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(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)城市立體空間的全面感知和管理[1-3]。特別是智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)的建設(shè)，積累了豐富的城市二三維現(xiàn)狀數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了城市立體空間信息形象的展示、項(xiàng)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(xiàng)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(shí)空信息云平臺(tái)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(qiáng)大平面分析與3D GIS的精準(zhǔn)立體分析相結(jié)合，設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)

1.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在智慧城市時(shí)空信息云平臺(tái)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(jì)算的思想，基于B/S架構(gòu)，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

(1) 基礎(chǔ)設(shè)施層：系統(tǒng)運(yùn)行所依托的存儲(chǔ)設(shè)備、計(jì)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(shí)空信息云平臺(tái)搭建的云計(jì)算平臺(tái)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(yùn)行形成的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫組成。

(3) 基礎(chǔ)支撐平臺(tái)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(yùn)行維護(hù)的相關(guān)保障機(jī)制，包含組織機(jī)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(jì)

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(yùn)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(shí)空信息云平臺(tái)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(xiàng)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(jì)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(jì)模型：是城市設(shè)計(jì)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(bào)批報(bào)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(jì)方案模型。

a. 建筑方案模型：在建筑方案設(shè)計(jì)審查過程中，設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)的是已批未建或已批在建的項(xiàng)目的周邊建筑，為了輔助周邊項(xiàng)目的規(guī)劃審查，需要通過已經(jīng)獲批的總平面設(shè)計(jì)方案圖紙，建立三維方案的參考模型(根據(jù)總平面設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)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(shí)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(píng)審周邊現(xiàn)狀的現(xiàn)勢(shì)性，可作為現(xiàn)狀三維模型數(shù)據(jù)的補(bǔ)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(duì)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(shí)現(xiàn)了二三維場景聯(lián)動(dòng)展示[9]，便于用戶切換三維場景和二維地圖分屏聯(lián)動(dòng)和疊加查看(如圖3和圖4所示)。

圖3 二三維分屏聯(lián)動(dòng)

交互式可視化顯示可為城市設(shè)計(jì)、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(jì)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(duì)三維報(bào)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(duì)模型收件后規(guī)劃項(xiàng)目和報(bào)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?？蓮谋镜貙?dǎo)入規(guī)劃方案的三維模型到場景中，并實(shí)現(xiàn)任意角度的瀏覽和查看；對(duì)于指定方案，可以進(jìn)行建筑對(duì)象的高度、位置、朝向、體量、層數(shù)的調(diào)整，并可對(duì)模型選擇區(qū)域內(nèi)的材質(zhì)、色彩進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)方案的動(dòng)態(tài)調(diào)整，并可實(shí)現(xiàn)同一方案調(diào)整前后的對(duì)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(duì)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(shí)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(jì)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(bào)件項(xiàng)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(duì)規(guī)劃地塊建筑的限高要求，自動(dòng)檢測(cè)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(duì)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(shí)長分析主要用于方案的日照分析。日照模擬和日照時(shí)長分析分別模擬不同時(shí)間太陽對(duì)建筑方案的光照陰影效果和指定位置(如單個(gè)建筑物)一天可接受的日照時(shí)間長度，從全局和單點(diǎn)多個(gè)角度進(jìn)行日照分析(如圖8所示)。

圖8 日照時(shí)長分析

(3) 通視分析、沿路通視、視域分析從不同角度評(píng)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(duì)歷史文化保護(hù)區(qū)的景觀保護(hù)也具有重要應(yīng)用意義。

(4) 建筑間距分析自動(dòng)計(jì)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(jì)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(jì)，將二維建筑物數(shù)據(jù)生成素體建筑模型用于補(bǔ)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(jì)算是根據(jù)參數(shù)化推演出的模型，對(duì)推演出的地塊規(guī)劃開發(fā)強(qiáng)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(jì)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(duì)設(shè)計(jì)方案的建設(shè)成本進(jìn)行預(yù)估，即對(duì)涉及山體或洼地的規(guī)劃方案，根據(jù)地表模型計(jì)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(píng)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(duì)選定范圍的拆遷影響面積進(jìn)行初步計(jì)算，以及涉及各類功能用途建筑的分類統(tǒng)計(jì)。

2.5 綜合地下管線管理

綜合地下管線管理即實(shí)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(shí)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(jì)、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(dòng)展示、信息查詢與統(tǒng)計(jì)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(dòng)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(xiàng)目本身細(xì)節(jié)信息，而且能夠分析項(xiàng)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(shí)，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(shí)反映在城市三維空間中，保證三維模型數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢(shì)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(jià)值。因此，本系統(tǒng)的研究對(duì)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。