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1、三维 GIS 技术在城市规划中的应用洪 波 1 曲 林 2洪 波 黑龙江省测绘科学研究所 黑龙江省哈尔滨市南岗区测绘路 2 号 150086曲 林 黑龙江省测绘科学研究所 黑龙江省哈尔滨市南岗区测绘路 2 号 150086摘要：随着 GIS 应用的深入,人们越来越多地要求从真三维空间来处理问题。由于二维 GIS数据模型与数据结构理论和技术的成熟,图形学理论、数据库理论技术及其它相关计算机技术的进一步发展,加上应用需求的强烈推动,三维 GIS 的大力研究和加速发展现已成为可能。三 维 数 据 相 对 二 维 数 据 更 能 表 现 出 客 观 实 际 。 本文介绍了三维 GIS 的相关发展情况，
2、探讨了三维 GIS 的有关基本问题，重点阐述了三维 GIS 技术在城市规划中的应用。关键词： 三维 GIS ；城市规划0.引言地理信息系统（Geographic Information System 或 GeoInformation system，GIS）又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统” ，它是一种特定的十分重要的空间信息系统，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时间信息的计算机系统。 随 着 计 算 机 技 术 的 日益 发 展 ， GIS 技 术 也 日 趋 成 熟 ， 现 在 已 经 广 泛 应 用 于 管 理 规
3、划 、 公 共 服 务 、 灾 害 预 警 等各 个 方 面 。 GIS 技术已经成为空间数据处理、集成和可视化最成功的技术之一，并作为地球空间信息处理的有效工具，极大地推动了地球空间技术在各个领域的应用。由于 GIS 从地形图演进而来，现有的绝大多数 GIS 都使用二维数据描述地理对象，即所有的对象都通过二维坐标（X,Y 或经纬度）进行表示。二维 GIS 只能处理平面信息，不能处理铅垂方向信息。它在表达上通常是将铅垂方向信息投影到二维平面上进行处理。一些二维 GIS 和图象处理系统现已能处理高程信息，但它们并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，能够表达出表面起伏的
4、地形，但地形下面的信息却不具有。二维 GIS 存在着自身难以克服的缺限，本质上是基于抽象符号的系统，不能给人以自然界的本原感受。随着计算机技术和数据获取技术的迅速发展，具有处理真三维数据能力的三维 GIS 的发展受到了极大的关注。三维 GIS 使用三维数据描述地理对象，即所有的对象都通过三维立体坐标（X，Y，Z 或经纬度与高程）进行表示。三维 GIS 在日益增长的三维空间信息需求的牵引和蓬勃发展的现代新兴技术的驱动下得到了稳步的发展。1.三维 GIS三维 GIS 与二维 GIS 一样，需要具备最基本的空间数据处理功能，如数据获取、数据组织、数据操纵、数据分析和数据表现等。相比于二维 GIS，三
5、维 GIS 具有以下优势。 更加直观的空间展示。从人们懂得通过空间信息来认识和改造世界开始，空间信息主要是以图形化的形式存在的。然而，二维信息的图形界面较为抽象，在空间展示和视觉上有很一定不足。相比二维 GIS，三维 GIS 为空间信息的展示提供了更丰富、逼真的平台，使人们将抽象难懂的空间信息可视化和直观化，人们结合自己相关的经验就可以理解，从而做出准确而快速的判断。三维 GIS 在可视化方面有着得天独厚的优势。随着图形显示设备的发展更新，三维 GIS 的图形可视化功能有了很大的提高，满足了人们对立体模型的的视觉感官要求。 多维度空间分析功能。空间信息的分析过程，往往是复杂、动态和抽象的，在数
6、量繁多、关系复杂的空间信息面前，二维 GIS 的空间分析功能常具有一定的局限性，如淹没分析、地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能，二维 GIS 是无法实现的。由于三维数据本身可以降维到二维，因此三维 GIS 自然也能包容二维 GIS 的空间分析功能。三维 GIS 强大的多维度空间分析功能，不仅是 GIS 空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了 GIS 的特点和优越性。 2.三维 GIS 的特点在三维 GIS 中，空间目标通过 X、Y、Z 三个坐标轴来定义。二维 GIS 可以通过添加三维高程来实现三维空间的扩展。在空间关系中，三维 GIS 与二维 GIS 也有
7、不同，复杂程度更高，二维 GIS 对于平面空间的有限-互斥-完整划分是基于面的划分，三维 GIS 对于三维空间的有限-互斥-完整划分则是基于体的划分。与二维 GIS 相比，三维 GIS 对客观世界的表达能给人以更真实的感受，它以立体造型技术给用户展现地理空间现象，不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系；另外对空间对象进行三维空间分析和操作也是三维 GIS 特有的功能。而与 CAD 及各种科学计算可视化软件相比，它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维 GIS 的核心，三维空间分析则是其独有的能力。与功能增强相对应的是，三维 GIS 的
8、理论研究和系统建设工作比二维 GIS 也更加复杂。3.三维 GIS 的数据获取技术三维 GIS 技术重要基础之一就是三维数据获取技术的进步，特别是航空与近景摄影测量、机载与地面激光扫描、地面移动测量与 GPS 等传感器的精度与速度都有了明显的提高。大量的研究致力于地物的三维自动重建，而依据分辨率、精度、时间和成本等的不同已经有许多不同的技术方法可供选择。在众多三维建筑物模型的重建方法中，三维激光扫描技术依据快速、不接触、高效的优点在三维 GIS 中占有重要作用。三维激光扫描技术在不同位置进行扫描记录时，利用内置的彩色 CCD 相机拍摄被测物体的彩色照片，实现对扫描实体的影像信息采集，在获取目标
9、体的几何位置信息的同时，还可以附带获取实体表面点的反射强度值。通过记录物体的颜色信息，采用贴图技术将所摄取的物体的颜色信息配到各个被测点上，得到目标体的彩色三维信息，为模型后期表面细化处理和模型渲染提供边缘位置信息和彩色纹理信息，从而真实再现目标体的三维形态。三维激光扫描仪作为一种高精度的主动式传感器，与传统的图像传感器相比，具有不受光源影响、数据精度高等优点。三维激光扫描仪不仅具有更高的距离与角度分辨率，而且具有极短的采集周期和较低的测量误差，这些特性使得基于三维激光扫描技术进行的三维模型重建成为了当前三维 GIS 应用领域的重要手段之一。4.GIS 在城市规划中的应用要建设好城市，必须有一
10、个统一的、科学的城市规划，并严格按照规划来进行建设。城市规划是一项政策性、科学性、区域性和综合性很强的工作。它要预见并合理地确定城市的发展方向、规模和布局，作好环境预测和评价，协调各方面在发展中的关系，统筹安排各项建设，使整个城市的建设和发展，达到技术先进、经济合理、 “骨、肉”协调、坏境优美的综合效果，为城市人民的居住、劳动、学习、交通、休息以及各种社会活动创造良好条件。 城市规划对城市的空间和实体发展进行的预先考虑。其对象偏重于城市的物质形态部分，涉及城市中产业的区域布局、建筑物的区域布局、道路及运输设施的设置、城市工程的安排等。在进行城市规划中，传统方法通常是在原有的二维地图或系统中进行
11、场景预览和规划，难以体现整体视觉上的效果。视觉是理解空间最有用的感觉，三维 GIS 在很大程度上也依赖视觉表现提供更为丰富逼真的信息。通过二维 GIS 平台结合三维立体模型构造了逼真的场景效果，使得决策者结合自己相关的经验与理解就可以做出准确而快速的空间决策。三维可视化能使人们只有抽象概念而难以直接感知的空间现象现实化和直观化，获得各种超越现实的空间感知经验。在三维 GIS 系统中，依据城市规划的特点，将不同目标体的备选模型进行系统处理，为决策者提供不同的设计效果，帮助决策者依据整体城市特点做出合理的规划布局和城市治理。 在三维 GIS 系统中，首先应用二维平面图形构建系统的框架，通过高精度的
12、地理坐标构建整个城市主体。在 GIS 系统中，对城市的各个建筑进行信息采集和数据库处理，使得整个城市信息具有真实坐标和丰富的属性信息。使用者可以通过调取不同城市建筑的，获取该建筑的详细信息和位置信息。在三维 GIS 系统中，利用三维激光扫描技术对二维地图中的建筑构建三维模型。由于三维激光扫描技术具有真实性，因此获取的建筑数据为真实的模型尺数据和地理坐标数据。依据三维模型的地理坐标，结合二维地图进行整合，将所有城市的地面建筑进行整合，构建完整的三维 GIS 系统。如图 1 所示。图 1 三维 GIS 系统在三维 GIS 系统中，各个三维建筑模型具有真实的地理坐标和真实的模型纹理，在地理查询和视觉
13、上都具有真实性，因此在进行城市规划中具有其他系统无法替代的真实性。在该系统中，对所需规划的地理建筑进行不同方案的建模对比，分析规划设计中的结构差异和城市整体景观的视觉差异，从而选择最合适的城市规划方案。如图 2图 2 城市规划设计方案对比5. 总结城市与区域现划依赖于大量空间数据的正确体现和有效处理。三维 GIS 技术的应用，为城市规划和辅助决策中提供了更为直观的视觉效果，为更好的生态城市环境，合理的城区规划和城市布局提供了良好的辅助手段。参考文献：1 陈正江等，地理信息系统设计与开发M，科学出版社，2005。2沈清基，城市生态与城市环境M，同济大学出版社，19983李军; 三维 GIS 空间数据模型及可视化技术研究D;中国人民解放军国防科学技术大学;2000 年4王丽佳;小型地理信息系统平台的研制与开发D;大连理工大学;2002 年 作者信息：洪波：研究生 毕业于武汉大学 测绘遥感信息工程国家重点实验室 测绘工程专业。曲林：研究生 毕业于东北林业大学。联系方式：洪波 黑龙江省测绘科学研究所 黑龙江省哈尔滨市南岗区测绘路 2 号 150086 13766895340曲林 黑龙江省测绘科学研究所 黑龙江省哈尔滨市南岗区测绘路 2 号 15008613936350211
