第一章引言

1.1研究目的和意義

隨著我國城市經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，，城市規(guī)模繼續(xù)擴(kuò)大，城鄉(xiāng)一體化建設(shè)逐步加快，大量人口涌入城市，《2012中國新型城市化報(bào)告》指出我國的城鎮(zhèn)化率己過半，我國城市化進(jìn)入關(guān)鍵發(fā)展階段。據(jù)聯(lián)合國人居署和亞太經(jīng)社理事會(huì)《亞洲城市狀況2010/2011》調(diào)查報(bào)告，在未來10年將有1.5億中國人完成從農(nóng)民到市民的空間轉(zhuǎn)換和身份轉(zhuǎn)換。當(dāng)前我國正處于城市化引領(lǐng)經(jīng)濟(jì)增長的門檻節(jié)點(diǎn)，未來10年中國發(fā)展方式將發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，城市化進(jìn)程方興未艾。目前國內(nèi)的城市規(guī)劃管理注重城市建設(shè)的定性、定量和定位控制方面的二維審批管理，主要解決城市“應(yīng)該建什么”、“可以建多少”的問題，缺乏對(duì)城市“怎么建這一問題的關(guān)注。當(dāng)前城市規(guī)劃在城市總體規(guī)劃和分區(qū)規(guī)劃階段，注重城市土地使用功能的組合以及城市總體容量的控制，缺乏對(duì)城市形態(tài)環(huán)境的控制，隨著城市不斷成長，城市形體環(huán)境面臨挑戰(zhàn)。在城市規(guī)劃的控制性詳細(xì)規(guī)劃階段，規(guī)劃師為反映城市經(jīng)濟(jì)技發(fā)展，定性分析土地用途，定量分析土地開發(fā)強(qiáng)度，并定位城市建設(shè)活動(dòng)在城市空間發(fā)展中的位置。城市建設(shè)關(guān)注的重點(diǎn)放在了獲取經(jīng)濟(jì)效益上，缺乏對(duì)城市空間和建筑群體形態(tài)的控制，導(dǎo)致城市空間景觀單調(diào)乏味。隨著城市不斷發(fā)展壯大，城市面臨無序發(fā)展?fàn)顟B(tài)。城市中建筑物高低控制無序，建筑間間距不能得到合理控制，建筑物的日照時(shí)間沒有得到有效保證。城市面臨提高公共服務(wù)質(zhì)量，擴(kuò)大服務(wù)范圍，合理資源配置等問題。城市病隨著城市快速擴(kuò)張和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展而來，帶有復(fù)雜巨系統(tǒng)特性的城市決定了它的城市規(guī)劃是一個(gè)需要隨城市發(fā)展與運(yùn)行狀況長期調(diào)整、不斷修訂、持續(xù)改進(jìn)和完善的復(fù)雜連續(xù)的過程性工作。用信息化手段解決城市發(fā)展過程中所面臨的問題是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。住房城鄉(xiāng)建設(shè)部在2013年1月和8月先后兩批公布國家智慧城市試點(diǎn)200多個(gè)名單，從政府角度促使城市不得病”、“少得病”和“快治病”，保障城市健康和諧發(fā)展。

1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.2.1城市三維模型構(gòu)建

城市三維模型從英國Bath城的三維計(jì)算機(jī)模型建立開始，在20世紀(jì)90年代有了較大的發(fā)展。英國倫頓大學(xué)高級(jí)空間分析中心Batty教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組通過對(duì)倫敦市的城市三維模型建設(shè)的廣泛調(diào)查研究得出：城市三維模型的應(yīng)用規(guī)模與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)情況正相關(guān)。

（1）國外現(xiàn)狀

隨著三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方式的改變，城市三維模型的構(gòu)建方法也不斷發(fā)展變化。通過對(duì)國外相關(guān)學(xué)者的研究發(fā)現(xiàn)，三維建模主要有基于具有高精度、高密度、受干擾小的三維激光掃描技術(shù)，基于影像信息，基于已有測繪成果數(shù)據(jù)進(jìn)行。

（1）基于激光掃描技術(shù)：激光掃描有機(jī)載和地面兩種形式，其中地面激光掃描包含有車載和地面固定點(diǎn)掃描測量兩種。由于激光掃描技術(shù)能夠獲取高精度、高密度地面三維數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)與影像數(shù)據(jù)相結(jié)合進(jìn)行三維重建工作，不少學(xué)者對(duì)此作了相關(guān)研究：德國學(xué)者使用LIDAR數(shù)據(jù)采用自頂向下的方式進(jìn)行建筑物頂部重建。美國學(xué)者通過兩個(gè)機(jī)載激光掃描設(shè)備獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對(duì)建筑頂部分段及模型構(gòu)建。這種自上而下的模型構(gòu)建方法，充分利用LIDAR數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的高度信息及頂部細(xì)節(jié)表達(dá)能力進(jìn)行模型構(gòu)建，可以得到地物的相當(dāng)精確的幾何信息。但對(duì)上下不一致的建筑物基底缺乏準(zhǔn)確表達(dá)，建筑物立面細(xì)節(jié)特征表現(xiàn)不足，紋理特征無法表現(xiàn)。荷蘭和意大利學(xué)者研宄從多源航空數(shù)據(jù)激光數(shù)據(jù)和航空影像中自動(dòng)識(shí)別建筑物。美國加利福尼亞大學(xué)伯克利分校視頻和圖像處理實(shí)驗(yàn)室學(xué)者研宄使用車載激光掃描儀獲取的建筑物立面信息，結(jié)合飛機(jī)所獲得的全域正射影像或數(shù)字表面模型進(jìn)行全自動(dòng)大規(guī)模三維建模間。在瑞士，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院大地測量學(xué)和攝影測量學(xué)研宄所，相關(guān)學(xué)者考慮將矢量與柵格數(shù)據(jù)相結(jié)合，利用激光點(diǎn)云構(gòu)建數(shù)字高程模型采用軟件構(gòu)建三維模型。該

（2）基于影像信息：澳大利亞以及瑞士學(xué)者研究通過IKONS影像進(jìn)行亞米級(jí)三維定位以及建筑物提取，可以有效判別建筑物，但難以對(duì)復(fù)雜模型的細(xì)節(jié)進(jìn)行表達(dá)。基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的彩色航空影像自動(dòng)三維對(duì)象識(shí)別和重建。澳大利亞學(xué)者通過對(duì)多光譜航空數(shù)碼影像中的信息提取、融合，自動(dòng)生成三維地圖。德國學(xué)者研宄從序列影像中全自動(dòng)重建三維場景，中國和荷蘭學(xué)者基于知識(shí)通過地面視頻進(jìn)行建筑物重建。通過影像的高可識(shí)別性來進(jìn)行三維重建，有效促進(jìn)虛擬城市建設(shè)，但影像對(duì)物體的幾何信息不夠完整，表達(dá)有限，需要做做大量的后續(xù)處理。德國學(xué)者采用近景攝影測量方法建立精確的三維照片模型，日本學(xué)者研究使用攝像機(jī)拍攝360度全景影像，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的三維丈量，建立具有現(xiàn)實(shí)性較好的實(shí)景三維場景。但實(shí)景場景中模型不獨(dú)立，其三維空間分析功能較弱。由于近些年無人飛行器在小范圍區(qū)域?qū)崟r(shí)性較強(qiáng)需求中的廣泛應(yīng)用，也有德國學(xué)者研宄基于無人直升機(jī)的多視角三維重建，重建精度受到無人機(jī)影像獲取及處理精度的影響。

第二章城市三維模型構(gòu)建

城市三維模型是以計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)其真實(shí)地理坐標(biāo)，由三維建模軟件依比例構(gòu)建真實(shí)地物特征，在計(jì)算機(jī)中表達(dá)地理世界的模型。三維GIS存儲(chǔ)城市三維模型，不僅能夠虛擬表達(dá)現(xiàn)實(shí)還具有一定的三維空間數(shù)據(jù)管理功能和立體空間分析應(yīng)用等功能，并且能與其它人文社會(huì)信息互相關(guān)聯(lián)。真實(shí)三維模型可以更直觀、靈活的對(duì)所要規(guī)劃區(qū)域進(jìn)行多方位的查看，可以在系統(tǒng)中對(duì)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比，有助于進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃。

2010年上海世博會(huì)的主題是“城市，讓生活更美好”，這也是當(dāng)前我們對(duì)城市追求。建筑物密集是城市的一大特征。當(dāng)前低碳環(huán)保，精細(xì)化城市管理都向我們的城市管理提出更高要求。想要做好城市管理，需要良好的城市規(guī)劃作為支撐，那么滿足城市規(guī)劃需求的城市三維模型必不可少。在城市規(guī)劃不同階段所用城市三維模型細(xì)節(jié)層次要求有別，那么在對(duì)城市進(jìn)行控制型規(guī)劃分析和城市設(shè)計(jì)時(shí)，需要我們使用真實(shí)的城市三維模型作為數(shù)據(jù)支撐。真實(shí)城市三維模型構(gòu)建流程如圖2-1所示：

2.1數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

2.1.1時(shí)空參考

模型構(gòu)建之前需要明確構(gòu)建模型的現(xiàn)勢性。通常，建立城市三維模型是為方便當(dāng)前城市的發(fā)展。空間三維建模構(gòu)建采用多源數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式進(jìn)行，由于建模所需的各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取方式和生產(chǎn)工藝不同，數(shù)據(jù)的時(shí)效性也有差別。為準(zhǔn)確真實(shí)的表達(dá)城市三維環(huán)境，需要保證各基礎(chǔ)數(shù)據(jù)均具有較好的現(xiàn)勢性盡量保證數(shù)據(jù)為近1-3年內(nèi)獲取生產(chǎn)的。

在滿足多源數(shù)據(jù)具有較好的現(xiàn)勢性的前提下，為滿足數(shù)據(jù)精度和坐標(biāo)位置的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，需要使用同一比例尺下的多源數(shù)據(jù)。同時(shí)，多源數(shù)據(jù)需要定義統(tǒng)一的、符合國家規(guī)定的平面坐標(biāo)和高程系統(tǒng)。當(dāng)采用地方坐標(biāo)系時(shí)，應(yīng)與國家統(tǒng)一坐標(biāo)系統(tǒng)建立嚴(yán)密的轉(zhuǎn)換關(guān)系。具有一致空間參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為后期三維建模工作提供質(zhì)與量的保障。

由于城市每天都在發(fā)生著變化，地理空間數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間存在差異，所獲取的地理空間數(shù)據(jù)就不能保證能夠完好套合在一起。在套合過程中，盡量滿足大多數(shù)區(qū)域位置重疊，部分地物位置發(fā)生變化的區(qū)域，按照最新數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2.2基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理

建立空間三維模型需要獲取城市空間框架，以及對(duì)空間框架表面的紋理數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。各數(shù)據(jù)處理過程如圖2-7中紅色區(qū)域所示：

模型空間框架的獲取：建筑物基底幾何數(shù)據(jù)以CAD數(shù)據(jù)為依據(jù)，建筑物高度為機(jī)載LIDAR數(shù)據(jù)測量所得，建筑物細(xì)部特征及建筑物間拓?fù)潢P(guān)系人工從街景數(shù)據(jù)中讀取，建筑物表面細(xì)部大于0.2m的細(xì)節(jié)特征用模型表示，側(cè)面紋理由實(shí)地拍照處理而成；城市部件及小品外部屬性特征由街景和實(shí)地采集數(shù)據(jù)獲取，位置數(shù)據(jù)從CAD中獲得�？蚣鼙砻婕y理：建筑物及其他城市部件紋理通過實(shí)地采集照片獲取，地面紋理和建筑物頂部紋理從高分辨率DOM獲取。

除了上述空間參考和時(shí)間參考外，建立城市三維模型還需要統(tǒng)一所使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的比例尺。通常，建立三維模型釆用1：500、1：1000、1：2000等大比例尺數(shù)據(jù)。具體采用哪種比例尺進(jìn)行模型構(gòu)建，需要結(jié)合應(yīng)用需求，以及模型需要?jiǎng)澐值募?xì)節(jié)層次而定。

1.正射影像數(shù)據(jù)

通過數(shù)字?jǐn)z影測量方法或單片微分糾正方法消除相片投影誤差和相片傾斜誤差，得到正射影像，并對(duì)單張像幅較小的正射影像進(jìn)行拼接鑲嵌處理。通過分析真實(shí)感較強(qiáng)的正射影像，根據(jù)試驗(yàn)區(qū)內(nèi)地物復(fù)雜程度及單元?jiǎng)澐�，合理分配工作任�?wù)。從正射影像數(shù)據(jù)中獲得地物具體地理位置信息，通過圖形圖像處理軟件提取建筑物頂部紋理信息。

第三章基于三維模型的城市規(guī)劃分析.......31

3.1城市規(guī)劃相關(guān)理論.......31

3.1.1城市規(guī)劃理論........31

3.1.2城市規(guī)劃常用技術(shù)方法......32

第四章應(yīng)用實(shí)例.......49

4.1研究區(qū)概況.......49

4.2三維模型構(gòu)建.......49

第五章總結(jié)與展望......60

5.1總結(jié).......60

5.2展望.......60

第四章應(yīng)用實(shí)例

4.1三維模型構(gòu)建

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)大小及其在城市規(guī)劃分析應(yīng)用的需求，模型需要構(gòu)建為具有真是空間框架信息和地理位置信息，且其紋理能夠真實(shí)表現(xiàn)模型特點(diǎn)。為滿足模型構(gòu)建需要，遙感航拍影像需要保證在0.5m分辨率以上，激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分辨率需要達(dá)到亞米級(jí)甚至更高，CAD數(shù)據(jù)為測繪局提供的1:500大比例尺線劃圖，街景地圖為建模區(qū)域全區(qū)圖，建筑物屬性信息及建筑物側(cè)面紋理信息借助單反相機(jī)實(shí)地獲取。

4.1.1建筑物模型構(gòu)建

匹配1:500大比例尺地形圖與正射影像，在三維建模軟件中基于大比例尺地形圖數(shù)據(jù)勾勒提取出建筑物基底，如圖4-1所示。

第五章總結(jié)與展望

5.1總結(jié)

本文在當(dāng)前城市化快速發(fā)展，而城市病不斷侵犯我們的日常生活的現(xiàn)實(shí)條件下，看到城市設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃對(duì)三維的技術(shù)需求、三維GIS面向城市規(guī)劃應(yīng)用的業(yè)務(wù)需求以及三維GIS在城市規(guī)劃中的應(yīng)用前景。通過文章中對(duì)城市設(shè)計(jì)相關(guān)理論及內(nèi)容的分析可以看出城市設(shè)計(jì)依托城市三維空間環(huán)境。通過分別對(duì)城市設(shè)計(jì)和城市規(guī)劃相關(guān)理論的分析可以看出：城市設(shè)計(jì)基于城市規(guī)劃，城市規(guī)劃涉及城市設(shè)計(jì)中的各種理論以及方法。城市因地制宜的可持續(xù)發(fā)展需要在城市規(guī)劃和城市設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用三維的空間分析理論進(jìn)行規(guī)劃分析。本文綜合分析城市設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃和三維各自特點(diǎn)，構(gòu)建滿足城市規(guī)劃需求的城市三維模型，運(yùn)用三維GIS理論輔助城市規(guī)劃分析。其中文中真實(shí)三維GIS模型的構(gòu)建運(yùn)用了激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)和大比例尺地形圖等多種地理空間數(shù)據(jù)，充分利用多源數(shù)據(jù)各自優(yōu)勢，構(gòu)建最佳城市三維模型；基于真實(shí)城市三維模型進(jìn)行的規(guī)劃分析結(jié)合了城市規(guī)劃理論方法以及規(guī)劃應(yīng)用需求，應(yīng)用三維空間分析技術(shù)，有效促進(jìn)城市規(guī)劃科學(xué)合理進(jìn)行，對(duì)今后城市大規(guī)模城中村的拆遷以及城市發(fā)展過程中老城區(qū)改造等的拆遷面積計(jì)算、規(guī)劃設(shè)計(jì)效果對(duì)比分析等提供大力支持。本文最后實(shí)例研究部分是對(duì)前文理論研究內(nèi)容的應(yīng)用與檢驗(yàn)，得出該建模方法在面向城市規(guī)劃應(yīng)用方面具有可行性，并形成《城市三維模型建設(shè)規(guī)范》，應(yīng)于鄭州市智慧城市建設(shè)。

參考文獻(xiàn)（略）