一种用于构建城市设计数字化沙盘的系统的制作方法

本发明属于城市规划技术领域，尤其涉及一种用于构建城市设计数字化沙盘的系统。

背景技术

数字化沙盘技术是基于rs，gis技术的电子沙盘技术，其中集成影像数据，矢量空间数据以及后续计算和显示功能。目前数字沙盘主要应用于较为宏观的地理尺度，具有以下四大优点：快速便捷生成数字地形；详细、直观展示数字地形；检索和分析；集成3s系统。数字沙盘在计算机、地理信息系统、虚拟现实、可视化技术和多媒体技术的支持下，其功能应用已涉及到军事、线路规划、房地产、水利工程、消防、区域规划和地理学研究等领域。目前，一般的数字化沙盘系统的基本流程如下：(1)地形数据的准备和处理；(2)遥感影像数据的准备与处理；(3)几何纠偏，融合，裁剪等地理操作；(4)社会经济数据，专题数据等叠加；(5)mapgis系统平台集成空间数据库，属性数据库，图像数据库等；(6)三维立体可视化，浏览，查询；统计分析；打印输出。

在此基础上，通常数字化沙盘的功能可以归纳为三大类：沙盘系统基础功能，数据维护功能和统计分析功能。1.沙盘系统基本功能，主要包括：多源数据的采集和编辑、地图的基本操作、图层操作、投影的基本转换、专题地图的编辑、属性查询、数据的打印输出和可视化等。2.数据维护功能，主要包括：网络数据、影像数据、图形数据和属性数据的更新和维护等。3.统计分析功能，主要包括：连线可视性与可视域、土方量计算、淹没分析、网络分析、图像分析等实用分析功能。

目前已有的数字化沙盘技术更多的是针对既有的地形与经济数据进行处理，而并未解决城市设计的数字化和载入等问题，也并未解决多源大数据与城市空间形态数据的叠加问题，以及基于此的城市设计方案互动、城市设计项目管理、多源大数据与空间形态的耦合分析等功能需求。这些问题及功能需求，是城市设计领域的关键需求，也是城市设计数字化沙盘与地理空间数字化的区别所在。

技术实现要素：

发明目的：针对现有技术存在的以上技术问题，本发明提供一种用于构建城市设计数字化沙盘的系统，该系统能够构建起城市设计沙盘的数字化环境，并根据城市设计的实际需求，将数字沙盘的功能进行划分，可以便捷的将城市设计方案导入到城市的整体环境之中，并以此作为平台，对城市设计进行数字化的研究、分析与管理、控制。

技术方案：为实现本发明的上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种用于构建城市设计数字化沙盘的系统，包括以下模块：

沙盘环境构建模块，用于城市设计沙盘的数字化环境构建；

要素分级显示模块，用于对城市设计要素进行分层管理，并通过构建可视化精度分级体系进行分级显示；

空间指标解释模块，用于对城市设计数字化沙盘指标库中的指标进行名称、算法及属性的挂接；

空间计算工具模块，用于加载工具包，对城市数字化沙盘中选定的范围进行计算；

离线数据提取模块，用于在离线模式下，导出选择空间范围内的二维和三维数据；

动态即时编辑模块，用于对系统中加载的城市数字化设计方案进行实时编辑操作。

其中，所述沙盘环境构建模块通过执行以下步骤实现对城市设计沙盘的数字化环境构建：

(1.1)获取城市范围内三维切片缓存模型数据，将模型数据进行数字化转换，生成可参与计算的单体模型；具体为基于倾斜摄影技术获取城市范围三维切片缓存模型数据，其辅助镜头设备包含ultracam、leicarcd30、swdc-5，通过rcd30平台记录格式为scp的相应配置，储存于ultralabgx480p/gx610p图灵计算工作站；进而通过supermap软件生成dsm(digitalsurfacemodel)模型。接着以倾斜摄影数据对应的矢量面数据为基础，判断模型tin网的有效范围，并从上至下贴合模型表面，生成可参与计算的单体模型。

(1.2)将多源大数据进行坐标系的转换，统一为所在城市坐标系，存储为shp格式，实现多源大数据的数字化叠合；多源大数据包括业态poi、手机信令、lbs定位等，统一为所在城市坐标系,通常为黄海坐标系。

(1.3)将城市三维模型设计文件进行格式转换，并进行修编，转换为系统支持的udb格式的数据源，实现城市设计方案的数字化转换；通过autodeskfbx软件，将获取的skp格式的城市设计三维模型文件转换为max格式的文件形式，并在3dsmax软件中进行修编，进一步转换为系统支持的udb格式的数据源。

(1.4)以点、线、面的方式抽取城市设计方案的控制要素，实现对城市设计方案控制要素的提取；

(1.5)对城市设计数字化沙盘建成的环境模型及多源大数据文件进行多维数据的储存、共享与发布。根据城市建成环境模型及多源大数据的源scp文件，将其关联的scp数据保存到mongodb数据库中，并生成一个新的scp配置文件；将城市设计方案的三维模型数据和控制要素数据，存入数据库型数据源中，数据库型数据源包括oracleplus、oraclespatial、sqlserverplus、postgresql、db2等多种，其几何信息和属性信息都存储在数据库中。前端采用c/s平台架构沙盘及模块系统，部署形式为一个exe可执行文件；后台部署mongodb数据库用以共享和发布倾斜摄影等现状数据，以及gis数据服务器等；前端通过数据库端口及gis数据服务url，加载后台数据。

其中，所述要素分级显示模块功能：

(2.1)对城市设计要素数据进行分层存储，并对设计要素以图层树的方式进行分级显示，基于需求交互，动态管理分层设计要素的显示或隐藏；

(2.2)根据不同的显示需求，构建可视化精度的分级体系，在不同比例尺下显示相对应精度的要素内容；

(2.3)根据可视化精度分级体系，对要素显示的细节层次进行分级展示。采用lod(levelsofdetails)技术，根据可视化精度分级体系，对要素显示的细节层次进行分级展示，对于近处的要素采用精细模型效果显示，远处的要素采用简单模型显示，用于提高要素的渲染性能。

其中，所述空间指标解释模块功能：

(3.1)将所有城市设计中的专业性指标术语进行汇总，形成城市设计数字化沙盘指标库；

(3.2)编制指标涵义表，指标涵义表指在城市设计数字化沙盘指标库的基础上，作为指标库的索引文件；

(3.3)将指标涵义表录入系统，使得每个指标名词挂接上包括指标解释以及计算公式在内的多个属性链接。

其中，所述空间计算工具模块功能：

(4.1)通过要素点选或框选的方式，选择多个要素构成集合或一定的空间范围；

(4.2)基于选取的要素集合或空间范围，依据空间指标解释模块，自动获取空间范围内要素模型信息数据，计算出基本空间指标；

(4.3)根据城市设计空间计算需求，将空间计算工具模块划分为三个空间计算工具包：空间基础计算工具包、单维度数据计算工具包、多源数据耦合计算工具包，并且通过上述工具包对所选集合或范围分别进行空间形态的几何分析、单维度数据类型的分布结构分析、多源数据中的任意两类数据的叠加耦合程度分析。

其中，所述离线数据提取模块功能：

(5.1)以画选的方式在系统地图上圈定需要离线提取数据的空间范围；其中，以画选的方式在系统地图上圈定空间范围指的是，通过鼠标依次在系统地图上点击形成多个坐标点，将多个坐标点依次连接起来形成的封闭区域，即为离线提取数据的空间范围；

(5.2)基于多边形裁切，打包导出选择空间范围内的二维和三维数据。

其中，所述动态即时编辑模块功能：

对系统中加载的城市设计方案，通过鼠标拖拽交互操作或界面化修改参数的方式，基于内存模拟，实时拉伸或缩放模型尺寸，动态重建模型，并基于纹理映射技术，实时调整模型渲染颜色或纹理贴图。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的有益效果：

(1)本发明提供的城市设计数字化沙盘系统，针对目前城市设计发展的数字化趋势，并根据实际的功能需求，在城市环境、多源大数据和城市设计方案数字化的基础上，构建了不同的功能模块组成的数字化沙盘系统，可以便捷的将城市设计成果加载进城市环境之中，并进行相应的数字化互动、分析、研究、管理与控制。

(2)本发明填补了这一技术领域的空白，构建了科学、规范、便捷的城市设计数字化沙盘系统，所形成的系统可以应用于城市沙盘的设计和管理等多个方面。

附图说明

图1为本发明的一种用于构建城市设计数字化沙盘的系统模块示意图；

图2为本发明的城市设计沙盘的数字化环境的构建界面示意图，即沙盘环境构建模块示意图；

图3为要素分级显示模块示意图；

图4为空间指标解释模块示意图；

图5为离线数据提取模块示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。

本发明公开了一种用于构建城市设计数字化沙盘的系统，该系统包括如下模块：沙盘环境构建模块，构建城市设计沙盘的数字化环境，即将城市建成环境、多源大数据及城市设计方案进行数字化转换及空间的叠合；根据城市设计的实际需求，将数字化沙盘切分为5个功能模块，其中技术模块3个，包括：要素分级显示模块，空间指标解释模块，空间计算工具模块；管理模块2个，分别为：离线数据提取模块和动态即时编辑模块。其中，要素分级显示模块，对城市设计要素进分层管理，并进行可视化的分级显示；空间指标解释模块，对城市设计数字化沙盘指标库中的指标进行名称、算法及属性的挂接；空间计算工具模块，对数字化沙盘中选定范围加载工具包进行计算；离线数据提取模块，在离线模式下，提取数字化沙盘数据，用于导出二维或三维的空间数据；动态即时编辑模块，用于对系统中加载的城市数字化设计方案进行实时编辑操作。

以下将结合南沙新区起步区案例和附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

该系统的模块组成如图1所示，模块详细介绍如下：

(1)沙盘环境构建模块，对城市设计沙盘的数字化环境构建，如图2所示，为本发明的城市设计沙盘的数字化环境的构建界面示意图。在对城市沙盘数字化环境构建时，该系统前端采用c/s平台架构沙盘及模块系统，部署形式为一个exe可执行文件；后台部署mongodb数据库用以共享和发布倾斜摄影等自然以及建成环境数据，以及gis数据服务器等；前端通过数据库端口及gis数据服务url，加载后台数据。

(1.1)城市建成环境的数字化转换，基于倾斜摄影技术获取城市范围三维切片缓存模型数据，通过rcd30平台记录格式为scp的相应配置，储存于ultralabgx480p/gx610p图灵计算工作站；进而通过supermap软件生成dsm(digitalsurfacemodel)模型，接着以倾斜摄影数据对应的矢量面数据为基础，判断模型tin网的有效范围，并从上至下贴合模型表面，生成可参与计算的单体模型。

(1.2)多源大数据的数字化叠合，将业态poi、手机信令、lbs定位等多源大数据通过supermap软件进行坐标系的转换，统一为所在城市坐标系，通常为黄海坐标系，存储为shp格式。

(1.3)城市设计方案的数字化转换，城市设计的成果中均包含有设计方案的三维模型，但其文件格式无法直接载入数字化沙盘，需要通过autodeskfbx软件，将获取的skp格式的城市设计三维模型文件转换为max格式的文件形式，并在3dsmax软件中进行修编，再进一步转换为系统支持的udb格式的数据源。

(1.4)城市设计方案的控制要素提取，城市设计是通过对城市空间形态的控制实现设计意图的，从空间形态层面来看，最基本的控制要素即为点、线与面。因此，以点、线、面的方式抽取城市设计方案的控制要素，通过在autocad软件中建立相应图层存放的形式，构建控制要素矢量集，并通过arcgis软件转换为shp格式文件。

(1.5)多维数据的储存、共享与发布，根据城市建成环境模型及多源大数据的源scp文件，将其关联的scp数据保存到mongodb数据库中，并生成一个新的scp配置文件；将城市设计方案的三维模型数据和控制要素数据，存入数据库型数据源中，数据库型数据源包括oracleplus、oraclespatial、sqlserverplus、postgresql、db2等多种数据库，其几何信息和属性信息都存储在数据库中。

(2)要素分级显示模块功能如下：

(2.1)城市设计要素数据的分层管理，采用分层存储的方式管理城市设计要素数据，该系统以图层树的界面方式管理分级要素，基于用户需求交互，动态管理分层要素的显示或隐藏。

(2.2)构建可视化精度分级体系，根据不同的显示需求构建可视化精度的分级体系，在不同比例尺下显示相对应精度的要素内容，具体分级方式见下表；

表1

(2.3)城市设计要素的分级显示，采用lod(levelsofdetails)技术，根据可视化精度分级体系，对要素显示的细节层次进行分级展示，对于近处的要素采用精细模型效果显示，远处的要素采用简单模型显示，用于提高要素的渲染性能。

(3)空间指标解释模块功能如下：

(3.1)汇总城市设计数字化沙盘指标库，将所有城市设计中的专业性指标术语进行汇总，形成城市设计数字化沙盘指标库，如建筑密度、建筑基底面积、容积率、最大建筑面积、最大建筑高度、平均建筑高度等。

(3.2)编制指标涵义表，指标涵义表指的是在城市设计数字化沙盘指标库的基础上，进一步作为指标库的索引文件，记录指标编码，其是指标唯一值，用以从指标库中读取指定指标、指标名称、指标算法，其包括指标函数名，索引指标计算实现函数、以及指标描述其用于描述指标含义及计算参数。根据实际需要，指标涵义表还可包含除以上属性之外的其他属性。其中，部分指标涵义表如下表2所示：

表2

(3.3)挂接指标解释，将指标涵义表录入系统，使得每个指标名词挂接上包括指标解释以及计算公式在内的多个属性链接；并且链接采用分层存储的方式管理城市设计要素数据，系统以图层树的界面管理挂接属性，基于用户需求交互进行管理显示。

(4)空间计算工具模块功能如下：

(4.1)选择所需要进行空间计算的范围，在沙盘系统分析工具下，通过要素点选或框选的方式，选择若干要素构成的集合或一定的空间范围；

(4.2)基本空间指标计算，基于选取的空间范围，依据指标解释模块，自动获取空间范围内要素模型信息数据，代入算法函数，运算出基本空间指标，其中运算函数如下：jzmd＝sum(建筑底面积)/用地面积、zdjdmj＝max(建筑底面积)、rjl＝sum(建筑底面积*建筑层数)/用地面积、zdjzmj＝max(建筑底面积*建筑层数)、zdjzgd＝max(建筑高度)、pjjzgd＝ave(建筑高度)；

(4.3)划分空间计算工具包，根据城市设计空间计算需求，将空间计算工具模块划分为三个空间计算工具包，分别为：空间基础计算工具包、单维度数据计算工具包、多源数据耦合计算工具包；

其中，空间基础计算工具包，对所选范围进行空间形态的几何分析，可通过加载supermap下的距离分析、区域分析、邻域分析等工具模块实现；

距离分析，估算不同样本之间的相似性度量；

区域分析，从空间数据中获取有关地理对象的空间位置、分布、形态、形成和演变等信息并进行分析；

邻域分析，对邻域内的概念类或现实世界中对象的可视化表示；

单维度数据计算工具包，对所选范围进行单维度数据类型的分布结构分析，可加载supermap下的插值分析、密度分析等工具模块实现；

插值分析，根据有限的样本数据点预测栅格中的像元值，kriging插值；

密度分析，通过离散点数据或者线数据进行内插计算，根据插值原理不同，主要是分为核密度分析和普通的点或线密度分析；

多源数据耦合计算工具包，对所选范围进行多源数据中的任意两类数据的叠加耦合程度分析，可加载supermap下的多元分析、叠加分析等工具模块实现；

多元分析，研究多个自变量与因变量相互关系的分析方法；

叠加分析，在统一空间参考系统下，通过对多源数据中的任意两类数据进行的一系列集合运算，产生新数据的分析方法。

(5)离线数据提取模块功能：

(5.1)选定数据提取空间范围，在沙盘系统离线数据提取界面，以画选的方式在系统地图上圈定需要离线提取数据的空间范围，保持坐标系不变。

(5.2)数据打包导出，基于多边形裁切，打包导出选择范围内的二维和三维数据；打包导出的数据可以在离线条件下运行其他模块的基本功能。

其中，以画选的方式在系统地图上圈定空间范围指的是，通过鼠标依次在系统地图上点击形成多个坐标点，将多个坐标点依次连接起来形成的封闭区域，即为离线提取数据的空间范围。

(6)动态即时编辑模块功能：

动态编辑设计方案，通过鼠标拖拽交互操作或界面化修改参数的方式，基于内存模拟，实时拉伸或缩放模型尺寸，动态重建模型，并基于纹理映射技术，实时调整模型渲染颜色或纹理贴图，编辑方案可保存导出。