三维GIS及城市规划

三维GIS与城市规划城市规划与三维GIS城市三维GIS关键技术城市三维数据城市三维模型三维GIS与城市规划城市规划与三维GIS城市规划技术方法科学化的需要1科学的辅助规划决策的需要2公众参与的城市规划的需要3城市规划对三维可视化技术的需求三维GIS与城市规划空间信息技术发展给城市规划带来机遇城市规划与三维GIS空间信息技术对城市规划理论与实践的拓展由于国际社会信息化进程的推动，当代办公信息处理量成倍增长，一种“可自由高效地利用新发展的各种情报通讯设备，具有更自动化的高度综合性管理功能的建筑体系——智能建筑体系”得到了迅速的发展。办公建筑空间已不单纯为公文交换的场所，而成为更注重体现以人为中心的“媒介环境”，办公建筑形态的环境文化信息含量将随之不断增强，正向着未来的社会工作模式、城市环境、生态环境等广阔的空间拓展。这一切都需要新的规划设计理论与之适应。三维GIS与城市规划空间信息技术发展给城市规划带来机遇城市规划与三维GIS空间信息技术对城市规划方法与手段的更新城市规划包括多方面的内容，为了使规划更加科学，城市规划的发展控制更为有效的适应城市社会信息日益复杂和增长的需要，城市规划师和城市管理人员必须依靠以计算机为基础的现代化的方法和手段。利用遥感和全球定位系统能够获取建立城市三维可视化GIS中的数据，虚拟现实与地理信息系统是三维可视化GIS的核心技术。与这些技术方法有关的城市规划技术并不侧重于研究技术的本身，而在于研究在城市规划领域如何有效的利用这些技术，使这些技术和方法发展成为基于特定规划问题的技术。三维GIS与城市规划空间信息技术发展给城市规划带来机遇城市规划与三维GIS三维可视化与GIS技术给城市规划工作带来优势三维可视化与GIS在城市规划中的应用可以带来以下优点：（1）决策的科学性城市规划管理是一个以土地空间使用为主要表征的多信息处理、复合过程，需要分析大量的信息辅助规划决策，并且实时动态查看、修正的需求也极为频繁，需要决策者做出更具科学性、权威性的决策。（2）先进的管理方式城市的快速发展使规划管理部门的业务工作量不断增加，信息量也随之急剧膨胀，传统的管理手段和人工作业方式在现势性、准确性、科学性和效率方面已不能适应目前的需要，一个高效、规范、自动化、智能化的城市规划管理信息系统能够有效的处理这些问题。（3）实现标准化的工作模式实现办案过程程序化和标准化、审批成果的规范化以及义务数据及图形数据的集成化管理，并使办公自动化达到先进水平，不仅使得审批项目环节上实现办公自动化，也建立起一整套完善的窗口和部门之间的网络联系，建立计算机程序化的工作汇报制、备案制、检查制。三维GIS与城市规划城市三维GIS关键技术虚拟现实虚拟现实（VR）是当代信息技术高速发展，并与其他技术集成的产物，是一种最有效的模拟人在自然环境中视、听、动等行为的高人机交互技术。这种模拟具有最基本的特征，即沉浸-交互-构想。VR是把人与信息集成起来的科学，目的是通过虚拟的体验来表达信息，它与多种学科相结合，包括人工智能、控制论、计算机图形学、数据库多媒体及遥现(Telepresence)技术等。VR所创造的虚拟世界里，必须具备三个要素：同虚拟世界的对话性、虚拟世界的自律性、虚拟世界的表现和临场感。VR包括沉浸式与非沉浸式虚拟现实技术。沉浸式虚拟现实技术是通过一些特殊的外部设备来实现的。操作者可得到真实的立体感，并可以使用自然技能，对虚拟世界进行交互考察，使人完全沉浸到计算机创造的图形世界里。非沉浸式虚拟现实技术，则是通过传统的标准外设，主要是依赖软件技术来实现的，其特点是经济、方便。三维GIS与城市规划城市三维GIS关键技术三维理论技术三维立体显示的出发点是运用三维立体透视技术和计算机仿真技术，通过将真实世界的三维坐标变换成计算机坐标，通过光学和电子学处理，模仿真实的世界并显示在屏幕上。三维技术广泛应用在资源环境模型、地形模拟、CAD辅助设计、影视特技、广告设计等方面。它具有可视化程度高、表现形式灵活多样、动态感和真实感强、资料更新方便等优点，还可以应用于政府辅助决策、防洪减灾、地形勘查与野外作业设计、水电、建筑工程规划设计与选址、环境评估、城市与社区规划设计、房屋装修设计、旅游景点规划、医学、生物、大气及军事等各个领域。随着计算机与图形、图像处理技术的发展，数字产品三维化已经成为当今信息产品的一大趋势。三维GIS与城市规划城市三维GIS关键技术虚拟现实与三维技术在地理信息统中的应用现今由于“3S”技术的迅速发展，越来越多的行业和领域都大量使用了地理信息系统，实现资源信息的科学管理，提供信息服务。虚拟现实、三维可视化仿真技术在地理信息系统中的应用将使GIS不仅可以给用户提供图表、数据信息，而且在管理空间信息的同时，还能以图形、图像、视频、音频、动画等形式对信息进行管理，势必大大增加了地学信息的表现能力，扩大了GIS的应用领域。与二维GIS相比，三维GIS用X、Y、Z来表述空间对象，对客观世界的描述能给人以更真实的感觉，它以立体造型技术来展现地理空间现象，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直关系，还能对空间对象进行其特有的三维空间分析和操作功能。而与计算机辅助设（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的能力及空间分析的能力。三维空间数据库是三维GIS独特功能的基础，也是三维GIS的核心。三维GIS的理论研究和系统建设工作与二维GIS相比也更加复杂。三维可视化、虚拟现实与GIS集成，形成两种层次的三维可视化GIS：VR-GIS和3D-GIS。三维GIS与城市规划城市三维GIS关键技术虚拟现实与三维技术在地理信息系统中的应用VR-GISVR-GIS作为虚拟现实与GIS的一种结合技术，为人和地理空间的研究对象之间创建了一个和谐、高效的交互环境。GIS与虚拟现实的结合大致通过三个阶段：数据的结合、数据模型和功能的统一和虚拟现实与GIS的一体化。虚拟现实技术与GIS强大的空间处理功能和多媒体技术相结合，在虚拟环境中能逼真的反映出地学特征使得人机交互操作更加方便，用户沉浸到一个计算机支持下的GIS系统所创建的虚拟环境中，与虚拟环境发生交互作用，并得到与实际的物理参与相同或相似的感受。用户可以在虚拟的地形、建筑、水域、生态环境中完成诸如航行如移动视点，选择，操纵如移动、放大、旋转等，和命令等交互动作，通过立体可视装置显示在用户的眼前，同时三维音响设备将仿真实体的参数空间如速度、状态、类型等映射到音频参数空间如音调、音量等，使其处于一个高度逼真的视听环境中。三维GIS与城市规划城市三维GIS关键技术虚拟现实与三维技术在地理信息统中的应用3D-GIS3D-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3D-GIS特有的功能。它具有独特的管理复杂空间对象能力及空间分析的能力。真三维GIS是布满整个三维空间的GIS，与传统的基于平面的二维GIS或2.5维GIS明显不同，尤其体现在空间位置与拓扑关系的描述及空间分析的伸展方向上。空间分析三维化，也就是直接在三维空间中进行空间操作与分析，对空间对象进行三维表达与管理。三维空间分析在边界追踪检测、邻居寻找，三维拓扑关系的描述与构造，三维查询与统计分析等方面有待于进一步的研究。将各领域的专家知识库嵌入GIS中，是三维GIS发展的一个重要方面。三维GIS与城市规划城市三维GIS关键技术

虚拟现实与三维技术在地理信息统中的应用三维虚拟景观图三维GIS与城市规划城市三维数据城市规划中三维空间信息数据城市三维空间信息数据的分类应用于城市规划的三维可视化GIS中的要素可以归纳为六大要素类：地貌、植被、水系、道路、居民地以及境界。其中占重要地位的是地貌和居民地。因此，我们把用于城市规划的三维空间信息，概括为三维地形、三维建筑物和地表纹理图像数据。在三维可视化GIS中，地貌是以地形模型的形式即数字高程模型（DEM）表现的，居民地是以三维建筑物来表现的。从数据的种类来看，构建城市规划中三维可视化GIS的三维模型需要获取的数据具体包括地形数据、数字化地图数据、建筑物高度数据、航摄像片、地面近景照片、以及纹理图片等。由于地表现象复杂，包括自然地物和人文地物等，各种物体形状差异很大，关系复杂，因此，我们在GIS中将其抽象，用数字表达可以归结为四大类：数字线划图数据、影像数据、数字高程模型和地物的属性数据。三维GIS与城市规划城市三维数据城市规划中三维空间信息数据城市空间信息的特点城市空间信息具有以下一些共同的特点：(1)城市地物一般直接与地表相连或邻近。沿地面方向上，彼此独立性较强，以关联关系为主：在垂直方向上，存在覆盖或部分覆盖的方位关系，这种关系大多数是以地表为中介进行传递，即很少存在空间地物之间的覆盖且邻接的空间关系;因此，城市空间地物之间的三维空间关系较简单。(2)城市地物由人工地物和自然地物组成，并以人工地物为主，人工地物多为规则地物，可以方便地进行模拟，即可以利用三维造型工具进行三维建模;(3)绝大多数城市空间地物是根据人们的不同需要而设计和建造的，因此，它们具有动态变化的特点。(4)城市空间现象变化多为空间位置到属性值的变换函数，即空间现象也是一种空间场。三维建模要求空间地物具有独立的对象特征，而城市空间地物和空间现象与地表存在着强相关性，即城市空间信息随着城市地表空间位置的变化而变化。三维GIS与城市规划城市三维数据三维空间数据的获取方式三维地形数据的获取由于数字三维地形要达到直观性和可测量性的统一主要依赖于DEM的质量和精度，所以矢量数据和栅格数据中最重要的是DEM。现有的城市三维模型建立中，获取DEM的途径主要有以下几种：1直接使用二维GIS中的DEM。由于其通过实测高程点构成不规则三角网模型(TIN)得来，因而精度最高，但缺点是获取和更新速度太慢。2通过数字摄影测量系统，处理航摄影像生成，这种获取方式受扫描分辨率和测量手段的限制，成图的精度收到一定的影响，但获取速度快。3由机载激光扫描系统直接扫描并经过后续处理活得。其优点是直接测量地面要素高程，无需人工干预进行快速自动的数据处理，获取速度快，且不受天气影响；其缺点是精度低，需要专门的处理算法。4用合成孔径雷达（SAR）获取数字高程模型。优点是不论白天黑夜以及天气的影响，分辨率高，但数据获取成本高，目前不易推广。三维GIS与城市规划城市三维数据三维空间数据的获取方式建筑物平面数据的获取建筑物的平面数据主要指的是建筑物在俯视图中投影到地平面的轮廓线。目前建筑物平面数据获取只要有以下几种方式：一、利用数字摄影测量的方法从影像数据中获取建筑物数据（1）使用航空影像和地面摄影对建筑物特征进行自动提取。其优点是获取的速度快，缺点是提取的几何信息不完整，需要大量的人工后续处理。（2）使用航空影像进行交互式获取。这种方式的特点是能够较真实的获取所需要的信息，缺点是需要人工干预，工作量大。（3）在地面使用激光扫描仪与GPS，通过测距求算获取。其特点是获取速度快，且获取的几何信息准确，缺点是工作量相当大。（4）使用高分辨率卫星影像进行建筑物的自动提取。高分辨率影像卫星的出现，使得高分辨率、实时的城区影像能够很容易得获取。三维GIS与城市规划城市三维数据三维空间数据的获取方式建筑物平面数据的获取二、从原有的二维GIS中提取三维建筑物模型所平面信息三维GIS是从二维GIS基础上发展起来的，虽然数字摄影测量和遥感技术可以提供大量的数据，但是，传统的GIS所积累起来的现成数据应当给予充分利用。二维GIS中，建筑物一般只用投影到地面的轮廓线来表达，并将该轮廓线所勾勒出来的图形作为面对象存储在地图数据中。因此，可以利用现有的地图数据，从中提取出这些轮廓线，把其作为三维建筑物模型的底面。利用原有GIS成果的基础上，很容易获取三维GIS中建筑物的平面几何数据，避免了重复劳动。三维GIS与城市规划城市三维数据三维空间数据的获取方式建筑物高程数据的获取建筑物高度数据的获取，主要有以下几种方法：（1）从影像中直接提取建筑物高度以及其他信息。其优点是效率高，但是目前还不适合大批量数据的自动处理。（2）用Laserrangerfinder结合CCD相机从地面获取建筑物的高度数据。其优点是获取速度快，缺点是工作量大，且后续处理工作量也很大。（3）用Airbornelaserscanner结合空中影像，经过算法处理提取建筑物的高程数据。其优点是获取速度快，缺点是后续处理工作量大，费用可观。（4）利用原有二维GIS的地图资料建立的建筑物专题信息数据库。原有的GIS专题信息数据库中如果含有建筑物高度信息，就可以直接利用。或者，从建筑物的层数和建筑物的使用性质估算建筑物的高度。这种方法优点是工作量小，缺点是信息不准确。三维GIS与城市规划城市三维数据三维空间数据的获取方式建筑物表面纹理的获取建筑物的纹理数据获取有以下几种方式：（1）地面摄影相片直接提取。这种方法需要用相机拍摄大量的建筑物侧面照片，其优点是能够使建筑物模型真实感强，缺点是获取速度慢，且数据量大，后续工作量也大。（2）由计算机做简单模拟绘制。这种方法采用了矢量纹理，其优点是数据量少，建立的模型浏览速度快，但缺乏真实感。（3）根据摄影相片由计算机生成。这种方法适合具有相似的纹理的建筑物群，可以对其中的一个建筑物进行纹理特征的提取，然后用计算机对其他建筑物进行批量处理，这样，可以减少纹理的获取量和后续处理的工作量。（4）由空中摄影获取。这一方法主要获取地面影像，但空中影像中也含有部分建筑物的侧面纹理。这种方法获取的纹理变形大，真实感也相对较差。三维GIS与城市规划城市三维数据从遥感数据获取三维城市数据的方法城市三维遥感信息是人们关注的焦点之一，因此利用遥感技术来快速获取城市三维遥感信息成为研究的热点问题之一。城市三维遥感信息可以广泛应用于城市的规划设计、城市化进程的监测以及城市的现代化管理，城市建筑物的三维信息也是虚拟城市的关键信息之一。目前由于经济和社会的发展步伐明显加快，使得城市的动态变化速度也大大加快，许多应用中都迫切要求高效提供城市三维信息。通过卫星遥感和航空遥感可以获取高分辨率的数据；机载三维成像仪可以准实时获取地面的三维位置和光谱信息，可以保证从信息获取到提供三维建筑物信息在很短时间内完成，从而适应城市快速发展的要求。三维GIS与城市规划城市三维数据从遥感数据获取三维城市数据的方法高分辨率卫星遥感数据模块化处理技术高分辨率卫星遥感数据在城市的应用刚刚起步，因为高分辨率卫星遥感发展毕竟也是近几年的事，如IKONOS，SPOT，QUICKBIRD等商业卫星的成功发射和运行。当IKONOS卫星在1999年秋天发射入轨时，它开创了航天成像的新时代。以前高分辨率侦察卫星的成像专门用于军事领域。但是，随着该卫星的发射成功，任何人都可以订购从681km高的太空中拍摄分辨率为1m的黑白图像。这些图像以数字方式传输，有时候几个小时内就可以得到。城市规划人员可以利用它来确定在哪里修建新的道路，高分辨率卫星数据在城市规划、城市土地覆盖、地图更新方面可以发挥重要的作用，可以处理而生成1:2000～1:10000的地图和专题图件，它的处理可以借鉴已有的卫星数据处理方法和航空遥感数据的处理方法。三维GIS与城市规划城市三维数据从遥感数据获取三维城市数据的方法城市数字化航空遥感数据处理技术在航空遥感信息获取方面，我国已经研制成功了4k×4k的CCD航测相机，并取得了较好的飞行数据。成像光谱仪也是发展比较成熟的技术，上海技术物理所已研制成功了推扫成像光谱仪(PHI)。对航空遥感数据模块化处理充分吸收数字摄影测量的成熟技术，进行DEM和正射影像的生成，而对于专题信息的提取将总结人机交互的方法和图像分割和理解的方法进行研究。三维GIS与城市规划GIS与城市规划三维GIS与城市规划城市三维模型当前使用的城市三维景观仿真技术随着计算机技术的发展，用计算机技术在建筑设计和城市规划设计中进行景观仿真的方法和手段也不断的发展。目前，以计算机技术为代表的信息技术在建筑设计、城市规划中的三维景观表达、仿真上的应用主要有6种应用层面：(1)用计算机绘制平面图、立面图、剖面图、透视图；(2)静态渲染图；(3)固定路径的动画；(4)实时、交互式的景观仿真；(5)虚拟现实(VR)；(6)三维可视化GIS。这六种应用方法是由简单到复杂，对三