2D GIS和3D GIS的城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)

張 平

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

伴隨著我國城市建設(shè)進(jìn)入加速發(fā)展階段，傳統(tǒng)的城市規(guī)劃和管理手段已不能解決城市一體化與精細(xì)化管理中存在的諸多問題，需要3D GIS技術(shù)來實現(xiàn)對城市立體空間的全面感知和管理[1-3]。特別是智慧城市時空信息云平臺的建設(shè)，積累了豐富的城市二三維現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了城市立體空間信息形象的展示、項目與周圍地形環(huán)境空間關(guān)系直觀地查看，為城市規(guī)劃管理與決策提供了科學(xué)、直觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持與分析輔助[4-5]。

傳統(tǒng)的城市規(guī)劃管理通常是在二維空間或利用三維效果圖進(jìn)行，往往只從單一項目本身來審批，缺乏全局視角、空間關(guān)系、周邊環(huán)境協(xié)調(diào)等問題的考慮[6]。本文在智慧城市時空信息云平臺的二維、三維基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，將2D GIS的強大平面分析與3D GIS的精準(zhǔn)立體分析相結(jié)合，設(shè)計與研究城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，以輔助城市規(guī)劃管理和決策，實現(xiàn)城市空間形態(tài)和城市景觀的統(tǒng)籌布局與協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計

在智慧城市時空信息云平臺建立的城市電子地圖和三維模型等基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，整合二三維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)，建立基于2D GIS和3D GIS的城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，為城市規(guī)劃管理和決策提供數(shù)據(jù)交互式瀏覽、查詢、輔助分析與輔助審批。本系統(tǒng)采用云計算的思想，基于B/S架構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施層：系統(tǒng)運行所依托的存儲設(shè)備、計算設(shè)施、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、安全設(shè)施，以及相應(yīng)的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫軟件等基礎(chǔ)軟硬件設(shè)施，可由智慧城市時空信息云平臺搭建的云計算平臺統(tǒng)一提供。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

(2) 數(shù)據(jù)資源層：由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、二三維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)運行形成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫組成。

(3) 基礎(chǔ)支撐平臺層：連接數(shù)據(jù)資源層和應(yīng)用層的紐帶，包含2D GIS引擎、3D GIS引擎、工作流引擎、表單引擎等。

(4) 應(yīng)用層：面向城市規(guī)劃輔助決策的業(yè)務(wù)需求，提供城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)和相關(guān)服務(wù)接口。其中城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)包含交互式可視化顯示、三維審批輔助工具、三維規(guī)劃方案管理、三維規(guī)劃輔助分析、綜合地下管線管理等模塊；服務(wù)接口體系主要包含城市規(guī)劃數(shù)據(jù)系列接口、規(guī)劃審批數(shù)據(jù)系列接口、三維規(guī)劃模型數(shù)據(jù)系列接口。

除此之外，還應(yīng)包含系統(tǒng)運行維護的相關(guān)保障機制，包含組織機構(gòu)與政策法規(guī)、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)更新等內(nèi)容。

1.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫主要由基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫、二三維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)庫及系統(tǒng)運行形成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫組成。

1.2.1 基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫

基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)庫包含電子地圖數(shù)據(jù)(矢量、影像)、地名地址數(shù)據(jù)、建筑物數(shù)據(jù)、數(shù)字高程數(shù)據(jù)、三維模型數(shù)據(jù)等[7]，其中三維模型數(shù)據(jù)包含三維要素模型(建筑模型、交通模型、水系模型、植被模型、場地模型等)和三維地表模型。這些基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)通過智慧城市時空信息云平臺建設(shè)的數(shù)據(jù)成果來共享提供。

1.2.2 二三維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)庫

二三維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)庫由二維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)和三維規(guī)劃規(guī)劃專題數(shù)據(jù)組成(如圖2所示)。其中，二維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)包含二維的城鄉(xiāng)規(guī)劃類數(shù)據(jù)(城市總體規(guī)劃、控制性詳細(xì)規(guī)劃、各類專項規(guī)劃等)、二維規(guī)劃審批類數(shù)據(jù)(選址紅線、用地紅線等)、二維城市綜合管線數(shù)據(jù)[8]；三維規(guī)劃專題數(shù)據(jù)包含城市設(shè)計模型、規(guī)劃方案模型、規(guī)劃竣工模型、三維綜合管網(wǎng)模型等數(shù)據(jù)。

(1) 城市設(shè)計模型：是城市設(shè)計編制形成的三維空間成果，能體現(xiàn)城市特色風(fēng)貌，在塑造城市風(fēng)貌、建筑形態(tài)方向上有重要作用。

圖2 數(shù)據(jù)庫構(gòu)成

(2) 規(guī)劃方案模型：包含與規(guī)劃技術(shù)審查相關(guān)的三維模型，按照用途分為建筑方案模型、總平面方案模型、三維方案參考模型(已批未建)。規(guī)劃方案模型按照審批結(jié)果又可分為中間成果方案庫和正式成果庫，其中中間成果庫是報批報審過程中形成的中間成果，正式成果庫是審查通過后已采納的設(shè)計方案模型。

a. 建筑方案模型：在建筑方案設(shè)計審查過程中，設(shè)計單位提供的能夠反映建筑的色彩、外立面、體量和與周邊空間關(guān)系的表達(dá)的三維方案模型，通常包括建筑模型、道路模型(建筑小區(qū)內(nèi)部)、植被模型、場地、水系模型(建筑小區(qū)內(nèi)部)和其他模型。

b. 總平面方案模型：主要是在總平面方案審查階段，由設(shè)計單位提供的基于總平面分區(qū)功能布置和審批高度、能夠反映與周邊位置和體量關(guān)系的模型，該模型無需體現(xiàn)建筑立面的紋理。

c. 三維方案參考模型(已批未建)則是推行三維方案審查過程中的過渡產(chǎn)物，主要針對的是已批未建或已批在建的項目的周邊建筑，為了輔助周邊項目的規(guī)劃審查，需要通過已經(jīng)獲批的總平面設(shè)計方案圖紙，建立三維方案的參考模型(根據(jù)總平面設(shè)計方案和設(shè)計高度建立的無貼面紋理的參考模型，能夠反映建筑的高度、體量等)。

(3) 規(guī)劃竣工模型：規(guī)劃條件核實階段，由建設(shè)單位提供根據(jù)建設(shè)現(xiàn)狀采集的竣工三維模型，該模型可保證三維建筑方案模型評審周邊現(xiàn)狀的現(xiàn)勢性，可作為現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)的補充和更新。

(4) 三維綜合管網(wǎng)模型：根據(jù)二維綜合管線數(shù)據(jù)和屬性信息建立的三維綜合管網(wǎng)模型。

2 主要功能與應(yīng)用

2.1 交互式可視化顯示

交互式可視化顯示是系統(tǒng)的基本操作模塊，包含對場景的瀏覽、控制和視角切換等操作，以及場景的平移、旋轉(zhuǎn)、定位、天氣控制、特定場景和導(dǎo)航、屬性查詢等通用功能，此外，還實現(xiàn)了二三維場景聯(lián)動展示[9]，便于用戶切換三維場景和二維地圖分屏聯(lián)動和疊加查看(如圖3和圖4所示)。

圖3 二三維分屏聯(lián)動

交互式可視化顯示可為城市設(shè)計、城市規(guī)劃編制以及規(guī)劃審批提供多視角、多尺度的數(shù)據(jù)支撐和場景模擬判別。

2.2 三維審批輔助工具

三維審批輔助工具主要用于三維空間上定量位置、高度、面積等精確計算，以及系統(tǒng)圖片輸出、特定場景制作、局部區(qū)域的場景輸出。

三維審批輔助工具主要針對三維報件方案審核過程中空間距離、面積、模型等指標(biāo)的檢查工作。

2.3 三維規(guī)劃方案管理

三維規(guī)劃方案管理是本系統(tǒng)的核心模塊，用于三維規(guī)劃方案的創(chuàng)建、調(diào)整和管理，主要針對模型收件后規(guī)劃項目和報件方案的創(chuàng)建、編輯、模型數(shù)據(jù)和附件材料的導(dǎo)入、管理等業(yè)務(wù)工作。可從本地導(dǎo)入規(guī)劃方案的三維模型到場景中，并實現(xiàn)任意角度的瀏覽和查看；對于指定方案，可以進(jìn)行建筑對象的高度、位置、朝向、體量、層數(shù)的調(diào)整，并可對模型選擇區(qū)域內(nèi)的材質(zhì)、色彩進(jìn)行實時調(diào)整，實現(xiàn)方案的動態(tài)調(diào)整，并可實現(xiàn)同一方案調(diào)整前后的對比[10](如圖5 和圖6所示)。

圖5 規(guī)劃方案調(diào)整

圖6 調(diào)整方案對比

三維規(guī)劃方案管理模塊通過將規(guī)劃方案三維模型與現(xiàn)狀的三維模型進(jìn)行融合，直觀實現(xiàn)方案模型的細(xì)節(jié)及周邊景觀環(huán)境的協(xié)調(diào)研判，提高方案自身調(diào)整的合理性，以及區(qū)域空間形態(tài)和景觀環(huán)境布局的協(xié)調(diào)性，減少方案設(shè)計失誤，提升規(guī)劃審批的科學(xué)性。

2.4 三維規(guī)劃輔助分析

三維規(guī)劃輔助分析模塊主要是為了在報件項目的審核階段，為建設(shè)方案提供定性和定量的輔助分析手段，從空間形態(tài)、指標(biāo)參數(shù)等方面來佐證方案，為規(guī)劃審批提供科學(xué)決策的依據(jù)和支撐。

三維規(guī)劃輔助分析主要包含[11-14]：

(1) 控高分析和天際線分析主要用于方案的高度符合性檢查。控高分析根據(jù)城市空間管制總圖對規(guī)劃地塊建筑的限高要求，自動檢測是否超過或符合控高要求(如圖7所示)；天際線分析通過將規(guī)劃方案三維模型與現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，分析劃定區(qū)域范圍各建筑單體相對地表的高度并曲線擬合天際線，判斷是否符合天際線規(guī)劃。

圖7 控高分析

(2) 日照模擬和日照時長分析主要用于方案的日照分析。日照模擬和日照時長分析分別模擬不同時間太陽對建筑方案的光照陰影效果和指定位置(如單個建筑物)一天可接受的日照時間長度，從全局和單點多個角度進(jìn)行日照分析(如圖8所示)。

圖8 日照時長分析

(3) 通視分析、沿路通視、視域分析從不同角度評估方案和周邊建筑景觀的通視或遮擋情況，不僅可用于建設(shè)方案審批，而且對歷史文化保護區(qū)的景觀保護也具有重要應(yīng)用意義。

(4) 建筑間距分析自動計算拾取的兩棟建筑之間的最小距離，判斷建筑間距是否符合審批指標(biāo)要求。

(5) 參數(shù)化推演及推演模型指標(biāo)計算主要用于城市空間形態(tài)的整體布局與景觀協(xié)調(diào)性輔助分析。參數(shù)化推演根據(jù)城市功能布局和概念設(shè)計，將二維建筑物數(shù)據(jù)生成素體建筑模型用于補充現(xiàn)狀三維模型未覆蓋區(qū)域，便于用戶從宏觀上把控和規(guī)范城市整體布局(如圖9所示)；推演模型指標(biāo)計算是根據(jù)參數(shù)化推演出的模型，對推演出的地塊規(guī)劃開發(fā)強度指標(biāo)，套合紅線數(shù)據(jù)進(jìn)行容積率、綠地率、建筑密度等指標(biāo)計算，從而估算推演參數(shù)的合理性，為方案調(diào)整提供依據(jù)。

圖9 參數(shù)化推演

(6) 挖填方分析可提供對設(shè)計方案的建設(shè)成本進(jìn)行預(yù)估，即對涉及山體或洼地的規(guī)劃方案，根據(jù)地表模型計算山地的挖方和洼地和填方量。

(7) 拆遷量預(yù)估為城市的舊城改造規(guī)劃、評估提供分析支撐。根據(jù)現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)和二維建筑物數(shù)據(jù)對選定范圍的拆遷影響面積進(jìn)行初步計算，以及涉及各類功能用途建筑的分類統(tǒng)計。

2.5 綜合地下管線管理

綜合地下管線管理即實現(xiàn)二維綜合管線數(shù)據(jù)的三維可視化管理，直觀地查看地下管線之間的關(guān)系，以及地下管線與地上地面地物之間的空間關(guān)系，智能實現(xiàn)管線的平面分析和立體空間分析，輔助綜合地下管線的三維規(guī)劃設(shè)計、方案審批[15]。

綜合地下管線管理主要包含二三維管線聯(lián)動展示、信息查詢與統(tǒng)計分析、管網(wǎng)分析、數(shù)據(jù)編輯、三維分析等功能。其中管網(wǎng)分析分為橫斷面分析、縱斷面分析、開挖分析、事故分析、連通性分析等二維分析功能；三維分析分為剖面分析、挖洞分析等立體分析功能。

3 結(jié) 語

基于2D GIS和3D GIS的城市規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)以基礎(chǔ)地理信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)、規(guī)劃專題數(shù)據(jù)為支撐，采用2D GIS和3D GIS聯(lián)動技術(shù)，提供交互式可視化顯示、三維審批輔助工具、三維規(guī)劃方案管理、三維規(guī)劃輔助分析、綜合地下管線管理等功能與服務(wù)，不僅能夠全方位地查看項目本身細(xì)節(jié)信息，而且能夠分析項目與周圍環(huán)境的關(guān)系和協(xié)調(diào)性，輔助城市規(guī)劃與審批，極大地提高了城市規(guī)劃管理的科學(xué)水平和決策水平。同時，本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用能同步將城市建設(shè)形成的三維規(guī)劃方案模型、三維規(guī)劃竣工模型更新至城市現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)中，最新的規(guī)劃建設(shè)內(nèi)容能夠及時反映在城市三維空間中，保證三維模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性[16]，更好地發(fā)揮三維模型數(shù)據(jù)在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用價值。因此，本系統(tǒng)的研究對促進(jìn)城市合理規(guī)劃、提升城市規(guī)劃智能化水平，乃至推進(jìn)智慧城市的建設(shè)具有重要意義。