聚焦︱面向数字化城市设计的三维GIS关键技术
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导读
数字化城市设计是对人、自然、社会等要素的三维立体设计，对我国城市的品质提升具有关键作用。三维GIS及其关键技术是数字化城市设计的重要支撑，能够与城市设计的多种技术、多种软件平台甚至多个工作阶段相互整合。本文重点阐述了三维实体数据模型、多源异构数据融合、三维空间分析与空间运算、三维交互与输出新技术等三维GIS关键技术，并分析了如何利用三维GIS关键技术建立城市设计规则库。
随着信息化、数字化、网络化的发展，城市空间的内涵与形态正在发生新的变革，传统的城市设计方法对城市空间进行整合和谋划的局限性越来越明显。在数字地球、智慧城市、移动互联网乃至人工智能等技术的推动下，城市设计的理念、方法和技术获得了全新的发展。数字技术正在深刻改变城市设计的专业知识、作业程序和实践方法，推动了数字化城市设计的出现。数字化城市设计以形态整体性理论重构为目标，以人机互动的数字技术方法工具变革为核心特征。它正从单一空间层面向复杂多元层面扩展，从静态城市空间扩展至动态城市全空间，研究尺度增大，精细化程度提高，公众参与程度增强。
对于城市大尺度空间形态而言，数字化城市设计是一种能真正付诸实施的城市设计，它不仅包含了相对完整、系统、可靠的多源数据的获取、分析、综合、集成职能，也包含了面对设计实施、运维管理、城市可持续发展和必要弹性的物质空间形态构建。这与GIS所承载的功能不谋而合。数字化城市以数字化工程为基础，涉及编制设计、成果审查、实施评估和公众参与的城市设计全生命周期过程，采用的数字技术有数据获取、数据分析和数据可视化技术。已有研究在一定程度上证明了三维GIS在城市设计中的实用性。如龚竞等利用三维模型构建技术和GIS技术创建了城市规划数据库，并建立了三维城市辅助规划审批系统。洪成建立了基于GIS的城市设计工作的基本框架和步骤。朱庆，张霞等对数码城市GIS技术及其在不同层次城市设计中应用的探讨。
数字化城市设计带来了全新的设计理念，也带了不少技术难点，主要包括：如何高效地整合大尺度的多源空间信息以提高对大尺度空间认知；如何有效表达地上地下全空间多尺度对象使得定量分析能够在更高精度和维度实现；如何数字化设计原则帮助进行定量分析；以及如何进行更加有效的人机互动以增进公众参与等。
三维GIS作为数字化城市设计全生命周期过程中各方面工作的整合平台，可以在一定程度上解决上述问题，主要包括：通过前期的多源数据集成，实现对城市级大尺度模型的构建；通过三维实体数据模型及基于其上的空间分析与计算，支持城市空间形态的定量分析；提供Web 3D GIS能力和虚拟现实、增强现实等技术，支持可交互的方案评审和公众参与。基于三维GIS关键技术，建立规则库，使设计原则数字化。本文对这部分工作能够采用的三维GIS关键技术进行了总结。
长期以来，我国在城市建设过程中，缺少城市设计环节，许多城市在制定了规划之后，就按照特定的功能布局和用地性质、直接进入建筑设计阶段。其结果是难以把握城市空间环境的总体特征，造成城市形象的无序化和城市环境的非人化现象。借助GIS，城市设计可以建立长远的城市可视形象，提高城市的可识别性，指导城市建设项目。三维GIS可以渗透到城市设计的总体布局、重点区域及建筑层面的三维建模、分析、管理与可视化等各方面，涉及数据模型与多种关键技术，包括如何有效地表达城市三维空间，如何将法定的规划信息与宏观的城市环境信息融合，如何进行丰富的三维交互与可视化等。本章将针对三维GIS的关键技术进行重点分析。
空间数据模型是GIS的基础。传统GIS多采用点、线、面等表面模型和TIN、网格、构造立体几何(Constructive Solid Geometry)等体模型来表达空间对象。这些模型对三维空间关系和拓扑关系的表达不足，无法支持三维的空间分析与计算，难以实现有效的三维城市建模。
自1990年代开始，学界先后提出了三维空间数据集成模型的概念框架，研究了空间体对象间的三维拓扑构建方法，提出了矢量栅格集成的面向对象的时空数据模型，基于拓扑的建筑物三维数据模型，基于CityGML的三维封闭建筑体等。这在一定程度上解决了对城市中现实空间对象的表达和分析问题，但多应用于特定方面。新发展出的SuperMap三维实体数据模型，旨在提供一种面向各领域的基础模型，以其为基础，可以扩展得到领域模型。SuperMap三维实体数据模型采用拓扑闭合的三角网表示空间对象，具有以下技术特点：
三维实体数据模型采用半边结构描述三角网的各顶点和各条边的拓扑结构，如图1所示，经过交、并、差等布尔运算后，可以保持拓扑闭合，仍然表达为三维实体。三维实体数据模型支持三维空间关系判断、布尔运算和空间分析。三维实体数据模型支持截取模型的任意剖面，即可以只保留三维模型，无需保存横剖面和纵剖面，就可以获取任意剖面。
图1 三角网拓扑结构描述
传统GIS数据模型为满足图形硬件加速的需要，通常采用浮点型（float）存储顶点坐标值，可视化表达的渲染效率得以提高，但在数据精度和拓扑结构上存在不足。三维实体数据模型，采用双精度型（double）值存储顶点坐标，可以准确计算对象的体积、表面积，同时也保证了布尔运算及空间分析计算过程及结果的精度。
经典的模型数据组织包括骨架、材质、纹理3个部分，是各类模型数据表达的基础。三维实体数据模型借鉴了经典数据模型的组织形式，只不过为提高海量数据的存储和访问性能，在存储层面设计了高精度和带属性信息顶点的存储结构，同时考虑实例化的需求，采用了实体和模型分离的表现形式，如图2所示。
图2 三维实体数据存储结构
三维实体数据模型，不仅可以用来表达建筑、管线等城市实体环境组成部分，也可以表达抽象的、无形的城市要素，如摄像头监控范围、建筑物阴影体、天际限高体等，如图3所示。以天际限高体为例，在实际应用中，三维实体数据模型可将GIS分析得到的城市天际线，表达为三维的限高体，从而判断待建建筑是否影响了城市天际线，超限建筑将不予审批。
图3 三维实体数据模型表达的a阴影体和b天际限高体
城市设计不仅关注宏观层面的城市形态，也关注小尺度、大比例尺的城市内部结构,以及地上、地下的全空间地理信息。在实际应用中，城市设计涉及多种与空间位置相关的基础数据，从时间维度上划分，包括城市的历史、现状和未来的规划数据、业务数据，从设计内容上，分为市政道路管线、地下管线、地上环境、小区建筑、街道广告等数据，从数据类型上，则包含传统的影像、矢量、地形数据，3ds Max数据、CAD数据、三维精细模型，新兴的倾斜摄影模型、激光点云、BIM以及虚拟的场数据等。多源数据融合成为数字化城市设计必须要解决的重大问题。
十几年前，三维GIS就能够提供多源数据融合的能力。通过将二维和三维模型数据存储到一体化的数据库，采用空间数据引擎实现对数据的统一的高效访问、管理与维护更新。其中三维模型数据可加入业务属性字段，能够进行复杂的SQL查询与统计分析。
近年来，新兴的倾斜摄影、高精度激光测量等三维技术，提升了三维数据的真实感、精度和生产效率。但这类技术产生的数据多是无结构的全要素Mesh模型，在城市设计中，可作为三维场景的底图，但由于其缺少属性和实例化，无法进行对象化查询和分析。三维GIS提出了虚拟动态对象化技术，将匹配的矢量面与地球球心连线构建成闭合阴影体，采用模板阴影体绘制技术，将矢量面的颜色混合到对应模型表面，再将存储在空间数据库中的矢量面与模型相关联，实现了在不切割模型的情况下，对模型中三维对象的表达、查询和分析，解决了倾斜摄影、激光点云等数据的对象化查询与管理难题，如图4所示。刘先林院士则提出做实体三维，数据要分层分类，每一层的实体要对象化管理，具有丰富的属性，具有描述几何形状的易于建模的三维矢量。
a 查询属性
图4 虚拟动态对象化技术应用于倾斜摄影模型
当前，利用深度学习如卷积神经网络U-net模型可以从倾斜摄影模型中提取建筑物矢量平面，如图5所示。首先利用从倾斜摄影三维模型中提取的DOM、DSM和研究区已有建筑物矢量，训练U-net，用于提取DOM、DSM中的建筑物特征，建立建筑物提取模型；然后利用建筑物提取模型，以新的DOM、DSM为输入，自动提取建筑物矢量平面数据。
图5 利用深度学习方法提取倾斜摄影模型建筑物矢量平面图
建筑信息模型（BIM）是GIS实现精细化管理的重要支撑。朱庆等提出了一种建立于BIM和GIS通用数据模型标准上的几何与语义互操作的手段，即基于IFC几何要素过滤和IFC到CityGML的语义映射规则，实现BIM与GIS数据的集成。SuperMap针对当前主流BIM软件（Revit、Bentley、CATIA、Civil 3D和PKPM），提出了BIM模型到GIS软件的数据无损接入技术，通过多层次细节（LOD）、实例化存储与绘制、BIM模型轻量化、多级缓存等技术解决了超百万构件的BIM与GIS数据融合的性能瓶颈，采用动态坐标变换方法实现BIM与GIS厘米级位置匹配。
Autodesk则更进一步，从数据模型层面实现了BIM与GIS的无缝融合能力，不仅支持BIM和GIS间数据格式的直接读入，也支持数据的更新。这种能力打通了BIM与GIS间的工作流，一方面GIS数据可以进入BIM，其属性被直接添加到BIM数字设计模型中，并为BIM提供宏观环境，辅助城市的初步设计和详细设计。另一方面，设计好的BIM模型也可以进入GIS进行城市的总体设计和运维监控，从而贯穿城市设计的整个生命周期。
BIM模型的拓扑完整性和闭合性，使其可以表达为三维实体数据模型，进而支持布尔运算、体积和表面积计算，以及与表达城市空间的地理数据进行裁剪、镶嵌、挖洞等操作，如隧道BIM模型采用三维实体数据模型表达后，与地形数据进行布尔运算，可以模拟隧道贯通山体的场景，如图6所示。
图6 BIM模型与地形数据的匹配融合
为了促进多源异构数据的开放共享，OGDC互访开发标准接口可用于将不同的数据——不管是符合IFC标准的BIM数据，还是其他格式的数据——接入GIS或其他3D系统。即OGDC提供数据的统一入口，这方面已有开源的程序代码(https://github.com/SuperMap/OGDC)。而统一的数据规范如I3S和S3M，则可用于各种GIS终端应用、用户APP等对系统中数据的高性能、一致性访问。
城市设计包括过程形态和整体形态，需要在建设过程中进行综合的、实时的把控，三维GIS空间分析可提供极大的便利条件。在规划信息、倾斜摄影模型、BIM、三维精细模型等多源信息构建的三维场景中，三维GIS已经能够支持GPU环境下的近实时甚至实时的空间分析，包括通视分析、可视域分析、天际线分析、阴影率统计分析、剖面线分析、对比分析等，用于计算通讯信号覆盖、建筑设施的空间分布、规划方案前后对比等。
当前，三维GIS分析除了能够以多种可视化的形式表达分析结果，还能够将分析结果表达为三维实体数据模型，进而可以在分析结果之上，再次进行基于实体模型的布尔运算、三维空间查询、三维空间关系判断等“二次分析”。如可视域分析不仅可以分析出可见和不可见部分，还可以将分析结果采用三维实体数据模型表达为可视域，使可视域分析不再仅仅停留在三维表面，而是可以表达三维空间内的可见区域，进而支持二次空间查询。阴影分析同样可以将分析结果表达为阴影体，不仅能够直观地模拟小区内阴影分布情况，还能了解哪些建筑物落到了阴影内部，可帮助调整规划方案。阴影分析还可将阴影率阵列表达为包含阴影率属性信息的三维点集，可以对三维点集再次进行统计分析，如利用带颜色的方盒子表达三维阴影率，如图7所示。
a 包含阴影率属性信息的三维点集
b 带颜色的方盒子表达的阴影率
图7 阴影分析结果三维GIS已经普遍采用可编程渲染管线实现对太阳、大气散射、海洋、水体、倒影、阴影等自然现象的模拟，采用粒子系统实现对火、喷泉、烟花、雨、雪等模糊边界的自然现象的模拟。同时借助符号化建模技术和可定制三维符号，可以将海量城市点线面矢量要素在三维场景中真实再现，也可以构建具有真实感的三维场景。
为了更充分地表达和可视化城市空间信息，发展出了多种三维交互与输出新技术。当前，以WebGL三维技术、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、全息技术、自适应显示、快速成型等为代表的新技术，使得城市空间信息的载体转向了轻量级Web浏览器（如IE、Firefox、Chrome、Microsoft edge）、VR/AR载体（如Microsoft Kinect、Leap Motion、HTC Vive、Oculus Rift、Microsoft Holo Lens）和以3D打印机为典型代表的快速成型设备等三维载体。这些技术和设备与三维GIS的结合，给城市设计带来了令人震撼的视觉冲击和更加直观的三维城市信息体验，以及更自然的交互方式，有利于城市设计公众参与程度的提高。
城市设计的数字化规则主要分为刚性规则和柔性规则两大类。刚性规则强调保证城市特定功能的正常运行，是城市设计中需要满足的强制性要求和底限，分为：
01
生态环境控制要求，如城市生态廊道高度形态控制；
02
历史文化保护要求，如文物保护单位高度形态控制；03
技术法规管制要求，如城市红线、机场净空高度等。柔性规则是城市设计成果评估的上限，包括美学、文化、宜居等方面的规则，如天际轮廓控制、特色场景等，如图8所示。
图8 城市设计规则库示意图
利用三维GIS建立城市设计规则库，是在城市设计所需的多源数据融合的基础上，将城市设计要素分层分类，将每一子类需要满足（文本化的）刚性规则和柔性规则，利用GIS数据模型的空间分析和运算能力，转变为计算机可理解、可计算的规则，构建规则库，进行城市设计要素的图形化建模，并在三维空间中进行展示，从而辅助城市设计。
以建筑后退道路红线（即建筑控线和规划地块边界的后退距离，多结合城市消防、防汛、交通安全、街巷空间、景观等来确定）的检测规则为例，其规则生成过程为：根据道路中心线按规定的后退距离计算缓冲区，缓冲区面数据拉伸构建三维实体，三维实体与建筑物进行相交运算，即可高亮查询到建筑物，如图9所示。
图9 建筑退线检测示意图
数字化城市设计是对包括人、自然、社会等要素在内的三维立体设计，对我国城市的品质提升具有关键作用。三维GIS及其关键技术是数字化城市设计的重要支撑，其作用主要体现在与城市设计有关的多源异构数据融合、三维对象化处理、真三维空间分析与空间运算、数据输出和实时或近实时的三维可视化等方面。三维GIS更大的优势还在于它能够与城市设计有关的多种技术、多种软件平台甚至多个工作阶段相互整合，逐渐发展成为城市设计全生命周期信息管理平台，不仅便于数据共享和互操作，而且能够支持从宏观到精细的多尺度设计，进而逐渐改变城市设计的工作方式。随着人工智能、深度学习等技术的应用，将推动三维GIS的发展，提升GIS在城市设计、规划决策等方面的智能化、自动化水平。
责任编辑：林冬娜、邓小云
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