系统叠加了二维GIS数据库中的GIS格式以及CAD文件格式的规划成果，实现地上地下数据一体化管理，系统功能着重强化在城市建筑工程规划设计与方案以及现状建筑模型的展示与查询、规划业务管理、规划辅助决策、规划监督测量核实、规划业务档案和工程档案管理等方面研发应用软件模块，并将相关行业规范与管理文件固化到系统中，方便管理者在决策时查阅相关依据。
城市规划分析功能支持多方案比选（同步双屏、三屏、多屏），日照遮挡模拟分析，建筑通视分析，天际线分析，实时计算地块经济技术指标，实时方案调整；利用规划成果数据库获取相关指标进行控高分析、违建分析、指标分析等多种规划量化分析功能。
空间分析功能支持量算分析如平面距离、垂直距离、空间距离、面积量测、体积量测；坍陷显示，透视镜显示，爆管分析，三维扯旗标注，三维断面图、路由规划、拆改分析等。
通用GIS功能包括二三维一体化调度漫游展示，属性信息查询、检索、统计，快速定位，路线飞行等。
4系统特点
高新区三维系统涵盖建筑工程、市政工程业务审批、规划项目管理等，目的在于建设集地上建筑、地下管线、地下空间于一体的综合性三维数字规划信息管理系统，同步联动调度二维数据与三维数据，实现了建筑工程、市政工程的一个平台管理。
4.1建立图文表一体的规划数据库
系统实现了控规数据、城市设计数据、规划用地数据、管线综合数据等规划数据的全覆盖和GIS化；对规划审批数据、规划验收数据实现了三维化。与城市规划管理相结合，设计了符合OGC标准的GIS数据库规范，建立了全套的规划数据库，实现了与地理信息数据库的无缝嵌入。
4.2基于城市测量标准的高精度地理信息
1）地形模型
基于DEM与影像的三维地表模型建模，影像采用0.16米分辨率的DMC航摄影像为基础，制作的1：2000DOM；DEM采用1：500大比例尺地形测绘采集的地表及其特征点的位置、高程数据拟合成地面形态。
2）城市三维建筑模型
建模使用的源数据是竣工测量地形图，基于规划竣工测绘的要求，依据行业标准《城市测量规范》CJJ/T8-2010，全部采用电磁波测距三角高程或天津市GPS连续运行参考站（TJ-CORS）网络RTK解析实测建筑物角点，地物点平面中误差优于±5cm，建筑高程数据采用规划竣工测量成果，精度达到±3cm。全面优于采用航测方法获取的空间数据精度，有利于高水平展示城市规划成果凸显规划的科学与艺术性。
3）三维地下管线模型及其附属设施
依据行业标准《城市地下管线探测技术规程》（CJJ61-2003）和《天津市地下管线信息管理技术规程》（DB/T29-152-2010），采集管线数据及属性，建立标准管线数据库。使用自编软件“三维管线自动建模Builder”，精度无损自动生成三维地下管线模型及其附属设施。
4.3地理信息数据现势性强
建筑物按照三维模型建立和应用需求，表达建（构）筑物的位置、高度、基底形状、立面和屋顶结构，包括几何数据、纹理（材质）数据及属性数据，建模完成后，进行实地检验，对新发现的变化和不符合实际的建筑，进行更新测量和重新建模。
管线模型则依据覆土前实测数据，如实表现各类管线类型、走向、空间拓扑关系、管线口径、埋深及附属设施等。
4.4自动化建模技术
利用预先建立的管线附属设施模型库，采用自主研发的自动化管线建模软件，进行建模参数计算以及碰撞检测，将碰撞检测结果联动导入到管线采集编辑软件，编辑修改有碰撞的管线数据。将预处理过的标准管线数据库导入3Ds Max中自动化建立三维管线模型，最终采用三维数据组织Builder进行管线模型拆分并建立索引，完成三维管线模型库的建库工作。模型位置保持与测量数据一致，确保了三维空间量距、分析的准确性。
4.5基于3Ds Max的三维建筑建模
基于3Ds Max的三维建模手工制作城市三维建筑模型，有利于构建复杂的建筑模型，便于进行实体建筑物的三维表达，与二维GIS属性信息数据库一体化挂接，实现二三维联动的三维空间分析、查询和检索，完全满足规划管理所独具的真实性、准确性、现势性要求。
4.6以OSG为核心三维渲染引擎研发
采用OSG为核心三维渲染引擎构建组件，低成本扩展已有二维GIS业务管理系统，综合采用海量模型格网调度、可见性剔除和PagedLOD分页细节分级显示技术，实现了大场景地形数据、高分辨率影像数据、地上地下二三维模型数据的集成、融合、一体化调度、管理。图2为系统界面，图3为分屏展示。
图2 系统界面 图3分屏展示
5结束语
高新区三维系统采用多元高精度空间数据混合建库、高效调度策略、组件化内核等核心技术，将三维技术和二维地理信息系统无缝结合，实现了规划数据的二三维一体化管理、建筑方案比对、市政项目规划、时态城市建筑模型管理等实用功能，具有较强的三维可视化能力和空间分析能力。高新区三维系统在高新区规划管理中得到了管理人员的实际应用，。
在项目实施中我们进一步拓展了三维技术的应用，实现了基于OSG的实时建模引擎，只需要使用二维管线数据库，即可在查看三维场景内实施浏览、查询三维管线，无需建立三维管线模型库的数据加工步骤，极大地减少人力投入，节约建库与更新维护成本。
参考文献：
[1]李宗华，黄新，赵中元，江丕文.武汉市三维数字地图系统建设与应用示范[J].地理空间信息，2010
[2]庄文彬，陆一中.城市规划三维辅助决策系统关键技术研究[J].城市勘测，2009
[3]王勇，胡金华，张文金，蒋晓飞.地理空间信息服务模式的创新性研究[J].地理信息世界，2013
[4]董龙桥.韶关市城市信息虚拟现实系统的设计与应用[J].测绘通报，2011
[5]邓毛颖，黄悦.城乡规划信息系统的设计与研究[J].测绘与空间地理信息，2011
论文作者:廉光伟1,寇付友2,翟林3
论文发表刊物:《基层建设》2015年20期供稿
论文发表时间:2016/3/17
标签：数据论文; 管线论文; 建模论文; 系统论文; 模型论文; 城市规划论文; 高新区论文; 《基层建设》2015年20期供稿论文;