基于Skyline的三维城市规划信息系统的设计与实现

基于Skyline的三维城市规划信息系统的设计与实现

三维城市规划信息系统可提供城市立体直观的表现形式，可为规划相关人员进行规划决策提供技术支持，提高规划管理水平和工作效率。Skyline 软件体系下的TerraExplorer Pro在三维显示、浏览及开发等方面具有明显优势。文章以该软件为平台，以本校区为例，设计和开发了基本满足辅助城市规划需求的三维城市规划信息系统，能够为城市规划决策者进行决策提供一定的技术支持。

标签：城市规划；Skyline；三维地理信息系统；TerraExplorer Pro

1 概述

随着3DGIS技术的不断进步，以及城市规划要求的不断提高，二维GIS技术支撑下所建立的城市空间信息管理体系向三维的转变成为必然趋势。目前城市规划3DGIS的研究取得了一定的研究成果。尹长林，许提出了针对地形和建筑物可视性分析的数学几何模型[1]。祁信舒，赵祺提出三维城市规划管理系统的功能设计及实现方案，为城市规划设计向信息化方向推进提供技术支撑[2]。李扬等从数据建设和系统建设两个层面，探讨了建设面向城市规划的GIS[3]。曾忠平总结了三维GIS城市规划信息系统的应用层次和特征[4]。冯琰从模型数据、要素类别和精细程度三个方面分析了三维城市模型（3DCM）的数据内容[5]。Skyline软件自2004年进入我国市场，以其在三维GIS领域的出色表现迅速得到国内大范围的研究和应用。Skyline的研究主要包括三维建模、三维数据建库、三维数据发布、行业3DGIS构建和应用等方面。李志伟基于Skyline与ArcGIS Server开发了上海市土地资源可视化系统，该系统弥补了二维GIS抽象性的同时兼具二维GIS的空间分析功能[6]。李佼研究构建了崇明岛生态建设三维GIS平台，为管理人员提供基于三维场景共享的异地协同决策支持[7]。卢

闯、常德海、王钰分别就Skyline在农业资源[8]、虚拟校园[9]、油田地面[10]三维可视化等方面的应用及其中进行了研究。综上所述，Skyline技术在3DGIS构建方面技术基本成熟，基于Skyline实现三维城市规划信息系统切实可行且对城市规划工作具有重要意义。

2 基于Skyline的三维城市规划信息系统分析

为了能充分利用二维城市规划信息的成果，同时在直观的三维场景中进行城市规划辅助决策及规划效果的多方位展示，目标系统应该是一个具备城市规划辅助决策能力的三维城市规划信息系统，需具备二维场景构建与管理、三维场景构建与管理、场景漫游、规划辅助分析、空间量测等功能。系统以规划项目作为一个的业务逻辑单元，每个项目可以包含多个规划方案，一个规划方案对应一系列的城市规划三维场景，系统的所有软件功能应用于一个规划方案。从数据需求上来说，该系统需要三维场景数据（建筑物的高度，坐标，纹理等）、矢量数据和属性数据。通常来说二三维城市规划信息数据中的矢量数据和属性数据包括总体规划图、分区规划图、控制规划图、修建性详细规划图、三维建筑模型等，

以及项目建设规划的其他附加数据如规划文档、规划表格等。文章以湖南城市学院新校区数据作为三维城市规划项目示例，目标系统将基于地理信息系统、图形图像处理、三维建模与仿真、数据库等技术开发，以新校区地形数据、高分辨率数字正射影像数据、规划成果数据等作为数据基础。

3 基于Skyline的三维城市规划信息系统总体设计

系统旨在针对城市规划分析，尤其是控高分析、视线分析、日照分析等的需要，开展三维场景下的规划辅助分析。这些分析功能的实现都依赖于逻辑层的Skyline三维规划辅助分析模型的构建。城市规划的过程是一个不断调整、完善的过程，因此，需要对方案的场景进行调整和修改，系统需要提供方案设计者对模型的交互控制接口。此外系统需要通过访问数据库，调用数据到应用程序进行分析以完成用户提交的分析任务。系统体系结构如图1。

系统分为三个层次，底层是数据层，中间是业务逻辑层，最高层为应用层。数据层主要是空间数据库和文件数据库，业务逻辑层通过调用数据层中的数据和业务功能响应应用层的应用请求，应用层主要是应用界面交互表现等的实现。系统数据存储主要采用两种存储方式，二维矢量数据及属性数据存放在Geodatabase空间数据库中，景观模型、地形文件、影像数据等以文件方式存放本地进行管理，三维场景中的二维建筑物数据、三维数据以及属性等通过ObjectID关联访问。

图1 系统体系结构图

系统应用层包含的功能模块主要有基本工具模块、测量工具模块、二三维对象创建模块、规划辅助分析模块和三维漫游模块。

（1）基本工具模块。该模块包括选择对象、选择区域、添加位置和信息查询。选择对象、选择区域分别实现对窗口内的单个建筑物对象和多个建筑物对象进行选择。添加位置实现对三维窗口进行特定的视界位置选择。信息查询实现城市景观对象的属性查询操作。（2）测量工具模块。该模块有水平测距、竖直测距、空间测距、面积测算功能。在三维城市规划信息系统中可以在水平面、在竖直面以及对三维空间内任意两点之间的距离进行空间量测，用鼠标确定要测量的起点和终点，系统自动进行测量并显示结果。利用面积量测对用地进行测量，面积测算应可以对任意多边形的面积进行计算。（3）二三维对象创建模块。该模块提供折线、面、矩形、正多边形、箭头、圆、椭圆、弧线、文本标签、图像标签、地形视频等二维对象建立功能以及建筑物、多边形、箱子、圆柱体、球体、圆锥体、金字塔、箭头等三维对象建立功能。可以使用户在建成场景中添加或创建规划建筑物进行比较分析。（4）规划辅助分析模块。基于Skyline的三维城市规划信息系统中的规划辅助分析模块要能够实现通视分析、圆顶辐射分析、通视分析、地形剖面分析、控高分析以及生成最优路径、生成等高线等三维规划辅助分析功能，这些功能实现可以帮助使用者进行城市规划决策。（5）三维漫游模块。该模块将提供环绕漫游、直线漫游、弧线漫游三个功能。三维场景漫游功能可以使用户对整个规划场景进行身临其境的漫游，通过点击地物信息以及放大缩小等操作，使

用户快速漫游至选择地物进行仔细观察，以帮助规划人员直观的感受规划效果。4 基于Skyline的三维城市规划信息系统实现

4.1 系统开发构建的步骤

系统开发构建主要分为三个步骤——数据的准备，三维场景的构建，系统界面设计和功能的开发。

（1）数据准备。系统准备了规划建筑数据、二维地形数据、影像数据和属性数据。规划建筑数据用于获取建筑物各部分的详细信息。提供3D几何模型的数据支持。这类数据需要人工判读和手动输入，工作量大，适宜于少量、重要建筑物的精细建模。二维地形数据主要是城市勘测获得，包括了校园的基础地理数据（如道路，水系、建筑物等）、建立DEM所需要的等高线和高程点，此外包含大量属性信息：建筑物年代、结构、权属等。此类数据可用于建立属性库外，还可快速通过生成建筑物的草模。影像数据包括校园遥感影像数据、规划效果图和建筑物纹理照片。（2）三维场景构建。包括地形模型生成，建筑物等景观粗模和精细模型的构建。系统采用TerraBuilder软件构建校园地形模型生成地形图，用3D MAX软件构建校园景观数据，然后在TerraExplorer中生成三维场景。（3）系统界面设计和功能的开发。系统界面设计主要使用由TerraExplorer提供的3DWindow、NavigationMap两个TerraExplorerX控件以及Visual Studio 2010开发平台自带的Button公共控件完成。系统功能实现主要利用TerraExplorer API结合VS.net、C#完成三维GIS功能实现。

4.2 系统实现关键技术——TerraExplorer Pro API

TerraExplorer Pro API是TerraExplorer Pro家族中的基础开发环境，是一套面向三维GIS应用系统开发者的新一代组件式GIS开发环境。TerraExplorer Pro API基于Microsoft的COM组件技术标准和脚本语言标准，以ActiveX控件的方式和脚本语言的方式提供强大的三维GIS功能，适用于用户快速开发专业三维GIS应用系统或三维地图网站。TerraExplorer Pro API由ActiveX控件和数量众多的自动化对象构成，因此，可以方便地嵌入到流行的可视化高级开发语言环境中进行二次开发。文章利用C#高级开发工具在面向对象编程、可视化程序设计等方面的优势，结合TerraExplorer Pro API提供的ActiveX组件，开发三维GIS应用系统。系统中采用的接口主要有：（1）IMenu：提供了标准TerraExplorer Pro 菜单命令的调用，只需实例化此接口后传入对应功能的整型参数，就可以调用系统已封装好的功能。该接口提供接近标准TerraExplorer Pro的菜单命令。使用Invoke方法可以激活TerraExplorer Pro的菜单命令。（2）IObject Manager65：对三维显示窗口的全部对象进行管理，允许使用者对所有对象进行添加、编辑、删除操作。对象包括二维文本图片标签、线、面、多边形以及圆，三维模型以及三维几何体对象等。（3）IInformation Tree65：管理与维护信息树，包括创建、删除、修改、排序、重命名以及对象查询等。（4）IPlane65：对plane和camera操作进行控制，并且控制视野、视域、视角以及飞行模式。

4.3 系统界面和关键功能实现

本系统通过使用 3Dwindow 和信息树控件设计GUI图形用户界面（如图2），这种方式可以让用户快速的搭建一个基础三维平台，可以允许使用者通过直接调用TerraExplorer Pro的菜单命令来打开一个FLY文件（文件->打开）。从而节省创建一个标准的“浏览FLY文件”窗口的时间。功能实现中，主要是采用菜单形式提供对命令的调用，IMenu接口在项目开发中使用较多。主要接口应用情况如下：使用IMenu接口实现对TerraExplorer Pro菜单功能的调用，主要调用了测量工具、规划辅助分析的菜单功能。使用IObjectManager65接口实现创建二维对象和创建三维对象功能。使用IInformationTree65接口主要实现对信息树进行管理维护。使用IPlane65接口实现三维漫游功能。如图3所示为三维空间中两点距离量算结果。如图4系统通过绘制多边形选择区域完成面积测算。

系统实现了用户在建成场景中添加或创建三维规划建筑物的功能，如图5所示。图6显示了在系统中点击进行通视分析的两个位置进行分析，a连线代表两点不通视，与a线垂直的线则代表两点之间可以通视。图7显示系统的地形剖面分析功能，该功能可以对剖线上任一点的高程进行查询，能够直观地了解该点与周围地形的关系。图8网状线即圆顶辐射分析所生成的圆顶辐射区域。

系统实现了控高分析，可以有效辅助城市规划管理人员协调好空间需求以及高层建筑物的空间布局关系。如图9b平面表示控高高度，边线内为控高范围，控高区域内建筑物高度如果超出控高高度，则将超出部分显示出来，使建筑物超高的高度以及数量一目了然。

5 结束语

文章就三维城市规划信息系统的需求和总体设计进行了深入分析。对 Skyline 软件的二次开发技术进行研究。基于Skyline TerraExplorer Pro API实现了三维城市规划信息系统中的城市规划二维场景构建与管理、三维场景构建与管理、场景漫游、规划辅助分析、空间量测等功能，并以湖南城市学院三维数字校园项目展示了系统的功能应用，系统表明基于Skyline平台进行三维城市规划信息系统二次开发方便快捷，系统工具基本满足了辅助城市规划的要求，为规划人员提供了三维可视化的辅助决策手段。

参考文献

[1]尹长林，许.基于3DGIS 的城市规划可视性分析模型研究[J].测绘科学，2011，36（4）：142-144.

[2]祁信舒，赵祺.三维城市规划管理系统的设计与实现[J].地理空间信息，2010，8（5）：10-15.

[3]李扬，刘增良，杨军.面向城市规划的三维GIS设计与实现[J].测绘通报，2012，58（6）：74-76.

[4]曾忠平，李宗华，赵中元，等.基于三维GIS的城市规划信息系统研究[J].重庆建筑大学学报，2007，29（5）：26-30.

[5]冯琰，郭容寰，汪 琦，等.三维城市模型数据组织与管理方法研究[J].测绘科学，2011，36（1）：215-217.

[6]李志伟.基于Skyline的土地资源可视化系统的设计与实现[D].西安科技大学，2012.

[7]李佼.基于Skyline的三维GIS开发关键技术研究[D].华东师范大学，2009.

[8]卢闯.基于Skyline的农业资源三维地理信息系统框架设计与实现[D].中国农业科学院，2011.

[9]常德海.基于Skyline的虚拟校园建设理论与方法研究[D].河南大学，2009.

[10]王钰.基于Skyline技术的油田地面三维可视化开发与实现[D].长安大学，2009.