深圳市盐田区三维动态规划信息系统的研制.docx

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深圳市盐田区三维动态规划信息系统的研制

深圳市盐田区三维动态规划信息系统的研制

费立凡颜辉武马晨燕庞前聪叶松黄艳芳

（武汉大学资源与环境科学学院，武汉市洪山区珞瑜路129号，430079）

摘要：

本文结合深圳市盐田区三维动态规划信息系统的研制，讨论了如何用VC++与商品化软件ArcObjects、MultiGen-Paradigm公司的Creator、Vega相结合，同时利用建模软件3DSMAX，根据城市规划的具体需求，将地理信息系统（GIS）、遥感（RS）、数据库（DB）以及虚拟现实（VR）融合在一个数字规划系统中。

关键词：

规划信息系统；三维；动态；GIS；VR

引言随着信息时代的到来，当前，数字城市是国内外研究的热门话题之一。

所谓数字城市是指以计算机技术、多媒体技术和大规模信息存储技术为基础，以宽带网络为纽带，运用3S（即地理信息系统GIS、全球定位系统GPS和遥感RS）技术、仿真-虚拟技术等对城市进行多分辨率、多尺度、多时相和多属性的三维描述。

通过数字城市技术可将现代城市的地理、资源、环境、生态、人口、经济、社会等系统用数字化手段进行收集、整理、归纳，通过网络化及虚拟仿真，实现二维或三维可视化，使多用户能快速、完整、直观地领悟城市的历史、现状和未来。

国内外有条件的城市或研究所，近十年来，都已开始并不断投入大量人力、物力、财力，从组织上、设备上、技术上为实现数字城市作着不懈的努力，并已取得不少可喜进展，但仍属于研究的初始阶段。

因此，数字城市具有巨大的研究余地和效益潜力。

近二十年来，作为我国改革开放的前沿，深圳市各区已经、并且继续在加速经历着城市化、信息化的进程。

因此，城市规划、建设、管理与服务方式必须相应改变，即要从过去的二维、静态、部门式运作向多维、动态、多层面互动式运作转型。

受深圳市规划与国土资源局盐田分局委托，我们武汉大学资源与环境科学学院课题组正承担着研制深圳市盐田区三维动态规划信息系统的任务。

GIS与VR的优缺点及其结合的可能性众所周知，利用GIS技术可以输入、编辑、存储、分析、查询，以及根据用户需要，输出几何、属性的原始或派生信息，向用户提供与空间现象分布及其管理、利用相关的决策辅助。

但目前较成熟的GIS基本上都基于二维空间数据，尚缺乏对地理对象以及它们之间相互关系的直观性表示。

另一方面，虚拟现实（VR）技术现在已经发展到可以建立三维模型，栩栩如生地逼近现实存在，并可以通过交互式浏览或漫游，从用户自由选定或移动的视点来全方位、动态地观察感兴趣的地形地物。

可惜现有的VR软件还不能做到地物的图形与属性数据的编辑、管理与互相查询。

鉴于此，我们经过对用户需求及可用平台的调查研究，决定采用ESRI公司的ArcObjects（AO）作为地理信息系统的开发平台、用3DSMAX这一面向对象的软件建立地物的立体模型，用MultiGen-Paradigm公司的Creator软件进行模型数据格式的转换、编辑以及大场景地理环境的生成，并用该公司的Vega软件进行场景的渲染与驱动。

通过VC++编程及这些软件提供的API接口，将地理信息系统（GIS）、数据库（DB）、虚拟现实（VR）、遥感（RS）等技术融合于盐田区三维动态规划信息系统之中。

2.总体功能介绍盐田区三维动态规划信息系统要求存储、显示、查询、管理三洲田及大、小梅沙片区约24平方公里的二维或三维地理信息，实现管理对象二、三维几何数据与相关属性的相互检索，进行空间分析、计算和统计，在交互、动态、虚拟的城市环境中，更有效的进行规划选址、景观设计、对建筑物、道路及城市附属设施，进行日常的规划管理工作。

经过仔细的调研和需求分析，我们认为，深圳市盐田区三维动态规划信息系统应满足以下目标：

1）实现动态规划的科学化。

系统的功能要基于规划的业务流程、动态显示各项规划指标。

系统通过规划国土局网络实现规划信息资源共享和部门间的信息交换。

2）具有海量空间数据管理能力。

基础信息精度高，图库管理处理能力强，信息更新方便，系统安全可靠。

3）较好的空间分析功能。

系统除能实现区内信息查询、检索和统计等功能之外，还能实现规划地区的容积率、建筑密度、绿化率等规划指标计算，坡度分析、日照分析、土方量计算、道路辅助选线、断面分析等功能，为城市规划、设计和改（扩）建提供决策支持。

4）良好的性能价格比，有稳定可靠的后续技术支持。

为了使该系统能适用于城市规划的实际工作需要，我们遵循如下系统设计的原则：

✧实用性原则－系统能满足深圳市盐田区国土规划局三维动态规划的需要，真正实现规划科学化；

✧可靠性原则－数据库中的所有数据准确可靠。

系统有较强的容错能力和处理突发事件的能力，不会因为某个动作或某个突发事件而导致数据丢失和系统瘫痪；

✧完备性原则－系统中数据完备性好，能够满足系统各项功能的需要；

✧科学性原则－系统严格遵循软件工程的设计思想与方法，以保证本软件系统结构的科学性；

✧规范性原则－系统各项功能应符合规划管理的要求，信息编码应遵循行业地方规范；

✧经济性原则－在保证各项功能实现的基础上，以最好的性能价格比配置系统的软、硬件，使系统尽快发挥经济效益与社会效益；

✧可扩展性和开放性原则－系统具有良好的接口和继续开发手段；系统在输入输出方面具有较强的兼容性，能进行各种不同数据格式的转换；

✧可操作性原则－系统具有良好的用户界面，用户易学易懂，操作简便、灵活。

根据系统总体目标及设计原则，以及系统所要具备的项目技术内容，结合MultiGen的Vega模块与ArcObjects的二次开发平台的特点，将整个系统分成十大功能子模块。

分别是显示控制模块、数据输入输出模块、查询统计功能模块、动态规划模块、经济指标计算模块、社会指标计算模块、生态指标计算模块、三维空间分析模块、网上发布与反馈模块以及帮助模块。

每个功能模块由数个功能组成。

系统总体结构如图1所示。

图1深圳市盐田区三维动态规划信息系统

总体结构图

其中：

1）显示控制模块：

该模块主要完成对二维与三维图形数据的显示、时态数据显示控制、属性数据显示、设定线路浏览、图层控制以及整个系统界面视图管理控制。

2）数据输入输出模块

该模块主要完成对规划工作区加载、规划工作区保存、原始二维数据加载、原始二维数据更新、数据导入、查询统计结果输出和栅格图像输出等功能。

3）查询统计功能模块

该模块主要完成一般GIS的选择、选择方式设定、任意条件查询、对任意字段进行统计等功能。

4）动态规划模块

该模块主要完成二维图形基本绘制、二维图形编辑、三维图形基本绘制、三维图形编辑、二维图形与三维模型匹配、属性编辑、DEM与正射影像匹配、显示区域裁剪、在现状场景中加入规划中的新建筑物三维模型，并可调整这幢未来建筑的基底形状、大小、高度、纹理、颜色、方位（或看拆除某老建筑后的效果）、辅助道路选线、辅助管线选线和辅助规划选址等功能。

5）经济指标计算模块

该模块主要完成对指定区域进行各项经济的指标计算，包括：

建筑物基底面积、填挖土石方量计算、建筑密度计算、容积率计算等功能。

6）社会指标计算模块

该模块主要完成对指定区域进行各项社会的指标计算，包括：

人口搬迁量计算、总拆迁量计算等功能。

7）生态指标计算模块

该模块主要完成对指定区域进行各项生态的指标计算，包括：

日照投影加载、日照投影动态模拟、绿地占用量计算、绿地率计算等功能。

8）三维空间分析模块

该模块主要完成等高线恢复、坡度量测、距离量测、面积量测、坡度图绘制、断面图绘制、缓冲区分析等三维空间分析的功能。

9）网上发布与反馈模块

通过建立网上发布与反馈模块，用户用通用的网页浏览器可以直接访问动态规划系统的主页，浏览图形，按类型、区域、条件查询规划信息，查看发布的规划方案，并进行网上反馈，浏览器端不用安装任何附加软件。

10）帮助模块

提供本系统的相关帮助信息和实时在线帮助。

3.DEM与DOM的结合按常规方法，为了进行规划选址，先在地形图或控制性详细规划图上选定一到几个初址，再到实地一一踏勘。

受人力、物力和时间的限制，往往不可能对一切可能的方案都进行全面比较。

本系统具有在大范围进行规划选址的辅助功能，即除了提供基于地形图的二维控制性详细规划图外，还提供DEM与对应地表正射影像图（DigitalOrthophotoMap）相套合的三维全景图，供规划员进行室内虚拟踏勘。

目前我们所使用的DEM是根据盐田区1:

1000地形图的等高线数据转换而来的5m×5m的格网式数字高程模型，覆盖此范围的正射影像的分辨率为0.6m×0.6m。

该方法的实现主要包括两个步骤：

1）将线类型数据转为高程点特征数据——PolylineToPoint（…）。

实验中，源数据为AutoCad地形图等高线数据，而等高线是线类型的特征类（Featureclasses）数据，在AO中，将这种具有高程特征的线类型数据转为相应的高程点数据（集）要考虑保留空间参考（spatialreference）和高程属性（ZAware）等问题。

2）利用高程点特征数据进行IDW运算生成格网DEM。

IDW函数是由AO的接口IinterpolationOp提供的，它通过进行反距离加权内插（InverseDistanceWeightedinterpolation）方法来生成格网DEM—Raster。

使用步骤1）中产生的高程点特征数据进行IDW运算就得到需要的DEM数据。

为了避免利用单独图幅内的高程点数据内插DEM高程后可能出现的图幅边缘处高程矛盾或地表不连续的问题，可在上述步骤1）和2）之间增加一个关于有无周围图幅的判断，若有，则利用自己编写的函数AddAdjacentLayer（…），将周边图幅编号对应的高程点特征数据接在刚刚由源数据转成的高程点特征文件后面，得到一个包含周围图幅的整块的高程信息文件，然后进行步骤2）。

在DEM上套合正射影像（DOM）数据可利用VegaAPI中的接口函数或用Creator中的命令来实现。

图2为未套合正射影像的DEM所表示的地表形态。

图3为套合了正射影像的DEM所表示的地面场景。

图2用未套合DOM的DEM显示地形

图3用套合了DOM的DEM显示地表

4.三维模型的建立城市环境由各种自然的和人文的要素所组成，因此，模型所包含的面十分广泛。

我们可以将它们分成六类：

1）陆地模型：

包括地面、道路、河流、湖泊、背景植被、山脉等。

我们是用上述方法将地表纹理（正射影像）影射到DEM上去的。

2）海洋模型：

包括海面和海岸模型。

我们还没有建立这些模型，但Creator和Vega软件为我们今后建立海洋模型提供了方便。

3）静态实体模型：

主要包括建筑物、纪念碑或纪念塔、独立树、广场公园、桥梁、车站、机场等。

可以用VegaAPI接口函数将这些模型“移植”到地表面DEM上。

4）动态实体模型：

主要包括飞机、汽车等。

每个动态实体往往具有若干可以活动的部件，如飞机的螺旋桨、汽车的车轮等。

5）复杂三维实体模型：

如栏杆、草坪、台阶、道路及公共设施附属物等。

可以利用3DXMAX、AutoCAD、MultiGen等商业软件，灵活建模，并通过.3ds、.dxf.、.dwg、.flt、.fst等文件格式实现数据的转换。

转换后所要做的是将这组数据以一定的比例和角度，通过拷贝、旋转、平移、缩放，定位于空间坐标系中。

6）天空与自然景象的模型：

我们目前还未及建立这类模型，但MultiGen软件能为此类模型（如阴、晴、雨、雾、雪、雷电等等）的建立带来很多方便。

3DSMAX是目前世界上最流行且功能最为强大的三维建模软件之一。

它具有可操作性强、直观、便于学习、制作出来的模型逼真、质感强等集其他软件的优点于一身的特点，使得它在虚拟城市的建模中脱颖而出，其地位难以被撼动。

因此在构建虚拟城市的过程中，我们也将3DSMAX作为建模的基础软件。

然而，3DSMAX也有不足之处，其致命的弱点就是模型的数据量极大以及实时漫游困难。

要使整个场景迅速而连续地跑起来，需要在硬件配置很高的计算机上才能实现。

为了解决数据量大及场景实时漫游的问题，在本项目的研制中，我们引入了MultiGen-Paradigm公司推出的实时仿真建模软件MultiGenCreator。

其最大优势在于大场景地理环境的生成和浏览，对硬件的要求不高。

此外，它还具有强大的兼容性和操作性。

这正是我们采用它来简化模型的原因。

Creator以面为基本数据单位，对于一个整体生成的物体，可以通过切换点、面等编辑模式直接对各个点、面进行单独操作，这大大加强了对物体的编辑和修改功能，可以很快删除某些不可见的面或修改面，从而为减小数据量作出重大贡献。

因此，在深圳盐田区三维动态规划信息系统的研制中，3DSMAX只作为建模软件，模型的简化、场景的渲染和实时漫游则在Creator和Vega中进行。

构建模型的整个流程，可用图4来表示。

图4模型构建流程图

图5为用3DSMAX建立的小梅沙大酒店效果图，其数据量为853K。

而图6为经Creator编辑的同一酒店的效果图，其数据量仅为348K。

图5小梅沙大酒店3DXMAX效果图

图6小梅沙大酒店Creator效果图

5.LOD的采用虚拟现实的视景仿真虽然包含着生动而丰富的视觉信息，但是通常涉及巨大的数据量，这为动态、连续地显示场景带来困难。

近年来，在不断提高虚拟现实系统所用的微机硬件性能和运行速度（例如采用PentiumIV以上、主频2.6GHz的双CPU计算机、2G以上的内存、具有独立图形处理能力的3D加速图形卡、大容量智能型存取硬盘等）的同时，细节层次（LevelofDetail－LOD）策略的采用对于控制场景复杂度、加快图形绘制速度非常有效。

LOD利用人们的视觉和屏幕显示器的特性，对场景中的不同物体或物体的不同部分，根据“远近快慢”采用不同的细节描述方法。

具体地说，如果一个物体离视点比较近，或者物体比较大，就必须用较精细的LOD模型来绘制；反之，如果一个物体离视点比较远，或者这个物体比较小，就可以用较粗略的LOD模型来绘制。

同样地，对于场景中基本处于静止状态的物体，必须采用精细的LOD模型；而对于场景中处于运动，特别是快速运动中的物体，就可以采用较粗略的LOD模型。

目前我们只为各建筑物以及DEM与DOM相结合的数据块准备了粗、细两套LOD模型。

加载时，根据与视点的距离及运动速度，由计算自动决定采纳哪一种模型。

图7显示一栋建筑精细的LOD模型，其数据量为2.32M。

图8是同样建筑物的粗略模型，其数据量仅为375K。

图7一栋建筑物的精细模型

图8上述建筑物的粗略模型

6.二三维匹配与立体模型的加载

6.1地形数据加载

地形的表达在三维景观模型中不可缺少。

对于地形模型的数字描述，比较有代表性的有基于格网结构（grid）和基于三角网结构（TIN），从可视化的角度考虑，TIN具有更好的表达效果，DEM是表达地形最常用的方法。

考虑到带状地形特征和路面的限制条件，系统选择采用两者混合的模型。

在不需要进行实时道路建模的地方采用原有的1:

1,000的DEM。

而使用TIN进行表达需要实时动态生成道路的所在地形。

本系统采用两种比例尺的地形数据：

1:

10,000和1:

1,000。

其存放采用金字塔式的数据结构，按照比例尺存放。

当用户视点离地面低于500米，系统根据视角直接调用视角范围内地块比例尺为1:

1,000的DEM渲染显示，其它的DEM则不参与渲染计算。

而一旦用户视点高与地面500米以上，系统将不再调用1:

1,000的DEM，而调出比例尺小的，精度低的1:

10,000的DEM进行渲染。

6.2模型二三维匹配

考虑到ArcObjects与Vega软件是两个平台，本系统中的二维图形与三维模型之间的匹配是通过表格记录二维图形关键字与相对应的三维模型文件名称来实现的。

该表格主要存储着二维图形关键字、图形多边形中心点的坐标、三维模型文件名称、模型旋转角度、倾斜角度等等。

构造虚拟场景的立体模型数据库存储在硬盘上，当需要时装入主存。

当有大量的纹理影射需要加载时，加载时间过长，必将影响到场景漫游的速度或连续性。

因此，在设计大型数据库时，要把地面分成多块矩形或正方形，并将立体模型编号，以使它们各自从属于一个矩形或正方形。

加载时，只加载那些用户可能看见的部分，并由Vega的裁剪功能对其加载部分进行裁切，其余部分仍然保存在硬盘上，等需要时临时调用，以保证系统的实时性。

7.小结对我们来说，盐田区三维动态规划信息系统的研制还没有结束，可以说正进入一个关键时期。

通过约一年的调查、学习和科研，我们感到收获不小，也有不少经验教训可以总结。

现在适逢“2004年数字规划论坛”会议的召开。

我们就是抱着与国内外城市规划界、建筑界、GIS界、计算机科学界的领导、专家和用户们学习、交流的目的来到广州。

我们坚信，通过这次会议，我们将更多地领略到广州市城市建设的成果，并有力地推动广州市以及我国其他地区城市规划的信息化进程，不断提高数字化规划工作的水平。

参考文献

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作者简介：

费立凡，教授，博士生导师。

现主要从事GIS理论与应用、数字城市、数字地图制图方面的教学与研究。

E-mail:

feilifan@

TheDevelopmentofthe3-DDynamicPlanningInformationSystemoftheYantianDistrict,ShenzhenCity

FEILifanYANHuiwuMAChenyanPANGQiancongYESongHUANGYanfang

（SchoolofResourceandEnvironmentalSciences,WuhanUniversity,

#129ofLuoyuRd.,HongshanDistrict,Wuhan,430079）

Abstract:

AssociatedwiththeDevelopmentofthe3-DDynamicPlanningInformationSystem,thispaperdiscussesthewayofcombiningGIS,RS,DB,andVRintoasingledigitalplanningsystemaccordingtotheneedsofurbanplanningusingtheprogramminglanguageVC++,togetherwiththecommercialsoftwaresuchasArcObjects,CreatorandVegafromthecompanyMultiGen-Paradigm,and3DSMAXwhicharecommonlyusedintheareaofGISorVR.

KeyWords:

PlanningInformationSystem;3-D;Dynamic;GIS;VR

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Abouttheauthor:

FEILifan,professor,Ph.D.supervisor.HismainresearchorientationsincludethetheoryandapplicationofGIS,digitalcity,anddigitalcartography.

E-mail:

feilifan@