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基于GIS和VR技术的三维城市规划系统的研究
2012年4月24日    评论:    分享:

    来源:第三维度
    作者:谢波 李利军 林岚
    单位:华中科技大学 数字化工程中心(湖北武汉)

    摘要:本文介绍了GIS 及VR 技术在城市规划领域的应用。提出了数字三维城市规划系统的框架及介绍了各个模块的功能。通过在城市规划系统中的实际应用,探讨了数字城市技术在城市规划中的应用前景。

    一、绪论

    随着计算机技术和信息技术的飞速发展,使得城市信息化的程度越来越高,信息技术正全方位地渗入城市规划领域,而“数字地球”(DigitalEarth)、“数字城市”(Digital City)概念的提出和相关技术的逐步完善,也使得城市规划设计的技术手段也将越来越丰富,运用“数字城市”相关技术来进行城市规划设计将是规划行业发展的必然趋势。

    三维城市规划系统就是这样一个基于地理信息系统和虚拟现实技术基础上的平台,它可以利用在计算机中所建立的模型、场景和数据来实时地再现现实世界中的任何物体,使得人们能在计算机的虚拟世界里就能直观地体会到现实世界中的各种感觉。在此基础上,城市规划系统还将针对城市规划行业要求提供丰富多样的特殊功能,使得这个系统能够集成规划方案比较、三维漫游、GIS数据存储、分析和处理等多种功能于一身,成为数字城市建设系统中一个强大的工具平台,也是建设数字城市课题中的一个有效地实现手段。

    二、基于GIS 技术和VR 技术的数字城市建设。

    随着 GIS 技术和虚拟现实技术的发展,使得建立三维城市规划系统在技术上得以实现。一个完善的三维城市规划系统的建立不仅使得人能在虚拟的环境中如身临其境,而且对于各种信息的分析与集成、不同设计方案的评选、系统的决策、最优化方法的选取、统一各种不同平台的数据格式均有极大的帮助。三维城市规划系统是在多种技术集成的基础上来构建的,它的最终目的是为了数字城市、数字地球系统而服务的,而其核心的技术则是地理信息系统(GIS)和虚拟现实技术(VR)。随着信息技术尤其是计算机技术的快速发展、数字地球(DigitalEarth)的提出与实施,以及GIS 应用程度和虚拟现实技术的不断深入和应用范围的逐渐扩大,使得构建一个新的系统以适应更多的需求成为可能,例如创建三维城市规划系统。

    而在此功能上加以拓展,就能使得这个系统在数字城市的系统框架下在很多行业中都能得到实际的应用,例如在数字城市中占据重要地位的城市规划和建设行业中,就能体现出它的实用价值来。

    地理信息系统(GIS,GeographicInformationSystem)是以采集、存储、管理、分析、描述和应用整个或部分地球表面(包括大气层在内)与空间地理分布有关的数据信息的计算机系统。它由硬件、软件、数据和用户有机结合而成。它的主要功能是实现地理空间数据的采集、编辑、管理、分析、统计与制图等。(图1)

基于GIS和VR 技术的三维城市规划系统的研究
图 1 二维GIS 查询

    另一方面,虚拟现实(Virtual Reality)技术在建筑环境实时漫游中的应用一直是人们关注的热点,在城市规划中,传统的规划师在选择方案时一般先用CAD或3DMAX工具对建筑物进行设计和建模,然后通过3DMAX制成动画,客户在设计者的引导下,在虚拟漫游的过程中针对不足之处提出修改意见。但是,这样的虚拟现实技术虽然具有较强的动态三维表现力,却不具备实时的交互性。所以这样的技术在城市规划中的应用目前仅局限于一种微观层面上的景观设计,而整个城市规划则包括在宏观条件下城市发展的用地和总体布局,如城市工业用地规划,城市道路交通规划和城市居住用地的规划等,在宏观范围基础之上再涉及到微观范围之内,包括建筑物的单体结构设计等,它是一种庞大而复杂的体系。现在通过虚拟现实技术在三维城市规划系统中就能随心所欲地在场景中漫游,从而获得对整个规划方案乃至城市面貌比较全面的了解。(图2)

基于GIS和VR 技术的三维城市规划系统的研究
图2 三维实时漫游

    三维城市规划系统的建立将为城市规划、建设与管理提供了一个全新的技术平台,规划师或管理者可以在有准确坐标、时间和对象属性的多维虚拟环境中,回溯城市的发展与变迁,观察城市建筑的风貌,审视规划布局和空间设计方案的优劣、评价交通系统的效能的高低,城市管网的合理布局和规划、查询相关的地理信息,实现整个城市的各种资源的优化配置。

    三、三维城市规划系统中GIS 技术与VR 技术的集成

    3.1、基于虚拟现实技术的城市三维景观再现的仿真系统和规划方案比较的漫游系统的集成

    虚拟现实(Virtual Reality)是把客观上存在的或并不存在的东西,通过运用计算机技术,在用户眼前生成一个虚拟的环境,使人感到像真实存在似的一种技术。在此基础上建立的三维城市规划系统将对城市规划产生巨大的的影响,主要表现在:

    (1)为城市规划设计创建逼真的、三维的场景;

     (2) 多种城市规划与设计方案的对比;

     (3) 不同时期、不同阶段的城市发展变化对比;

     (4) 形成标准的三维城市信息平台;

     (5) 三维城市信息平台为城市管理服务等

    这样,借助于虚拟现实技术,无须规划方案的真正实施,就能先期检验该规划方案的实施效果, 即是否能达到社会、经济、生态的最佳综合效益,并可以反复修改和选择,最终供决策者制定和规划方案。可以在城市规划中让规划师们在交互式三维视景中考察、讨论和修改设计方案,此外,还可以通过这种方式向公众展示规划设计方案,有利于提高公众参与规划的积极性。

    3.2、基于GIS 技术的城市地理信息系统的分析与集成

    三维城市规划系统还将在实时漫游的基础上实现对各种信息进行集成与分析的基本功能。具体来说应该具备以下几种主要功能:

    1、实现各种信息的二维查看、查询、测量等一系列功能;

    2、实现二维与三维的交互性查看、漫游;

    3、三维地型、模型的生成;

    利用 MULTIGEN CREATOR 中建立的三维模型来取代ARCGIS 中的2.5 维的模型。通过二维GIS 信息为三维模型实体定位,使得模型的信息得到充分的展示,然后再利用数据模型的一些特点进行相应的加工处理。实现数据库与模型库的对应关系。

    同时要实现对各种信息的查询、调用、分析、处理,就必须利用 ARCGIS 及相关工具建立一个高效率的数据库,并使之具备对信息进行搜集、分析、处理和更新的功能。将数据库中的信息与实时场景中的模型进行绑定,从而达到对各种信息的即查即用。并通过友好的界面实现丰富的查询和分析、决策功能。我们可以将MIS 系统的其它功能集成到我们的三维城市规划系统中来为信息系统的集成与分析服务,在此基础上进行二次开发,将大大的丰富这个三维城市规划系统的实际功能。

    四、三维城市规划系统的功能及实现

    三维城市规划系统是实现数字城市目标的主要平台,是在已有的城市地形DEM、DOM及GIS 数据的基础上,利用虚拟现实技术融合真实地形和三维规划模型,根据不同规划方案,建立虚拟景观,同时建立相关的GIS 数据库;并利用中间件技术实现VR 系统和GIS系统的应用集成,建立城市规划GIS 系统和虚拟现实环境合二为一的一体化系统,直接为政府和各职能部门服务。系统是建立在vega 运行库和arcinfo 组件环境平台下的,系统的主要组成结构如图(见图3):

图 3 三维城市规划系统组成结构图
图 3 三维城市规划系统组成结构图

    系统主要分为二维 GIS 模块和三维VR 模块以及系统同步接口三个主要部分,(如图4) 系统集成了对 GIS 数据的基本操作,如导入、编辑、查询、删除、更新等,同时还在此基础上实现了与VR 模块的结合,通过在二维图层中指定建筑物的位置信息,便可在三维场景中动态地加载三维模型,并且通过对模型库中不同模型的动态替换,实现了不同规划方案的实时漫游。这种模式既为规划人员提供了直观的三维场景漫游,有利于不同规划方案间的比较,同时提提供了GIS 数据的查询和分析,为政府部门的决策提供了最可靠的依据。(图4)

图4 三维城市规划系统各模块功能图
图4 三维城市规划系统各模块功能图

    五.三维城市规划系统应用前景展望

    三维城市规划系统的建立,可以使城市规划中原有的一些可以意会而不可言传的东西,以一种直观的面貌展现出来,这无疑对于城市规划设计水平的提高、历史上的城市景观恢复和研究等,都有着非常重要的意义和应用价值。但是三维城市规划系统作为一种全新的技术平台,在城市科学范围内的运用才刚刚起步,也是一种大胆的尝试,在技术和方法上还存在许多问题有待进一步解决和完善。

    当然我们相信在不久的将来,作为城市规划设计中崭新而便捷的技术手段,三维城市规划系统必将为城市规划建设添上精彩的一笔,而且将直接为数字城市的建设提供了一个可视化的平台,虚拟数字城市是现代高新技术的高度集成.从理论上来说,数字城市涉及现代城市理论、优化及决策与对策理论、控制理论、系统科学、复杂巨系统理论和可持续发展战略等众多研究领域.它不仅能在计算机上建立虚拟城市,再现全市的各种资源分布状态,更为重要的是,它可以在对各类信息进行专题分析的基础上,通过各种信息的交流、融合和挖掘,促进城市不同部门、不同层次之间的信息共享、交流和综合,进而对城市的所有信息进行整体的综合处理和研究,为城市各种资源在空间上的优化配置、在时间上的合理利用,宏观、全局地制定城市整体规划和发展战略,减少资源浪费和功能重叠,实现城市可持续发展提供科学决策的现代化工具.。三维城市规划系统的研究必将为数字城市的建设做出一个有益的尝试。

图5 三维城市规划系统模型加载与实时漫游模块  基于GIS和VR 技术的三维城市规划系统的研究
图5 三维城市规划系统模型加载与实时漫游模块

    参考文献:

    1 李宗华、王 琳、彭明军、赵中元“数字汉江”建设及其在城市规划中的应用武汉大学学报(工学版) 第36 卷第3 期

    2 张 林,李宗华. 数字武汉总体框架与发展策略研究数字城市的理论与实践(上) .北京:世界图书出版服务公司,2001.321-327.

    3 芮小平,杨崇俊,张彦敏.城市虚拟现实研究初探. 地理学与国土研究,2000,18(3):27-29

    4 杨克俭,刘舒燕,陈定方.虚拟现实与城市规划. 系统仿真学报,2000,12(3):207-210.

    作者简介:

    谢波(1977-),男(汉族),湖北鄂州人,硕士研究生,主要研究方向:系统分析与集成;李

    利军(1976-),男(汉族),广州韶关人,博士研究生,讲师,主要研究方向:系统仿真、三维可视化;

    林岚 (1978-),女,湖北武汉人,博士研究生。主要研究方向:虚拟现实与三维仿真系统研究;

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