地理設計系統框架研究及實踐

薛梅，何興富，邱月

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

地理設計是將設計方案的形成和地理環境影響因素模擬緊密結合在一起的規劃設計方法［1］，通過將地理環境展示、模擬、分析功能帶入城市規劃設計流程，使從設計草圖到設計成果之間的各個環節都能得到分析和評審［1，2］。與傳統規劃設計方法工具相比，地理設計除了能夠直觀展示設計方案的視覺效果，更重要的是通過強大的空間數據管理和分析特性，進行反復和快速的影響評估，并不斷優化設計方案。

現有的地理設計研究主要包括理論和實踐兩個方面。理論研究主要集中于地理設計定義、作用及前景的探討;實踐層面大多基于傳統GIS、CAD軟件進行擴展，為設計人員提供草繪、分析、評估工具，缺少涵蓋設計領域知識、工具軟件、過程交互的完整體系［2～6］，這使得跨專業、跨學科間的地理設計應用變得困難。本文針對上述地理設計研究中存在的問題，提出地理設計系統的基本框架，建立了本體驅動的設計模型，實現多專業協同的地理設計引擎及其關鍵組件，并以市政道路設計為例開展了實踐。

2 地理設計系統框架

地理設計系統的目標在于通過現代計算機技術、通訊技術、協同技術，將領域知識和社會價值更有效地集成到設計活動中，以實現對規劃設計活動的增強［7］。

要實現這一目標，需要解決3個方面的主要問題:①建立具有地理定位和語義含義的數據模型，用于表達、模擬、存儲和分享設計方案;②基于這個數據模型規范設計工作流程，實現多專業、多人員分散協同的規劃設計;③加強規劃設計過程中多角色參與和討論，使規劃設計方案能代表利害關系人以及公眾的多元化利益。

地理設計系統的基本框架如圖1所示。在分布式地理空間環境支撐下，本體驅動的設計方案模型實現了面向知識的設計方案存儲與管理，地理設計工作流程引擎對設計過程進行了全方位的支撐，通過交互式演示匯報和公眾反饋提高規劃過程參與。

圖1 地理設計系統框架

3 本體驅動的設計方案模型

3.1 傳統設計方案不足

目前，CAD工具軟件在設計市場中占據主要地位，其通常采用文字標志點、圖形、顏色、圖層的形式來存儲設計方案。其主要優勢在于利用成熟的作圖工具，達到“所見即所得”的直觀效果。但其中的語義表達模糊，必須有外部文檔清晰解釋圖層命名和圖形標準，才能實現文件的共享，增大了文件之間的耦合度;其次，在后期設計變更中，各設計方案版本之間缺乏必要關聯性，給多設計者、多專業的交互設計帶來影響和干擾;最后，為了對設計效果進行定量評估，必須對設計方案進行重新編碼，以滿足不同評估模型的需求，后期工作量較大。

因此，以CAD為代表的傳統設計方式比較適用于單體方案的設計和展示，缺少對周邊環境的考慮和模擬評估，難以適應多元化的設計需求。

3.2 地理設計方案新需求

和傳統設計方式相比，地理設計更強調對設計方案周邊環境的影響評估，通過設計過程中的評估反饋，不斷優化改進設計方案。這一目標給地理設計方案模型提出了兩個方面新需求:地理定位和語義。通過地理定位將設計方案和特定地點關聯，有助于收集、獲取方案及周邊環境、社會、經濟等相關信息，為設計過程中的模擬和方案評估提供數據依據;通過語義信息明確表達空間數據隱含的設計知識，提高設計成果表達的準確性、完整性，為多專業、跨學科的規劃設計過程提供基礎模型支撐。

3.3 本體驅動的設計模型

利用本體方法研究地理設計方案模型，為解決以上問題提供了有效途徑。地理本體既準確地描述了概念含義，又描述了概念之間的內在關聯，能夠有效地表達特定領域內的知識，實現不同數據集之間的集成，為設計方案的共享、設計過程互操作提供解決方案［8，9］。

針對具體應用領域，首先建立領域本體樹，以描述空間數據的語義內容，利用一系列構成樹狀結構的概念作為共享的知識庫，以表達領域知識，然后建立該領域相關對象結構，通過參數化驅動方法進行對象的構造建模。

城市由幾個子本體模型組成，如圖2所示，本體模型按照路網、地塊、建筑、景觀、設計約束和公共空間進行劃分，將城市理解為不同的復雜本體系統，例如城市路網系統。每一個子本體系統縱向分為一系列的對象類，如路網系統按照設計等級分為快速路(UE)、主要道路(MS)、次要道路(SMS)、內部道路(SR)和道路結構(SS)。不同子系統之間存在橫向和交錯的關聯，在圖中由線段連接，例如快速路連通城市各大組團，現狀約束要素(如河流、湖泊)約束道路生長。由此，構成了城市本體模型的層次分支和交錯關系圖。

圖2 城市本體模型

在城市本體模型中，每個對象類具有不同的類型選項和屬性，以市政道路設計方案為例。

4 地理設計工作流程引擎

4.1 傳統設計流程與地理設計工作流程比較

以CAD軟件為主要工具的傳統設計流程與地理設計工作流程最主要區別為:在傳統設計中，設計和評估兩個環節是完全分離的，通常在不同的時間階段，由不同的工作團隊完成;而地理設計將設計和評估緊密結合起來，總的想法是提供一個實時的“儀表盤”給設計者，幫助設計者隨時調整設計方案。例如可能顯示隨地理情況而變化的成本評估器。圖3和圖4分別展示傳統規劃設計流程和地理設計流程。

圖3 傳統規劃設計流程

圖4 地理設計工作流程

4.2 關鍵組件

地理設計工作流程引擎在分布式地理空間環境支撐下，實現對地理設計全過程的支撐。除了融合CAD、GIS等已有工具特性外，還需要通過靈活的組件設計來實現。

核心地理設計引擎應包括以下組件:①圖形繪制器:綜合CAD和GIS工具的特性，既支持各種復雜平面幾何形狀的繪制與編輯，又能根據設計方案預設要素的圖形顯示方式，提高草繪效率，減少重復工作。②實時評估儀表板:在設計過程中對設計目標進行實時監控并加以反饋，便于設計人員實時調整設計方案。③協同設計工具集:實現多人、多專業參數化、協同設計，當某個環節設計變更時，通過消息機制通知其他參與者，管理其引用成果的更新工作。④細節抽象器:對不同設計階段設置不同的細節抽象層次，并實現不同細節抽象層次之間的切換。⑤版本管理器:以一種一致的命名約定來檢索不同版本變化，實現版本的存儲與回溯。⑥模擬評估器:在虛擬地理環境(例如三維場景中)，基于已有的評估模型，對設計方案進行全面的模擬評估，如圖5所示。

圖5 地理設計引擎關鍵組件

5 規劃過程參與

規劃設計重要目標之一在于保障城市空間利益的最大化，這一目標需要通過加強多元利益主體在規劃過程中的參與實現。不管是面向業主的演示匯報，還是征求公眾意見，都需要不具備設計專業知識的利益主體參與到規劃設計的過程中。

地理設計系統為規劃過程的多方參與提供了解決方案。①通過圖形方式集成展示方案周邊地理環境，使參與者更快速、透徹地理解設計意圖;②將設計成果整合到虛擬地理環境，實現設計成果的動態模擬與影響評估，便于參與者了解設計帶來的后果，進行直觀選擇;③通過網絡互操作、內容集成、三維場景交互操作、自動演示等技術，在地理設計系統中交互式融入匯報內容，提高傳統演示匯報互動性，如圖6所示。

圖6 設計方案交互式演示

6 地理設計實踐

地理設計原型系統基于Skyline基礎平臺，集成實現了引擎關鍵技術組件，初步實現在三維地理環境下市政道路設計、模擬與評估。

6.1 市政道路設計方案本體模型

根據設計領域知識［10］，市政道路本體模型由參數化驅動的屬性集表述，概念之間是繼承和聚集關系。其主要包括路段、平面線型、橫斷面、縱斷面、超高、加寬。如道路的橫斷面設計可以表示如圖7所示:

圖7 道路橫斷面構成

采用UML方式對道路本體的對象、屬性建模，生成組件的參數模型，如平面線型的結構圖如圖8所示:

圖8 平面線形結構UML圖

6.2 可視化三維道路設計與評估

實現三維道路的設計，將道路豎向設計與周邊地形關系銜接。并依托GIS強大的分析功能，疊加類型的用地類型、宗地信息、地質信息、地災信息等空間信息進行實時分析，快速反饋平面線形的合理性。還可對生成的三維模型進行駕駛模擬、透視分析、視距分析、土石方分析等分析工作，對道路的設計方案進行綜合評價，如圖9～圖11所示。

圖9 道路草繪及設計

圖10 道路模擬

圖11 方案評估

6.3 互動演示與參與

將規劃設計方案內容整合到設計系統中，并實現內容與系統的實時動態交互。通過內容集成、三維場景交互操作、自動演示等技術，實現在三維平臺上融入匯報演示功能。不僅可以像傳統匯報演示那樣展示圖文匯報內容，還可以通過“動作”的方式，實現演示內容與三維場景的實時交互，如飛到目標位置、播放演示路徑、環視目標物體、自動分析等。發布內容主要包括主要有幾個部分組成:

(1)項目信息。通過傳統Web展示方式，向公眾展示項目設計的相關信息，包括項目介紹、設計單位、設計意圖等;

(2)三維展示。在項目設計的各階段，將三維設計成果發布到方案發布系統中，公眾可以通過場景瀏覽工具全方位瀏覽設計細節，通過場景測量工具實現簡單的測量等操作。

(3)公眾反饋。公眾可以提交對設計成果的評價、建議信息，這些信息可以以公開展示在發布系統中，或以內部信件的方式遞交給設計人員。

7 結論

地理設計系統在整合GIS、CAD等現有技術工具基礎上，為地理環境中模擬、評估不同專業的規劃設計方案之間以及對周邊環境的影響，優化設計方案提供了解決之道。本文提出了建立綜合性地理設計系統的目標，構造了主要框架，實現了本體驅動的設計方案模型，在此基礎上論證了地理設計工作流程引擎的結構及關鍵組件，搭建了地理設計原型系統，驗證了地理設計系統實現可行性及其廣闊應用前景。

［1］ Flaxman M.Fundamentals of geodesign.Redlands［A］.GeoDesign Summit［C］.California，2010:54～70.

［2］ Tomlin CD.Speaking of geodesign［A］.GeoDesign Summit［C］.Santa Barbara，California，2011:180～189.

［3］ Goodchild M.Spatial concepts in GISand design［A］.GeoDesign Summit［C］.Santa Barbara，California，2011:89～92.

［4］ Dangermond J.GIS:designing our future.ArcNews，2009.

［5］ Dana M.Real－time，sketch－based GIS database［A］.GeoDesign Summit［C］.Redlands，California，2010:230～236.

［6］ Goodchild M.Spatial by design［A］.GeoDesign Summit［C］.California，2010:419～423.

［7］ Ervin S.A system for geodesign［A］.GeoDesign Summit［C］.California，2010:266～270.

［8］ 孫敏，陳秀萬，張飛舟.地理信息本體論［J］.地理與地理信息科學，2004(3):6～11.

［9］ 安楊，邊馥苓，關佶紅.GIS中地理本體的建立與比較［J］.武漢大學學報·信息科學版，2006(12):1108～1111.

［10］ 李杰.城市道路設計［M］.北京:高等教育出版社，2007:23～41.