城市三维地理信息系统的应用研究
时间：2020-12-15 07:51:28 来源：达达文档网 本文已影响 人 
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摘 要：随着数字化城市建设工作的稳步开展，城市三维地理信息系统（Three Dimensional Urban Geographic Information System，3DUCIS）的作用日益显著，主要是该系统具备城市三维可视化功能，进而促进了城市规划与市政管理工作的高效开展。文章介绍了城市三维地理信息系统的概况、设计及其应用，通过研究，旨在提高空间数据的利用率，降低系统的开发与维护成本。
关键词：城市三维地理信息系统；设计；应用
在知识经济时代，信息技术为城市的信息化与数字化建设提供了可靠的技术保障，在信息化革命中，地理信息系统（Geographic Information System，GIS）扮演着重要的角色，它不仅推动了信息技术的发展，还促进了信息化建设工作的开展。但关于GIS的研究主要集中于二维空间，欠缺三维信息的管理与分析能力，在此基础上，难以适应城市规划、市政管理与通讯发展等各方面的需求，因此，城市三维地理信息系统（3DUCIS）的建设与应用研究具有一定的紧迫性。当前，城市三维地理信息系统的应用存在一定的不足，为了有效解决城市单位建模及其成本控制的问题，本文对其进行了深入的研究，旨在促进该系统作用的全方位发挥。
一、城市三维地理信息系统的概况
（一）含义
城市三维地理信息系统（3DUCIS）是以城市区域内空间为对象，实现了真三维描述、三维可视化及分析与管理的地理信息系统。该系统属于GIS系统，具备城市三维可视化功能，通过真三维仿真城市，为用户提供了全新的体验。
3DUCIS的功能如下：
其一，管理。管理的对象为三维数据，具体包括入库、质检、查询与坐标转换等。其二，交互。交互的对象为三维场景，主要是三维对象通过交互实现了三维空间浏览、选择与查询等。其三，分析。分析的对象为三维空间，主要是对三维场景中模型与地形等进行三维空间量算，并对其进行通视分析与日照分析等。
（二）研究现状
现阶段，关于3DUCIS的研究主要体现在以下几方面：三维模型数据获取、三维可视化、空间分析模型、数据管理与规范等。为了促进3DUCIS作用的发挥，世界范围内的服务商均对其展开了积极的研究，如：Google Earth；同时，国内也对其展开了研究，如：灵图公司。但时至今日，3DUCIS仍缺少完整性，主要是由于系统过于注重三维可视化、CAD软件及其功能等。但3DUCIS仍存在不足，主要为：三维模型缺少实用性与便捷性、数据规范缺少完善性、理论与应用研究欠缺统一性等。
二、城市三维地理信息系统的设计
（一）数据
1.数据采集和建模。对于3DUCIS而言，三维空间数据是其核心与基础，因此，数据采集和建模要具备一定的准确性与高效性。通过对三维空间数据的类型划分，主要分为四种，数字线划数据、影像数据、数字地面模型与对象属性数据。
（1）数字线划数据。此数据主要是对城市数据进行描述，如：建筑物。对于建筑物数据而言，主要为平面数据与高度数据，对此数据采集的技术主要为：
第一种，二维数据的运用。城市现有的二维数据为三维建筑物模型的构建提供了可靠的数据资源，保证了平面数据的精准性。高度数据主要是借助楼层数进行估算，同时也可以借助数字摄影测量或者建筑物修测、竣工测量等方式获取。城市基础数据库促进了三维建筑物模型的构建，其作用十分显著，主要表现为：保证了城市三维建筑物模型构建的便捷与高效；实现了三维与二维数据的紧密联系，为空间数据的更新与维护奠定了基础，但其缺点是未能展现建筑物的形状，其应用范围具有局限性。
第二种，全数字摄影测量的使用。当前，城市单位数据采集的关键性方法便是使用数据航空摄影系统，不仅实现了三维量测，还保证了三维成图，同时它也为4D产品的生产提供了空间基础数据。但在实际应用过程中，要注重生产成本与实际应用二者间的关系，以此保证系统建设成本的有效控制。
第三种，激光或者雷达等技术的运用。城市三维建筑物信息获取过程中运用全数字摄影测量，对各个条件均有着较高的要求，数据获取的难度较高。随着技术水平的不断提升，在全球定位系统与惯性导航系统的支持下，激光与雷达等技术得到了广泛的应用，实现了建筑物平面与高度数据的有效获取。此方法具有准确性、高效性与快速性等特点，促进了城市三维空间数据模型的构建。
（2）影像数据。此数据保证了城市三维景观数据的真实性，其采集的方法主要为模拟法与摄影法，前者主要是模拟建筑物顶面、侧面的纹理，以此促进相似图像的形成，但此时获取的图像真实性相对较差；后者主要是结合了空中摄影和地面摄影两种方法，通过拍摄实现了对建筑物纹理的全面获取，进而提高了城市三维建筑物模型的真实性。
（3）数字地面模型。它作为城市三维空间数据的主要内容，其采集的方法主要为借助矢量数据、全数字摄影测量、机载激光扫描等。
（4）对象属性数据。此数据获取的方法主要为数据库调取、野外调查等，该数据保证了3DUCIS的有效应用。
2.动态更新和维护。3DUCIS应用的要求相对较高，主要是要求空间数据要具备一定的现势性与准确性，此时的数据是空间统计及分析的坚实基础。因此，为了实现3DUCIS的广泛应用，要对三维空间数据进行及时的更新与维护，主要的方法便是构建三维空间数据库，使其具备动态更新和维护的能力。目前，3DUCIS的更新缺少同步性，主要是由于三维可视化系统需要借助建筑物模型的替换。
（二）模型
对于3DUCIS而言，三维城市模型是其重要的部分，但其生产具有复杂性，成本较高、模型数据量较大，在此基础上，对其管理难以实现有效的开展，制约着3DUCIS的发展。目前，在激光雷达（Light Detection And Ranging，LIDAR）技术的作用下，三维城市模型的获取与和管理均取得了一定的成绩。
一方面，模型获取。LIDAR属于空间测量系统，它融合了激光、全球定位系统与惯性导航系统，借助高速激光扫描测量，实现了三维坐标数据的获取，其测量具有高效性、高精度、全天候与丰富性的特点，在此基础上，快速获取了大量数据。
另一方面，模型管理。三维城市模型涉及大量的数据，传统的存储方式为文件，此时数据管理的难度较大。近几年，空间数据库日渐完善，逐渐形成了面向对象关系型的数据库，在此基础上，三维城市模型管理的方法日益丰富，由文件存储转向了大型关系型数据库管理。此方式不仅包括空间信息，还拥有相匹配的属性信息，从而实现了对空间及其属性的查询，便于数据的提取与调用。同时，对于企业级数据库而言，保证了其安全。
三、城市三维地理信息系统的应用
在城市信息化、数字化建设快速发展的背景下，对GIS技术的依赖性更加显著，但二维形式显示未能满足用户的需求，三维空间数据的作用未能得到高效的发挥。在先进技术的支持下，对二维地理信息系统进行了改进，提出了三维地理信息系统，进而满足了城市规划与市政管理的需求。
（一）应用于城市规划
在城市规划中应用城市三维地理信息系统，保证了规划的科学性与合理性，具体的应用案例为上海市。
1.方案对比。通常情况下，城市规划要制定不同的方案，通过方案比较选取最适合的，以此保证规划的科学性、准确性与可持续性。3DUCIS实现了对不同规划方案的比较，利用接口导入，实现了设计单位三维规划方案的三维场景展示，在双屏对比的方式下，使用户对方案实现了直观的了解。在未施工前，便观看到了规划后的环境，同时也明确了规划的影响，最终根据方案的经济性、社会性与生态性等，对比了规划方案的综合效益，如图1所示。
2.日照分析。随着城市化进程的不断加快，城市土地资源日益紧缺，建筑发展的高层化趋势日益显著，在高层建筑规模不断扩大、数量不断增多的背景下，日照问题得到了广泛的关注，为了解决高层建筑发展与用户日照需求二者间的问题，在城市规划过程中，要注重日照分析，通过系统的分析，保证城市土地资源的高效利用，维护公民日照采光权的权益。如图2所示。
3DUCIS的日照分析功能主要的根据用户输入的日期及建筑物，模拟了建筑物对周围建筑物的光照遮挡情况，从而判定了建筑物设计是否满足光照标准。图2展示了上海规划中商业高楼对附近居民小区的光照遮挡情况。
3.三维空间场景。城市规划过程中急需三维空间场景，为了满足此方面的需求，要积极发挥 3DUCIS的作用。该系统实现了城市环境的重现、比较了不同的方案、展示了公共参与结果、提供了城市规划管理的相关业务，如：规划审批、决策支持及地址分布表现等。同时，对城市重大工程建设项目实现了全面的管理，主要体现在宏观与微观两方面，具体包括工程分布、工程进度、质量控制等。
（二）应用于市政管理
在城市发展与建设过程中，城市管理的作用日益显著，同时对其管理的要求也不断增多，在实际管理过程中应用3DUCIS，提高了管理的效率与质量，进而促进了城市的健康与和谐发展。
首先，在基础设施方面。通过模块化管理，将先进的技术与电子政务进行了有机的结合，从而形成了城市模块化监督管理系统。其次，在应急预案方面。基于3DUCIS构建了城市重大危险源管理及应急指挥管理系统，在各个部门积极配合的基础上，实现了突发性事件的有效处理。最后，在电子政务方面。随着数字化城市建设的日益深入，城市政府开展了政府电子政务工作，在三维地理信息平台的支持下，提高了电子政务服务工作的质量。
四、结语
综上所述，本文主要研究了城市三维地理信息系统的设计与应用，其设计主要体现在数据与模型两方面，其应用主要为城市规划与市政管理。3DUCIS具有一定的直观性与先进性，为用户提供了高仿真的数字城市，在此基础上，保证了城市规划的科学性，提高了城市资源利用的高效性，确保了城市管理的质量。相信，在数字化与信息化城市建设过程中，3DUCIS的作用将更加显著，其应用将更加广泛。
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作者简介：汪滢（1984.02- ），女，汉族，湖北黄冈人，硕士研究生，讲师，研究方向：地理信息系统应用。
