城市數字孿生建設（從平面走向立體）

2023-06-29 21:49:57 2

內容提要：武漢市自2007年全面啟動三維數字地圖建設以來，經過三年多的探索與實踐，已經全面完成城市建成區約450k㎡範圍的三維數字模型建設，包括建築、道路、景觀、山體、水面等全部城市空間要素以及地下管線等數據，城市空間信息的整體架構初具規模。

隨著三維數據在城市規劃中應用的逐步深入，在滿足表達效果的基礎上，其空間信息與屬性信息的一體化管理成為應用與實踐的關鍵點。

作者：熊 偉 武漢市規劃研究院數字規劃研究中心主任工程師

謝 慧 武漢市規劃研究院數字規劃研究中心總規劃師正文：

傳統的二維地理信息因能夠對城市空間地物進行高度準確、系統的概括，而在現代城市規劃工作中得到廣泛的應用。但是其在對城市空間地物進行高度概括的同時，也忽略了很多有用的空間信息。

三維數位技術是在二維地理信息的基礎上，更加真實、形象地描述我們雙眼看到的世界，分析城市的自然要素和建設要素，並通過用戶的交互操作，產生身臨其境般的感受和體驗。

三維數位技術的核心是虛擬實境技術、資料庫技術與地理信息系統等技術，由於其具有沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity) 和想像性(Imagination) 的技術特點，不僅可以幫助規劃管理者直觀、科學地分析規劃方案，為規劃設計師們提供新的表現創作方案的手段，而且能夠為城市規劃工作者和社會公眾創建一個實時反映現狀與不同規劃方案對比的技術平臺，方便規劃師和公眾從各個角度對不同城市規劃方案進行評價、比較，因此，其在城市規劃領域中正逐步成為技術熱點。

2.1、城市規劃領域的三維化技術方法起源

城市規劃是對城市空間資源的統籌布置與調配，因此一直對全新的可視化技術需求最為迫切。

自20世紀90年代末以來，隨著信息技術與計算機軟硬體的飛速發展，國內部分城市已經持續引入三維數位技術開展城市規劃的研究與應用工作。如北京、廣州、上海、深圳、重慶等較發達地區，紛紛就城市整體或局部地段的規劃方案建立三維實景系統，用於規劃方案展示、宣傳與比較等。

近年來，三維數位技術更是成為各地規劃部門研究的熱點，紛紛投入大量人力、物力和財力進行技術研究與應用探索。

武漢市也是較早開展此技術研究的城市之一。早在2001年，武漢市就開展了「中國角」—南岸嘴地區規劃國際方案徵集的三維虛擬實境方案製作，隨後在一批城市熱點建設區域開展了三維數位技術的應用探索工作。

自2006年起，武漢市全面啟動了三維數字地圖建設工作，並於2009年7月全面建成了城市建成區約450k㎡範圍內的三維現狀模型，建立了一個地上地下兼備、規劃現狀融合、立體動態、實時調度的三維數字地圖系統，實現了建築管理審批從傳統二維方式向三維虛擬技術的飛躍，在規劃管理工作中發揮了重要作用。

近年來，傾斜攝影和無人機的普及，為三維數字地圖建設提供了新的數據生產方法。其優點和缺點同樣突出，優點在於數據的真實性更高，缺點在於以人的視角收集的數據質量仍有待提高。

2.2、目前的主要做法

目前，運用三維數位技術輔助規劃管理已得到廣泛應用，各種技術方法不斷出現，並給現行的城市規劃管理技術模式帶來一定的變革。

2.2.1

運用「實景三維」輔助建設項目審批管理

在傳統的建設項目審批管理中，建築效果圖與三維動畫是常見的技術手段。它通過對城市空間的刻畫，幫助規劃工作者快速建立建設項目實施的直觀空間臆想，並作出評判。

但由於對城市整體環境的弱化處理和單一視角的表達方式，這類技術方法往往並不能直觀地描述建設項目所處城市場景的「實景」。

運用三維數位技術，建立一定範圍的城市「實景」，將有利於準確表達建設項目與周圍現狀之間的空間關係，具體作用包括：

一是在突出對建設項目主體藝術化表達的同時，加強了對周圍現狀「實景」的描述，對場景範圍、現狀細節的刻畫更加豐富，可以真實地再現建設項目實施的「實景」；

二是交互性，提供任意視角描繪城市空間，同時提供日照分析、方案對比等多種輔助功能，實時進行方案修改，縮短方案調整時間；

三是建立對用地條件、建築指標與建築空間形態之間關聯性的描述，當建築方案發生修改時，實時計算具體建築指標。

2.2.2

運用「虛擬三維」輔助項目策劃與宣傳

目前，無論是在房地產策劃、旅遊開發，還是在企業宣傳、產品包裝等領域，運用虛擬實境技術進行項目策劃與宣傳，已經成為主要的技術手段。

通過實際存在的場景或把規劃中的未來場景建造出來，實現用戶的模擬操作，讓用戶沉浸於「虛擬三維」互動的同時，全面了解項目的各類資料。

這類應用，重點在於突出項目細節，也是目前發展十分迅猛、需求較為迫切的應用領域。

2.2.3

運用三維數位技術輔助城市規劃編制

在規劃編制領域，三維數位技術的應用仍然停留在表達規劃設計成果階段。

如何利用三維數位技術的特點，將其作為規劃設計人員手中的「利器」，對傳統技術方法中難以精確判定的複雜的城市空間問題進行分析，也逐步成為規劃領域關注的焦點。

三維數位技術應用方法的日益成熟與現狀模型覆蓋範圍的擴大，也使得在規劃編制工作中廣泛運用三維數位技術成為可能。

進入21世紀以來，全國各地建立「三維數字城市」（或三維數字地圖）的勢頭愈演愈烈，各大中心城市紛紛投入巨資，提出了「三維數字城市」「三維虛擬城市」等各類建設目標。

從實施效果上看，由於三維數位技術的研究與應用不斷取得突破，在創新城市規劃編制與管理、項目策劃等方面的確取得了很多可喜的成果。

但是，從「數字城市」的內涵來看，更多的是注重各類空間資源的標準化、統一化配置，應該結合行業具體的應用，使其成為社會公眾以及各個行業實踐工作的基礎性信息平臺。

目前我們建設完成的城市數字模型，只是城市空間信息的基礎性載體，與「數字城市」的內涵和實質性內容尚有較大的差距，需要結合社會進步與信息流通渠道的不斷優化，最終建立「數字城市」的目標。

在具體的工作實踐中，城市規劃涵蓋了從城市功能布局到建築內部空間的一系列宏觀、中觀及微觀課題。

而三維數字模型的建設更多是從微觀層面入手，在應對宏觀及中觀層面的諸多空間管控引導內容實施時，缺乏從宏觀層面對城市空間形態進行整體協調的表達方式，難以解決更大尺度地域空間規劃的系統性問題。

在城市規劃工作中，運用三維數位技術輔助規劃編制、規劃成果審查、項目選址時的不適應性顯得尤為突出。

那麼，如何應對這些缺憾，以行之有效的技術手段輔助城市規劃工作的開展，無疑是我們在運用三維數位技術來適應城市規劃工作模式變革時需要解決的重點問題。

運用三維數位技術輔助城市規劃工作的開展，較之先前的技術方法，在精確程度和技術先進性上都有巨大的飛躍。

武漢市自2007年全面啟動三維數字地圖建設以來，經過三年多的探索與實踐，已經全面完成城市建成區約450k㎡範圍的三維數字模型建設，包括建築、道路、景觀、山體、水面等全部城市空間要素以及地下管線等數據，城市空間信息的整體架構初具規模。

隨著三維數據在城市規劃中應用的逐步深入，在滿足表達效果的基礎上，其空間信息與屬性信息的一體化管理成為應用與實踐的關鍵點。

4.1 三維數據的特性

4.1.1

數據的多元性

城市規劃與管理涉及地理要素和資源、環境、社會經濟等多種類型的數據。這些數據在時相上是多相的，在結構上是多層次的，其性質大致包括「空間位置」與「屬性」兩部分。

規劃工作不僅需要三維數據的空間位置，也需要三維數據的屬性數據，兩者之間是相互關聯、相互依存的，缺一不可。

4.1.2

數據的多層次性

由於規劃與管理信息的使用對象具有多層次性，不僅要滿足規劃編制人員、管理人員和公眾查詢的需要，還要考慮管理、評價分析和規劃預測的不同需求，這對規劃設計與管理信息處理提出了很高的要求。

4.1.3

數據的「現勢性」

城市規劃本身是一個對城市發展不斷適應的過程，隨著城市化進程的加快，城市規劃也必然會加快其更新速度，以適應城市的加速發展。這些變化對三維數據提出了「實時更新」的要求，以確保信息良好的「現勢性」。

4.2 三維數據規則

4.2.1

特徵建模

由於三維模型本身的數據十分複雜，特徵建模雖然在國際上出現了一段時間，但進展較慢，成為當前限制數據快速規範化並參與城市計算的主要瓶頸。

目前歐洲、新加坡有些團隊開展了這方面的探索，但僅僅是從數據生產方式入手，距離可計算的真正實現，仍然有技術難點需要攻克。

4.2.2

動態光影渲染

遊戲級的動態光影渲染帶來了實時調整光源的技術可能，可以彌補建築方案審查時光源固定、缺乏景深等缺陷，但對城市各級應用場景來說，其計算能力和表現效果仍有待進一步挖掘。

4.3 數據應用的智能化

從規劃編制到規劃實施，這個過程中產生了大量的數據，包括現狀的和規劃的，而在規劃實施後，又有了新的現狀數據，因而，如何對三維數據進行分類匯總，以便用戶簡單、明了地使用，將是三維數位技術應用研究的重要方向。

以美國及歐洲各國為代表的國際先進規劃設計團隊，在城市設計中植入量化計算方法，實時計算不同空間形態帶來的天空分割比、碳排放、空間能耗、交通組織等量化結果，對城市設計方案予以推敲和把控。

這也是當前三維數位技術的發展方向之一，它對渲染效果的考慮較少，而注重空間輪廓，也是城市仿真實驗室在數位化城市設計模塊中正在探索的內容。

武漢市三維數字地圖的建設在滿足表達效果的基礎上，借鑑了傳統二維GIS建設的理念與技術方法，不僅為規劃編制與管理提供了一個更加直觀的表達方式，而且通過一個切實有效的技術模式，達到創新規劃工作技術方法的目的，使之真正成為規劃管理的有利工具，成為規劃編制、交通分析的利器，成為公眾參與規劃的窗口，成為「數字城市」的基礎性信息載體。

1、在發展定位上側重於三維空間信息與地物屬性

的一體化管理。三維數字地圖建設的主要任務是通過再現城市的真實場景，落實各級城市規劃的功能布局和要求，進一步深入研究規劃編制與管理的實踐應用需求，在技術發展的同時，對更宏觀層面的城市問題進行三維可視化分析，解決傳統技術方法中難以解決的複雜的城市空間問題。

2、在實施策略上明確三維數字地圖的建設重點，深化以建築、環境為主體的三維數據的製作要求，在《城市三維建模技術規範》的基礎上，結合城市規劃工作的實踐要求，提取規劃工作的管控主體，明確製作要求，尤其是對屬性信息的管理方法提出同步更新的要求和操作方式。

3、增加中觀或宏觀層面的三維製作指引，實現三維數據面向規劃管理的目標。

切實有效地指導微觀層面的城市規劃編制工作，以3~5k㎡為基本單元（結合城市控規編制單元或主題功能區單元），將城市空間劃分為若干單元，並對每個單元從用地、建設和形態上形成三維製作指引，重點表述一定區域內的指標管控，如建設強度的三維空間表達，以及紅、綠、藍、紫、黃「五線」對城市空間形態的控制。

4、以數位化城市設計為研究方向，對三維數字地圖成果進行系統升級。

結合城市設計的管控內容，從Z軸方向研究制定三維模型的數據規則，逐步更新現有數據組成方式和生產技術環節，實現三維數字地圖數據從可看到可計算的轉型升級。

5、將三維數字地圖作為城市計算的底圖，成為城市級運算的Z 軸基礎維度。

由於Z軸維度上的數據規則模糊，這個方向的量化計算仍然受到諸多限制。在未來，仍將是重點探索的方向之一。

我們認為，三維數字地圖不是一成不變的建築、樹木、道路等城市空間地物，而是一種深度適宜且具有針對性的三維數字地圖數據，相較於具體的一草一木，其具有更加靈活的應變能力，表達城市剛性的骨架空間的同時，也為更大尺度的規劃編制與管理提供適當尺度的技術工具。這也是未來三維數字地圖數據拓展行業應用的技術模式。

武漢市三維數字地圖的建設是全國第一批全面鋪開並順利建成的特大級城市空間信息工程，目前正處於全面應用與探索階段。

在這一過程中，我們根據發展現勢與實踐需求，從模式、內容和深度上對三維數字地圖的建設作了一些積極的探索和嘗試。從增設的中觀城市空間單元的三維製作導引和屬性信息一體化管理兩部分內容看，我們認為，當前三維數位技術在城市規划行業中的應用，正經歷著「從效果到屬性」「從細節到抽象」的轉變，三維數字地圖的技術規範也正經歷著「從技術引導向規則化管理」的轉變，要有不斷的探索和創新，才能將三維數位技術落到實處，發揮最大的效能。部分圖片選自公共網絡，版權歸原作者所有，如有異議可聯繫刪除。