城市数字孪生建设（从平面走向立体）

内容提要：武汉市自2007年全面启动三维数字地图建设以来，经过三年多的探索与实践，已经全面完成城市建成区约450k㎡范围的三维数字模型建设，包括建筑、道路、景观、山体、水面等全部城市空间要素以及地下管线等数据，城市空间信息的整体架构初具规模。

随着三维数据在城市规划中应用的逐步深入，在满足表达效果的基础上，其空间信息与属性信息的一体化管理成为应用与实践的关键点。

作者：熊 伟 武汉市规划研究院数字规划研究中心主任工程师

谢 慧 武汉市规划研究院数字规划研究中心总规划师正文：

01 、前言

传统的二维地理信息因能够对城市空间地物进行高度准确、系统的概括，而在现代城市规划工作中得到广泛的应用。但是其在对城市空间地物进行高度概括的同时，也忽略了很多有用的空间信息。

三维数字技术是在二维地理信息的基础上，更加真实、形象地描述我们双眼看到的世界，分析城市的自然要素和建设要素，并通过用户的交互操作，产生身临其境般的感受和体验。

三维数字技术的核心是虚拟现实技术、数据库技术与地理信息系统等技术，由于其具有沉浸性(Immersion)、交互性(Interactivity) 和想象性(Imagination) 的技术特点，不仅可以帮助规划管理者直观、科学地分析规划方案，为规划设计师们提供新的表现创作方案的手段，而且能够为城市规划工作者和社会公众创建一个实时反映现状与不同规划方案对比的技术平台，方便规划师和公众从各个角度对不同城市规划方案进行评价、比较，因此，其在城市规划领域中正逐步成为技术热点。

02、探索与创新——运用三维方法开展城市规划工作的诉求

2.1、城市规划领域的三维化技术方法起源

城市规划是对城市空间资源的统筹布置与调配，因此一直对全新的可视化技术需求最为迫切。

自20世纪90年代末以来，随着信息技术与计算机软硬件的飞速发展，国内部分城市已经持续引入三维数字技术开展城市规划的研究与应用工作。如北京、广州、上海、深圳、重庆等较发达地区，纷纷就城市整体或局部地段的规划方案建立三维实景系统，用于规划方案展示、宣传与比较等。

近年来，三维数字技术更是成为各地规划部门研究的热点，纷纷投入大量人力、物力和财力进行技术研究与应用探索。

武汉市也是较早开展此技术研究的城市之一。早在2001年，武汉市就开展了“中国角”—南岸嘴地区规划国际方案征集的三维虚拟现实方案制作，随后在一批城市热点建设区域开展了三维数字技术的应用探索工作。

自2006年起，武汉市全面启动了三维数字地图建设工作，并于2009年7月全面建成了城市建成区约450k㎡范围内的三维现状模型，建立了一个地上地下兼备、规划现状融合、立体动态、实时调度的三维数字地图系统，实现了建筑管理审批从传统二维方式向三维虚拟技术的飞跃，在规划管理工作中发挥了重要作用。

近年来，倾斜摄影和无人机的普及，为三维数字地图建设提供了新的数据生产方法。其优点和缺点同样突出，优点在于数据的真实性更高，缺点在于以人的视角收集的数据质量仍有待提高。

2.2、目前的主要做法

目前，运用三维数字技术辅助规划管理已得到广泛应用，各种技术方法不断出现，并给现行的城市规划管理技术模式带来一定的变革。

2.2.1

运用“实景三维”辅助建设项目审批管理

在传统的建设项目审批管理中，建筑效果图与三维动画是常见的技术手段。它通过对城市空间的刻画，帮助规划工作者快速建立建设项目实施的直观空间臆想，并作出评判。

但由于对城市整体环境的弱化处理和单一视角的表达方式，这类技术方法往往并不能直观地描述建设项目所处城市场景的“实景”。

运用三维数字技术，建立一定范围的城市“实景”，将有利于准确表达建设项目与周围现状之间的空间关系，具体作用包括：

一是在突出对建设项目主体艺术化表达的同时，加强了对周围现状“实景”的描述，对场景范围、现状细节的刻画更加丰富，可以真实地再现建设项目实施的“实景”；

二是交互性，提供任意视角描绘城市空间，同时提供日照分析、方案对比等多种辅助功能，实时进行方案修改，缩短方案调整时间；

三是建立对用地条件、建筑指标与建筑空间形态之间关联性的描述，当建筑方案发生修改时，实时计算具体建筑指标。

2.2.2

运用“虚拟三维”辅助项目策划与宣传

目前，无论是在房地产策划、旅游开发，还是在企业宣传、产品包装等领域，运用虚拟现实技术进行项目策划与宣传，已经成为主要的技术手段。

通过实际存在的场景或把规划中的未来场景建造出来，实现用户的模拟操作，让用户沉浸于“虚拟三维”互动的同时，全面了解项目的各类资料。

这类应用，重点在于突出项目细节，也是目前发展十分迅猛、需求较为迫切的应用领域。

2.2.3

运用三维数字技术辅助城市规划编制

在规划编制领域，三维数字技术的应用仍然停留在表达规划设计成果阶段。

如何利用三维数字技术的特点，将其作为规划设计人员手中的“利器”，对传统技术方法中难以精确判定的复杂的城市空间问题进行分析，也逐步成为规划领域关注的焦点。

三维数字技术应用方法的日益成熟与现状模型覆盖范围的扩大，也使得在规划编制工作中广泛运用三维数字技术成为可能。

03、反思与缺憾——当前三维数字技术在城市规划工作中应用的不适应性

进入21世纪以来，全国各地建立“三维数字城市”（或三维数字地图）的势头愈演愈烈，各大中心城市纷纷投入巨资，提出了“三维数字城市”“三维虚拟城市”等各类建设目标。

从实施效果上看，由于三维数字技术的研究与应用不断取得突破，在创新城市规划编制与管理、项目策划等方面的确取得了很多可喜的成果。

但是，从“数字城市”的内涵来看，更多的是注重各类空间资源的标准化、统一化配置，应该结合行业具体的应用，使其成为社会公众以及各个行业实践工作的基础性信息平台。

目前我们建设完成的城市数字模型，只是城市空间信息的基础性载体，与“数字城市”的内涵和实质性内容尚有较大的差距，需要结合社会进步与信息流通渠道的不断优化，最终建立“数字城市”的目标。

在具体的工作实践中，城市规划涵盖了从城市功能布局到建筑内部空间的一系列宏观、中观及微观课题。

而三维数字模型的建设更多是从微观层面入手，在应对宏观及中观层面的诸多空间管控引导内容实施时，缺乏从宏观层面对城市空间形态进行整体协调的表达方式，难以解决更大尺度地域空间规划的系统性问题。

在城市规划工作中，运用三维数字技术辅助规划编制、规划成果审查、项目选址时的不适应性显得尤为突出。

那么，如何应对这些缺憾，以行之有效的技术手段辅助城市规划工作的开展，无疑是我们在运用三维数字技术来适应城市规划工作模式变革时需要解决的重点问题。

04、空间信息与属性信息的一体化管理——三维数字技术的关键

运用三维数字技术辅助城市规划工作的开展，较之先前的技术方法，在精确程度和技术先进性上都有巨大的飞跃。

武汉市自2007年全面启动三维数字地图建设以来，经过三年多的探索与实践，已经全面完成城市建成区约450k㎡范围的三维数字模型建设，包括建筑、道路、景观、山体、水面等全部城市空间要素以及地下管线等数据，城市空间信息的整体架构初具规模。

随着三维数据在城市规划中应用的逐步深入，在满足表达效果的基础上，其空间信息与属性信息的一体化管理成为应用与实践的关键点。

4.1 三维数据的特性

4.1.1

数据的多元性

城市规划与管理涉及地理要素和资源、环境、社会经济等多种类型的数据。这些数据在时相上是多相的，在结构上是多层次的，其性质大致包括“空间位置”与“属性”两部分。

规划工作不仅需要三维数据的空间位置，也需要三维数据的属性数据，两者之间是相互关联、相互依存的，缺一不可。

4.1.2

数据的多层次性

由于规划与管理信息的使用对象具有多层次性，不仅要满足规划编制人员、管理人员和公众查询的需要，还要考虑管理、评价分析和规划预测的不同需求，这对规划设计与管理信息处理提出了很高的要求。

4.1.3

数据的“现势性”

城市规划本身是一个对城市发展不断适应的过程，随着城市化进程的加快，城市规划也必然会加快其更新速度，以适应城市的加速发展。这些变化对三维数据提出了“实时更新”的要求，以确保信息良好的“现势性”。

4.2 三维数据规则

4.2.1

特征建模

由于三维模型本身的数据十分复杂，特征建模虽然在国际上出现了一段时间，但进展较慢，成为当前限制数据快速规范化并参与城市计算的主要瓶颈。

目前欧洲、新加坡有些团队开展了这方面的探索，但仅仅是从数据生产方式入手，距离可计算的真正实现，仍然有技术难点需要攻克。

4.2.2

动态光影渲染

游戏级的动态光影渲染带来了实时调整光源的技术可能，可以弥补建筑方案审查时光源固定、缺乏景深等缺陷，但对城市各级应用场景来说，其计算能力和表现效果仍有待进一步挖掘。

4.3 数据应用的智能化

从规划编制到规划实施，这个过程中产生了大量的数据，包括现状的和规划的，而在规划实施后，又有了新的现状数据，因而，如何对三维数据进行分类汇总，以便用户简单、明了地使用，将是三维数字技术应用研究的重要方向。

以美国及欧洲各国为代表的国际先进规划设计团队，在城市设计中植入量化计算方法，实时计算不同空间形态带来的天空分割比、碳排放、空间能耗、交通组织等量化结果，对城市设计方案予以推敲和把控。

这也是当前三维数字技术的发展方向之一，它对渲染效果的考虑较少，而注重空间轮廓，也是城市仿真实验室在数字化城市设计模块中正在探索的内容。

05、三维化GIS—三维数字技术应用的解决之道

武汉市三维数字地图的建设在满足表达效果的基础上，借鉴了传统二维GIS建设的理念与技术方法，不仅为规划编制与管理提供了一个更加直观的表达方式，而且通过一个切实有效的技术模式，达到创新规划工作技术方法的目的，使之真正成为规划管理的有利工具，成为规划编制、交通分析的利器，成为公众参与规划的窗口，成为“数字城市”的基础性信息载体。

1、在发展定位上侧重于三维空间信息与地物属性

的一体化管理。三维数字地图建设的主要任务是通过再现城市的真实场景，落实各级城市规划的功能布局和要求，进一步深入研究规划编制与管理的实践应用需求，在技术发展的同时，对更宏观层面的城市问题进行三维可视化分析，解决传统技术方法中难以解决的复杂的城市空间问题。

2、在实施策略上明确三维数字地图的建设重点，深化以建筑、环境为主体的三维数据的制作要求，在《城市三维建模技术规范》的基础上，结合城市规划工作的实践要求，提取规划工作的管控主体，明确制作要求，尤其是对属性信息的管理方法提出同步更新的要求和操作方式。

3、增加中观或宏观层面的三维制作指引，实现三维数据面向规划管理的目标。

切实有效地指导微观层面的城市规划编制工作，以3~5k㎡为基本单元（结合城市控规编制单元或主题功能区单元），将城市空间划分为若干单元，并对每个单元从用地、建设和形态上形成三维制作指引，重点表述一定区域内的指标管控，如建设强度的三维空间表达，以及红、绿、蓝、紫、黄“五线”对城市空间形态的控制。

4、以数字化城市设计为研究方向，对三维数字地图成果进行系统升级。

结合城市设计的管控内容，从Z轴方向研究制定三维模型的数据规则，逐步更新现有数据组成方式和生产技术环节，实现三维数字地图数据从可看到可计算的转型升级。

5、将三维数字地图作为城市计算的底图，成为城市级运算的Z 轴基础维度。

由于Z轴维度上的数据规则模糊，这个方向的量化计算仍然受到诸多限制。在未来，仍将是重点探索的方向之一。

我们认为，三维数字地图不是一成不变的建筑、树木、道路等城市空间地物，而是一种深度适宜且具有针对性的三维数字地图数据，相较于具体的一草一木，其具有更加灵活的应变能力，表达城市刚性的骨架空间的同时，也为更大尺度的规划编制与管理提供适当尺度的技术工具。这也是未来三维数字地图数据拓展行业应用的技术模式。

06、结语

武汉市三维数字地图的建设是全国第一批全面铺开并顺利建成的特大级城市空间信息工程，目前正处于全面应用与探索阶段。

在这一过程中，我们根据发展现势与实践需求，从模式、内容和深度上对三维数字地图的建设作了一些积极的探索和尝试。从增设的中观城市空间单元的三维制作导引和属性信息一体化管理两部分内容看，我们认为，当前三维数字技术在城市规划行业中的应用，正经历着“从效果到属性”“从细节到抽象”的转变，三维数字地图的技术规范也正经历着“从技术引导向规则化管理”的转变，要有不断的探索和创新，才能将三维数字技术落到实处，发挥最大的效能。部分图片选自公共网络，版权归原作者所有，如有异议可联系删除。

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