城市三维模型应用于城市规划之概述

第一章引言

1.1研究目的和意义

随着我国城市经济不断发展，，城市规模继续扩大，城乡一体化建设逐步加快，大量人口涌入城市，《2012中国新型城市化报告》指出我国的城镇化率己过半，我国城市化进入关键发展阶段。据联合国人居署和亚太经社理事会《亚洲城市状况2010/2011》调查报告，在未来10年将有1.5亿中国人完成从农民到市民的空间转换和身份转换。当前我国正处于城市化引领经济增长的门檻节点，未来10年中国发展方式将发生根本性转变，城市化进程方兴未艾。目前国内的城市规划管理注重城市建设的定性、定量和定位控制方面的二维审批管理，主要解决城市“应该建什么”、“可以建多少”的问题，缺乏对城市“怎么建这一问题的关注。当前城市规划在城市总体规划和分区规划阶段，注重城市土地使用功能的组合以及城市总体容量的控制，缺乏对城市形态环境的控制，随着城市不断成长，城市形体环境面临挑战。在城市规划的控制性详细规划阶段，规划师为反映城市经济技发展，定性分析土地用途，定量分析土地开发强度，并定位城市建设活动在城市空间发展中的位置。城市建设关注的重点放在了获取经济效益上，缺乏对城市空间和建筑群体形态的控制，导致城市空间景观单调乏味。随着城市不断发展壮大，城市面临无序发展状态。城市中建筑物高低控制无序，建筑间间距不能得到合理控制，建筑物的日照时间没有得到有效保证。城市面临提高公共服务质量，扩大服务范围，合理资源配置等问题。城市病随着城市快速扩张和经济快速发展而来，带有复杂巨系统特性的城市决定了它的城市规划是一个需要随城市发展与运行状况长期调整、不断修订、持续改进和完善的复杂连续的过程性工作。用信息化手段解决城市发展过程中所面临的问题是当前的研究热点。住房城乡建设部在2013年1月和8月先后两批公布国家智慧城市试点200多个名单，从政府角度促使城市不得病”、“少得病”和“快治病”，保障城市健康和谐发展。

1.2国内外研究现状

1.2.1城市三维模型构建

城市三维模型从英国Bath城的三维计算机模型建立开始，在20世纪90年代有了较大的发展。英国伦顿大学高级空间分析中心Batty教授领导的研究小组通过对伦敦市的城市三维模型建设的广泛调查研究得出：城市三维模型的应用规模与城市经济发达情况正相关。

（1）国外现状

随着三维基础数据获取方式的改变，城市三维模型的构建方法也不断发展变化。通过对国外相关学者的研究发现，三维建模主要有基于具有高精度、高密度、受干扰小的三维激光扫描技术，基于影像信息，基于已有测绘成果数据进行。

（1）基于激光扫描技术：激光扫描有机载和地面两种形式，其中地面激光扫描包含有车载和地面固定点扫描测量两种。由于激光扫描技术能够获取高精度、高密度地面三维数据，将数据与影像数据相结合进行三维重建工作，不少学者对此作了相关研究：德国学者使用LIDAR数据采用自顶向下的方式进行建筑物顶部重建。美国学者通过两个机载激光扫描设备获取的点云数据对建筑顶部分段及模型构建。这种自上而下的模型构建方法，充分利用LIDAR数据准确的高度信息及顶部细节表达能力进行模型构建，可以得到地物的相当精确的几何信息。但对上下不一致的建筑物基底缺乏准确表达，建筑物立面细节特征表现不足，纹理特征无法表现。荷兰和意大利学者研宄从多源航空数据激光数据和航空影像中自动识别建筑物。美国加利福尼亚大学伯克利分校视频和图像处理实验室学者研宄使用车载激光扫描仪获取的建筑物立面信息，结合飞机所获得的全域正射影像或数字表面模型进行全自动大规模三维建模間。在瑞士，苏黎世联邦理工学院大地测量学和摄影测量学研宄所，相关学者考虑将矢量与栅格数据相结合，利用激光点云构建数字高程模型采用软件构建三维模型。该

（2）基于影像信息：澳大利亚以及瑞士学者研究通过IKONS影像进行亚米级三维定位以及建筑物提取，可以有效判别建筑物，但难以对复杂模型的细节进行表达。基于模糊神经网络的彩色航空影像自动三维对象识别和重建。澳大利亚学者通过对多光谱航空数码影像中的信息提取、融合，自动生成三维地图。德国学者研宄从序列影像中全自动重建三维场景，中国和荷兰学者基于知识通过地面视频进行建筑物重建。通过影像的高可识别性来进行三维重建，有效促进虚拟城市建设，但影像对物体的几何信息不够完整，表达有限，需要做做大量的后续处理。德国学者采用近景摄影测量方法建立精确的三维照片模型，日本学者研究使用摄像机拍摄360度全景影像，真正实现对物体的三维丈量，建立具有现实性较好的实景三维场景。但实景场景中模型不独立，其三维空间分析功能较弱。由于近些年无人飞行器在小范围区域实时性较强需求中的广泛应用，也有德国学者研宄基于无人直升机的多视角三维重建，重建精度受到无人机影像获取及处理精度的影响。

第二章城市三维模型构建

城市三维模型是以计算机存储其真实地理坐标，由三维建模软件依比例构建真实地物特征，在计算机中表达地理世界的模型。三维GIS存储城市三维模型，不仅能够虚拟表达现实还具有一定的三维空间数据管理功能和立体空间分析应用等功能，并且能与其它人文社会信息互相关联。真实三维模型可以更直观、灵活的对所要规划区域进行多方位的查看，可以在系统中对规划设计方案进行对比，有助于进行科学规划。

2010年上海世博会的主题是“城市，让生活更美好”，这也是当前我们对城市追求。建筑物密集是城市的一大特征。当前低碳环保，精细化城市管理都向我们的城市管理提出更高要求。想要做好城市管理，需要良好的城市规划作为支撑，那么满足城市规划需求的城市三维模型必不可少。在城市规划不同阶段所用城市三维模型细节层次要求有别，那么在对城市进行控制型规划分析和城市设计时，需要我们使用真实的城市三维模型作为数据支撑。真实城市三维模型构建流程如图2-1所示：

2.1数据准备

2.1.1时空参考

模型构建之前需要明确构建模型的现势性。通常，建立城市三维模型是为方便当前城市的发展。空间三维建模构建采用多源数据相结合的方式进行，由于建模所需的各基础数据获取方式和生产工艺不同，数据的时效性也有差别。为准确真实的表达城市三维环境，需要保证各基础数据均具有较好的现势性尽量保证数据为近1-3年内获取生产的。

在满足多源数据具有较好的现势性的前提下，为满足数据精度和坐标位置的协调统一，需要使用同一比例尺下的多源数据。同时，多源数据需要定义统一的、符合国家规定的平面坐标和高程系统。当采用地方坐标系时，应与国家统一坐标系统建立严密的转换关系。具有一致空间参考的基础数据为后期三维建模工作提供质与量的保障。

由于城市每天都在发生着变化，地理空间数据获取的时间存在差异，所获取的地理空间数据就不能保证能够完好套合在一起。在套合过程中，尽量满足大多数区域位置重叠，部分地物位置发生变化的区域，按照最新数据进行处理。

2.2基础数据处理

建立空间三维模型需要获取城市空间框架，以及对空间框架表面的纹理数据进行处理。各数据处理过程如图2-7中红色区域所示：

模型空间框架的获取：建筑物基底几何数据以CAD数据为依据，建筑物高度为机载LIDAR数据测量所得，建筑物细部特征及建筑物间拓扑关系人工从街景数据中读取，建筑物表面细部大于0.2m的细节特征用模型表示，侧面纹理由实地拍照处理而成；城市部件及小品外部属性特征由街景和实地采集数据获取，位置数据从CAD中获得。框架表面纹理：建筑物及其他城市部件纹理通过实地采集照片获取，地面纹理和建筑物顶部纹理从高分辨率DOM获取。

除了上述空间参考和时间参考外，建立城市三维模型还需要统一所使用的基础数据的比例尺。通常，建立三维模型釆用1：500、1：1000、1：2000等大比例尺数据。具体采用哪种比例尺进行模型构建，需要结合应用需求，以及模型需要划分的细节层次而定。

1.正射影像数据

通过数字摄影测量方法或单片微分纠正方法消除相片投影误差和相片倾斜误差，得到正射影像，并对单张像幅较小的正射影像进行拼接镶嵌处理。通过分析真实感较强的正射影像，根据试验区内地物复杂程度及单元划分，合理分配工作任务。从正射影像数据中获得地物具体地理位置信息，通过图形图像处理软件提取建筑物顶部纹理信息。

第三章基于三维模型的城市规划分析.......31

3.1城市规划相关理论.......31

3.1.1城市规划理论........31

3.1.2城市规划常用技术方法......32

第四章应用实例.......49

4.1研究区概况.......49

4.2三维模型构建.......49

第五章总结与展望......60

5.1总结.......60

5.2展望.......60

第四章应用实例

4.1三维模型构建

根据试验区大小及其在城市规划分析应用的需求，模型需要构建为具有真是空间框架信息和地理位置信息，且其纹理能够真实表现模型特点。为满足模型构建需要，遥感航拍影像需要保证在0.5m分辨率以上，激光点云数据分辨率需要达到亚米级甚至更高，CAD数据为测绘局提供的1:500大比例尺线划图，街景地图为建模区域全区图，建筑物属性信息及建筑物侧面纹理信息借助单反相机实地获取。

4.1.1建筑物模型构建

匹配1:500大比例尺地形图与正射影像，在三维建模软件中基于大比例尺地形图数据勾勒提取出建筑物基底，如图4-1所示。

第五章总结与展望

5.1总结

本文在当前城市化快速发展，而城市病不断侵犯我们的日常生活的现实条件下，看到城市设计、城市规划对三维的技术需求、三维GIS面向城市规划应用的业务需求以及三维GIS在城市规划中的应用前景。通过文章中对城市设计相关理论及内容的分析可以看出城市设计依托城市三维空间环境。通过分别对城市设计和城市规划相关理论的分析可以看出：城市设计基于城市规划，城市规划涉及城市设计中的各种理论以及方法。城市因地制宜的可持续发展需要在城市规划和城市设计的理论基础上，运用三维的空间分析理论进行规划分析。本文综合分析城市设计、城市规划和三维各自特点，构建满足城市规划需求的城市三维模型，运用三维GIS理论辅助城市规划分析。其中文中真实三维GIS模型的构建运用了激光点云数据和大比例尺地形图等多种地理空间数据，充分利用多源数据各自优势，构建最佳城市三维模型；基于真实城市三维模型进行的规划分析结合了城市规划理论方法以及规划应用需求，应用三维空间分析技术，有效促进城市规划科学合理进行，对今后城市大规模城中村的拆迁以及城市发展过程中老城区改造等的拆迁面积计算、规划设计效果对比分析等提供大力支持。本文最后实例研究部分是对前文理论研究内容的应用与检验，得出该建模方法在面向城市规划应用方面具有可行性，并形成《城市三维模型建设规范》，应于郑州市智慧城市建设。

参考文献（略）