三維GIS應(yīng)用于規(guī)劃審批中的關(guān)鍵技術(shù)研究

馮 琰，郭容寰，劉一寧

(上海市測(cè)繪院基礎(chǔ)地理信息中心，上海200063)

一、引 言

三維GIS作為二維GIS的延伸，已經(jīng)日趨成熟，有條件應(yīng)用于國(guó)土規(guī)劃、城市應(yīng)急、城市安全等各行業(yè)領(lǐng)域。隨著城市建設(shè)不斷向縱深、向地下空間、向綜合性的快速發(fā)展，國(guó)土規(guī)劃中的規(guī)劃審批工作，正迫切需要三維技術(shù)的支撐。

三維GIS形象真實(shí)地描述了城市三維地理空間的內(nèi)容，它不僅具有虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)的真實(shí)感，而且具有真實(shí)的地理坐標(biāo)，以及具有空間分析和空間運(yùn)算能力。三維GIS相關(guān)技術(shù)包括三維數(shù)據(jù)采集技術(shù)、三維城市建模技術(shù)、三維數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、三維可視化技術(shù)及三維應(yīng)用技術(shù)等。隨著近十年來(lái)國(guó)內(nèi)外科研人員在三維GIS領(lǐng)域的不斷探索和研究，三維GIS相關(guān)技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，為三維GIS在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了有力條件，尤其是在城市規(guī)劃領(lǐng)域，三維GIS擁有很大的施展空間。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)三維GIS的研究主要集中于空間數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)建模、數(shù)據(jù)管理、三維可視化表現(xiàn)和空間分析等方面。而三維技術(shù)專門(mén)針對(duì)城市規(guī)劃管理方面的應(yīng)用研究，主要集中于利用專門(mén)的三維平臺(tái)系統(tǒng)或虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并結(jié)合規(guī)劃管理相關(guān)工作進(jìn)行;也有基于三維GIS對(duì)城市規(guī)劃某一方面開(kāi)展專題研究的。而對(duì)于規(guī)劃審批，多數(shù)城市還是以二維GIS為主來(lái)應(yīng)用，通過(guò)將規(guī)劃審批數(shù)據(jù)納入二維GIS數(shù)據(jù)庫(kù)，建立規(guī)劃成果信息庫(kù)，并用二維GIS手段提高控規(guī)編制和審批的銜接［1］。

將三維GIS應(yīng)用到規(guī)劃審批，為規(guī)劃審批提供有效的技術(shù)手段，必須解決三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：一是對(duì)規(guī)劃審批相關(guān)數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行有效管理，即建立規(guī)劃審批三維數(shù)據(jù)庫(kù)，為規(guī)劃審批提供三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ);二是探索規(guī)劃審批數(shù)據(jù)在三維空間的有效表達(dá)和管理方式，本文提出三維控制盒，將規(guī)劃控制指標(biāo)體系賦予三維控制盒，利用控制盒直觀形象地表達(dá)規(guī)劃控制內(nèi)容，為規(guī)劃審批提供了表達(dá)和管理基礎(chǔ);三是研究實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維空間分析算法，如建筑物投影面獲取、平立剖面獲取、復(fù)雜模型三維空間交集運(yùn)算等三維空間算法，這些算法的實(shí)現(xiàn)為三維規(guī)劃審批提供了有效技術(shù)手段。

二、規(guī)劃審批三維數(shù)據(jù)庫(kù)

國(guó)內(nèi)很多城市都建立了城市三維數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)基礎(chǔ)以現(xiàn)狀地理信息，以及建筑設(shè)計(jì)和城市設(shè)計(jì)方案的三維模型為主，主要功能包括城市形態(tài)展示、規(guī)劃成果展示等。其中，有些城市還利用三維數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)建筑設(shè)計(jì)方案開(kāi)展比選工作，以此作為項(xiàng)目審批的輔助手段。但對(duì)于規(guī)劃審批，尚無(wú)其他城市建立相關(guān)的三維數(shù)據(jù)庫(kù)，規(guī)劃審批仍以二維數(shù)據(jù)為主。本文將重點(diǎn)介紹規(guī)劃審批三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建設(shè)方法。

三維GIS的基礎(chǔ)是三維數(shù)據(jù)，以現(xiàn)有的二維、三維地理信息數(shù)據(jù)及規(guī)劃控制數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用遙感、數(shù)據(jù)庫(kù)、三維GIS等技術(shù)，用三維技術(shù)和三維GIS理念去設(shè)計(jì)和管理規(guī)劃審批數(shù)據(jù)。規(guī)劃審批三維數(shù)據(jù)庫(kù)包括三維基礎(chǔ)地理庫(kù)、三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)和三維建筑設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)庫(kù)3部分。

1.三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)

三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)包括基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)、航空影像數(shù)據(jù)、地下管線數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)。三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)是控詳規(guī)劃三維數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)，它用直觀、形象的三維空間要素來(lái)表達(dá)現(xiàn)實(shí)世界。利用三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)建的城市三維GIS場(chǎng)景，不同于計(jì)算機(jī)動(dòng)畫(huà)和仿真模擬，它是以真實(shí)的三維地理坐標(biāo)為基礎(chǔ)，空間要素位置關(guān)系與現(xiàn)實(shí)世界完全一致，可以進(jìn)行任意飛行、旋轉(zhuǎn)和漫游［4］，為控詳規(guī)劃編制提供了真實(shí)的三維數(shù)據(jù)和逼真的三維環(huán)境。同時(shí)，為控詳規(guī)劃階段的現(xiàn)狀調(diào)查、資料收集、用地分析等提供了直觀的科學(xué)依據(jù)［4］。

2.三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)

三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)建立在三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，由規(guī)劃編制中各種過(guò)程數(shù)據(jù)和成果數(shù)據(jù)組成，包括控規(guī)文件、控規(guī)圖紙、控規(guī)圖則和城市設(shè)計(jì)方案?？匾?guī)文件是由規(guī)劃說(shuō)明書(shū)、實(shí)施文本和各種附件資料組成;控規(guī)圖紙包括各種規(guī)劃圖和現(xiàn)狀圖數(shù)據(jù);控規(guī)圖則由每個(gè)地塊的控制指標(biāo)、相關(guān)控制要求和規(guī)劃意圖及大比例尺控詳規(guī)劃圖紙組成，控規(guī)圖則為土地出讓提供招議標(biāo)底條件和為修建性詳細(xì)規(guī)劃提供編制準(zhǔn)則和要求［5］，控規(guī)圖則包括普適圖則和附加圖則;城市設(shè)計(jì)方案是城市設(shè)計(jì)內(nèi)容在控制性詳細(xì)規(guī)劃中的體現(xiàn)，是對(duì)城市三維空間和環(huán)境的綜合規(guī)劃設(shè)計(jì)，具有深化城市規(guī)劃的作用，城市設(shè)計(jì)方案成果形式有效果圖、動(dòng)畫(huà)和三維模型等多種。

為了將控規(guī)文件、控規(guī)圖紙、控規(guī)圖則和城市設(shè)計(jì)方案等控規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效組織和管理，同時(shí)將控規(guī)數(shù)據(jù)在三維場(chǎng)景中進(jìn)行直觀形象的表現(xiàn)。本文提出三維控制盒概念，利用三維控制盒將控規(guī)數(shù)據(jù)以立體圖形和屬性等方式進(jìn)行管理和表現(xiàn)，關(guān)于三維控制盒理論將在第3章中詳細(xì)闡述。

3.建筑設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)庫(kù)

建筑設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)庫(kù)建立在三維控規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上，依據(jù)控詳規(guī)劃要求，對(duì)地塊的建筑形式進(jìn)行全面設(shè)想，并根據(jù)其功能具體確定建筑物的空間組合形式和詳細(xì)尺寸，構(gòu)造及材料等。建筑設(shè)計(jì)方案是周?chē)h(huán)境、城市歷史文脈及城市控制性詳細(xì)規(guī)劃相協(xié)調(diào)的結(jié)果［6］，建筑設(shè)計(jì)方案的成果形式有平立剖設(shè)計(jì)圖、效果圖、動(dòng)畫(huà)和三維模型等多種。

建筑設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)庫(kù)與三維基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)結(jié)合，可以為規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理人員提供直觀手段，判斷建筑設(shè)計(jì)方案是否與現(xiàn)狀周邊環(huán)境是否協(xié)調(diào);建筑設(shè)計(jì)方案數(shù)據(jù)庫(kù)與三維控規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，可以為規(guī)劃設(shè)計(jì)和管理人員提供有效控制手段，判斷建筑設(shè)計(jì)方案是否滿足控詳規(guī)劃各種指標(biāo)控制要求，以上兩者的實(shí)現(xiàn)，都必須依靠三維GIS技術(shù)。為了將三維GIS技術(shù)有效地融入控制性詳細(xì)規(guī)劃，本為提出三維控制盒概念，利用其作為有效載體和控制方法，下面將詳細(xì)闡述三維控制盒理論。

三、三維控制盒

三維控制盒是以三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，利用空間形態(tài)和屬性等方式來(lái)管理和表達(dá)控規(guī)數(shù)據(jù)，使得規(guī)劃控制數(shù)據(jù)能以統(tǒng)一有效的方式進(jìn)行管理，同時(shí)使得規(guī)劃數(shù)據(jù)在三維GIS場(chǎng)景中得以直觀形象地表現(xiàn)。利用三維GIS技術(shù)，三維控制盒將抽象的控規(guī)要素進(jìn)行形象化的三維表達(dá)，可根據(jù)每個(gè)規(guī)劃地塊的退界和控高等控制要素生成控制盒。如圖1為某規(guī)劃地塊控制盒在三維GIS場(chǎng)景中展示效果，在空間形態(tài)方面，控制盒形象地反映了這個(gè)地塊的空間控制要素，也就是說(shuō)每個(gè)地塊的設(shè)計(jì)方案不能超出控制盒的范圍，在一定程度上對(duì)設(shè)計(jì)方案的空間形體進(jìn)行了控制;在屬性方面，每個(gè)控制盒都帶有相應(yīng)地塊的控規(guī)指標(biāo)數(shù)據(jù)，如地塊編號(hào)、用地代碼、建筑密度等，在三維GIS場(chǎng)景中可以實(shí)時(shí)查詢?nèi)我饪刂坪兴鶐傩孕畔?，為控制盒在?yīng)用方面進(jìn)一步拓展奠定了良好基礎(chǔ)。

圖1 某規(guī)劃地塊三維控制盒

根據(jù)不同地區(qū)的控詳規(guī)劃成果，以及規(guī)劃實(shí)施的要求，三維控制盒分為4種類型，分別為基礎(chǔ)控制盒、精細(xì)控制盒、擴(kuò)展控制盒和地下控制盒?；A(chǔ)控制盒用于一般地區(qū)，根據(jù)控規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的地塊邊界、用地性質(zhì)、建筑控制線、建筑高度等指標(biāo)形成的控制盒，控規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的其他指標(biāo)作為屬性賦予控制盒;精細(xì)控制盒用于重點(diǎn)地區(qū)，結(jié)合城市設(shè)計(jì)方案，按照控規(guī)數(shù)據(jù)庫(kù)中的公共通道、業(yè)態(tài)功能、建筑形式、建筑層數(shù)、標(biāo)志性建筑位置等控制要素，對(duì)基礎(chǔ)控制盒進(jìn)行細(xì)化而形成的控制盒;擴(kuò)展控制盒可在規(guī)劃實(shí)施過(guò)程中，按照規(guī)劃執(zhí)行的要求，對(duì)于基礎(chǔ)控制盒的地塊邊界、容積率、建筑高度等部分控制要素進(jìn)行彈性擴(kuò)展;地下控制盒反映了地下空間的可開(kāi)挖范圍，根據(jù)三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)的地下控制指標(biāo)生成。

四、三維規(guī)劃審批空間分析

在傳統(tǒng)的二維規(guī)劃審批中，建筑設(shè)計(jì)方案的關(guān)鍵控制指標(biāo)都要靠人工計(jì)算和比對(duì)，這樣費(fèi)時(shí)費(fèi)力。在三維規(guī)劃審批中，在三維規(guī)劃審批數(shù)據(jù)庫(kù)和三維控制盒基礎(chǔ)上，利用三維空間分析可以實(shí)現(xiàn)規(guī)劃指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)的自動(dòng)計(jì)算和比對(duì)，如建筑高度、建筑退界、貼現(xiàn)率、分層密度、建筑密度等。

1.建筑高度分析

利用三維控制盒與建筑設(shè)計(jì)方案模型進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，可以判斷建筑設(shè)計(jì)方案是否超高，如果超高，還可以精確得到超高數(shù)值。如圖2中深灰色部分為超高部分。

圖2 建筑高度分析

2.建筑退界分析

利用三維控制盒與建筑設(shè)計(jì)方案模型進(jìn)行空間疊加運(yùn)算，可以判斷建筑設(shè)計(jì)方案是否超界，如果超界，還可以精確得到超界數(shù)值。如圖3中深灰色部分為超界部分。

圖3 建筑退界分析

3.建筑貼線率分析

建筑貼線率是指建筑貼合某一分界面的墻面長(zhǎng)度與該界面長(zhǎng)度的比值，實(shí)際計(jì)算時(shí)，建筑貼合界面部分的長(zhǎng)度取的是建筑墻面與界面距離不超過(guò)2 m部分的長(zhǎng)度。建筑貼線率的意義是控制建筑面向公共界面的形態(tài)和視覺(jué)效果。建筑貼線率計(jì)算時(shí)，利用建筑設(shè)計(jì)方案某邊到控制盒對(duì)應(yīng)邊的投影長(zhǎng)度與控制盒該邊長(zhǎng)度進(jìn)行比值運(yùn)算?？紤]到建筑設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜性，計(jì)算時(shí)須顧及異性建筑結(jié)構(gòu)和貼線邊后移方法。圖4中深灰色邊貼線率超標(biāo)。

圖4 建筑貼線率分析

4.建筑分層密度分析

建筑分層密度是建筑密度概念的延伸，指的是建筑在某個(gè)高度區(qū)間內(nèi)的建筑密度。建筑分層密度計(jì)算時(shí)，根據(jù)地塊控制盒的具體分層密度指標(biāo)，將控制盒分為若干個(gè)不同的高度區(qū)間，利用區(qū)間的上限和下限截取建筑，再利用截取部分進(jìn)行投影，最后求出投影部分的面積，進(jìn)而求出每個(gè)高度區(qū)間內(nèi)的建筑密度，并與控制指標(biāo)進(jìn)行比較，即可得出分層密度是否超限。圖5中深灰色部分為建筑分層密度超出的部分。

圖5 建筑分層密度分析

以上只列舉了三維規(guī)劃審批中幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)的空間分析示例，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)三維控制盒和建筑設(shè)計(jì)方案模型進(jìn)行多種指標(biāo)的計(jì)算。

五、應(yīng)用實(shí)例

本文所探索的三維規(guī)劃審批關(guān)鍵技術(shù)已經(jīng)在上海市虹橋商務(wù)區(qū)核心區(qū)案例中得到很好的實(shí)踐和應(yīng)用。虹橋商務(wù)區(qū)三維規(guī)劃審批平臺(tái)，包含數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、后臺(tái)分析系統(tǒng)、應(yīng)用發(fā)布系統(tǒng)和業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)4個(gè)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目審批、方案比較、指標(biāo)校核及各種分析功能于一體的業(yè)務(wù)和辦公平臺(tái)，為規(guī)劃管理人員提供直觀、系統(tǒng)和高效地三維可視化管理平臺(tái)。三維規(guī)劃數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)完成對(duì)三維基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)劃要素和規(guī)劃方案等數(shù)據(jù)管理、維護(hù)等工作;三維規(guī)劃管理后臺(tái)分析系統(tǒng)完成復(fù)雜的三維空間分析和運(yùn)算，為三維規(guī)劃管理和審批提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐;三維規(guī)劃管理應(yīng)用發(fā)布系統(tǒng)是將后臺(tái)分析系統(tǒng)中的各種分析功能和分析結(jié)果進(jìn)行包裝和分發(fā)，以服務(wù)或者XML方式發(fā)布到三維規(guī)劃管理平臺(tái)中，同時(shí)完成獲取三維規(guī)劃管理平臺(tái)的用戶消息，并將消息進(jìn)行解譯傳遞到后臺(tái)分析系統(tǒng);三維規(guī)劃管理業(yè)務(wù)服務(wù)系統(tǒng)有效結(jié)合規(guī)劃管理的日常業(yè)務(wù)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，將數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、后臺(tái)分析系統(tǒng)和應(yīng)用發(fā)布系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，使得三維規(guī)劃管理平臺(tái)更加貼合實(shí)際應(yīng)用，切實(shí)將三維技術(shù)融入到三維規(guī)劃管理日常業(yè)務(wù)辦公中，有效提高規(guī)劃管理的技術(shù)手段和辦公效率。系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 虹橋商務(wù)區(qū)三維規(guī)劃審批平臺(tái)

六、結(jié)束語(yǔ)

本文探索了三維GIS應(yīng)用于規(guī)劃審批的關(guān)鍵技術(shù)，研究了規(guī)劃審批三維數(shù)據(jù)庫(kù)的建立流程和方法，為規(guī)劃審批提供三維數(shù)據(jù)基礎(chǔ);探索規(guī)劃審批數(shù)據(jù)在三維空間的有效表達(dá)和管理方式，利用控制盒直觀形象地表達(dá)規(guī)劃控制內(nèi)容，為規(guī)劃審批提供了表達(dá)和管理基礎(chǔ);研究實(shí)現(xiàn)復(fù)雜三維空間分析算法，為三維規(guī)劃審批提供了有效技術(shù)手段。最后本文通過(guò)虹橋商務(wù)區(qū)三維規(guī)劃審批管理平臺(tái)將上述關(guān)鍵技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。

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