面向数字化城市设计的三维 GIS关键技术

面向数字化城市设计的三维 GIS关键技术

高健

杭州城市规划设计咨询有限公司，浙江杭州 310000

摘要：本次研究以城市设计为主题，选取与现代城市设计实践密切相关的数字化城市设计作为研究对象，重点探讨面向数字化城市设计的三维GIS关键技术。具体讨论中，先结合现代城市设计需求与城市设计方法应用的一般情况，对主题进行简要概述；然后，针对数字化城市设计的三维GIS关键技术，分别从技术内容与技术应用的角度进行讨论。

关键词：数字化；城市设计； GIS关键技术

现代城市的转型发展，始终以城市文明为中心，具体实践始终围绕公共空间，实施以人类生活的文明化为目标的规划方案。它的具体形式表现在城市设计方面，就现阶段的城市设计基本情况而言，它已经从原来的实体化设计转向了实体设计与虚拟设计相融合的阶段；换句话讲，以计算机信息技术为支撑的现代城市设计提供了更符合设计效率与设计方案实践需求的新路径。下面以此为出发点，对主题展开具体说明。

1、数字化城市设计概述

与传统城市相比，现代城市的特征以空间为主导，建立了完全相异的空间形态与空间内涵，更加关注城市设计中的全局性与可预期性。通常将这种现代城市类型称为“智慧城市”、“数字城市”。从支撑基础观察，它立足于移动互联网、人工智能技术之上。因而，在城市设计实践中，往往需要兼具多元化的专业知识、特殊技能、艺术审美眼光等。若从整体上观察就可以发现，现代城市设计已经由传统时代的静态城市空间设计，转向了动态城市空间设计；由于对构成城市空间的要素非常注重，因而需要采用更为复杂的实现手段，对其中的要素进行数据或信息转换，并利用数据库与云算法进行“大数据”分析，进而在根本上构建与现代社会生产力发展相适应的城市公共空间形态与表现形式。目前，在应用中以数字化工程作为基础，能够有效的实现数字化城市设计意图。

2、数字城市设计中的三维GIS关键技术分析

三维GIS关键技术，在规模化的城市模型构建中，能够提供三维实体数据模型，并在空间形态中实践定量分析。加上技术匹配功能，为城市设计方案提供了交互性质更强的属性，能够使公众参与和方案评审在同一场景中得到有效实施。具体如下：

2.1三维实体数据模型

面向数字化城市设计的三维GIS关键技术，以空间数据模型为基础，也就是在城市设计中，按照空间形式的表达需求，借助构成立体空间的点、线、面表现模型实现技术，与网络系统中的几何体模型，共同完成三维实体城市建模。从技术角度分析，它具有闭合性、高精度、实例化存储与表达的比较优势。比如，以闭合性为例，它采用的主要是拓扑结构与半边结构，用拓扑结构描述各条边，用半边结构描述三角网各顶点；并运用布尔运算方法，对空间几何形式的“交、并、差”等关系进行计算，从而确保拓扑闭合，进而完成三维实体的空间表达。以高精度为例，在存储顶点坐标值方面，它主要是借助双精度型方法，极大的使整个空间分析与布尔运算达到了高精度标准。加上经典模型数据组织方案，能够从空间的结构或骨架、材料的性质，以及物体表现的纹理等实现“虚拟真实”的表达，进而使数据参数与实例存储相一致。

2.2多源异构数据融合

数字化城市设计不仅在宏观形态方面有显著表现，也对内部结构中的各项构成要素非常注重，因而形成了一种全要素的数字化设计理念，所以，在实际的设计中，它需要借助多源异构数字融合技术支持。比如，现代城市规划中，对于城市的历史性有一定的范围界定，要求在过去与未来之间有一个较好的组织桥梁；因而历史数据与未来预期的目标设定，就使得在数据类型中，既要囊括传统影像数据、矢量数据、地形数据，也包含了二维平面的CAD数据、三维立体空间的3DMax数据；尤其是在当前地下管道、地上环境，以及针对不同区域的整体信息获取中，采用了倾斜摄影技术与激光点云技术，以及BIM技术、虚拟场技术等。所以，多源异构数据融合已经成为三维GIS关键技术中的基本支撑。另外，当前AI技术的应用，使得数字化城市设计中的三维GIS关键技术应用已经对接到了，具深度学习特征的“神经网络U-net模型”，所以从可预期的角度观察，技术资源之间的优化匹配将会走向智能化。

2.3三维空间分析与空间运算

面向数字化城市设计的三维GIS关键技术，当前可以支持GPU环境，因而满足了针对城市空间的动态化分析需求，比如，具有实时性或可视化特征的在通视、可视域分析；再如，具有简化性与比较性的天际线、阴影率统计分析，以及剖面线、对比分析等。这种分析技术的应用，使城市空间设计中的空间设施分布、信号覆盖获得了统一化处理，而且，能够进行方案规划前后之间的比较，并进行实时优化。另一方面，当前的数字化城市设计中所应用的三维GIS关键技术，已经实现了系统化的平台运作，因而能够提供各类信息的查询、各类数据的运算，以及各种关系的判定。换句话讲，该技术已经成为了城市设计领域的“万事通”。

2.4三维交互与输出新技术

自然现象模拟功能，是编程渲染管线技术的比较优势，应用到面向数字化城市设计的三维GIS关键技术，提升了它的功能。除一般性的式样模拟之外，在粒子系统的合理应用中，针对自然构成要素也能够进行形态模拟，如对雨、雪、喷泉等之类真实事物的模拟已经达到了“细致入微”的程度。由于在建模中运用了符号化技术，因而，在各个不同的平面或者系统中，均可以快速而不失真的完成三维交互操作，如二维平面与三维立体形态之间的交互，平面地理图形也可以迅速完成三维立面的空间构造。这种交互形式以数据为桥梁，运用压缩技术进行信息之间的快速传递。从输出方面分析，面向数字化城市设计的三维GIS关键技术可以连接各种不同类型的接口，因而在网页浏览、平面文本、3D打印各个方面都能实现有效输出。

2.5规则库构建与应用

当前的城市设计范畴扩展到了生态环境的保护、人文历史的传承、技术标准的管制等各领域；所以，在利用多源异构数据融合技术，构建数字化城市设计中的三维GIS关键技术应用方案时，应该注重规则库制定的范畴界定。另一方面，应该尽可能的加强实地测量，确保技术应该方案中的各项数据录入做到精准化，使其中的构成要素清晰化；这样就可以借助规则库，针对各类城市设计相关信息进行实时化的查询、可视化观看、智能化运算、快速化获得优化结果等。比如，在建筑物与三维实体的相交运算中，若能做到数据或图像描述要素的具体化、精准化，就可以使其中的高亮查询、材质查询与整体效果快速实现“场景再现”。

3、结束语

在现代化的城市设计方法中，数字化的三维GIS关键技术，已经以其显著的比较优势取得了领先地位；它不仅适应了现代城市规划需求，在很大程度上也为城市设计提供了一条“质优价廉”的途径。结合以上分析，可以看出，面向数字化城市设计的三维GIS关键技术，除了在于技术方面的先进性，还体现在技术应用时与现代城市设计意图的高度契合中。同时可以认识到GIS关键技术的应用牵涉到匹配性的技术资源，因而应该加强相关因素优化方案的研究，为其进一步的高效应用寻找突破点。

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