【规划信息人?大观】
北京市城市规划设计研究院规划信息中心联合北京城垣数字科技有限责任公司,长期以来一直致力于追踪信息技术发展及其在城市规划领域应用实践的动态,探讨研究规划信息化发展战略、实施路径和应用解决方案。“规划信息人?大观”借助微信公众平台,呈现对动态跟踪和解读的成果,交流在应用研究与实践中的思考和收获,增进行业信息共享和智慧凝聚,促进规划信息化建设和城乡规划事业发展。
(图1 三维示意图)
引言
三维技术是21 世纪兴起的计算机技术,三维就是在平面二维系中又加入了一个方向向量构成的空间系(图1),从而形成人的视觉立体感。它可以更好地在虚拟世界中诠释真实世界中的类似光影、毛发、粒子等自然现象,从而达到更加逼真、真实的效果。
三维技术作为信息时代的高科技产物,和许多其他高新技术一样,最初都是源自于军事应用领域。随着现代半导体工业日趋先进和完善,以及个人电脑的普及,从20 世纪80 年代开始,三维技术得以走进寻常百姓家,进入21 世纪至今,电影电视业、动漫产业、机械设计业、产品设计业、建筑业、基础设施建设、广告业等无不被三维技术包围,生活中随处可见应用到了三维技术的产品。
目前根据三维技术的应用范围和方向,其类别大致分为三类:三维仿真技术、三维全景技术和三维立体技术。
三维仿真技术:是指利用计算机技术生成的一个逼真的,具有视、听、触、味等多种感知的虚拟环境,用户可以通过其自然技能使用各种传感设备同虚拟环境中的实体相互作用的一种技术。
三维全景技术:是利用实景照片建立虚拟环境,按照照片拍摄→数字化→图像拼接→生成场景的模型来完成虚拟现实的创建,相对于传统三维技术更为简单实用。
三维立体技术:是利用先进的数据合成技术制作三维立体,利用专业的三维立体制图软件进行配图及数字处理,然后打印出来,具有很强的视觉冲击力。
基于三维技术的分类和特点,目前三维技术在以下四个领域的发展及应用是非常迅速且效果显著的,它们是三维动画、三维地图、三维虚拟及三维建模。
近十年来中国数字城市建设发展迅速,支撑数字城市建设的三维仿真软件平台、建模技术日趋成熟,相关标准规范逐渐完善。上海、天津、重庆、武汉、深圳、宁波等城市的规划部门均建设了城市级三维仿真系统,以辅助规划设计与规划管理。
三维建模技术的发展
目前三维建模技术按照数据获取和建模方式可以分为传统手工三维建模、基于规则的三维建模、倾斜摄影三维建模、LiDAR激光探测与测量四种方式。各种建模方式相结合,共同为数字城市、智慧城市建设提供真实三维城市模型。
表1 三维建模方式对比
三维建模技术的发展,为建设更为精确、美观的三维城市模型起到了非常重要的作用。近年来常用的建模技术主要是倾斜摄影测量(通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像,获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理)及LiDAR激光探测与测量(利用GPS和IMU(惯性测量装置)机载激光扫描,可以量测地面物体的三维坐标)。
1.倾斜摄影测量
(图2 倾斜摄影拍摄示意图)
传统的摄影测量只能获取建筑物的高度和顶部纹理信息,对建筑物侧面信息不能完整表达,这使得城市三维模型重建及场景感知受到局限。
倾斜摄影测量技术(图2)的出现改变了这一现状,它基于同一飞行平台上的多台传感器,同时从垂直、侧向和前后等角度采集图像,能够比较完整的获取地面建筑物的侧面纹理信息。
(图3 倾斜摄影数据处理流程)
倾斜摄影测量具有以下四个特点:
反映地物周边真实情况
倾斜影像可实现单张影像量测
建筑物侧面纹理可采集
数据量小易于网络发布
倾斜摄影测量从2000年开始发展至今,技术日趋成熟,2017年国家测绘地理信息聚局印发《测绘地理信息科技发展“十三五”规划》提出要基于倾斜摄影测量的三维城市模型自动提取技术,提高三维城市建模和可视化效率。
(图4 倾斜摄影测量发展历程)
然而发展至今,倾斜摄影测量仍存在一些应用上的问题:
数据获取效率较低,尚未形成规模
数据处理技术尚不成熟,处于探索阶段
产品模式单一、有待深入推广应用
2. LiDAR激光探测与测量
(图5 LiDAR工作原理)
LiDAR(图6)是一种集激光,全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术与一身的系统,用于获得数据并生成精确的DEM。这三种技术的结合,可以高度准确地定位激光束打在物体上的光斑。
LiDAR技术在城市中更能发挥其不受航高、阴影遮挡等限制的优势,能够快速采集三维空间数据和影像,房屋建模速度快,高程精度高,纹理映射自动化程度高,能够满足分析与测量的需求,广泛用于城市规划的大比例尺地形图获取。
(图6 LiDAR数据展示)
LiDAR具有以下四个特点:
能够提供密集的点阵数据(点间距可以小于1米)
数据的绝对精度在0.30米以内
24小时全天候工作
具有迅速获取数据的能力
LiDAR技术是目前国内航空测绘业正处于理论研究和生产探索的一项技术。该技术在美国得到广泛应用,它不但使航测工程周期大卫缩短,而且克服了传统航测技术中对控制点经度、比例尺、航高及系统误差(折光率、地球曲率、底片变形)、天气原因等问题影响测量精度的问题,是一项值得研究和推广的技术。
LiDAR技术自1901年荷兰发明了摄影测量的立体观测技术至美国航天局推动全球定位系统(GPS)及惯性导航系统(INS)技术的发展得以起源。目前我国在LIDAR技术上发展也日趋成熟。
(图7 LiDAR技术发展历程)
但是LiDAR系统发展至今,也存在着一些应用上的问题
对密林及密建筑区,无法过滤出有效的地表信息数据
没有统一的数据格式,大范围采集是工作效率较低
测量费用较高
传统三维城市建模,其数据获取阶段主要是工搜集各种地形图、高程数据、正射影像,而传统航空摄影测量得到的影像主要还是垂直下视的信息,缺失了高大山区地表、山水风景区、城镇高大建筑物、大型工矿设施的侧面立面信息,所以建筑物的侧面纹理则主要是通过人工补拍纹理得到。
近年来,倾斜摄影测量与LiDAR结合进行城市三维建模深受大家喜爱。他们互相弥补缺点,使城市三维模型更加真实,美观(图8)。
(图8 传统三维建模与新技术三维建模效果对比)
三维技术在城乡规划中的应用
近年来,随着人们对城市空间环境形象要求的不断提高,城市规划从传统的侧重于功能和经济的二维规划向富于人性化的三维城市空间规划发展。以三维城市模型为核心的数码城市GIS在兼具传统GIS空间分析功能的同时,更强调多维空间信息的可视化与三维空间分析功能,因此在城市规划设计领域具有不可比拟的优势。三维技术成为推动数字城市向“智慧城市”变革升级的重要力量。
1. 城市仿真与三维可视化
利用三维技术建立的城市三维决策平台(三维仿真系统)(图9),符合城市设计对城市不同空间层次的立体空间的展示与需求,具有数字化、综合性、可视化、可量化、高效率的特点,为创建和体验城市设计的空间环境提供了强有力的支持。
(图9 北规院三维仿真系统)
近一二十年来,LiDAR技术和倾斜摄影技术逐渐发展起来,并成功地应用到构建实景城市模型中。其中LiDAR技术由于能够快速获取大量密集的、高程坐标精确的三维点云数据;倾斜摄影可以快速收集各个角度纹理信息,它们的结合建模(图10),互相弥补缺陷,在数字城市建设中的应用十分成熟。
(图10 倾斜摄影测量结合LIDAR技术制作三维模型技术路线)
2.城市三维空间分析
利用城市三维决策平台(三维仿真系统)可在相关规划问题中进行二三位对比展示、视域分析、控高分析、日照模拟、退让分析等,可使结果更为清晰、直观的展示出来。
二三位对比展示(图11):分屏显示三维模型数据和二维矢量数据,双屏联动,可实现二三维数据的比较。
视域分析(图12):模拟人的视角进行视域观察,将观察视角范围内可视和不可视的区域进行区分。
控高分析(图13):用于分析指定地块范围内,是否有建筑高度超过控高限值。
日照模拟(图14):用于模拟一天当中,指定范围内建筑物阴影的动态变化情况。
退让分析(图15):用于分析报件方案中的建筑是否压占道路红线范围。
(图11 二三位对比展示)
(图12 视域分析)
(图13 控高分析)
(图14 日照模拟)
(图15 退让分析)
总结
三维技术以其强大的功能和广泛的应用改变了城市规划和建筑设计的表现形式, 利用城市空间信息平台建立一个逼真的、立体的、可交互的虚拟城市环境, 可实现城市规划的全方位、自动化设计理念, 为人们在真实三维虚拟环境中辅助城市规划提供了良好的技术条件和拓展空间。
三维城市模型在国内越来越多的城市中得以应用,例如武汉市城市设计三维平台、上海市重点地区三维规划管理平台、北京规划三维仿真系统、北京通州副中心三维辅助决策平台等等。
(图16 武汉、上海、广州、北京三维平台)
随着三维技术、无人机技术、倾斜摄影技术、LiDAR技术已经云计算等相关技术的发展,三维建模的技术手段有了新的突破,三维应用也越来越广泛,逐步在规划中起到至关重要的作用。三维城市模型的建立对创新了城市规划管理技术模式,保障了城市建设项目与城市环境的和谐统一、真实的可视化的地理信息、全新的报建审批方式,为审批者提供科学直观的依据来选择最优方案、城市改造、城市设计可视化分析、全新的管理和汇报方式、创建新型的社会服务模式,带来巨大的社会影响力。