袁金錦 趙 雷

（山東省地質(zhì)測繪院，山東 濟(jì)南 250003）

0.引言

城市規(guī)劃起源于工業(yè)革命。工業(yè)革命使人類的居住形式發(fā)生了改變，隨著大量工業(yè)區(qū)的落地和城市生產(chǎn)力的進(jìn)步，城市對勞動力的需求日益旺盛，勞動力逐漸向城市集中，使傳統(tǒng)的農(nóng)村居住方式開始向以城鎮(zhèn)為主的居住方式轉(zhuǎn)變。隨著城市規(guī)模、城市數(shù)量、城市人口急劇增長，已有城市基礎(chǔ)設(shè)施無法滿足需求，配套土地、住宅和物資供應(yīng)短缺，生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化。同時(shí)，由于城市原有交通無法滿足生產(chǎn)和生活需求，導(dǎo)致生活區(qū)和生產(chǎn)區(qū)混雜，建筑物采光、通風(fēng)等條件差，垃圾轉(zhuǎn)運(yùn)站、公共廁所、排水系統(tǒng)跟不上生產(chǎn)和生活需要，解決城市規(guī)劃問題成為城市管理者的首要任務(wù)。在世界范圍內(nèi)，由于城市空間規(guī)劃不合理導(dǎo)致一系列城市病，包括住房缺乏、能源供應(yīng)緊張、交通堵塞、供水不足、生態(tài)環(huán)境污染、秩序混亂等。城市病主要表現(xiàn)在：盲目城市擴(kuò)張，永久耕地越來越少、湖泊水域逐漸退化；城鎮(zhèn)開發(fā)邊界外的土地不斷被侵占；城市道路、供水、供電等基礎(chǔ)設(shè)施愈發(fā)不足；城市中的自然保護(hù)區(qū)、歷史文化名城、古樹名木被破壞；城市中的各種違法犯罪事件越來越多。這些問題使城市建設(shè)、城市管理和運(yùn)行發(fā)生混亂，人民的生活、生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境惡性循環(huán)，導(dǎo)致資源浪費(fèi)，一定程度上限制了城市的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

20世紀(jì)80年代，發(fā)達(dá)國家首次在城市空間規(guī)劃中采用GIS技術(shù)，以滿足政府在空間規(guī)劃領(lǐng)域的信息化和智能化需求，解決“多規(guī)沖突”下的城市空間管制矛盾[1]。美國環(huán)境系統(tǒng)研究所公司（簡稱“ESRI公司”），美國Intergraph、Skyline等地理信息技術(shù)廠商將GIS技術(shù)應(yīng)用于城市空間規(guī)劃領(lǐng)域，如，建筑物地名地址查詢、緩沖區(qū)規(guī)劃分析、商業(yè)規(guī)劃選址分析、日照規(guī)劃分析、建筑物規(guī)劃控高分析等，取得了良好的效果。

20世紀(jì)90年代開始，隨著地理信息軟件的全球化，發(fā)展中國家也開始采用GIS軟件開展城市空間規(guī)劃研究和應(yīng)用，代表性的公司有武大吉奧信息技術(shù)有限公司、武漢中地?cái)?shù)碼公司、北京超圖公司，它們分別推出了GeoStar、MapGIS、SuperMap等系列軟件。各級政府自然資源和規(guī)劃部門采用這些平臺以及相應(yīng)的解決方案來解決城市空間規(guī)劃中面臨的信息化問題，如，在城市空間規(guī)劃中，通過GIS技術(shù)可以管理海量的時(shí)空數(shù)據(jù)，對多種表現(xiàn)形式的空間數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)和更新，并實(shí)現(xiàn)對空間信息的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析，對城市規(guī)劃空間提供數(shù)據(jù)支撐（如，通過GIS可用定性和定量的方式來劃定“三區(qū)三線”）。通過GIS技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)地理空間數(shù)據(jù)與人口、經(jīng)濟(jì)、地名地址等要素相互關(guān)聯(lián)，如，通過GIS技術(shù)可以分析城市內(nèi)部各功能區(qū)的相互聯(lián)系，了解城市人口分布情況和經(jīng)濟(jì)發(fā)展情況，優(yōu)化商場、超市、地鐵站點(diǎn)等基礎(chǔ)設(shè)施的選址方案。

1.GIS概述

GIS技術(shù)起源于20世紀(jì)60年代的加拿大，最初是用于土地和軍事制圖等目的，隨著UNIX操作系統(tǒng)的發(fā)展和Windows操作系統(tǒng)的誕生，地理信息技術(shù)在美國持續(xù)發(fā)展，誕生了諸如ESRI和Intergraph等一流的商業(yè)地理信息軟件供應(yīng)商。

地理信息技術(shù)是城鄉(xiāng)規(guī)劃和土地管理中不可或缺的關(guān)鍵性技術(shù)之一[2]，是綜合利用地理信息數(shù)據(jù)（包括空間定位數(shù)據(jù)、圖形數(shù)據(jù)、遙感圖像數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)）形成數(shù)據(jù)底座，利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和交互式計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等技術(shù)搭建的基于二維、三維地圖的軟件平臺?；谠撈脚_開展地理信息數(shù)據(jù)處理、空間數(shù)據(jù)編輯、地理信息數(shù)據(jù)可視化、空間數(shù)據(jù)查詢、空間分析等一系列操作，可滿足不同行業(yè)用戶需求。隨著計(jì)算機(jī)硬件、操作系統(tǒng)的發(fā)展，以及大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)的涌現(xiàn)，地理信息技術(shù)從桌面組件式GIS向分布式跨平臺GIS、時(shí)空大數(shù)據(jù)+云GIS不斷進(jìn)化和發(fā)展，從傳統(tǒng)二維GIS向三維GIS跨越，形成二維、三維一體化GIS技術(shù)體系[3]。

2.基于GIS的城市空間規(guī)劃技術(shù)架構(gòu)

基于地理信息GIS技術(shù)的城市空間規(guī)劃技術(shù)架構(gòu)包含數(shù)據(jù)層、平臺層、應(yīng)用層、展示層如圖1所示。

圖1基于GIS的城市空間規(guī)劃技術(shù)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)層：包含城市空間規(guī)劃相關(guān)的空間數(shù)，含GIS數(shù)據(jù)（遙感影像、地形圖、數(shù)字高程模型、傾斜攝影、MAX手工精細(xì)模型等）、BIM數(shù)據(jù)、IOT數(shù)據(jù)、規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等。

平臺層：從數(shù)據(jù)層獲取空間規(guī)劃相關(guān)源數(shù)據(jù)，提供GIS可視化、查詢、空間分析等服務(wù)，為城市空間規(guī)劃上層業(yè)務(wù)提供支撐。

應(yīng)用層：提供了規(guī)劃方案可視化，二維、三維一體化呈現(xiàn)，規(guī)劃查詢，空間分析等功能，為城市空間規(guī)劃提供通用的業(yè)務(wù)支撐。

展示層：應(yīng)用層的相關(guān)查詢、分析、統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將通過展示層的PC端或者移動端向用戶進(jìn)行呈現(xiàn)，最終輔助政府決策者開展規(guī)劃方案制定、修改、更新等工作。

3.GIS技術(shù)在城市空間規(guī)劃中的應(yīng)用方向

GIS技術(shù)在城市空間規(guī)劃中的應(yīng)用很廣泛，通過GIS技術(shù)可為城市空間規(guī)劃提供規(guī)劃選址、地塊壓平、規(guī)劃方案比對、規(guī)劃全生命周期模擬、規(guī)劃高度分析、控規(guī)盒子分析、拆遷量分析、沿街立面分析、日照分析等應(yīng)用。

3.1 選址規(guī)劃

通過GIS緩沖區(qū)分析實(shí)現(xiàn)對服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施（如，商超、學(xué)校、醫(yī)院等）能觸達(dá)的服務(wù)半徑和功能性建筑（如，住宅區(qū)）選址提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，從而為空間規(guī)劃選址提供科學(xué)而智能的輔助決策。

作為GIS系統(tǒng)重要的空間分析功能之一，緩沖區(qū)分析可以實(shí)現(xiàn)對選定的位置或者區(qū)域進(jìn)行緩沖區(qū)半徑繪制，從而分析該半徑所覆蓋的地物。以用戶選擇的實(shí)體（點(diǎn)、線、面）為基礎(chǔ)，構(gòu)建該實(shí)體周圍指定長度范圍內(nèi)的緩沖區(qū)多邊形圖層，然后通過源圖層與結(jié)果圖層的疊加分析，從而計(jì)算覆蓋的區(qū)域范圍。基于面狀要素的緩沖區(qū)分析結(jié)果，是向外延伸一定距離生成的多邊形所包含的范圍；基于線狀要素的緩沖區(qū)分析結(jié)果，是以選定的線為主軸線，距該軸線一定距離的帶狀多邊形所包含的范圍；基于點(diǎn)位的緩沖區(qū)分析結(jié)果，是以選定的位置點(diǎn)為中心，以一定長度為半徑的圓所包含的范圍。

3.2 地塊壓平分析

對規(guī)劃建筑地塊范圍內(nèi)的三維精細(xì)模型進(jìn)行壓平，并在壓平的位置添加新的三維空間規(guī)劃方案，從而實(shí)現(xiàn)在同一場景下快速更新可視化場景的目的。

根據(jù)用戶在三維場景中繪制的多邊形范圍，與三維精細(xì)模型圖層進(jìn)行空間相交，自動對區(qū)域內(nèi)的不規(guī)則三角網(wǎng)進(jìn)行分析并實(shí)時(shí)修改頂點(diǎn)的高程值，使區(qū)域內(nèi)的模型壓平為一個(gè)平面。該操作不會對原始數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

首先需要指定壓平區(qū)域的高度，然后在三維場景中按照矩形區(qū)域、任意多邊形區(qū)域等多種方式繪制多邊形，繪制完成后壓平效果實(shí)時(shí)顯示，并在三維場景中顯示多邊形范圍，可通過壓平列表對各區(qū)域進(jìn)行快速定位。

3.3 規(guī)劃多方案對比分析

對后臺的項(xiàng)目列表進(jìn)行清單列表顯示，并允許對選中的某個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行具體的規(guī)劃多方案對比分析。實(shí)現(xiàn)多窗口實(shí)時(shí)比對同一地塊的多個(gè)建設(shè)方案。支持多方案的同時(shí)觀看和自動旋轉(zhuǎn)瀏覽查看。

通常在頁面中設(shè)置兩個(gè)div，分別用來顯示兩個(gè)三維地球viewer1、viewer2，在div上設(shè)置監(jiān)聽事件，用來區(qū)分當(dāng)前鼠標(biāo)的操作區(qū)域。然后給兩個(gè)viewer添加鼠標(biāo)事件，當(dāng)拖動viewer1的時(shí)候把相關(guān)參數(shù)傳遞給viewer2；反之亦然，即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)球體的分屏聯(lián)動效果。系統(tǒng)根據(jù)用戶選擇的建設(shè)方案，從后臺讀取項(xiàng)目范圍和方案服務(wù)地址，實(shí)現(xiàn)實(shí)景模型的壓平和建設(shè)方案的加載。

通過多方案對比分析功能，選擇需要對比的兩個(gè)方案，系統(tǒng)自動將窗口分屏并分別加載不同方案，兩個(gè)窗口可互相聯(lián)動并支持自動旋轉(zhuǎn)瀏覽。

3.4 規(guī)劃生命周期模擬分析

實(shí)現(xiàn)建筑工程項(xiàng)目的全流程三維化管理，包括規(guī)劃建筑方案階段、建筑物施工階段、建筑物竣工驗(yàn)收階段。將建筑工程項(xiàng)目各個(gè)階段的動態(tài)變化用三維模型的方式進(jìn)行表達(dá)和呈現(xiàn)。

3.5 規(guī)劃高度分析

實(shí)現(xiàn)根據(jù)建筑物層數(shù)和建筑物地上高度信息，對建筑物分層設(shè)色渲染，達(dá)到對高層建筑統(tǒng)計(jì)和高亮顯示的功能。

通過GIS技術(shù)加載三維建筑模型數(shù)據(jù)時(shí)，首先獲取建筑物的層數(shù)，再根據(jù)GIS系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的參數(shù)確定對應(yīng)層的顏色，最后將相應(yīng)的顏色分配到建筑物的紋理中。

3.6 控規(guī)盒子分析

實(shí)現(xiàn)根據(jù)容積率、控規(guī)限高等相關(guān)指標(biāo)，對地塊進(jìn)行三維空間的抬升，以立體空間的方式呈現(xiàn)地塊的屬性。

結(jié)合已有或自定義的多邊形，疊加控規(guī)矢量數(shù)據(jù)，檢索區(qū)域內(nèi)的全部地塊，并以容積率或限高等指標(biāo)為縱向上的高度參考，對每個(gè)地塊垂直向上拉高構(gòu)建三維白模。

根據(jù)建筑物控高屬性將相關(guān)地塊拉伸成為三維體塊模型，實(shí)現(xiàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)以三維方式進(jìn)行呈現(xiàn)，并基于帶有高度屬性字段的規(guī)劃數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)地塊屬性查詢。也可以添加其他三維模型圖層進(jìn)行疊加，充分發(fā)揮基于GIS的控規(guī)在二維和三維層次上的綜合控制性作用。

3.7 拆遷量分析

按緩沖區(qū)半徑或自定義多邊形，對設(shè)定區(qū)域內(nèi)的待拆遷基礎(chǔ)設(shè)施（建筑物等）進(jìn)行量算和分析并進(jìn)行結(jié)果呈現(xiàn)。

根據(jù)在三維GIS平臺中預(yù)定義的多邊形，與居民地圖層進(jìn)行空間相交分析，最終列出查詢結(jié)果，并在列表中呈現(xiàn)查詢結(jié)果，同時(shí)可對占地面積、建筑面積、建筑物數(shù)量等相關(guān)屬性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

3.8 沿街立面分析

根據(jù)觀測點(diǎn)，利用GIS技術(shù)生成當(dāng)前場景視窗中沿街的立面并進(jìn)行呈現(xiàn)。

按照用戶自定義的多段線，采用GIS空間相交分析算法與建筑物求交，沿建筑物外輪廓繪制剖面線并顯示在三維場景中。在三維場景中沿街繪制一條多段線，自動對沿街建筑立面進(jìn)行分析并生成剖面圖。

3.9 日照分析

利用3D GIS技術(shù)，根據(jù)預(yù)定義的時(shí)間計(jì)算日照的影響范圍并對結(jié)果進(jìn)行模擬和顯示。

根據(jù)所在區(qū)域的經(jīng)緯度范圍，計(jì)算該區(qū)域在某個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)能被太陽光照射到的時(shí)長。同時(shí)根據(jù)設(shè)置的采樣距離、最大和最小高度、采樣頻率，計(jì)算出所在區(qū)域內(nèi)的采光結(jié)果，采光值表示該位置日照時(shí)間占開始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間的百分比。

4.GIS技術(shù)在城市空間規(guī)劃中的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用難點(diǎn)

4.1 二維、三維空間規(guī)劃數(shù)據(jù)的融合技術(shù)

城市規(guī)劃所涉及的地理信息數(shù)據(jù)、BIM模型數(shù)據(jù)格式繁多、標(biāo)準(zhǔn)多樣化，給GIS技術(shù)的應(yīng)用帶來了困難。為此，需要對城市空間規(guī)劃中所涉及的地上和地下數(shù)據(jù)、室內(nèi)和室外二維、三維數(shù)據(jù)（含2D/3D GIS、BIM模型等數(shù)據(jù)）進(jìn)行融合處理，給多套數(shù)據(jù)賦予一套編碼體系、一套語義。

其中，二維數(shù)據(jù)主要是大場景的全域數(shù)字化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)、空間規(guī)劃數(shù)據(jù)，小場景的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測感知數(shù)據(jù)。全域數(shù)字化現(xiàn)狀數(shù)據(jù)包含地理實(shí)體、地名/地址、電子地圖（底圖）數(shù)據(jù)，空間規(guī)劃主要包含總體規(guī)劃、詳細(xì)規(guī)劃和專項(xiàng)規(guī)劃以及歷史規(guī)劃數(shù)據(jù)，通常以GIS/CAD和時(shí)序數(shù)據(jù)格式存在，是城市空間規(guī)劃GIS系統(tǒng)中常見數(shù)據(jù)源。

三維數(shù)據(jù)主要是針對示范區(qū)域的傾斜攝影、激光點(diǎn)云等三維模型等數(shù)據(jù)，常見格式有MAX、FBX、3ds、OSGB、OBJ等，也是城市空間規(guī)劃GIS系統(tǒng)中的主要數(shù)據(jù)源。

BIM數(shù)據(jù)主要是圍繞城市“規(guī)、設(shè)、建、管”領(lǐng)域涉及的數(shù)據(jù)，主要包括局部區(qū)域（如，城市CBD）中小場景的城市設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（如，局部景觀設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、市政設(shè)計(jì)等）和建設(shè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)（主要是詳細(xì)設(shè)計(jì)圖BIM成果，施工圖BIM成果和驗(yàn)收BIM成果），對應(yīng)BIM五級LOD分別適用于規(guī)劃、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營等應(yīng)用場景，要兼容常見的Revit、Sketchup、Tekla、InfraWorks等數(shù)據(jù)格式。這些數(shù)據(jù)都是城市空間規(guī)劃GIS系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)源。

4.2 三維空間規(guī)劃可視化技術(shù)

三維可視化技術(shù)需提供跨平臺、跨終端、跨瀏覽器的三維可視化能力，基于WebGL的BIM模型輕量化技術(shù)搭建面向城市空間規(guī)劃的三維可視化引擎[4]，能提供空間查詢、空間量測、空間剖切、空間定位、屬性瀏覽等功能，以滿足用戶在空間規(guī)劃方案定制、空間方案對比、方案編輯和優(yōu)化等方面的需求。

三維可視化引擎需具備海量城市空間規(guī)劃二維、三維數(shù)據(jù)流暢加載、3D視圖呈現(xiàn)和漫游、高逼真場景物理渲染能力。隨著三維場景內(nèi)容不斷增加，三維模型的數(shù)據(jù)量也將越來越大，如，城市級3D場景。三維可視化渲染表達(dá)需要在保障海量三維場景可視化效果的同時(shí)具備最佳的性能。以高性能高效率為前提，為了降低針對系統(tǒng)內(nèi)存的讀寫，減少對PC端和移動端設(shè)備運(yùn)行溫度的影響，降低對硬件資源的消耗，通常運(yùn)用WebGL等技術(shù)框架。同時(shí)，需具備LOD技術(shù)，按照多級標(biāo)準(zhǔn)劃分模型層次，并進(jìn)行模型貼圖預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)三維模型外觀顯示完整、宏觀和微觀三維場景高效無縫切換。

5.結(jié)束語

運(yùn)用地理信息（GIS）技術(shù)，可以為城市空間規(guī)劃的全過程和全生命周期提供基礎(chǔ)，為城市空間規(guī)劃相關(guān)應(yīng)用提供“可視化、三維化、動態(tài)化”的基礎(chǔ)底座和技術(shù)支撐。為了讓GIS技術(shù)進(jìn)一步服務(wù)好未來的城市空間規(guī)劃工作，需要解決一系列問題，如，高分辨率的城市級實(shí)景三維數(shù)據(jù)覆蓋范圍有限、缺少國土空間基礎(chǔ)信息平臺和城市信息模型CIM平臺的支撐、基于GIS的城市規(guī)劃與城市建設(shè)運(yùn)行未有效銜接、GIS平臺的海量數(shù)據(jù)承載能力不足等。為此，需要政府規(guī)劃部門、GIS企業(yè)、高?？蒲袡C(jī)構(gòu)共同參與，加強(qiáng)技術(shù)攻關(guān)。只有充分解決以上問題，才能進(jìn)一步提升城市空間規(guī)劃的合理性和科學(xué)性[5]，從而推動城市空間規(guī)劃高質(zhì)量發(fā)展。