论城市三维地理信息系统的建设及应用

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　　摘要：数字城市已成为当前城市信息化建设的主要目标，本文在对城市三维地理信息系统及其数据进行总结的基础上，结合当前我国数字城市建设的过程，深入探讨城市三维地理信息系统的设计及其在城市规划、市政管理等方面中的应用。
　　关键词：城市三维地理信息系统；三维城市模型；三维数据管理
　　 0 引言
　　城市三维地理信息系统是数字城市的重要基础空间信息系统，它是在传统二维地理信息系统的GIS分析功能基础上，并结合了城市虚拟景观的三维场景浏览功能而建立起来的。三维城市的建立能够全方位地、直观地给人们提供有关城市的各种具有真实感的场景信息，构建出一个真实、直观的虚拟城市环境。同时，随着三维GIS数据模型与理论和技术的不断成熟，以及相关计算机技术的进一步发展，传统的以二维为主的地理信息系统在解决一些涉及三维信息方面的城市规划、市政管理、应急响应问题时已存在着诸多局限，研究与开发服务于城市各应用领域的三维地理信息系统越来越受到人民的关注。
　　城市三维地理信息系统综合运用GIS、遥感、遥测、网络、多媒体和虚拟仿真等高技术手段，是对城市的基础设施、功能机制进行自动采集、动态监测管理和辅助决策支持的技术服务系统。因此对城市三维地理信息系统的研究不仅具有重要的现实意义，同时也是人们十分迫切需要解决的问题之一。
　　1 城市三维地理信息系统及其数据内容
　　1.1 城市三维地理信息系统
　　城市三维地理信息系统（简称3DUGIS）是指能对城市区域内空间对象进行真三维描述、可视化和分析管理的地理信息系统。它是一套完整的GIS系统，它不仅具有城市三维虚拟景观浏览功能，让用户在真三维的仿真城市中进行漫游和飞行，还具有以下功能：
　　三维数据管理，主要包括三维数据入库、质量检查、坐标转换、空间和数据查询以及与其它系统数据的无缝转换等功能。
　　三维场景交互，是指对场景中三维对象交互地进行三维空间浏览、选择、查询操作。
　　三维空间分析，主要包括根据三维场景中的地形和模型的几何特征，进行基于模型或者场景的三维空间量算，通视分析，日照分析等三维空间分析操作。
　　1.2. 城市三维地理信息系统数据
　　城市三维地理信息系统中的数据可分为影像数据（DOM）,三维城市模型数据（简称3DCM）、场景数据和二维基础地理数据这四个主要组成部分。
　　影像数据，包括卫星影像和航空影像。它具有直观、信息量丰富、可读性强等诸多优点，通常在城市三维地理信息系统中结合数字高程模型（DEM）构建三维地形。
　　三维城市模型数据是关于城市地形及地物描述的三维数字模型，是计算机对一个城镇内所有固有对象（如建筑物、植被、交通道路、水系）的特别表达。三维城市模型数据其主要包括了数字高程模型DEM，三维建筑物，三维高架道路，三维树木等。
　　场景数据，是在三维场景中，尤其是在精细场景中为了美化场景而添加的小品模型，如座椅，垃圾箱，路灯等。
　　二维基础地理数据，是主要用于系统二三维联动查询和分析，为系统提供二维基础地理信息支撑。
　　1.3 三维城市模型获取与管理
　　三维城市模型作为城市三维地理信息系统数据组成中最核心的部分，但同时由于其生产过程复杂，成本高，并且模型数据量非常大，难以管理等缺陷，在以往它一直是阻碍城市三维地理信息系统发展的重要问题。近年来随着LIDAR技术的兴起以及面向对象的关系型空间数据库的不断完善，三维城市模型的获取与管理方式得到了巨大的突破。
　　1.3.1 三维城市模型获取方法
　　激光雷达是一种集激光、全球定位系统（GPS）和惯性导航系统（INS）三种尖端技术于一身的空间测量系统。通过高速激光扫描测量的方法，大面积高分辨率地快速获取被测对象表面的三维坐标数据，可以快速、大量的采集城市三维数据信息，它与传统基于数字摄影测量等获取技术相比具有以下特点：
　　高效：对于机载LIDAR，12小时内能够测量1000平方公里，借助于相关软件，LIDAR数据后处理工作可以实现自动或半自动，将LIDAR点云数据转换为GIS或其它领域所接收的数据格式。
　　高精度：由于激光脉冲不易受阴影和太阳角度的影响，从而大大提高了数据采集的质量，其高程数据精度不受航高限制，比常规摄影测量更具有优越性，平面精度可以达到0.15米到1米，高程精度可达到10厘米。
　　全天候：不考虑数字航空摄影，单就机载LIDAR而言，它属于主动遥感。
　　信息丰富：不仅可以获得地面点三维坐标，而且可以同时获得地物的三维坐标，如树木、建筑物等，如果集成CCD，可获得摄影信息。
　　传统的三维数据获取方法已不能满足城市日益加快的发展速度，机载LIDAR技术作为一种方便、快捷、高效的三维数据获取方法，正在逐步得到广泛地认同，并在国内部分城市中得到了具体的应用。
　　1.3.2 三维城市模型管理方法
　　三维城市模型其数据量通常非常大，以往只能采用文件形式存储，在数据管理上难度相当大。近年来随着面向对象的关系型空间数据库不断的完善，三维城市模型的管理也逐渐从单一的文件形式存储，转化为大型关系型数据库管理方式。
　　2 城市三维地理信息系统设计
　　为更好的将城市三维地理信息系统应用于城市规划设计和辅助决策，现将阐述该系统的设计及主要功能。
　　2.1 城市三维地理信息系统架构
　　其整体构架可分为三个主要层次。
　　2.1.1 数据层
　　数据层包含了城市三维地理信息系统中所需的所有二维基础地理数据库、影像数据库、三维城市模型数据库和场景中所需的小品模型数据。并按照一定的层次结构组织成三维场景，供三维地理信息基础平台调用。
　　2.1.2 业务逻辑层
　　该层是以Uniscope三维地理信息平台为基础，负责系统中的三维场景浏览、热点区域定位、属性查询、三维场景的飞行与漫游、三维量测、规划分析、后台数据调用等功能。
　　2.1.3 应用层
　　应用层是用户与系统的接口，通过系统客户端直接浏览三维场景及调用系统功能模块。
　　2.2 系统功能模块设计
　　系统主要包括了三维场景操作、热点区域定位、三维飞行、虚拟三维景点游览、属性查询、三维量测和三维规划分析功能。
　　三维场景操作：主要包括了三维场景的平移、旋转、缩放、漫游等场景操作功能以及三维对象的选择功能。该模块是整个系统最为基础的模块。
　　热点区域定位：主要为了用户能方便快速地定位到达场景内某些感兴趣区域，简化用户操作。
　　虚拟三维景点游览：该功能模块是让用户以第一人称视角进入场景，让用户身临其境的感受三维虚拟景点。
　　属性查询：该功能模块主要用于根据场景中建筑物、道路和兴趣点的属性值，快速定位和查找相应地物。
　　三维量测：主要用于系统三维场景中空间距离、水平距离、垂直距离、平面面积、地表距离及地表面积量算。
　　三维规划分析：主要包括通视分析、日照分析和规划方案对比功能，主要用于辅助城市规划设计。
　　3 城市三维地理信息系统在规划中的应用
　　城市三维地理信息系统在城市规划、市政建设等方面具有相当广泛的应用。
　　3.1 规划方案对比
　　城市规划一般要求进行多个方案比较，以便形成更加科学、合理且符合实际、切实可行的规划方案。
　　系统中的规划方案对比功能可以根据设计单位提供的三维规划方案数据通过一定的接口导入到三维场景中，通过双屏对比的方式非常直观地展现在用户面前。使用户在未进行施工建设时既能真实地看到各个方案对周围环境的影响，是否能达到社会、经济和生态的最佳综合效益，比对各种规划方案的优劣。
　　3.2 日照分析
　　城市用地日趋紧张，在建筑物高层化发展等背景下，由日照问题引发的现实矛盾不断凸显，为保护公民日照采光权，遏制规划建设侵权行为，在城市规划中应重视日照问题，进行日照干预，防范因日照不满而衍生出土地资源浪费等一系列问题。
　　4 结束语
　　城市三维地理信息系统具有高度的直观性，可给用户展示一个高度仿真的数字城市，它将成为数字城市系统建设的主要内容之一，城市三维地理信息系统也正在逐渐应用于城市规划、工程勘察等部门，在城市的信息化建设中发挥着应有的作用。
　　
　　 参考文献：
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