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摘要:以江西瑞金为例,利用GIS技术对城市规划三维建模的实现方法进行了研究,在发展旅游,保护历史遗迹需求的前提下,依据三维模型对研究区城市的功能结构布局进行合理的规划。结果表明,利用GIS三维建模可以为城市规划工作提供科学的决策依据。
关键词:GIS;城市规划;三维建模
中图分类号:TU984.11文献标识码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.03.013
Application of 3-D Geographical Model in Urban Planning Base on GIS——A Case of Ruijin in Jiangxi Province
LIU Jing1,JIA Hong-tao2,CHANG Qing-rui1,LV Lei1
(1. College of Resources and Environment,Northwest Agriculture and Forestry University,Yangling,Shaanxi 712100, China;2. College of Grassland and Environmental Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052, China)
Abstract:The method of building 3-D modeling in urban planning was studied using GIS technique, a case study of Ruijin in Jiangxi Province. The structure and layout of this city were carried out planning rationally based on the three-dimensional model of the study area of the city. The results showed that 3-D modeling using GIS could provide the scientific gist for decision-making in urban planning.
Key words: GIS;urban planning;3-D modeling
随着计算机技术和信息技术的飞速发展,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中,而“数字地球”(Digital Earth)、“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[1-4]。
3D-GIS的研究、建立与应用是目前GIS学科的热点之一,在自然资源管理、城市规划、作战模拟演练等应用领域显示出重要的价值和巨大的潜力[5-8]。三维数据模型和三维城市规划模型就是这样一个基于GIS和虚拟现实技术基础上的平台,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,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[9,10]。笔者对三维地形模型的建立予以阐述,使其成为数字城市建设系统中一个强大的工具平台和建设数字城市课题中一个有效的手段。
1研究区概况
1.1地区简介
瑞金市位于江西省南部、赣州地区东部、武夷山脉西麓,地处东经115°42″~116°22″,北纬25°30″~26°20″。是赣闽两省交汇处,瑞金市东、西、北三面环山,地势高峻,群山重叠,山势逐渐向中心和西南方向降低,以象湖镇为中心的10个盆地组成了一个窄长的绵江河畔山间盆地带。境内以低山为主,山地海拔一般在400~800 m之间。
境内按地形特征可分为侵蚀构造低山丘陵地形、河谷侵蚀堆积地形和侵蚀地貌类型。其中,以丘陵地形为主,面积1 967.85 km2,占该区总土地面积的80.35%。山地面积243.89 km2,占该区总土地面积的9.96%。岗地平原面积237.26 km2,占该区总土地面积的9.69%。岗地平原地区是瑞金村镇集中地区。
城区地处绵江河与古城河交汇处,属河谷侵蚀堆积地形,为三面环山(向东北方向敞开)的盆地。城区是瑞金境内10个盆地中最大的一个,绵江河呈“S”形由东北向西南方向通过,另有古城河、罗溪河、七堡河与其相通。地势东北高、西南低,高程在191.2~206.4 m之间。古城河南鹅岭脑一带为岗地,高程在206.4~215.2 m之间,与古城河以北一带相对高差15~18 m。南部山区丘陵地带高程337~442 m(新茶亭一带)。西部为丘陵山区,高程在400～473.3 m。东北部为丘陵地带,绵江河以北(洋溪村附近)高程在197.5~237.4 m之间。
1.2数据采集及前期处理
将收集到的相关资料,如城市规划设计图纸及相关文档、研究区域的地形图(如1∶10 000地形图)扫描成栅格图像,再用Photoshop软件消除噪音,然后应用Geoway空间数据加工处理软件进行图像配准,进行格网精校正,保证图像在校正过程中的精度,再进行数字化并建立拓扑关系,错误检查并进行修改,最后将其转为Shape格式,或者转换为E00格式文件保存,完成地形图的矢量化。对于规划效果的三维表示,同样先对规划图与地形图的矢量图层进行配准,然后对各个规划区块进行数字化,按照规划标准予以赋色。
2三维模型的建立及显示
2.1三维模型的建立
TIN模型把不规则分布的离散数据点,按优化组合成的三角形面来逼近地形表面。该模型是一种三维空间的分段线性模型,其数据格式在概念上类似二维数据结构中带拓扑结构的矢量数据结构[11]。TIN是根据不规则三角网的算法来实现的,在众多不规则三角网生成算法中,Delaunay三角网在国内外得到广泛应用,Delaunay三角网生成方法主要有逐步生成法、逐点插入法、分割归并法(分而治之法)等,其中,逐步生成法应用最为广泛。
逐步生成算法的基本思路是,先找出点中相距最短的两点连接成一条Delaunay边,然后按Delaunay三角网的判别法则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点,依次处理所有新生成的边,直至最终完成。算法的关键是如何搜寻“第三点”。
在本研究中,利用Arcview3.2,加载3D Analysis扩展模块,激活矢量化的等高线图层,利用convert to TIN功能,自动生成TIN(图1),根据所需突出表现的主题调整颜色级数和色阶,如要表现规划区块,则用绿色递减色阶即可。也可将3D模型TIN转成DEM文件。
2.2研究区三维显示
三维场景的属性主要包括三维场景的名称、创建者、创建日期、制图单位、二维投影、垂直缩放因子等。由于瑞金市高程地形差异小,表示不明显,所以,将垂直比例放大4倍,背景色修改为白色,太阳方位角主要是为了达到整套图的色调协调,调整至不同的角度、太阳高度角,见图2。
对于含有现状或者规划区块的三维效果图(图3,4),Base Heights赋值为主题的基本高程值,所有的区块都将建立在此给定的基准高程上。高程的偏移量设为0。并在延伸命令选择Adding to Base Height。最后调整方向角度输出三维地形图。
3基于三维模型的城市规划
三维城市规划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,具体来说具备以下几种主要功能:实现各种信息的二维查看、查询和测量等一系列功能;实现二维与三维的交互性查看、漫游。利用数据模型的一些特点进行相应的加工处理,要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、分析和处理,就必须利用GIS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,实现丰富的查询和分析、决策功能。
本项目为瑞金市历史文化名城长期规划,旨在发展旅游,保护历史遗迹的前提下对城市的功能结构布局进行合理的规划。按照城市规划规范,三维规划图中黄色区域R1代表一类居住用地,淡黄色R2代表二类居住用地,红色区域分别为:C1行政管理用地;C2商业金融用地;C3文化娱乐用地;C4体育用地;C6教育科研用地。棕色M1代表一类工业用地,紫色W代表仓储用地,浅绿色G1代表公共用地,深绿色G2代表生产防护绿地,黑色线条代表铁路,红色线条代表高速公路。
通过三维地形的建立,能够很直观的表达城市规划理念,直观地观察不同功能区域的分布,为后期规划的完善提供了便利。另一方面,降低了经济代价,减少了实地勘探,却达到相同的效果。
4结 语
三维城市规划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、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。三维城市规划可以建立一个三维的、动态的、可视化的景观来形象、生动和真实地表现城市的自然和人文现象,进行三维空间分析,更好地帮助城市规划、建设和管理。GIS在城市规划中应用是一次大的革新和尝试,会大大提高城市规划的效率和统计分析功能,能够更直观、更准确的表达规划区域的状况和城市规划理念,为区域的发展提供更有力、高效的支持。
参考文献:
[1] 陈小钢. 虚拟地理环境和地学认知检验[J]. 地理研究, 2003, 22(2):245-252.
[2] 魏波,汤军,胡正舟. 3S在数字地球时代的新发展[J]. 地理空间信息,2007,5(5):80-82.
[3] 王净,江刚武. GIS在数字地球时代的新发展[J]. 地理空间信息,2005,3(4):43-44.
[4] 罗静,党安荣,毛其智. 基于SOA的数字城市规划集成平台框架研究[J]. 计算机工程与应用,2008,44(23):8-11.
[5] 龚建华,林珲. 虚拟地理环境[M]. 北京:高等教育出版社, 2001.
[6] 顾朝林,段学军,于涛方,等. 论“数字城市”及其三维再现关键技术[J]. 地理研究,2002, 21(1):14-24.
[7] 芦建国,苏同向. 虚拟现实技术与风景园林设计[J]. 南京林业大学学报:自然科学版,2007,31(6):139-141.
[8] 游雄. 基于虚拟现实技术的战场环境仿真[J]. 测绘学报, 2002, 31(1):7-11.
[9] 李利军,管涛,王乘,等. 基于增强现实的虚拟城市规划关键技术研究[J]. 计算机工程与设计,2006,27(19):3604-3606.
[10] 夏超文,徐滕岗,钱杨. 基于虚拟现实技术的数字地面建模研究[J]. 东华大学学报:自然科学版, 2007,33(3):354-356.
[11] 杨建思,杜志强,彭正洪,等.数字城市三维景观模型的建模技术[J].武汉大学学报:工学版,2003,36(3):37-40.
关键词:GIS;城市规划;三维建模
中图分类号:TU984.11文献标识码:ADOI编码:10.3969/j.issn.1006-6500.2009.03.013
Application of 3-D Geographical Model in Urban Planning Base on GIS——A Case of Ruijin in Jiangxi Province
LIU Jing1,JIA Hong-tao2,CHANG Qing-rui1,LV Lei1
(1. College of Resources and Environment,Northwest Agriculture and Forestry University,Yangling,Shaanxi 712100, China;2. College of Grassland and Environmental Sciences,Xinjiang Agricultural University,Urumqi830052, China)
Abstract:The method of building 3-D modeling in urban planning was studied using GIS technique, a case study of Ruijin in Jiangxi Province. The structure and layout of this city were carried out planning rationally based on the three-dimensional model of the study area of the city. The results showed that 3-D modeling using GIS could provide the scientific gist for decision-making in urban planning.
Key words: GIS;urban planning;3-D modeling
随着计算机技术和信息技术的飞速发展,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中,而“数字地球”(Digital Earth)、“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[1-4]。
3D-GIS的研究、建立与应用是目前GIS学科的热点之一,在自然资源管理、城市规划、作战模拟演练等应用领域显示出重要的价值和巨大的潜力[5-8]。三维数据模型和三维城市规划模型就是这样一个基于GIS和虚拟现实技术基础上的平台,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,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[9,10]。笔者对三维地形模型的建立予以阐述,使其成为数字城市建设系统中一个强大的工具平台和建设数字城市课题中一个有效的手段。
1研究区概况
1.1地区简介
瑞金市位于江西省南部、赣州地区东部、武夷山脉西麓,地处东经115°42″~116°22″,北纬25°30″~26°20″。是赣闽两省交汇处,瑞金市东、西、北三面环山,地势高峻,群山重叠,山势逐渐向中心和西南方向降低,以象湖镇为中心的10个盆地组成了一个窄长的绵江河畔山间盆地带。境内以低山为主,山地海拔一般在400~800 m之间。
境内按地形特征可分为侵蚀构造低山丘陵地形、河谷侵蚀堆积地形和侵蚀地貌类型。其中,以丘陵地形为主,面积1 967.85 km2,占该区总土地面积的80.35%。山地面积243.89 km2,占该区总土地面积的9.96%。岗地平原面积237.26 km2,占该区总土地面积的9.69%。岗地平原地区是瑞金村镇集中地区。
城区地处绵江河与古城河交汇处,属河谷侵蚀堆积地形,为三面环山(向东北方向敞开)的盆地。城区是瑞金境内10个盆地中最大的一个,绵江河呈“S”形由东北向西南方向通过,另有古城河、罗溪河、七堡河与其相通。地势东北高、西南低,高程在191.2~206.4 m之间。古城河南鹅岭脑一带为岗地,高程在206.4~215.2 m之间,与古城河以北一带相对高差15~18 m。南部山区丘陵地带高程337~442 m(新茶亭一带)。西部为丘陵山区,高程在400～473.3 m。东北部为丘陵地带,绵江河以北(洋溪村附近)高程在197.5~237.4 m之间。
1.2数据采集及前期处理
将收集到的相关资料,如城市规划设计图纸及相关文档、研究区域的地形图(如1∶10 000地形图)扫描成栅格图像,再用Photoshop软件消除噪音,然后应用Geoway空间数据加工处理软件进行图像配准,进行格网精校正,保证图像在校正过程中的精度,再进行数字化并建立拓扑关系,错误检查并进行修改,最后将其转为Shape格式,或者转换为E00格式文件保存,完成地形图的矢量化。对于规划效果的三维表示,同样先对规划图与地形图的矢量图层进行配准,然后对各个规划区块进行数字化,按照规划标准予以赋色。
2三维模型的建立及显示
2.1三维模型的建立
TIN模型把不规则分布的离散数据点,按优化组合成的三角形面来逼近地形表面。该模型是一种三维空间的分段线性模型,其数据格式在概念上类似二维数据结构中带拓扑结构的矢量数据结构[11]。TIN是根据不规则三角网的算法来实现的,在众多不规则三角网生成算法中,Delaunay三角网在国内外得到广泛应用,Delaunay三角网生成方法主要有逐步生成法、逐点插入法、分割归并法(分而治之法)等,其中,逐步生成法应用最为广泛。
逐步生成算法的基本思路是,先找出点中相距最短的两点连接成一条Delaunay边,然后按Delaunay三角网的判别法则找出包含此边的Delaunay三角形的另一端点,依次处理所有新生成的边,直至最终完成。算法的关键是如何搜寻“第三点”。
在本研究中,利用Arcview3.2,加载3D Analysis扩展模块,激活矢量化的等高线图层,利用convert to TIN功能,自动生成TIN(图1),根据所需突出表现的主题调整颜色级数和色阶,如要表现规划区块,则用绿色递减色阶即可。也可将3D模型TIN转成DEM文件。
2.2研究区三维显示
三维场景的属性主要包括三维场景的名称、创建者、创建日期、制图单位、二维投影、垂直缩放因子等。由于瑞金市高程地形差异小,表示不明显,所以,将垂直比例放大4倍,背景色修改为白色,太阳方位角主要是为了达到整套图的色调协调,调整至不同的角度、太阳高度角,见图2。
对于含有现状或者规划区块的三维效果图(图3,4),Base Heights赋值为主题的基本高程值,所有的区块都将建立在此给定的基准高程上。高程的偏移量设为0。并在延伸命令选择Adding to Base Height。最后调整方向角度输出三维地形图。
3基于三维模型的城市规划
三维城市规划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,具体来说具备以下几种主要功能:实现各种信息的二维查看、查询和测量等一系列功能;实现二维与三维的交互性查看、漫游。利用数据模型的一些特点进行相应的加工处理,要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、分析和处理,就必须利用GIS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,实现丰富的查询和分析、决策功能。
本项目为瑞金市历史文化名城长期规划,旨在发展旅游,保护历史遗迹的前提下对城市的功能结构布局进行合理的规划。按照城市规划规范,三维规划图中黄色区域R1代表一类居住用地,淡黄色R2代表二类居住用地,红色区域分别为:C1行政管理用地;C2商业金融用地;C3文化娱乐用地;C4体育用地;C6教育科研用地。棕色M1代表一类工业用地,紫色W代表仓储用地,浅绿色G1代表公共用地,深绿色G2代表生产防护绿地,黑色线条代表铁路,红色线条代表高速公路。
通过三维地形的建立,能够很直观的表达城市规划理念,直观地观察不同功能区域的分布,为后期规划的完善提供了便利。另一方面,降低了经济代价,减少了实地勘探,却达到相同的效果。
4结 语
三维城市规划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、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。三维城市规划可以建立一个三维的、动态的、可视化的景观来形象、生动和真实地表现城市的自然和人文现象,进行三维空间分析,更好地帮助城市规划、建设和管理。GIS在城市规划中应用是一次大的革新和尝试,会大大提高城市规划的效率和统计分析功能,能够更直观、更准确的表达规划区域的状况和城市规划理念,为区域的发展提供更有力、高效的支持。
参考文献:
[1] 陈小钢. 虚拟地理环境和地学认知检验[J]. 地理研究, 2003, 22(2):245-252.
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[8] 游雄. 基于虚拟现实技术的战场环境仿真[J]. 测绘学报, 2002, 31(1):7-11.
[9] 李利军,管涛,王乘,等. 基于增强现实的虚拟城市规划关键技术研究[J]. 计算机工程与设计,2006,27(19):3604-3606.
[10] 夏超文,徐滕岗,钱杨. 基于虚拟现实技术的数字地面建模研究[J]. 东华大学学报:自然科学版, 2007,33(3):354-356.
[11] 杨建思,杜志强,彭正洪,等.数字城市三维景观模型的建模技术[J].武汉大学学报:工学版,2003,36(3):37-40.