三維GIS在國土空間規劃中的應用綜述

仇巍巍，陳從喜，項家鈾，高 宇，齊書花，朱先云

（自然資源部信息中心，北京 100830）

0 引言

黨的十八大以來，國家圍繞國土空間規劃改革推出了《中共中央關于全面深化改革若干重大問題的決定》《全國國土規劃綱要（2016—2030年）》等系列方針政策。2018年3月，自然資源部成立，“建立空間規劃體系并監督實施”是其重要職能之一。從現有相關政策趨勢看，國土空間規劃體系改革的要求越來越明晰，縱向建立國家、區域、省、市（縣）、鄉五級國土空間規劃，橫向建立國土空間規劃、專項規劃和詳細規劃三類規劃，以第三次全國國土調查（以下簡稱“三調”）數據為基礎，統一建立規劃數據庫，實行國土空間用途管制和規劃監管[1]。

國土空間規劃是國家空間發展的指南、可持續發展的空間藍圖，是各類開發保護建設活動的基本依據[2]。國土空間規劃擁有較好的地形數據、地貌數據和矢量數據等數據基礎，這些數據多以傳統的二維形式存儲和展現，然而國土空間規劃需要大量的多維度空間分析功能，二維數據和分析功能轉化為基于三維GIS的實景表達形式和增加多維度空間分析的需求日益迫切。同時，相比二維GIS，三維GIS可以更加準確、真實地展示現實環境，為信息判讀和空間分析提供更好的途徑，而且部分關鍵的高級空間分析功能也只能在三維GIS中實現，如日照分析、地質分析和鏈路連通性分析等。這都使得基于三維GIS的國土空間規劃具有更直觀、更科學、更多維度等優勢[3]。

1 基礎數據集成

國土空間規劃首先要研判國土空間基礎狀況，要求以“三調”作為“底數底圖”，統一數據標準和工作底板，摸清整個國土空間的現狀，還原真實世界的面貌，這是整個國土空間規劃的起點。

在傳統的規劃中，大部分基礎數據資料以二維形式存儲，基礎底圖以二維形式展現。三維GIS技術可以對真實場景進行還原，根據DEM和遙感影像數據生成三維場景模型?？梢允褂媒ㄖ驁D數據進行參數化建模，建模成果通常被稱為白模；對于較復雜或精度要求較高的建筑，可以采取傾斜攝影或人工建模方式；其他自然環境數據則在三維場景基礎上，根據應用需求進行相應建模，盡可能還原現實環境，最終生成三維國土空間“一張圖”[4]。

2 國土空間規劃評價分析

新的國土空間規劃體系提出了“雙評價”分析系統[5]，對國土空間規劃分析也提出了更高的要求。傳統的二維分析功能已很難滿足要求，必須基于集成了多源數據的真實三維場景，使用三維GIS技術方法改進規劃評價分析理念和手段。

2.1 國土空間規劃“雙評價”

國土空間規劃“雙評價”由資源承載力評價和國土空間開發適宜性評價構成[6]，“雙評價”各個環節需要借助大量的空間分析功能。現有的評價體系以二維GIS技術為主，但評價模型缺乏地區異同的考慮和有效的驗證方法，這使得“雙評價”體系在實際應用中出現了一些偏差。三維GIS技術使得這些問題可以通過場景還原和空間分析等環節進行優化和驗證[7]。

2.1.1 場景還原

三維GIS通過虛擬化技術手段模擬現實世界，以坐標系和比例尺為基礎在數字世界展現現實世界，在可視化的虛擬環境中，地形、地貌、地質等要素的分析更加真實和直觀，為后續規劃設計、分析和監督奠定了基礎。例如，基于三維場景的日照分析、淹沒分析和土方量分析等使得規劃設計和評價更科學，如圖1所示。

圖1 3D場景還原

2.1.2 空間分析

基于三維場景可完成地形、坡度等要素分析，通過引入高程維度，使得分析結果更加科學。例如，坡度是描述地形特征的重要指標，也是分析地表物質運動、土壤侵蝕量的重要因子，所以在耕地調查中實施坡度分級可以直觀地反映耕地地表形態、耕地質量和生產條件，也是制定耕地保護和生態退耕政策的主要依據[8]。在耕地坡度等級分析中，生成三維坡度圖并結合基礎底圖疊加生成耕地坡度分級圖，從而可對不同坡度級的耕地面積進行量算、統計和分析并通過三維GIS進行直觀表達，如圖2所示，同時可引入噪聲、場強等微觀要素，分析所使用的算法模型，增強“雙評價”體系中的微觀規劃。

圖2 耕地坡度分析

2.2 國土空間規劃分析

國土空間管理對象既包括平面也包括高程信息，而現有的基于二維分析方法存在以下不足。（1）分析維度不足，缺乏三維要素，不能充分考慮多維度的要素分析。（2）分析結果表達不直觀，難以直觀地反映地形、日照等要素情況?；谌SGIS的分析技術可以很大程度地改善這些不足[9]。

2.2.1 多維度分析

規劃過程離不開諸多的空間分析功能，其中三維因子是必不可少的分析因子。基于地形的路徑規劃以三維地形要素為主，同時結合遙感影像得出最佳線路。另外，傳統的電信固定無線接入鏈路分析使用傳統的二維表現鏈路的連通情況，而現實世界中，高度、遮擋物對鏈路的影響非常大，傳統的二維分析不再適用，基于三維場景規劃點對點和點對多點鏈路對于固定無線接入（包括ISP）、微波回程等顯得尤為必要，如圖3所示。

圖3 三維環境下的鏈路連通性分析

三維空間分析功能主要包括數字高程模型分析、三維網絡分析及基于3D Mesh的分析，主要有坡度、坡向、陰影、連通性、噪聲、場強等分析功能，為規劃提供參考，這部分功能非常實用重要。

2.2.2 分析結果三維化

目前，基于二維的規劃分析已產生了大量的分析成果，這些結果可基于三維GIS進行更直觀地表達，并通過與三維場景、3D Mesh、環境等融合，使規劃分析的過程和結果更符合人們的使用習慣、更易接受和理解。全球各大洲機場分布分析將機場分布統計結果進行三維立體表達，如圖4所示，可非常直觀地看到北美洲的機場數量最多，其次是歐洲。與二維統計圖相比，基于三維GIS的可視化技術使得信息表達更加直觀形象，在三維場景中對分析結果進行全方位分析，可以獲取更多的有用信息。

圖4 各大洲機場數量統計

3 三維地理設計

三維地理設計可利用已有的數據通過快速參數化搭建三維場景，同時根據需要可以實時進行修改和調整，三維地理設計已被應用到城市規劃設計并拓展到鐵路設計、公路設計等領域。根據涉及的指標是否定量化，三維地理設計分為定量化設計和定性化設計[10]。

3.1 定量化設計

基于已有的基礎數據，根據設計方案，通過預定義的參數化規則，自動生成并可反映設計指標。此外，可將定量化的規劃指標設置為相應的約束參數，如“三區三線”、城鎮規劃中的規劃指標等，可以實時反映設計方案是否合規合理，并提出不符合指標的設計部分，通過實時調整設計方案和實時驗證評測指標，找出最優設計方案，如圖5所示。

圖5 城鎮設計

3.2 定性化設計

對于規模較大的國土空間規劃，除了考慮定量化指標外，還需考慮眾多無法定量化的天際線、建筑梯度、城市色彩等指標。在設計過程中，為輔助規劃人員提供不同類型的分析工具，與定量化設計互為補充。

基于三維場景的三維地理設計不僅使整個規劃設計、評審和監督過程不再只面對二維地圖或預制作的三維模型，而且可以通過調整參數和指標直接編輯規劃成果，并可對定量化指標進行預警和建議，對定性化指標進行輔助分析，可以直接輸出定性化指標方案示意圖，還可實現即時調整即時呈現、即時調整即時對比、即時調整即時出圖的效果，對于提高規劃設計效率和成果科學性具有非常好的支撐作用。

4 國土空間規劃實施監管

規劃的生命力在于實施。為了保障規劃的有效實施，必須對實施過程進行有效的監管。因此，在規劃方案經審批成為正式文件后，必須通過多種手段對其實施過程進行綜合監管，以完成預定的規劃目標。在傳統的二維環境中，以二維形式構建國土空間數據資源體系并設計監測指標，進行執法監察和核查，同時根據已有的靜態規劃資料，按照相關制度和指標進行檢查，再對規劃實施情況進行反饋，做出評估和動態修改。當外部條件發生重大變化時，對原有的規劃進行修編。然而無論方案表達的直觀性、融合性，還是方案修編及新舊方案的定性和定量變化對比，都過多依賴人的意識和水平，暴露了基于二維的規劃系統支撐性不足的缺點[11]。

4.1 構建動態監管體系

國土空間監測網絡基于科學布點方法構建多層級監測網絡體系，通過一套科學的國土空間監測指標獲取長期、動態、精細化、多要素、多尺度的國土空間系統監測數據，實現高強度國土開發背景下國土空間變化及其相關影響因子的全面感知。完整的國土空間監測網絡應該由互聯網、物聯網和“天-空-地”一體化監測技術支撐下全國-區域-市縣-村鎮-地塊不同尺度組成的多層級監測體系，能夠建立全面、詳實、準確的權威性國土空間數據資源體系，涵蓋國土空間基礎數據集、空間規劃數據集、空間管理數據集及社會經濟數據，為國土空間規劃實施的動態監管提供全面、有效的支持[12]。

多要素、多尺度的基礎數據，長期、動態的監測數據，宏觀、中觀、微觀的監測指標都需要三維GIS作為載體才能很好地集成和呈現，實景三維技術尤為突出，通過對現實世界進行高精度還原，為后期的規劃、融合、修編提供了很好的基底，從而成為國土空間規劃最基礎、最準確的底圖數據源之一，同時基于實景三維進行多源數據的融合和分析，并建立多維度的監測指標體系，從而最終構建形成科學的動態監管體系。

4.2 規劃成果實施監督

相對于傳統的基于二維數據及分析技術的規劃成果監督管理，基于三維場景和規劃指標體系的三維規劃帶來了更多維的數據及直觀的規劃手段。傳統的規劃監督主要聚焦當前的規劃方案，而基于三維GIS的規劃監督進行全生命周期監督管理，在規劃實施前可以進行現實與規劃融合預測，實施過程中進行指標實時對比，實施后進行數據更新，并可借助遙感、傾斜攝影技術等進行長期、定期的跟蹤監督，實施監督具備了全生命周期的可實施性和前瞻性。

4.3 規劃成果評估和修改

傳統的二維規劃關注規劃方案的任務目標，這種靜態規劃過程缺乏規劃成果的直觀感受。同時，隨著自然環境及社會環境的實時變化，基于三維GIS的動態規劃則應運而生。

基于真實的三維場景，通過國土空間規劃平臺將規劃成果和規劃分析管理等功能進行整合，可對規劃方案進行三維瀏覽，并對現狀數據進行融合，對現狀和規劃方案或者多個方案進行對比分析，得出最優方案和相應的調整細節，全方位驗證規劃思路，在評估過程中可以使用疊加分析等功能，同時可借助虛擬現實技術，評估人員更加身臨其境，擁有最直接的感受并對成果做出最直接的評估。

同時，在規劃實施過程中，依據新情況和新要求對方案進行局部修正、補充以及重新調配是很難避免的。在三維場景中，規劃方案的預修改和對比分析是規劃方案修改非常好的前置分析，對于多種修改方案進行直觀表達并融合規劃方案的已實施部分，最終達到優中選優、持續優化國土空間結構和功能的目的。

5 國土空間規劃公眾服務

現有的國土空間規劃“一張圖”實施監督信息系統流程包括了編制、審批、實施、監督的規劃全過程，全面提升了空間治理體系和治理能力。但公眾較少參與規劃過程，現有的公眾參與方式主要是傳統的座談會、聽證會和規劃展覽等方式。二維GIS方法引入后，公眾通過查看二維的規劃設計平面圖一定程度提高了參與直觀感與積極性，但由于規劃設計專業性強、設計成果表達抽象等特點，一般公眾仍很難理解所表達的國土空間規劃具體含義和效果，無法真正了解規劃方案的科學性和合理性，就無法對規劃設計方案提出有效的想法，更無法參與規劃實施過程的監督工作。

建議增加基于三維GIS的國土空間規劃公眾服務，通過將專業的國土空間規劃成果轉化為公眾容易理解的三維場景，極大地提高公眾的理解能力。同時，可以將設計成果與現有環境進行融合，例如，公眾可以直接查看所在地區改造前后的綠化情況，對規劃方案的指標進行直觀了解，同時在三維場景下將規劃中的建筑限高、天際線、城市色彩等專業分析結果進行直觀融合展示并可以與圖像、聲音相結合，這對進一步提高公眾參與和理解國土空間規劃內涵具有顯著的提升作用。基于三維GIS的公眾服務還能夠展現城市的歷史時空演變，公眾可通過查看地區的時空演變了解地區的歷史變遷，有助于了解地區的歷史文化，從而實現政府和公眾的良性互動，實現地區的發展決策更加科學化和合理化[13]。

6 結語

綜上所述，國土空間規劃是一個全覆蓋、全類型的系統，涉及眾多的部門、繁雜的數據類型，數據量巨大，分析功能要求高，為了提高國土空間規劃的工作效率和決策的科學性，多學科、多種類的技術方法應用于國土空間規劃成為必然趨勢。本文針對三維GIS技術在國土空間規劃過程中的作用進行了詳細的闡述和分析，從國土空間規劃基礎數據集成、國土空間規劃“雙評價”、三維地理設計到實施監督，并建議增加公眾服務部分，三維GIS在整個國土空間規劃過程能發揮多源數據集成、直觀可視化及多維度分析的優勢。同時，更多新技術的結合應用可在國土空間適宜性評價、生態空間規劃等方面提供更科學和全面的支撐[14]。隨著國土空間規劃工作的深入推進，三維GIS技術的進一步發展及與其他新技術的結合應用，必定在國土空間規劃中發揮更加積極的作用，進一步提高國土空間規劃的科學性和合理性。