基于Skyline的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

摘 要：三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)可提供城市立體直觀的表現(xiàn)形式，可為規(guī)劃相關(guān)人員進行規(guī)劃決策提供技術(shù)支持，提高規(guī)劃管理水平和工作效率。Skyline 軟件體系下的TerraExplorer Pro在三維顯示、瀏覽及開發(fā)等方面具有明顯優(yōu)勢。文章以該軟件為平臺，以本校區(qū)為例，設(shè)計和開發(fā)了基本滿足輔助城市規(guī)劃需求的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)，能夠為城市規(guī)劃決策者進行決策提供一定的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：城市規(guī)劃；Skyline；三維地理信息系統(tǒng)；TerraExplorer Pro

1 概述

隨著3DGIS技術(shù)的不斷進步，以及城市規(guī)劃要求的不斷提高，二維GIS技術(shù)支撐下所建立的城市空間信息管理體系向三維的轉(zhuǎn)變成為必然趨勢。目前城市規(guī)劃3DGIS的研究取得了一定的研究成果。尹長林，許文強提出了針對地形和建筑物可視性分析的數(shù)學幾何模型[1]。祁信舒，趙祺提出三維城市規(guī)劃管理系統(tǒng)的功能設(shè)計及實現(xiàn)方案，為城市規(guī)劃設(shè)計向信息化方向推進提供技術(shù)支撐[2]。李揚等從數(shù)據(jù)建設(shè)和系統(tǒng)建設(shè)兩個層面，探討了建設(shè)面向城市規(guī)劃的GIS[3]。曾忠平總結(jié)了三維GIS城市規(guī)劃信息系統(tǒng)的應(yīng)用層次和特征[4]。馮琰從模型數(shù)據(jù)、要素類別和精細程度三個方面分析了三維城市模型（3DCM）的數(shù)據(jù)內(nèi)容[5]。Skyline軟件自2004年進入我國市場，以其在三維GIS領(lǐng)域的出色表現(xiàn)迅速得到國內(nèi)大范圍的研究和應(yīng)用。Skyline的研究主要包括三維建模、三維數(shù)據(jù)建庫、三維數(shù)據(jù)發(fā)布、行業(yè)3DGIS構(gòu)建和應(yīng)用等方面。李志偉基于Skyline與ArcGIS Server開發(fā)了上海市土地資源可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)彌補了二維GIS抽象性的同時兼具二維GIS的空間分析功能[6]。李佼研究構(gòu)建了崇明島生態(tài)建設(shè)三維GIS平臺，為管理人員提供基于三維場景共享的異地協(xié)同決策支持[7]。盧

闖、常德海、王鈺分別就Skyline在農(nóng)業(yè)資源[8]、虛擬校園[9]、油田地面[10]三維可視化等方面的應(yīng)用及其中進行了研究。綜上所述，Skyline技術(shù)在3DGIS構(gòu)建方面技術(shù)基本成熟，基于Skyline實現(xiàn)三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)切實可行且對城市規(guī)劃工作具有重要意義。

2 基于Skyline的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)分析

為了能充分利用二維城市規(guī)劃信息的成果，同時在直觀的三維場景中進行城市規(guī)劃輔助決策及規(guī)劃效果的多方位展示，目標系統(tǒng)應(yīng)該是一個具備城市規(guī)劃輔助決策能力的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)，需具備二維場景構(gòu)建與管理、三維場景構(gòu)建與管理、場景漫游、規(guī)劃輔助分析、空間量測等功能。系統(tǒng)以規(guī)劃項目作為一個獨立的業(yè)務(wù)邏輯單元，每個項目可以包含多個規(guī)劃方案，一個規(guī)劃方案對應(yīng)一系列的城市規(guī)劃三維場景，系統(tǒng)的所有軟件功能應(yīng)用于一個規(guī)劃方案。從數(shù)據(jù)需求上來說，該系統(tǒng)需要三維場景數(shù)據(jù)（建筑物的高度，坐標，紋理等）、矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。通常來說二三維城市規(guī)劃信息數(shù)據(jù)中的矢量數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)包括總體規(guī)劃圖、分區(qū)規(guī)劃圖、控制規(guī)劃圖、修建性詳細規(guī)劃圖、三維建筑模型等，以及項目建設(shè)規(guī)劃的其他附加數(shù)據(jù)如規(guī)劃文檔、規(guī)劃表格等。文章以湖南城市學院新校區(qū)數(shù)據(jù)作為三維城市規(guī)劃項目示例，目標系統(tǒng)將基于地理信息系統(tǒng)、圖形圖像處理、三維建模與仿真、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)開發(fā)，以新校區(qū)地形數(shù)據(jù)、高分辨率數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)、規(guī)劃成果數(shù)據(jù)等作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 基于Skyline的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)旨在針對城市規(guī)劃分析，尤其是控高分析、視線分析、日照分析等的需要，開展三維場景下的規(guī)劃輔助分析。這些分析功能的實現(xiàn)都依賴于邏輯層的Skyline三維規(guī)劃輔助分析模型的構(gòu)建。城市規(guī)劃的過程是一個不斷調(diào)整、完善的過程，因此，需要對方案的場景進行調(diào)整和修改，系統(tǒng)需要提供方案設(shè)計者對模型的交互控制接口。此外系統(tǒng)需要通過訪問數(shù)據(jù)庫，調(diào)用數(shù)據(jù)到應(yīng)用程序進行分析以完成用戶提交的分析任務(wù)。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1。

系統(tǒng)分為三個層次，底層是數(shù)據(jù)層，中間是業(yè)務(wù)邏輯層，最高層為應(yīng)用層。數(shù)據(jù)層主要是空間數(shù)據(jù)庫和文件數(shù)據(jù)庫，業(yè)務(wù)邏輯層通過調(diào)用數(shù)據(jù)層中的數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)功能響應(yīng)應(yīng)用層的應(yīng)用請求，應(yīng)用層主要是應(yīng)用界面交互表現(xiàn)等的實現(xiàn)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲主要采用兩種存儲方式，二維矢量數(shù)據(jù)及屬性數(shù)據(jù)存放在Geodatabase空間數(shù)據(jù)庫中，景觀模型、地形文件、影像數(shù)據(jù)等以文件方式存放本地進行管理，三維場景中的二維建筑物數(shù)據(jù)、三維數(shù)據(jù)以及屬性等通過ObjectID關(guān)聯(lián)訪問。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)應(yīng)用層包含的功能模塊主要有基本工具模塊、測量工具模塊、二三維對象創(chuàng)建模塊、規(guī)劃輔助分析模塊和三維漫游模塊。

（1）基本工具模塊。該模塊包括選擇對象、選擇區(qū)域、添加位置和信息查詢。選擇對象、選擇區(qū)域分別實現(xiàn)對窗口內(nèi)的單個建筑物對象和多個建筑物對象進行選擇。添加位置實現(xiàn)對三維窗口進行特定的視界位置選擇。信息查詢實現(xiàn)城市景觀對象的屬性查詢操作。（2）測量工具模塊。該模塊有水平測距、豎直測距、空間測距、面積測算功能。在三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)中可以在水平面、在豎直面以及對三維空間內(nèi)任意兩點之間的距離進行空間量測，用鼠標確定要測量的起點和終點，系統(tǒng)自動進行測量并顯示結(jié)果。利用面積量測對用地進行測量，面積測算應(yīng)可以對任意多邊形的面積進行計算。（3）二三維對象創(chuàng)建模塊。該模塊提供折線、面、矩形、正多邊形、箭頭、圓、橢圓、弧線、文本標簽、圖像標簽、地形視頻等二維對象建立功能以及建筑物、多邊形、箱子、圓柱體、球體、圓錐體、金字塔、箭頭等三維對象建立功能?？梢允褂脩粼诮ǔ蓤鼍爸刑砑踊騽?chuàng)建規(guī)劃建筑物進行比較分析。（4）規(guī)劃輔助分析模塊?；赟kyline的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)中的規(guī)劃輔助分析模塊要能夠?qū)崿F(xiàn)通視分析、圓頂輻射分析、通視分析、地形剖面分析、控高分析以及生成最優(yōu)路徑、生成等高線等三維規(guī)劃輔助分析功能，這些功能實現(xiàn)可以幫助使用者進行城市規(guī)劃決策。（5）三維漫游模塊。該模塊將提供環(huán)繞漫游、直線漫游、弧線漫游三個功能。三維場景漫游功能可以使用戶對整個規(guī)劃場景進行身臨其境的漫游，通過點擊地物信息以及放大縮小等操作，使用戶快速漫游至選擇地物進行仔細觀察，以幫助規(guī)劃人員直觀的感受規(guī)劃效果。

4 基于Skyline的三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)實現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建的步驟

系統(tǒng)開發(fā)構(gòu)建主要分為三個步驟——數(shù)據(jù)的準備，三維場景的構(gòu)建，系統(tǒng)界面設(shè)計和功能的開發(fā)。

（1）數(shù)據(jù)準備。系統(tǒng)準備了規(guī)劃建筑數(shù)據(jù)、二維地形數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。規(guī)劃建筑數(shù)據(jù)用于獲取建筑物各部分的詳細信息。提供3D幾何模型的數(shù)據(jù)支持。這類數(shù)據(jù)需要人工判讀和手動輸入，工作量大，適宜于少量、重要建筑物的精細建模。二維地形數(shù)據(jù)主要是城市勘測獲得，包括了校園的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)（如道路，水系、建筑物等）、建立DEM所需要的等高線和高程點，此外包含大量屬性信息：建筑物年代、結(jié)構(gòu)、權(quán)屬等。此類數(shù)據(jù)可用于建立屬性庫外，還可快速通過生成建筑物的草模。影像數(shù)據(jù)包括校園遙感影像數(shù)據(jù)、規(guī)劃效果圖和建筑物紋理照片。（2）三維場景構(gòu)建。包括地形模型生成，建筑物等景觀粗模和精細模型的構(gòu)建。系統(tǒng)采用TerraBuilder軟件構(gòu)建校園地形模型生成地形圖，用3D MAX軟件構(gòu)建校園景觀數(shù)據(jù)，然后在TerraExplorer中生成三維場景。（3）系統(tǒng)界面設(shè)計和功能的開發(fā)。系統(tǒng)界面設(shè)計主要使用由TerraExplorer提供的3DWindow、NavigationMap兩個TerraExplorerX控件以及Visual Studio 2010開發(fā)平臺自帶的Button公共控件完成。系統(tǒng)功能實現(xiàn)主要利用TerraExplorer API結(jié)合VS.net、C#完成三維GIS功能實現(xiàn)。

4.2 系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)——TerraExplorer Pro API

TerraExplorer Pro API是TerraExplorer Pro家族中的基礎(chǔ)開發(fā)環(huán)境，是一套面向三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者的新一代組件式GIS開發(fā)環(huán)境。TerraExplorer Pro API基于Microsoft的COM組件技術(shù)標準和腳本語言標準，以ActiveX控件的方式和腳本語言的方式提供強大的三維GIS功能，適用于用戶快速開發(fā)專業(yè)三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)或三維地圖網(wǎng)站。TerraExplorer Pro API由ActiveX控件和數(shù)量眾多的自動化對象構(gòu)成，因此，可以方便地嵌入到流行的可視化高級開發(fā)語言環(huán)境中進行二次開發(fā)。文章利用C#高級開發(fā)工具在面向?qū)ο缶幊?、可視化程序設(shè)計等方面的優(yōu)勢，結(jié)合TerraExplorer Pro API提供的ActiveX組件，開發(fā)三維GIS應(yīng)用系統(tǒng)。系統(tǒng)中采用的接口主要有：（1）IMenu：提供了標準TerraExplorer Pro 菜單命令的調(diào)用，只需實例化此接口后傳入對應(yīng)功能的整型參數(shù)，就可以調(diào)用系統(tǒng)已封裝好的功能。該接口提供接近標準TerraExplorer Pro的菜單命令。使用Invoke方法可以激活TerraExplorer Pro的菜單命令。（2）IObject Manager65：對三維顯示窗口的全部對象進行管理，允許使用者對所有對象進行添加、編輯、刪除操作。對象包括二維文本圖片標簽、線、面、多邊形以及圓，三維模型以及三維幾何體對象等。（3）IInformation Tree65：管理與維護信息樹，包括創(chuàng)建、刪除、修改、排序、重命名以及對象查詢等。（4）IPlane65：對plane和camera操作進行控制，并且控制視野、視域、視角以及飛行模式。

4.3 系統(tǒng)界面和關(guān)鍵功能實現(xiàn)

本系統(tǒng)通過使用 3Dwindow 和信息樹控件設(shè)計GUI圖形用戶界面（如圖2），這種方式可以讓用戶快速的搭建一個基礎(chǔ)三維平臺，可以允許使用者通過直接調(diào)用TerraExplorer Pro的菜單命令來打開一個FLY文件（文件->打開）。從而節(jié)省創(chuàng)建一個標準的“瀏覽FLY文件”窗口的時間。功能實現(xiàn)中，主要是采用菜單形式提供對命令的調(diào)用，IMenu接口在項目開發(fā)中使用較多。主要接口應(yīng)用情況如下：使用IMenu接口實現(xiàn)對TerraExplorer Pro菜單功能的調(diào)用，主要調(diào)用了測量工具、規(guī)劃輔助分析的菜單功能。使用IObjectManager65接口實現(xiàn)創(chuàng)建二維對象和創(chuàng)建三維對象功能。使用IInformationTree65接口主要實現(xiàn)對信息樹進行管理維護。使用IPlane65接口實現(xiàn)三維漫游功能。如圖3所示為三維空間中兩點距離量算結(jié)果。如圖4系統(tǒng)通過繪制多邊形選擇區(qū)域完成面積測算。

系統(tǒng)實現(xiàn)了用戶在建成場景中添加或創(chuàng)建三維規(guī)劃建筑物的功能，如圖5所示。圖6顯示了在系統(tǒng)中點擊進行通視分析的兩個位置進行分析，a連線代表兩點不通視，與a線垂直的線則代表兩點之間可以通視。圖7顯示系統(tǒng)的地形剖面分析功能，該功能可以對剖線上任一點的高程進行查詢，能夠直觀地了解該點與周圍地形的關(guān)系。圖8網(wǎng)狀線即圓頂輻射分析所生成的圓頂輻射區(qū)域。

系統(tǒng)實現(xiàn)了控高分析，可以有效輔助城市規(guī)劃管理人員協(xié)調(diào)好空間需求以及高層建筑物的空間布局關(guān)系。如圖9b平面表示控高高度，邊線內(nèi)為控高范圍，控高區(qū)域內(nèi)建筑物高度如果超出控高高度，則將超出部分顯示出來，使建筑物超高的高度以及數(shù)量一目了然。

5 結(jié)束語

文章就三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)的需求和總體設(shè)計進行了深入分析。對 Skyline 軟件的二次開發(fā)技術(shù)進行研究?；赟kyline TerraExplorer Pro API實現(xiàn)了三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)中的城市規(guī)劃二維場景構(gòu)建與管理、三維場景構(gòu)建與管理、場景漫游、規(guī)劃輔助分析、空間量測等功能，并以湖南城市學院三維數(shù)字校園項目展示了系統(tǒng)的功能應(yīng)用，系統(tǒng)表明基于Skyline平臺進行三維城市規(guī)劃信息系統(tǒng)二次開發(fā)方便快捷，系統(tǒng)工具基本滿足了輔助城市規(guī)劃的要求，為規(guī)劃人員提供了三維可視化的輔助決策手段。

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