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1 引言

近年来，我国城市化进程日益提速。在城市人口增加的同时，基础设施需求逐年增长，土地资源的紧缺状况也日益加剧。传统的城市规划与设计，面临着一系列挑战性难题，且日益复杂。采用经典方法，难以满足现代社会对城市规划与设计精度、效率和科学性的要求。与此同时，在现代城市规划与设计中，地方政府作为实施主体，对空间信息的精准把握与全面分析需求愈发迫切。

面对上述问题，为了寻求可行的、创新化的解决方案，广大科研工作者与技术人员，付出了艰辛的努力。在人工智能时代的前沿科技课程中，三维成像技术的出现与发展，为城市规划与设计奠定了可靠的理论基础，提供着有效的技术支持。通过高精度数据采集、多源数据融合和智能化分析等手段，该项技术具备将现实世界精准数字化和三维化的能力；而实景三维技术能够生成详细的城市模型，为规划的蓝图与战略输送以科学依据为支撑的直观视觉支持[1]。这一学科的发展，为城市规划提供了明白晓畅的决策依据，助力其向智能化、标准化、精细化迈进，对提升城市规划与设计质量、推动城市可持续发展，具有举足轻重的意义。

本文结合“3D成像技术”课程所学知识，简要分析其在城市规划与设计中的应用案例，并在研讨案例的基础上，对该项技术提升城市规划水平的作用机制，总结优化其应用路径，为城市规划与设计提供参考。在前期调研中，通过搜集、遴选并研读国内外相关学术文献，作者熟悉了三维成像技术的理论基础与发展现状；随后根据典型的城市规划案例，简要分析三维成像技术的实际应用情况与工作成效，并在参照典型技术与设备参数的前提下，构建可解释的优化路径模型。

2 方法与技术

2.1 实景三维技术

实景三维（Real-scene 3D）是指利用测绘技术，通过收集和处理现实世界地理空间数据，将真实世界的物体和环境，以数字化和三维空间形式，完成实体建模和准确表达的过程[2]。这项技术在融合实景数据的基础上，运用实景三维模型的表达方式，生动形象地在数字环境中勾画城市模型，为科研人员后续分析、规划、设计和决策，提供便捷的技术与管理支持。

城市规划、环境监测、建筑设计、灾害应急管理等社会生活领域，涉及地理遥感和测绘工程等理工类学科，通常都具有社会科学交叉性质[2]。实景三维技术的应用范围十分广泛。例如，实景三维中国，代表国家重要的新型基础设施，展示了对现实中国的真实、立体、时序化反映；通过“人机兼容、物联感知、泛在服务”的工作理念，实现数字空间和现实空间的关联互通[2]。该技术采用数字化服务平台，支持当代智能化决策，可在计算机系统内实现封装，具备三维立体展示、精细精准量测、地理空间统计分析等功能。

2.2 三维GIS技术

传统二维地理信息系统（geographic information system，GIS）以地图加载功能为基础，基于采集与储存的平面地理分布数据，可做运算、分析和显示，实现管理和描述[1]。在二维GIS技术基础上，三维GIS技术不断发展更新，增加了高度维信息，能够更真实地模拟和表达现实世界；其数据来源广泛，包括地形图、遥感影像、激光雷达（LightLaser Detection and Ranging，LiDAR）等数据[2]。这些数据经过预处理后，可用于构建数字高程模型（digital elevation map，DEM）、数字表面模型（digital surface map，DSM）等。基于采集的数据，利用三维建模软件，构建城市的三维模型。上述模型可以包括建筑物、道路、水体、植被等多种要素[2]。

采用三维GIS技术，通过对多源空间数据的整合，可以实现对建筑物区域的视域和日照分析，并利用地形模型，帮助实地规划人员理解相应区域的地貌特征。因此，该技术不仅为城市规划与设计提供了丰富的空间分析工具，而且能够以三维可视化形式，实现并优化城市空间布局，在若干高级空间分析功能维度上，如城市评估居住环境、构建交通网络，以及模拟应急管理等，提供有效、可靠而直观的决策支持。

3 实景三维在城市规划中的实际应用

3.1 数据的采集与预处理

在城市规划与设计中，实景三维技术的应用，离不开高精度的数据采集与预处理过程，这为后续的规划与决策提供了重要的技术基础。

首先，采集实景三维数据，以倾斜摄影测量与地面激光扫描为核心技术。前者依靠无人机航载五镜头摄像机等设备，从四个倾斜角度与垂直方向，同步实现对影像数据的采集。后者采用激光雷达扫描仪，以非接触式测量的方式，从局部区域中获取高清的三维坐标点云数据。这些数据分辨率较高，精度符合城市规划的预期要求，能够全面而客观地反映城市概貌与典型目标。

其次，原始数据占据空间庞大且内容复杂，不仅需要通过数据清洗、去噪、配准和坐标转换等步骤，实现严格的预处理，还需要进行适当的限失真压缩，才能确保数据的一致性和准确性[2]。因此，为了精准地获取城市的三维空间数据，如地形地貌、绿化区域、建筑物标识与主干交通网络等，应当综合运用北斗定位、高分辨率卫星遥感、激光雷达（LiDAR）、无人机航拍与地面移动测量系统等多种高科技手段。

常见的几种数据采集技术或设备，以及对应的技术参数，如表1所示[3]。随着数据分辨率的像素值增多，测量范围逐渐缩小，测量精度也随之上升，分别对应广域地理信息向到局域数据采集等应用场景。

表 1 不同技术与设备的量化指标

Table 1 Quantitative indices of various techniques and devices

3.2 实景三维模型的构建与优化

实景三维模型的构建，代表实景三维技术中的核心环节，它将采集到的地理空间数据，转换为可视化的三维数字模型。该构建过程主要分为三步，现简述如下[4]：

（1）将激光雷达（LiDAR）点云数据、摄影测量影像等多源数据进行融合。通过数据处理软件，将这些数据进行匹配和配准，生成初步的三维点云模型。

（2）应用三角网格生成算法，将三维点云数据，转换为具备几何形态的多边形网格模型，从而精确描述地形、建筑物、道路等物体的三维结构。为实现该过程，可调用纹理映射技术，将高分辨率影像贴合到网格表面，增强模型的视觉真实感。

（3）模型构建后，优化的过程不可或缺，主要包括简化网格、去除冗余点、平滑表面和提高模型的渲染效率等步骤。

经过上述构建过程，可初步生成实景三维模型。由于影像噪声和冗余信息的影响，为保证后续的应用效果，需要设计相应的优化过程。例如，通过网格简化算法，可以在几何测算中减少多边形数量；以容许少量的模型精度失真为代价，显著提高模型的运算效率。此外，完善实景三维模型时，通常还包括对扫描模型的贴图修复、合理选择纹理库、添加虚拟光源与渲染输出等光照调整，确保该模型在各种设备和平台上的兼容性优化，在细节、性能与交互上，最大限度地展示最佳状态。

最终，输出的实景三维模型经过合理构建与一系列后处理，不仅改善了视觉效果，而且高效而准确地实现了空间数据的采集、存储和传输，贴近城市规划、建筑设计等领域，适应智能化管理的实际需求。

实景三维模型构建与优化的主要工具与技术，根据数据处理时间进行升序排列，如表2所示[3]。

表 2 实景三维模型构建与优化的主要工具与技术

Table 2 Keynote tools and techniques on construction and optimization of real-scene 3D models

3.3 实景三维模型的分析与应用

对实景三维模型开展恰当的客观分析，并合理安排其应用，既与模型在实际场景中的价值和效果直接关联，同时又构成实景三维技术的另一重要组成部分[4]。现代城市规划与设计，离不开各种空间分析，而实景三维模型，为之提供了直观的表示方法。例如，根据建筑物对周围环境的遮挡，评估各种影响，通常可通过视域分析来实现，确定建筑物布局和最佳高度；而为了更有效地利用能源，并优化建筑物的设计，可借助日照分析，对不同时间段、不同季节光照情况，实现时间序列的模拟[4]。此外，对构建的实景三维模型，根据不同类型的城市做合理调配，在工程领域，可为城市防灾减灾提供科学依据；在技术研究领域，面向洪水模拟、风环境分析以及噪声传播分析等科研课题，同样具备拓展空间与迁移运用的潜在价值。

与此同时，实景三维模型在应用层面，不仅在城市规划阶段提供可行的蓝本，在实际设计阶段，也能通过投标和竞聘等方式，用于项目展示、商务沟通和城际合作。例如，在计算机工程领域，虚拟现实（virtual reality，VR）和增强现实（augmented reality，AR）与三维仿真技术等测试平台，将实景三维模型以缩微形式部署于数字空间，通过沉浸式体验，增强其方案的直观性和可理解性，引领规划者、设计师和社会公众等因地制宜地做出选择[5]。

城市规划分析内容中应用的具体参数，参照对应的标准值和允许值上下限，升序排列后如表3所示[3]。

表 3 城市规划分析应用的具体参数

Table 3 Specific parameters of analysis and applications on urban planning

3.4 规划实施与反馈调整

在城市规划的实施阶段，实景三维模型和实景三维技术，扮演了至关重要的角色。

首先，通过立体化直观展示和精确实验仿真，实事求是地表达规划方案，可以帮助确保规划的有效执行。实景三维模型能够模拟建筑物、道路、绿地等在现实中的具体布局，为后续的现场施工提供较为翔实的参考，减少施工过程中的偏差和错误。

其次，针对部署好的城市规划方案，在持续实施一段时间后，需要进行反馈调整。这是一个持续优化的过程，通过实景三维模型，实地评估、检测建设效果，确保最终的设计成果，与规划目标相符合。倘若在实施过程中暴露出缺陷点，如产生交通拥堵、污染源集中、空间利用率不足等问题，或是发现与预期不符的情况，此时必须对先前方案，重新做评估、分析和调整。该类模型可作为此阶段的可解释性工具[1]。

最后，假设采纳不同的方案并加以推演，决策者可以对调整后的效果实现合理预判，并且对最优方案，择机选择并加以实施。无论是增加绿化面积、调整道路网络，还是优化建筑布局，都能在实景三维模型中进行详细的模拟和评估。结合城市实际状况，客观地反馈调整机制，不但有助于在实施阶段纠正偏差，而且还能持续优化城市空间布局，在长远阶段对城市的系统化管理中，促进其可持续发展。

简言之，实景三维模型从设计到实施，再到长期管理，确保了规划方案的科学性、合理性和灵活性。该模型为建设现代化、智能化的城市提供了强有力的技术支撑；而规划实施与反馈调整的有机结合，也成了实践领域的一种重要工具，贯穿城市规划与设计的全生命周期，可在现代城市治理中彰显其价值。

规划实施与反馈调整阶段的相关参数与对应的标准值，如表4所示[3]。

表 4 规划实施与反馈调整阶段的相关参数

Table 4 Relevant parameters on the stages of planning implementation and feedback adjustment

3.5 优化路径

3.5.1 数据采集与管理的优化

在城市规划与设计中采纳实景三维模型，为了提升规划精度和效率，必须优化数据采集与管理的流程，其关键路径，可分为以下三步。首先，在采集数据时，综合运用高端数据处理技术，获取更全面和精确的三维地理信息。其次，充分利用多源数据融合技术，既能克服单一数据源的缺陷，又能提高数据分辨率，提升其覆盖率。最后，通过智能感知技术，在三维数据采集过程中减少人工干预，可以优化采集效率，保证模型数据的一致性。

3.5.2 模型构建与渲染的优化

在实景三维模型的构建与渲染过程中，优化路径主要集中在提高模型的精度和渲染效率上，从而满足复杂场景下的应用需求。

在构建实景模型时，首先需要对三维目标实现准确表达。典型的算法，主要包括自适应网格细化、点云滤波和多分辨率重建[6]。上述方法中，自适应网格细化算法，根据模型的复杂程度，动态调整网格密度，简化处理次要区域，既能大幅降低计算量，又对重要区域保留高分辨率特征。同时，采用点云滤波技术，可以有效滤除噪声，剔除冗余点，从而提高模型的清晰度和准确性。多分辨率重建，则应在三维场景表示、生成立体可视化模型与稀疏视图重建的基础上，考虑平面轮廓的对应连接、拼接与分支等一系列问题[7]。

在渲染优化方面，关键在于提高渲染速度和效果，尤其是在处理大规模城市模型时。采用渐进式渲染、视点相关的细节层次（levels of detail，LOD）技术，可以根据视距来动态调整渲染的精细度，降低计算资源的消耗[6]。此外，基于GPU的并行计算技术和光线追踪算法的优化，也能显著提升渲染速度和图像质量。通过这些优化手段，渲染系统可以在保证高清晰度3D场景的同时，实现实时渲染，满足互动式城市规划和虚拟现实应用的需求。

4 三维GIS在城市规划中的实际应用

在城市规划中，与实景三维技术相比，三维GIS同样具有举足轻重的地位，现从场景构建、景观视域分析、三维地形、建筑布局与虚拟环境等维度上，分别作简要阐述。

4.1 场景构建

三维GIS的场景构建，通常需要经过一系列步骤。现以某市规划区为案例，简要概括如下[6]。

首先，通过扫描、拼接和裁剪城市地形图，生成地形栅格图。在专业地理信息软件ArcGIS的支持下，对等高线矢量化，并输入高程值，建立数字高程模型（digital elevation map，DEM），进而获取其坡度图和坡向图。DEM的构建，为后续三维景观模拟和分析，奠定坚实基础，同时也提供了精确的地形数据支持。

其次，针对遥感影像，利用Landsat 5专用制图仪（thematic mapper，TM），进行几何变换与校正等预处理；将生成模型与空间地理坐标相匹配后，叠加至DEM，形成三维数字地形模型。这一过程将地形数据与遥感影像有机结合，丰富了模型的信息维度，对城市的地形地貌，生成更为直观全面的可视化输出。

最后，利用专业化的三维建模、动画与渲染软件3DMAX，完成景观建模过程，并且将模型导入ArcGIS的多面体（Multi-Patch）模块，同时与三维数字地形融合，构建待规划区域的虚拟三维环境。

至此，虚拟三维环境的建立，实现了对规划区的直观、立体化展示，为后续的景观分析和规划决策提供了沉浸式的场景支持。

4.2 景观视域分析

常规化的景观视域分析，基于ArcGIS的三维分析（3D Analyst）模块，选取关键观测点，以三维地形表面的不规则三角网络（triangulated irregular networks，TIN）或规则的方形网格Grid为基础，建立点图层，计算每个栅格被观察到的次数，从而确定可视范围面积[6]。采纳这种分析方法，能够精准地反映观察点与目标景观之间的遮挡和视线通透状况。

在景观视域分析的典型案例中，通过视域分析，不难发现某些区域，存在视线遮挡问题，影响景观的通透性和观赏性。通过对建筑布局和高度的合理调整，可以优化景观的空间组织，提升景观的整体品质和视觉效果。此外，还可以对区域景观空间类型做出判断，分辨出开敞空间与闭合空间的差异性。

4.3 三维地形与建筑布局分析

借助ArcGIS的空间分析（spatial analyst，SA）模块，类似地以DEM为基础，可以实现对三维地形与建筑布局的分析。该分析通常分为三方面内容[8]。首先，提取规划区的坡度和坡向数据，在完成重新分类和统计分析的前提下，生成坡度图与坡向图。其次，详细统计规划区的各级坡度和坡向的面积，为三维景观的科学规划，提供全面的地形信息。最后，根据坡度分析结果，建立规划适宜性分级体系，从土地利用、建筑形态、活动类型、道路设施和水土保持五个维度上，完成对该体系的表达，并与坡度等级逐一对应[8]。

基于坡度的适宜性分级，如表5所示[8]。对照不同坡度的适宜性表征，可知对于0°～5°的平地区域，适宜进行各种大规模建设；对于25°以上的陡坡区域，则应严格限制建设活动，防止水土流失和地质灾害；而在5°～25°之间的坡度区域，应具体问题具体分析，结合适宜的建筑形态与活动类型，完善对应的道路设施。

为实现建筑的合理布局，可在三维图形表达工具ArcScene构建的虚拟三维环境中，从多区域、多角度观察景观建筑的空间位置关系，分析其合理性；针对不同区域特点，提出相应的规划优化建议。通常对于商业区，应当强调绿化建设，减少建筑物比例，提高道路分级水平，疏导交通拥堵，并增强空间通透性；而对于住宅区，则需要在适当加大建筑景观构建的同时，注重建筑风格、体量和色调，实现与周围环境的协调统一，从而提升整体景观效果和居住品质[5]。

表 5 基于坡度的适宜性分级

Table 5 Suitability levels on the foundations of falling gradient

4.4 三维虚拟环境动态分析

三维虚拟环境的动态分析，同样可以通过ArcScene来实现。首先应选取合适路径，实现虚拟三维环境的空间漫游。动态漫游突破了传统定点观测的局限，以连续的视线转移，真实地感受三维虚拟环境的魅力，能够全方位、多视角地审视规划区的景观规划，对景观建筑的大小、高度、色调、材质等方面，进行动态观察，确保其与周围景观的协调性。

以广西省防城港市某样本规划区为案例，其对应生成的虚拟三维环境，如图1所示[8]。

图 1 样本规划区域的三维虚拟环境

Figure 1 3D virtual environment of a sample planning region

此外，动态漫游生成的视频文件，可通过.mp4和.avi等格式输出，适用于可视化实现。这种动态展示方式，可进阶凸显规划方案的优缺点，便于决策者和专家后续评估和审核，提升决策的科学性与准确性[8]。

5 结论与展望

总体而言，在城市规划与设计中，迁移、拓展应用三维成像技术，不仅意义非凡，而且任重而道远。规划师在取代传统城市规划方式和手段的同时，也为城市建设者提供了一种全新、直观而科学的决策支持工具。相关技术人员应当在深刻理解三维成像理论的基础上，密切联系城市规划与设计的实际需求，构建出高度智能化、精细化的城市管理体系，有效推动城市规划的现代化转型，逐步实现从经验型向科学型、从粗放型向集约型、从静态型向动态型的华丽转变。

在日常社会生活领域，实景三维技术的应用案例层出不穷。凭借高精度的数据采集、逼真的三维模型构建，以及丰富的空间分析功能，该技术有力地支持了城市规划的全生命周期管理。从制定规划方案，到实施实景监测，再到阶段性的反馈调整，全方位提升了城市规划的科学性和合理性；而三维GIS技术，则凭借其强大的地理空间数据处理和分析能力，实现对城市景观要素的精准分析和优化布局，为现代城市的模型规划与实体设计，提供了全面、系统、定量化的信息支持。

然而，当代学者需要清醒地认识到，三维成像技术，处于持续更新发展的进程中；在城市规划领域的应用成果，始终来源于业界的共同探索；所制定的设计方案，也需要不断地调整、更新和完善。目前具有代表性的问题，包括数据采集成本较高，数据处理效率不达标，多技术融合的复杂性强，模型精度与性能之间的不平衡因素较多等。面对上述这些问题，业界的研究学者和广大科技工作人员，需要持续投入研究精力，通过模型创新、算法改进与跨学科合作等方式，不断深化科学认知，优化系统架构，丰富设计功能，攻克技术瓶颈，解决科技进步与社会发展带来的新问题，坦然面对理论研究与实践领域的每一项挑战[9]。

伴随人工智能、物联网、大数据等科学技术的飞速发展，未来世界中，三维成像技术与智能图像处理、机器视觉与嵌入式系统等前沿学科的结合也愈发紧密。它将更加深入地渗透到现代城市管理的每一个环节，成为智慧城市建设的核心驱动力之一。届时，专业视角下的城市规划与设计，将结合城市级实景三维技术，更加科学地引导城市建设，更为精准地回应社会需求，践行可持续发展的社会责任理念，为打造既宜居又宜业的现代化城市，提供坚实的技术保障[10]。在深度融合各项高新技术的历史背景下，三维成像技术必将推动人类城市文明，迈向新的高度；同时在城市规划与设计领域，绽放出熠熠夺目的壮观景象。

参考文献

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[2] 张崇辉．高分辨率星载SAR层析成像及城市场景三维重构方法研究［D］．北京建筑大学，2024.

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[4] 杨密．实景三维在自然资源管理中的应用探析［J］．中国土地，2022（8）：53-54.

[5] 李大超．利用三维仿真技术辅助城市规划决策［J］．城市勘测，2011（4）：40-42.

[6] 许冰．三维GIS在城市小区规划设计中的应用研究［J］．价值工程，2015，34（33）：183-186.

[7] 章毓晋．3D计算机视觉原理、算法及应用［M］．北京：电子工业出版社，2021：220-221.

[8] 袁飞，赵鹏祥，杨延证．三维GIS技术在城市景观规划设计中的应用［J］．北方园艺，2012（14）：92-95.

[9] 陈军，刘建军，田海波．实景三维中国建设的基本定位与技术路径［J］．武汉大学学报·信息科学版，2022，47（10）：1568-1575.

[10] 徐丹丹．实景三维场景模型建设和融合方法应用［J］．无线互联科技，2025（6）：25-28.