基于GIS的城市空間規劃應用研究

袁金錦 趙 雷

（山東省地質測繪院，山東 濟南 250003）

0.引言

城市規劃起源于工業革命。工業革命使人類的居住形式發生了改變，隨著大量工業區的落地和城市生產力的進步，城市對勞動力的需求日益旺盛，勞動力逐漸向城市集中，使傳統的農村居住方式開始向以城鎮為主的居住方式轉變。隨著城市規模、城市數量、城市人口急劇增長，已有城市基礎設施無法滿足需求，配套土地、住宅和物資供應短缺，生態環境持續惡化。同時，由于城市原有交通無法滿足生產和生活需求，導致生活區和生產區混雜，建筑物采光、通風等條件差，垃圾轉運站、公共廁所、排水系統跟不上生產和生活需要，解決城市規劃問題成為城市管理者的首要任務。在世界范圍內，由于城市空間規劃不合理導致一系列城市病，包括住房缺乏、能源供應緊張、交通堵塞、供水不足、生態環境污染、秩序混亂等。城市病主要表現在：盲目城市擴張，永久耕地越來越少、湖泊水域逐漸退化；城鎮開發邊界外的土地不斷被侵占；城市道路、供水、供電等基礎設施愈發不足；城市中的自然保護區、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、城市管理和運行發生混亂，人民的生活、生產和生態環境惡性循環，導致資源浪費，一定程度上限制了城市的高質量可持續發展。

20世紀80年代，發達國家首次在城市空間規劃中采用GIS技術，以滿足政府在空間規劃領域的信息化和智能化需求，解決“多規沖突”下的城市空間管制矛盾[1]。美國環境系統研究所公司（簡稱“ESRI公司”），美國Intergraph、Skyline等地理信息技術廠商將GIS技術應用于城市空間規劃領域，如，建筑物地名地址查詢、緩沖區規劃分析、商業規劃選址分析、日照規劃分析、建筑物規劃控高分析等，取得了良好的效果。

20世紀90年代開始，隨著地理信息軟件的全球化，發展中國家也開始采用GIS軟件開展城市空間規劃研究和應用，代表性的公司有武大吉奧信息技術有限公司、武漢中地數碼公司、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劃部門采用這些平臺以及相應的解決方案來解決城市空間規劃中面臨的信息化問題，如，在城市空間規劃中，通過GIS技術可以管理海量的時空數據，對多種表現形式的空間數據進行維護和更新，并實現對空間信息的查詢、統計、分析，對城市規劃空間提供數據支撐（如，通過GIS可用定性和定量的方式來劃定“三區三線”）。通過GIS技術也可以實現地理空間數據與人口、經濟、地名地址等要素相互關聯，如，通過GIS技術可以分析城市內部各功能區的相互聯系，了解城市人口分布情況和經濟發展情況，優化商場、超市、地鐵站點等基礎設施的選址方案。

1.GIS概述

GIS技術起源于20世紀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操作系統的發展和Windows操作系統的誕生，地理信息技術在美國持續發展，誕生了諸如ESRI和Intergraph等一流的商業地理信息軟件供應商。

地理信息技術是城鄉規劃和土地管理中不可或缺的關鍵性技術之一[2]，是綜合利用地理信息數據（包括空間定位數據、圖形數據、遙感圖像數據、屬性數據）形成數據底座，利用計算機軟硬件技術和交互式計算機圖形學等技術搭建的基于二維、三維地圖的軟件平臺。基于該平臺開展地理信息數據處理、空間數據編輯、地理信息數據可視化、空間數據查詢、空間分析等一系列操作，可滿足不同行業用戶需求。隨著計算機硬件、操作系統的發展，以及大數據、云計算等新技術的涌現，地理信息技術從桌面組件式GIS向分布式跨平臺GIS、時空大數據+云GIS不斷進化和發展，從傳統二維GIS向三維GIS跨越，形成二維、三維一體化GIS技術體系[3]。

2.基于GIS的城市空間規劃技術架構

基于地理信息GIS技術的城市空間規劃技術架構包含數據層、平臺層、應用層、展示層如圖1所示。

圖1基于GIS的城市空間規劃技術架構圖

數據層：包含城市空間規劃相關的空間數，含GIS數據（遙感影像、地形圖、數字高程模型、傾斜攝影、MAX手工精細模型等）、BIM數據、IOT數據、規劃業務數據等。

平臺層：從數據層獲取空間規劃相關源數據，提供GIS可視化、查詢、空間分析等服務，為城市空間規劃上層業務提供支撐。

應用層：提供了規劃方案可視化，二維、三維一體化呈現，規劃查詢，空間分析等功能，為城市空間規劃提供通用的業務支撐。

展示層：應用層的相關查詢、分析、統計結果，將通過展示層的PC端或者移動端向用戶進行呈現，最終輔助政府決策者開展規劃方案制定、修改、更新等工作。

3.GIS技術在城市空間規劃中的應用方向

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

3.1 選址規劃

通過GIS緩沖區分析實現對服務基礎設施（如，商超、學校、醫院等）能觸達的服務半徑和功能性建筑（如，住宅區）選址提供準確數據，從而為空間規劃選址提供科學而智能的輔助決策。

作為GIS系統重要的空間分析功能之一，緩沖區分析可以實現對選定的位置或者區域進行緩沖區半徑繪制，從而分析該半徑所覆蓋的地物。以用戶選擇的實體（點、線、面）為基礎，構建該實體周圍指定長度范圍內的緩沖區多邊形圖層，然后通過源圖層與結果圖層的疊加分析，從而計算覆蓋的區域范圍。基于面狀要素的緩沖區分析結果，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分析結果，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；基于點位的緩沖區分析結果，是以選定的位置點為中心，以一定長度為半徑的圓所包含的范圍。

3.2 地塊壓平分析

對規劃建筑地塊范圍內的三維精細模型進行壓平，并在壓平的位置添加新的三維空間規劃方案，從而實現在同一場景下快速更新可視化場景的目的。

根據用戶在三維場景中繪制的多邊形范圍，與三維精細模型圖層進行空間相交，自動對區域內的不規則三角網進行分析并實時修改頂點的高程值，使區域內的模型壓平為一個平面。該操作不會對原始數據產生影響。

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

3.3 規劃多方案對比分析

對后臺的項目列表進行清單列表顯示，并允許對選中的某個項目進行具體的規劃多方案對比分析。實現多窗口實時比對同一地塊的多個建設方案。支持多方案的同時觀看和自動旋轉瀏覽查看。

通常在頁面中設置兩個div，分別用來顯示兩個三維地球viewer1、viewer2，在div上設置監聽事件，用來區分當前鼠標的操作區域。然后給兩個viewer添加鼠標事件，當拖動viewer1的時候把相關參數傳遞給viewer2；反之亦然，即可實現兩個球體的分屏聯動效果。系統根據用戶選擇的建設方案，從后臺讀取項目范圍和方案服務地址，實現實景模型的壓平和建設方案的加載。

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

3.4 規劃生命周期模擬分析

實現建筑工程項目的全流程三維化管理，包括規劃建筑方案階段、建筑物施工階段、建筑物竣工驗收階段。將建筑工程項目各個階段的動態變化用三維模型的方式進行表達和呈現。

3.5 規劃高度分析

實現根據建筑物層數和建筑物地上高度信息，對建筑物分層設色渲染，達到對高層建筑統計和高亮顯示的功能。

通過GIS技術加載三維建筑模型數據時，首先獲取建筑物的層數，再根據GIS系統中預設的參數確定對應層的顏色，最后將相應的顏色分配到建筑物的紋理中。

3.6 控規盒子分析

實現根據容積率、控規限高等相關指標，對地塊進行三維空間的抬升，以立體空間的方式呈現地塊的屬性。

結合已有或自定義的多邊形，疊加控規矢量數據，檢索區域內的全部地塊，并以容積率或限高等指標為縱向上的高度參考，對每個地塊垂直向上拉高構建三維白模。

根據建筑物控高屬性將相關地塊拉伸成為三維體塊模型，實現規劃數據以三維方式進行呈現，并基于帶有高度屬性字段的規劃數據實現地塊屬性查詢。也可以添加其他三維模型圖層進行疊加，充分發揮基于GIS的控規在二維和三維層次上的綜合控制性作用。

3.7 拆遷量分析

按緩沖區半徑或自定義多邊形，對設定區域內的待拆遷基礎設施（建筑物等）進行量算和分析并進行結果呈現。

根據在三維GIS平臺中預定義的多邊形，與居民地圖層進行空間相交分析，最終列出查詢結果，并在列表中呈現查詢結果，同時可對占地面積、建筑面積、建筑物數量等相關屬性進行統計。

3.8 沿街立面分析

根據觀測點，利用GIS技術生成當前場景視窗中沿街的立面并進行呈現。

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行分析并生成剖面圖。

3.9 日照分析

利用3D GIS技術，根據預定義的時間計算日照的影響范圍并對結果進行模擬和顯示。

根據所在區域的經緯度范圍，計算該區域在某個時間范圍內能被太陽光照射到的時長。同時根據設置的采樣距離、最大和最小高度、采樣頻率，計算出所在區域內的采光結果，采光值表示該位置日照時間占開始時間到結束時間的百分比。

4.GIS技術在城市空間規劃中的關鍵技術和應用難點

4.1 二維、三維空間規劃數據的融合技術

城市規劃所涉及的地理信息數據、BIM模型數據格式繁多、標準多樣化，給GIS技術的應用帶來了困難。為此，需要對城市空間規劃中所涉及的地上和地下數據、室內和室外二維、三維數據（含2D/3D GIS、BIM模型等數據）進行融合處理，給多套數據賦予一套編碼體系、一套語義。

其中，二維數據主要是大場景的全域數字化現狀數據、空間規劃數據，小場景的物聯網監測感知數據。全域數字化現狀數據包含地理實體、地名/地址、電子地圖（底圖）數據，空間規劃主要包含總體規劃、詳細規劃和專項規劃以及歷史規劃數據，通常以GIS/CAD和時序數據格式存在，是城市空間規劃GIS系統中常見數據源。

三維數據主要是針對示范區域的傾斜攝影、激光點云等三維模型等數據，常見格式有MAX、FBX、3ds、OSGB、OBJ等，也是城市空間規劃GIS系統中的主要數據源。

BIM數據主要是圍繞城市“規、設、建、管”領域涉及的數據，主要包括局部區域（如，城市CBD）中小場景的城市設計數據（如，局部景觀設計、建筑設計、市政設計等）和建設項目數據（主要是詳細設計圖BIM成果，施工圖BIM成果和驗收BIM成果），對應BIM五級LOD分別適用于規劃、初步設計、詳細設計、施工和運營等應用場景，要兼容常見的Revit、Sketchup、Tekla、InfraWorks等數據格式。這些數據都是城市空間規劃GIS系統的重要數據源。

4.2 三維空間規劃可視化技術

三維可視化技術需提供跨平臺、跨終端、跨瀏覽器的三維可視化能力，基于WebGL的BIM模型輕量化技術搭建面向城市空間規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劃方案定制、空間方案對比、方案編輯和優化等方面的需求。

三維可視化引擎需具備海量城市空間規劃二維、三維數據流暢加載、3D視圖呈現和漫游、高逼真場景物理渲染能力。隨著三維場景內容不斷增加，三維模型的數據量也將越來越大，如，城市級3D場景。三維可視化渲染表達需要在保障海量三維場景可視化效果的同時具備最佳的性能。以高性能高效率為前提，為了降低針對系統內存的讀寫，減少對PC端和移動端設備運行溫度的影響，降低對硬件資源的消耗，通常運用WebGL等技術框架。同時，需具備LOD技術，按照多級標準劃分模型層次，并進行模型貼圖預處理，實現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.結束語

運用地理信息（GIS）技術，可以為城市空間規劃的全過程和全生命周期提供基礎，為城市空間規劃相關應用提供“可視化、三維化、動態化”的基礎底座和技術支撐。為了讓GIS技術進一步服務好未來的城市空間規劃工作，需要解決一系列問題，如，高分辨率的城市級實景三維數據覆蓋范圍有限、缺少國土空間基礎信息平臺和城市信息模型CIM平臺的支撐、基于GIS的城市規劃與城市建設運行未有效銜接、GIS平臺的海量數據承載能力不足等。為此，需要政府規劃部門、GIS企業、高校科研機構共同參與，加強技術攻關。只有充分解決以上問題，才能進一步提升城市空間規劃的合理性和科學性[5]，從而推動城市空間規劃高質量發展。