城市規劃中的BIM+GIS三維可視化系統研究

王振峰，徐明霞 （陜西國防工業職業技術學院，陜西 西安 710300）

0 前言

2018 年在中央經濟工作會議中首次提出“新型基礎設施建筑”的概念，簡稱“新基建”。所謂新基建涵蓋七大領域，即5G 基站建設、特高壓、工業互聯網、新能源充電、城際高鐵、人工智能、大數據中心，涉及諸多產業鏈。它是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的基礎設施體系。2020 年“新基建-人工智能”技術在巡檢、測溫、清潔、云端護理、無人配送和機器人等方面“大顯身手”；“新基建-大數據中心”技術使國民能夠時刻了解現狀和發展態勢；“新基建-工業互聯網”技術，使企業彼此之間打通資源、共享互利。在“新基建”背景下，建筑行業勢必需要以建筑信息化技術（BIM 技術）手段改變傳統生產方式，使其向綠色、節能、環保、智能的理念持續推進。并且，近年來智慧城市風潮逐漸影響全國，尤其是國家“十二五”規劃對智慧城市的支持和鼓勵，期間有約400 余個城市和地區啟動智慧城市的建設。近幾年我國先后出臺了《國家新型城鎮化規劃（2014-2020 年）》《國務院關于促進信息消費擴大內需的若干意見》，其中明確提出加快智慧城市建設；由發改委、工信部、科技部等八部委聯合發布的《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》中提出到2020 年建成一批特色鮮明的智慧城市的目標。在智慧城市基礎設施建設方面，各職能部門（如國土、林業、交通、市政、道路、規范、礦產、地質、水利等）都有各自的職責和業務應用系統，造成了各個職能部門各自為政、數據資源封閉、基礎設施建設重復等諸多問題，導致浪費大量資金和材料，成為智慧城市中基礎設施規劃和選址建設的重要瓶頸。

“城市建設，規劃先行”，智慧城市規劃，尤其是土地利用規劃是推動智慧城市建設的重要基礎[1]。在智慧城市建設背景下，土地利用規劃鼓勵系統、智慧、動態地思考與解決城市土地利用的各種問題，以系統化、結構化、智能化的技術與工具為支持，科學分析城市土地大數據，審視城市土地資源條件、功能布局、支撐體系等內容，制定科學與合理的智慧城市土地利用規劃方案。城市土地利用規劃應是對傳統土地規劃理論的深化與拓展，應從規劃初始階段嵌入“智慧”理念。其一，注重頂層設計，面向城市本身層次及土地利用需求，因地制宜，將城市特色體現出來；其二，提高對近期建設規劃的重視，將信息技術、物聯網等技術作為重點，進行智慧城市土地利用“神經”的搭建；其三，中期規劃逐步向智慧土地應用的領域拓展，進一步結合土地的空間功能，提升品質，增強土地利用的可持續發展能力。

BIM+GIS 方面，在國內外專家和學者主要集中的土地合理利用上，提出了扇形理論、多核理論和同心圓理論。這些理論主要用在城市綜合體選址、商業用地規劃建設方面，將其用在基礎設施建設方面，存在一定的局限性。唐小龍和張宜華[2]提出了對利用BIM+GIS 構建建筑綜合信息平臺，分析該平臺在智慧城市和智慧工地的實施效果，提升了建筑工程管理水平和能力。徐旻洋[3]通過建立BIM+GIS 大數據基礎平臺，采集城市管理數據，融合時空定標與信息數據，初步實現了城市管理的數字化。邱耀林[5]系統地總結了GIS 技術在城市規劃中的應用原則及GIS 預測模型輔助分析系統在城市規劃應用的情況，為城市規劃的管理提供了參考。高琪[8]通過GIS+BIM 技術，借助檔案數據庫系統構建了城建項目數字系統，制定了信息數據標準，把城建項目信息歸化管理，實現了城建項目地理信息與空間信息的連接，為城市規劃提供了參考資料。賈敦新[10]以重慶悅來生態城城市規劃數據為基礎，利用GIS 的空間和指標統計分析融合技術，分析重慶城市生態空間格局和環境，重新構建了城市生態空間框架，把城市地形、地貌進行數據重疊，選取最佳城市植物綠化線路，通過GIS+GPS 建立城市生態信息數據庫。

國內外對智慧城市規劃研究主要集中在：①基本內涵的研究，分為技術導向型和政策導向型；②技術支撐研究，主要研究智慧城市的核心技術，包括了大數據、云計算、智能識別等諸多方面，而這些技術被廣泛地應用在智慧城市建設的各個方面，如智慧政務、智慧社區、智慧醫療、智慧交通等。另外，現在GIS +BIM 技術的應用大部分都在交通領域，而在城市地理空間信息的智慧規范方面的研究較少，本研究利用GIS 技術、BIM技術結合大數據平臺分析，以期對智慧城市的規劃和管理提供一定的應用參考。

1 設計方法

1.1 BIM與GIS模型空間基準

經過獨立設計的BIM 模型，即使經過模型的格式整合，BIM 的模型空間仍然是處于獨立的坐標系統下[3]。在將BIM 模型與三維的GIS 場景進行交互的過程中，處理BIM 模型組件正確的空間拓撲關系，需要通過模型的族坐標系和全局坐標系的幾何轉換，保證組件空間關系的正確性[4]。BIM 相鄰實體模型間正確的相對空間關系可以通過模型測量點和實際測量點的坐標建立參考關系，完成兩者空間基準的統一，實現BIM 模型在GIS模型里的正確定位[5]。

1.2 系統總體框架

BIM 與GIS 的三維可視化系統首先將BIM 模型、地形數據匯總到三維GIS平臺中，然后通過GIS 平臺將所設計的建筑信息數據和基礎的地理空間信息進行三維展示，最后利用BIM 中的數據和建筑設計標準庫中的間距量化指標來審批設計方案。BIM 與GIS 三維可視化系統主要由數據模塊、服務模塊和應用模塊組成，整體框架如圖1所示。

圖1 系統流程圖

1.3 系統應實現的功能

可以展示多元數據融合形成的三維場景；可以根據不同的功能要求將系統劃分為多個子模塊，如光照模擬模塊、模擬城市空間測量模塊與設計開發項目審批模塊；系統應當包含所有的可視化對象，能夠對城市規劃場景進行統一管理；系統應當包含項目中所有組件的完整屬性信息；能夠查看與修改項目組件信息。

2 設計結果與分析

2.1 BIM到GIS模型轉換

首先對BIM 模型過濾得到模型的幾何信息和項目屬性信息，按照組件類別進行命名，分類存放建筑的幾何模型信息，單獨模塊組件用Element ID 命名，然后對得到的信息進行解析，解析完成后的組件屬性信息用EXCEL 進行存儲，簡化系統讀取信息與管理建筑參數信息的過程。

2.2 三維融合場景瀏覽

三維可視化系統通過對skyline 的二次開發，實現數字模擬數據、三維建筑模型數據、正影像圖數據、畫圖數據的多元融合，窗口的瀏覽模式也應當方便用戶瀏覽操作。

圖2 瀏覽操作界面圖

2.3 城市規劃參數信息管理

從BIM 模型解析得到的城市規劃參數信息通過單獨的Element ID 與簡述的幾何模型關聯起來，進行統一的管理。城市規劃參數信息模塊由參數信息查詢、城市規劃屬性總表和建筑屬性信息修改組成。參數信息可以通過城市規劃組件模型的Element ID 進行查詢；城市規劃總屬性表中包含了城市規劃所有組件的詳細信息，可以全面地管理與展示城市規劃的組件信息；通過查詢城市規劃組件的ID，在數據模型或總屬性表上可以修改組件的信息。

2.4 光照模擬仿真

光照模擬仿真模塊通過模擬太陽光實時照射，查看城市規劃建筑物模型陰影效果和建筑物的光照遮擋情況，為城市規劃設計提供更加直觀的場景日照效果。利用體元柵格來表達日照率的三維空間分布，可以全方位對日照的分布進行表達，不僅局限在表面；同時利用動態過濾的方式，可以看到模型內部的日照情況，獲得更多信息。

圖3 光照模擬圖

2.5 城市規劃三維場景空間測量

通過在三維GIS 場景中進行交互式測量，可以快速獲得城市建筑物的面積與空間距離。系統提供的交互式測量工具應當實現測量空間中同一水平面上兩點間的直線距離，測量空間中同一個豎直平面所選組件的直線高度，測量空間中任一組建的面積和體積。

2.6 城市規劃建筑的間距審批

城市規劃建筑的間距審批需要獲取建筑物模型的關鍵要素，得到建筑物組建的底部輪廓。測量建筑物底部輪廓的間距，合格的底部外輪廓用綠色表示，不滿足建筑物間距審批的底部輪廓用紅色加寬線表示，同時紅色加寬線周圍用注釋框將設計建筑物應符合的標準間距進行展示。

2.7 建筑限高核查

在建筑限高核查中首先需要對城市不同區域的建筑限高進行查詢再輸入到系統模型中，然后再將城市規劃設計項目中的建筑物與該區域的建筑限高進行比較，不符合限高條件的建筑模型用紅色半透明的三維立方體標出，最后要用紅色注釋框標出該區域的限高數值。

2.8 建筑密度與容積率核查

城市規劃建筑密度與城市規劃區域建筑容積率的核查首先需要設置城市規劃用地總面積與該區域的限高，然后將建筑物基地面積、建筑物總面積與城市規劃用地總面積求比后得到城市規劃設計建筑密度與建筑物的統計率，最后通過區域限高條件，將城市規劃設計值與規劃審批標準庫中的標準值進行對比，完成審批。

3 結論

BIM 與GIS 是城市規劃領域重要的技術平臺，將BIM 與GIS 二者結合起來的可視化系統能夠解決城市規劃協同性差和打破相關專業壁壘的問題，并且為城市規劃由二維向三維之間的轉變搭建了橋梁，為城市規劃設計人員提供了便利，有益于城市建設的發展。但是目前BIM 與GIS 的結合方式主要是軟件平臺的結合與數據標準的交互，系統之間的兼容性與設計流程優化問題有待進一步發展。