CN102004963B - 一种数字城市生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及属于虚拟技术的数字城市仿真系统，特别是一种城市规划、建筑设计领域的生成方法和系统。该系统是面向政府职能部门使用的专业辅助决策体系和管理平台，同时也是展示政府规划建设成果的具备互联网络和专业服务器集群共性的多媒体宣传平台。本系统是平面、正像映射、三维数字地图技术融合的无缝连接，完全基于GIS(数字地理信息系统)和城市坐标系统，依据规划部门提供的总规划、蓝线红线等技术数据，能够做到定位、逻辑双精确，可以作为决策工具使用。

Description

一种数字城市生成方法

技术领域

本发明涉及属于虚拟技术的数字城市仿真系统，特别是一种城市规划、建筑设计领域的生成方法和系统。 

背景技术

三维数字城市是从工业时代向信息时代转化的基本标志之一。它一般指在城市“自然、社会、经济”系统的范畴中，能够有效获取、分类存储、自动处理的智能识别海量数据的、具有高分辨率和高智能化的、既能虚拟现实又可直接参与城市管理和服务的一项综合工程。三维数字城市演示中涉及地表地貌、河流水域、城市核心商业街、城市标志建筑、主体建筑、居民住宅、重点企事业单位、路网街道、园林绿化、街道小品、地下管网一应俱全。完整而丰富的再现了整个城市的重要元素。三维数字城市所必须的关键技术包括：超大容量超高速计算机、科学计算技术、虚拟现实技术、卫星图像分析与3S技术、宽带卫星通讯技术、ATM(异步传输模式)、网络技术、互动操作系统、元数据等。 

因此，无论从科学的定义上，还是从管理的定义上，三维数字城市均可视作是人类发展的台阶式进步，其中既包含着从生产方式、生活方式、文化方式和人际关系的社会经济变革，也包含着政府决策、政府管理、政府服务的廉政建设的革命性进展。但是，现有的三维数字城市偏重于对地表信息和建筑物本身的模拟，与政府的管理职能结合度不够。 

发明内容

本发明针对现有技术的问题，提供了一种面向政府职能部门，综合地理信息和规划信息的数字城市生成方法及系统。 

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的： 

一种数字城市生成方法，包括以下步骤： 

步骤A，获取一预定区域的地理信息数据，建立该区域的三维基础数据库： 

步骤A1，获取一预定区域的地图，通过检测算法，计算出该预定区域内各个地区和物体的长度数据和坐标数据； 

步骤A2，获取该预定区域的高度信息，通过检测算法，计算出该预定区域内各个地区和物体的高度数据； 

步骤A3，根据该预定区域内各个地区和物体的长度数据、坐标数据和高度数据，建立该区域的三维基础数据库； 

步骤B，获取该预定区域各物体的类型、形状数据，生成该区域的三维模型； 

步骤C，获取该预定区域的规划建设数据和国土资源数据，将该地域物体的规划信息与国土信息镶嵌到该区域的三维模型中。 

步骤B包括下列步骤： 

步骤B1，获取该预定区域的遥感影像，将所述遥感影像矢量化，获取不同物体的形状； 

步骤B2，采集该区域内各物体的图像和相应模型，形成知识库； 

步骤B3，根据知识库中的图像的特征，识别遥感影像中识别不同类型的物体。 

步骤C包括下列步骤： 

步骤C1，获取该区域的规划蓝线数据，确定该区域的地域界限； 

步骤C2，获取该区域的规划红线数据，确定该区域内各物体的地域界限； 

步骤C3，获取该区域的总规划数据，与三维基础数据库的数据匹配； 

步骤C4，根据三维基础数据库的数据，将该区域和该区域内各物体的地域界限数据镶嵌到三维模型中。 

步骤C后还包括下列步骤： 

步骤D，获取该区域的建设工程规划数据，生成模拟效果三维模型： 

步骤D1，获取该区域内特定区域的工程设计数据，获得该特定区域建筑的设计参数； 

步骤D2，获取该区域内特定区域的工程设计效果数据，获得该特定区域建筑效果参数； 

步骤D3，将该特定区域建筑的设计参数与三维基础数据库匹配，将该特定区域建筑效果参数与三维镶嵌算法匹配，生成三维模型。 

一种数字城市规划系统，包括一般地理信息数据模块、建筑识别模块和特殊地理信息数据模块，其中： 

所述一般地理信息数据模块，用于获取目标区域内的地面和地面物体的长度数据、坐标数据和高度数据； 

所述建筑识别模块，用于获取目标区域内各物体的类型和形状数据； 

所述特殊地理信息数据模块，用于获取目标区域内的规划建设数据和国土资源数据。 

数字城市规划系统，还包括建筑工程模拟模块，用于获取目标区域内的建设工程规划数据，生成模拟效果三维模型。 

数字城市规划系统，还包括三维浏览模块，通过系统的硬件接口或软件接口，对系统生成的三维模型进行浏览。 

数字城市规划系统，所述三维浏览模块还包括自动飞行浏览子模块，用于对系统全局进行实时的任意路径浏览。 

数字城市规划系统，所述三维浏览模块还包括手动漫游浏览子模块，用于对系统的特定规划区域全境及局部细节进行浏览。 

显然，本发明是一套面向政府职能部门使用的专业辅助决策体系和管理平台，同时也是展示政府规划建设成果的具备互联网络和专业服务器集群共性的多媒体宣传平台。本发明是平面、正像映射、三维数字地图的无缝连接，完全基于GIS(数字地理信息系统)和城市坐标系统，依据规划部门提供的总规划、蓝线红线等技术数据，所有模型设计和逻辑关系均严 格遵循了科学依据，能够做到定位和逻辑精确，可以作为决策工具使用，其中关于基建项目决策招标系统、宗地属性(可延伸地价系统)、不限路线巡航、总体产业规划系统均属于3D数字技术在国内的首次集成。 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步说明，但不限于此。 

一种数字城市生成方法，典型的步骤如下。 

步骤A，获取一预定区域的地理信息数据，建立该区域的三维基础数据库： 

步骤A1，获取一预定区域的地图，通过检测算法，计算出该预定区域内各个地区和物体的长度数据和坐标数据； 

步骤A2，获取该预定区域的高度信息，通过检测算法，计算出该预定区域内各个地区和物体的高度数据； 

步骤A3，根据该预定区域内各个地区和物体的长度数据、坐标数据和高度数据，建立该区域的三维基础数据库； 

步骤B，获取该预定区域各物体的类型、形状数据，生成该区域的三维模型： 

步骤B1，获取该预定区域的遥感影像，将所述遥感影像矢量化，获取不同物体的形状； 

步骤B2，采集该区域内各物体的图像和相应模型，形成知识库； 

步骤B3，根据知识库中的图像的特征，识别遥感影像中识别不同类型的物体； 

步骤C，获取该预定区域的规划建设数据和国土资源数据，将该地域物体的规划信息与国土信息镶嵌到该区域的三维模型中： 

步骤C1，获取该区域的规划蓝线数据，确定该区域的地域界限； 

步骤C2，获取该区域的规划红线数据，确定该区域内各物体的地域界限； 

步骤C3，获取该区域的总规划数据，与三维基础数据库的数据匹配； 

步骤C4，根据三维基础数据库的数据，将该区域和该区域内各物体的地域界限数据镶嵌到三维模型中； 

步骤D，获取该区域的建设工程规划数据，生成模拟效果三维模型： 

步骤D1，获取该区域内特定区域的工程设计数据，获得该特定区域建筑的设计参数； 

步骤D2，获取该区域内特定区域的工程设计效果数据，获得该特定区域建筑效果参数； 

步骤D3，将该特定区域建筑的设计参数与三维基础数据库匹配，将该特定区域建筑效果参数与三维镶嵌算法匹配，生成三维模型。 

下面详述各步骤。 

步骤A1到步骤B1，关于计算方法，检测算法和矢量化的计算过程是现有技术所公知的。在此不在详述。 

步骤B2，采集该区域内各物体的图像和相应模型，形成知识库。 

步骤B3，根据知识库中的图像的特征，识别遥感影像中识别不同类型的物体。 

在这两个步骤，完成虚拟模型和实物的对应关系。 

步骤C1，获取该区域的规划蓝线数据，确定该区域的地域界限。蓝线是指城市规划确定的江、河、湖、库、渠和湿地等城市地表水保护和控制的地域界线。 

步骤C2，获取该区域的规划红线数据，确定该区域内各物体的地域界限。红线是指由规划部门制定的控制建筑的外地界，设计施工不能超过范围之外。 

步骤C3，获取该区域的总规划数据，与三维基础数据库的数据匹配。 

步骤C4，根据三维基础数据库的数据，将该区域和该区域内各物体的地域界限数据镶嵌到三维模型中。 

通过对位置信息(如经纬度、GPS信息等)的匹配，将该地域物体的规划信息与国土信息镶嵌到该区域的三维模型中。 

本发明实现对城市建筑群的规划建设数据和国土资源数据的无缝整合，全新开发的宗地属性模块可以实现对全境内任何建筑物建筑集群的包括楼层高度，建筑密集间距、土地归属、即时建筑定位查询等多个属性的集中资源管理，可以解决由于部门归属不同，资料分散指向性不够给决策者不能形成有力决策依据的矛盾，对于政府职能部门归纳整理各种基础建设资料有建设性的帮助。 

步骤D1，获取该区域内特定区域的工程设计数据，获得该特定区域建筑的设计参数； 

步骤D2，获取该区域内特定区域的工程设计效果数据，获得该特定区域建筑效果参数； 

步骤D3，将该特定区域建筑的设计参数与三维基础数据库匹配，将该特定区域建筑效果参数与三维镶嵌算法匹配，生成三维模型。 

城市基础建设工程方案决策一直是3D技术公关的难点，本发明首次在数字城市概念中引入并建成了这一功能性模块，在本系统已经建成的任何区域内要实现基础建设的方案选择都成为可能，运用全面创新的逻辑算法，只要客户提供标准的CAD工程设计文件和效果图，系统就会生成平台内的模型效果，这样就可以避免传统方式的一个弊端，传统方案是使用各个投标方的图纸和相关文件进行综合评估，一定意义上各方案都是基于自己的意图进行优化，比较基面上不统一，而且无法对周边生态的影响实现立体评估，斯瑞斯通系统本着这个使用目标做了底层的技术创新，可以实现对全境内多个项目多个时间段的并行方案处理，充分利用目前非常强大的计算机处理能力，可以极大的提高项目评审决策的效率。 

数字城市生成方法还可以通过下列方式实现： 

A、采集该地域内各建筑的类型、形状、高度等信息资源，并建立该地域建筑的三维模型数据库，我们将三维模型、地理信息、宗地属性、规划属性等相关数据统一并设置关键字段链接，只要查询其中某一项信息，其余相关信息也可以一同显示或被查询。 

B、将该地域建筑的地理(类型)信息录入并形成数据库，数据库为后台模式更新(包括模型代码、模型属性、土地属性及有效的相关信息)，然后整合到一个执行文件当中发布，这 样做的好处一是便于执行人简单操作，二是有效加密后防止脱壳破解，保护知识产权。 

C、根据该地域相应建筑的二维坐标位置，将该地域建筑的三维模型镶嵌(我们的实现的方法是三维空间，二维表现，将二维坐标和三维模型数据库用Z轴来实现，二维坐标在X面，三维模型用Y面实现高度，用Z轴来叠加二维坐标和三维模型，并严格按照实际规划图纸来进行等比例制作)。 

D、软件兼容性，我们这个程序可以通过QUEST3D的引擎来为各种三维软件提供插件，实现MAYA、3DMAX、C4D等常用三维软件的兼容性。 

E、我们这套系统采用了编辑模块化，各种命令全部定义成模块方式，只要用鼠标将命令进行拖拽就可以实现模型的定义，如物理碰撞、光源光效、大气系统等。 

F、鸟瞰模式和手动模式的实现，鸟瞰模式采用二维路线，在天空及模型不发生碰撞的地方采用一条透明引导线来引导摄像机运动；手动模式(也称行走模式或汽车模式)则不设定路线，由于模型已经定义了物理碰撞效果，摄像机走到墙体等无法穿越的地方就会被阻碍，因此可自由行走。 

其中A中，该数据库可以通过引擎KDE扩展模块来实现和扩充，编程语言采用C++，数据库采用甲骨文。其中步骤C中，将建筑转化为微软DirectX的‘.X’文件格式。‘.X’文件包含了物体的线框，面，贴图和动画数据，并且能够被直接导入到三维数字城市系统中。 

通过数字城市生成方法生成的数字城市规划系统，包括一般地理信息数据模块、建筑识别模块和特殊地理信息数据模块，其中：所述一般地理信息数据模块，用于获取目标区域内的地面和地面物体的长度数据、坐标数据和高度数据；所述建筑识别模块，用于获取目标区域内各物体的类型和形状数据；所述特殊地理信息数据模块，用于获取目标区域内的规划建设数据和国土资源数据。还包括建筑工程模拟模块，用于获取目标区域内的建设工程规划数据，生成模拟效果三维模型。还包括三维浏览模块，通过系统的硬件接口或软件接口，对系统生成的三维模型进行浏览。三维浏览模块还包括自动飞行浏览子模块，用于对系统全局进 行实时的任意路径浏览。三维浏览模块还包括手动漫游浏览子模块，用于对系统的特定规划区域全境及局部细节进行浏览。 

数字城市规划系统是一套针对数字城市规划开发的专门的‘数字城市规划系统’软件。 

首先考虑到功能区的展示模块主要服务于政府决策部门，并基于产业布局规划的考虑，将传统的纸质产业规划方案实现数字化，通过数据库的建立，使平面图纸立体化形象显示，是产业布局形象便于参考和管理。 

在全景3D的浏览模块中，我们设立了手动漫游和自动飞行模式，由于本系统采用的3D全景建模的基本特点，自动飞行模式可按照用户的具体要求任意设定巡航路线，有别于传统局部3D建模巡航路线受到模型限制不能随意设定，这样展示开发区强大的工业基础实力和用心打造的非常适宜于人们安居乐业的自然及人文景观具备了技术基础，其中的自动功能可以使用WEB技术实现在互联网上的发布，这将会成为开发区宣传的亮点。 

手动模式仅向专业用户提供，由于提供了任意角度任意规划区域全境及局部细节的描述，用户可以使用这些功能实现包括方案考察、建设投资回报、现状综合分析等具体工作的参考帮助。 

当然，本发明的实现具有多种的形式，也可以增加其他的系统模块和功能。 

例如，全景漫游功能。使用鼠标和键盘身临其境般虚拟漫游城市全貌及各个角落。浏览视角、速度、光影变幻等都可通过鼠标和键盘的功能键，按照用户的操作习惯进行调节。实现以正常人视点、鸟瞰等各种不同视角的身临其境般的实时观赏和漫步。数字城市规划演示中涉及地表地貌、河流水域、城市核心商业街、城市标志建筑、主体建筑、居民住宅、重点企事业单位、路网街道、园林绿化、街道小品、地下管网一应俱全。完整而丰富的再现了整个城市的重要元素。 

例如，功能区展示功能。使用不同的颜色展示区域内各种功能区的分布及地理位置，同时可以使用鼠标和键盘的功能键调节观赏视角和光影效果。可以定义蓝色区域为仓储用地， 绿色区域为公共用地，棕色区域为工业用地，浅褐色区域为教育科研用地，黄色区域为居住用地，浅绿色区域为生产用地，红色区域为商业金融用地，浅蓝色区域为市政设施用地，褐色区域为特殊用地，浅灰色区域为文化娱乐用地，粉色区域为行政办公用地，胭脂红区域为医疗卫生用地。 

例如光影分析功能。可通过鼠标点击，拖动屏幕上方的滚动条，可对白天一整天的光影数据进行分析。在为建筑规划设计单位，规划管理部门和房地产开发公司，提供一套集高精度、权威性、智能化为一体的日照分析解决方案。可定制日照标准库，轻松适应全国各市县的特殊要求。全面快捷的建模工具，支持自动建筑编号，窗号重排，支持平坡屋顶和阳台等等，易于上手。日照窗报表可输出到Word和DWG图面，表格规范，样式灵活可定制，建设前后日照时间对比一目了然。丰富的日照分析工具箱，提供单点、沿线、平立面、阴影分析、日照圆锥和传统的日影棒图等等，实用可靠。建筑方案调整智能，从建筑高度、位置、角度三个自由度全面分析，让日照不利因素降至最低。三维仿真再现建筑群的日影实景，真实可信。 

例如三图切换功能。提供三种地图格式的无缝切换：三维地图、正射影像、三维地形。通过鼠标的点击操作可进行三图切换。正射影像可直接用于影像判读、量测和专题制图，为资源与环境调查研究服务，也可用于制作各种影像地图和地图更新。三维地图为用户提供地图查询、出行导航等地图检索功能，同时集成生活资讯、电子政务、电子商务、虚拟社区、出行导航等一系列服务。三维地形使用真实地形实时生成技术，针对真正射影像(TrueOrtho)，结合数字地表模型DSM，实时查看大规模地表景观。 

例如展示图功能。通过鼠标点击、拖动，可以平移、放大、缩小地图，为用户提供全景城市平面地图。 

例如宗地查询功能。输入地点、建筑物的名称或编号、宗地号及土地证号，然后点击“查询”，系统会自动跳转到该宗地所在地理位置，为用户提供快速查找的功能。 

例如方案替换功能。系统可提供多种建筑方案演示、替换、修改。通过此模拟仿真，能够对工程过程每个细节进行细致的研究，并能够提前看到最终效果，从而对不满意的地方进行及时更改，有效的帮助我们在工程实施之前及时的发现问题并辅助我们处理问题，从而合理规划工程进度，合理分配人力资源，减免错误、减少资源浪费、合理设计规划、缩短工程时间。 

显然上述说明不是对本发明的限制，上述的一种数字城市规划生成方法及系统还可以有其他许多变化。虽然已经结合上述例子详细讨论了本发明，但应该理解到：业内专业人士可以显而易见地想到的一些雷同，代替方案，均落入本发明权利要求所限定的保护范围之内。 

Claims (2)

1.一种数字城市生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，获取一预定区域的地理信息数据，建立所述区域的三维基础数据库：

步骤A1，获取一预定区域的地图，通过检测算法，计算出所述预定区域内各个地区和物体的长度数据和坐标数据；

步骤A2，获取所述预定区域的高度信息，通过检测算法，计算出所述预定区域内各个地区和物体的高度数据；

步骤A3，根据所述预定区域内各个地区和物体的长度数据、坐标数据和高度数据，建立所述区域的三维基础数据库；

步骤B，获取所述预定区域各物体的类型、形状数据，生成所述区域的三维模型：

步骤B1，获取所述预定区域的遥感影像，将所述遥感影像矢量化，获取不同物体的形状；

步骤B2，采集所述区域内各物体的图像和相应模型，形成知识库；

步骤B3，根据知识库中的图像的特征，识别遥感影像中识别不同类型的物体；

步骤C，获取所述预定区域的规划建设数据和国土资源数据，将地域物体的规划信息与国土信息镶嵌到所述区域的三维模型中：

步骤C1，获取所述区域的规划蓝线数据，确定所述区域的地域界限；

步骤C2，获取所述区域的规划红线数据，确定所述区域内各物体的地域界限；

步骤C3，获取所述区域的总规划数据，与三维基础数据库的数据匹配；

步骤C4，根据三维基础数据库的数据，将所述区域和所述区域内各物体的地域界限数据镶嵌到三维模型中。

2.根据权利要求1所述的数字城市生成方法，其特征在于，所述的步骤C后还包括下列步骤：

步骤D，获取所述区域的建设工程规划数据，生成模拟效果三维模型：

步骤D1，获取所述区域内特定区域的工程设计数据，获得该特定区域建筑的设计参数；

步骤D2，获取所述区域内特定区域的工程设计效果数据，获得所述特定区域建筑效果参数；

步骤D3，将所述特定区域建筑的设计参数与三维基础数据库匹配，将所述特定区域建筑效果参数与三维镶嵌算法匹配，生成三维模型。