地理設(shè)計系統(tǒng)框架研究及實踐

薛梅，何興富，邱月

(重慶市勘測院，重慶 400020)

1 引言

地理設(shè)計是將設(shè)計方案的形成和地理環(huán)境影響因素模擬緊密結(jié)合在一起的規(guī)劃設(shè)計方法［1］，通過將地理環(huán)境展示、模擬、分析功能帶入城市規(guī)劃設(shè)計流程，使從設(shè)計草圖到設(shè)計成果之間的各個環(huán)節(jié)都能得到分析和評審［1，2］。與傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方法工具相比，地理設(shè)計除了能夠直觀展示設(shè)計方案的視覺效果，更重要的是通過強大的空間數(shù)據(jù)管理和分析特性，進(jìn)行反復(fù)和快速的影響評估，并不斷優(yōu)化設(shè)計方案。

現(xiàn)有的地理設(shè)計研究主要包括理論和實踐兩個方面。理論研究主要集中于地理設(shè)計定義、作用及前景的探討;實踐層面大多基于傳統(tǒng)GIS、CAD軟件進(jìn)行擴(kuò)展，為設(shè)計人員提供草繪、分析、評估工具，缺少涵蓋設(shè)計領(lǐng)域知識、工具軟件、過程交互的完整體系［2～6］，這使得跨專業(yè)、跨學(xué)科間的地理設(shè)計應(yīng)用變得困難。本文針對上述地理設(shè)計研究中存在的問題，提出地理設(shè)計系統(tǒng)的基本框架，建立了本體驅(qū)動的設(shè)計模型，實現(xiàn)多專業(yè)協(xié)同的地理設(shè)計引擎及其關(guān)鍵組件，并以市政道路設(shè)計為例開展了實踐。

2 地理設(shè)計系統(tǒng)框架

地理設(shè)計系統(tǒng)的目標(biāo)在于通過現(xiàn)代計算機技術(shù)、通訊技術(shù)、協(xié)同技術(shù)，將領(lǐng)域知識和社會價值更有效地集成到設(shè)計活動中，以實現(xiàn)對規(guī)劃設(shè)計活動的增強［7］。

要實現(xiàn)這一目標(biāo)，需要解決3個方面的主要問題:①建立具有地理定位和語義含義的數(shù)據(jù)模型，用于表達(dá)、模擬、存儲和分享設(shè)計方案;②基于這個數(shù)據(jù)模型規(guī)范設(shè)計工作流程，實現(xiàn)多專業(yè)、多人員分散協(xié)同的規(guī)劃設(shè)計;③加強規(guī)劃設(shè)計過程中多角色參與和討論，使規(guī)劃設(shè)計方案能代表利害關(guān)系人以及公眾的多元化利益。

地理設(shè)計系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。在分布式地理空間環(huán)境支撐下，本體驅(qū)動的設(shè)計方案模型實現(xiàn)了面向知識的設(shè)計方案存儲與管理，地理設(shè)計工作流程引擎對設(shè)計過程進(jìn)行了全方位的支撐，通過交互式演示匯報和公眾反饋提高規(guī)劃過程參與。

圖1 地理設(shè)計系統(tǒng)框架

3 本體驅(qū)動的設(shè)計方案模型

3.1 傳統(tǒng)設(shè)計方案不足

目前，CAD工具軟件在設(shè)計市場中占據(jù)主要地位，其通常采用文字標(biāo)志點、圖形、顏色、圖層的形式來存儲設(shè)計方案。其主要優(yōu)勢在于利用成熟的作圖工具，達(dá)到“所見即所得”的直觀效果。但其中的語義表達(dá)模糊，必須有外部文檔清晰解釋圖層命名和圖形標(biāo)準(zhǔn)，才能實現(xiàn)文件的共享，增大了文件之間的耦合度;其次，在后期設(shè)計變更中，各設(shè)計方案版本之間缺乏必要關(guān)聯(lián)性，給多設(shè)計者、多專業(yè)的交互設(shè)計帶來影響和干擾;最后，為了對設(shè)計效果進(jìn)行定量評估，必須對設(shè)計方案進(jìn)行重新編碼，以滿足不同評估模型的需求，后期工作量較大。

因此，以CAD為代表的傳統(tǒng)設(shè)計方式比較適用于單體方案的設(shè)計和展示，缺少對周邊環(huán)境的考慮和模擬評估，難以適應(yīng)多元化的設(shè)計需求。

3.2 地理設(shè)計方案新需求

和傳統(tǒng)設(shè)計方式相比，地理設(shè)計更強調(diào)對設(shè)計方案周邊環(huán)境的影響評估，通過設(shè)計過程中的評估反饋，不斷優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計方案。這一目標(biāo)給地理設(shè)計方案模型提出了兩個方面新需求:地理定位和語義。通過地理定位將設(shè)計方案和特定地點關(guān)聯(lián)，有助于收集、獲取方案及周邊環(huán)境、社會、經(jīng)濟(jì)等相關(guān)信息，為設(shè)計過程中的模擬和方案評估提供數(shù)據(jù)依據(jù);通過語義信息明確表達(dá)空間數(shù)據(jù)隱含的設(shè)計知識，提高設(shè)計成果表達(dá)的準(zhǔn)確性、完整性，為多專業(yè)、跨學(xué)科的規(guī)劃設(shè)計過程提供基礎(chǔ)模型支撐。

3.3 本體驅(qū)動的設(shè)計模型

利用本體方法研究地理設(shè)計方案模型，為解決以上問題提供了有效途徑。地理本體既準(zhǔn)確地描述了概念含義，又描述了概念之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，能夠有效地表達(dá)特定領(lǐng)域內(nèi)的知識，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)集之間的集成，為設(shè)計方案的共享、設(shè)計過程互操作提供解決方案［8，9］。

針對具體應(yīng)用領(lǐng)域，首先建立領(lǐng)域本體樹，以描述空間數(shù)據(jù)的語義內(nèi)容，利用一系列構(gòu)成樹狀結(jié)構(gòu)的概念作為共享的知識庫，以表達(dá)領(lǐng)域知識，然后建立該領(lǐng)域相關(guān)對象結(jié)構(gòu)，通過參數(shù)化驅(qū)動方法進(jìn)行對象的構(gòu)造建模。

城市由幾個子本體模型組成，如圖2所示，本體模型按照路網(wǎng)、地塊、建筑、景觀、設(shè)計約束和公共空間進(jìn)行劃分，將城市理解為不同的復(fù)雜本體系統(tǒng)，例如城市路網(wǎng)系統(tǒng)。每一個子本體系統(tǒng)縱向分為一系列的對象類，如路網(wǎng)系統(tǒng)按照設(shè)計等級分為快速路(UE)、主要道路(MS)、次要道路(SMS)、內(nèi)部道路(SR)和道路結(jié)構(gòu)(SS)。不同子系統(tǒng)之間存在橫向和交錯的關(guān)聯(lián)，在圖中由線段連接，例如快速路連通城市各大組團(tuán)，現(xiàn)狀約束要素(如河流、湖泊)約束道路生長。由此，構(gòu)成了城市本體模型的層次分支和交錯關(guān)系圖。

圖2 城市本體模型

在城市本體模型中，每個對象類具有不同的類型選項和屬性，以市政道路設(shè)計方案為例。

4 地理設(shè)計工作流程引擎

4.1 傳統(tǒng)設(shè)計流程與地理設(shè)計工作流程比較

以CAD軟件為主要工具的傳統(tǒng)設(shè)計流程與地理設(shè)計工作流程最主要區(qū)別為:在傳統(tǒng)設(shè)計中，設(shè)計和評估兩個環(huán)節(jié)是完全分離的，通常在不同的時間階段，由不同的工作團(tuán)隊完成;而地理設(shè)計將設(shè)計和評估緊密結(jié)合起來，總的想法是提供一個實時的“儀表盤”給設(shè)計者，幫助設(shè)計者隨時調(diào)整設(shè)計方案。例如可能顯示隨地理情況而變化的成本評估器。圖3和圖4分別展示傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計流程和地理設(shè)計流程。

圖3 傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計流程

圖4 地理設(shè)計工作流程

4.2 關(guān)鍵組件

地理設(shè)計工作流程引擎在分布式地理空間環(huán)境支撐下，實現(xiàn)對地理設(shè)計全過程的支撐。除了融合CAD、GIS等已有工具特性外，還需要通過靈活的組件設(shè)計來實現(xiàn)。

核心地理設(shè)計引擎應(yīng)包括以下組件:①圖形繪制器:綜合CAD和GIS工具的特性，既支持各種復(fù)雜平面幾何形狀的繪制與編輯，又能根據(jù)設(shè)計方案預(yù)設(shè)要素的圖形顯示方式，提高草繪效率，減少重復(fù)工作。②實時評估儀表板:在設(shè)計過程中對設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行實時監(jiān)控并加以反饋，便于設(shè)計人員實時調(diào)整設(shè)計方案。③協(xié)同設(shè)計工具集:實現(xiàn)多人、多專業(yè)參數(shù)化、協(xié)同設(shè)計，當(dāng)某個環(huán)節(jié)設(shè)計變更時，通過消息機制通知其他參與者，管理其引用成果的更新工作。④細(xì)節(jié)抽象器:對不同設(shè)計階段設(shè)置不同的細(xì)節(jié)抽象層次，并實現(xiàn)不同細(xì)節(jié)抽象層次之間的切換。⑤版本管理器:以一種一致的命名約定來檢索不同版本變化，實現(xiàn)版本的存儲與回溯。⑥模擬評估器:在虛擬地理環(huán)境(例如三維場景中)，基于已有的評估模型，對設(shè)計方案進(jìn)行全面的模擬評估，如圖5所示。

圖5 地理設(shè)計引擎關(guān)鍵組件

5 規(guī)劃過程參與

規(guī)劃設(shè)計重要目標(biāo)之一在于保障城市空間利益的最大化，這一目標(biāo)需要通過加強多元利益主體在規(guī)劃過程中的參與實現(xiàn)。不管是面向業(yè)主的演示匯報，還是征求公眾意見，都需要不具備設(shè)計專業(yè)知識的利益主體參與到規(guī)劃設(shè)計的過程中。

地理設(shè)計系統(tǒng)為規(guī)劃過程的多方參與提供了解決方案。①通過圖形方式集成展示方案周邊地理環(huán)境，使參與者更快速、透徹地理解設(shè)計意圖;②將設(shè)計成果整合到虛擬地理環(huán)境，實現(xiàn)設(shè)計成果的動態(tài)模擬與影響評估，便于參與者了解設(shè)計帶來的后果，進(jìn)行直觀選擇;③通過網(wǎng)絡(luò)互操作、內(nèi)容集成、三維場景交互操作、自動演示等技術(shù)，在地理設(shè)計系統(tǒng)中交互式融入?yún)R報內(nèi)容，提高傳統(tǒng)演示匯報互動性，如圖6所示。

圖6 設(shè)計方案交互式演示

6 地理設(shè)計實踐

地理設(shè)計原型系統(tǒng)基于Skyline基礎(chǔ)平臺，集成實現(xiàn)了引擎關(guān)鍵技術(shù)組件，初步實現(xiàn)在三維地理環(huán)境下市政道路設(shè)計、模擬與評估。

6.1 市政道路設(shè)計方案本體模型

根據(jù)設(shè)計領(lǐng)域知識［10］，市政道路本體模型由參數(shù)化驅(qū)動的屬性集表述，概念之間是繼承和聚集關(guān)系。其主要包括路段、平面線型、橫斷面、縱斷面、超高、加寬。如道路的橫斷面設(shè)計可以表示如圖7所示:

圖7 道路橫斷面構(gòu)成

采用UML方式對道路本體的對象、屬性建模，生成組件的參數(shù)模型，如平面線型的結(jié)構(gòu)圖如圖8所示:

圖8 平面線形結(jié)構(gòu)UML圖

6.2 可視化三維道路設(shè)計與評估

實現(xiàn)三維道路的設(shè)計，將道路豎向設(shè)計與周邊地形關(guān)系銜接。并依托GIS強大的分析功能，疊加類型的用地類型、宗地信息、地質(zhì)信息、地災(zāi)信息等空間信息進(jìn)行實時分析，快速反饋平面線形的合理性。還可對生成的三維模型進(jìn)行駕駛模擬、透視分析、視距分析、土石方分析等分析工作，對道路的設(shè)計方案進(jìn)行綜合評價，如圖9～圖11所示。

圖9 道路草繪及設(shè)計

圖10 道路模擬

圖11 方案評估

6.3 互動演示與參與

將規(guī)劃設(shè)計方案內(nèi)容整合到設(shè)計系統(tǒng)中，并實現(xiàn)內(nèi)容與系統(tǒng)的實時動態(tài)交互。通過內(nèi)容集成、三維場景交互操作、自動演示等技術(shù)，實現(xiàn)在三維平臺上融入?yún)R報演示功能。不僅可以像傳統(tǒng)匯報演示那樣展示圖文匯報內(nèi)容，還可以通過“動作”的方式，實現(xiàn)演示內(nèi)容與三維場景的實時交互，如飛到目標(biāo)位置、播放演示路徑、環(huán)視目標(biāo)物體、自動分析等。發(fā)布內(nèi)容主要包括主要有幾個部分組成:

(1)項目信息。通過傳統(tǒng)Web展示方式，向公眾展示項目設(shè)計的相關(guān)信息，包括項目介紹、設(shè)計單位、設(shè)計意圖等;

(2)三維展示。在項目設(shè)計的各階段，將三維設(shè)計成果發(fā)布到方案發(fā)布系統(tǒng)中，公眾可以通過場景瀏覽工具全方位瀏覽設(shè)計細(xì)節(jié)，通過場景測量工具實現(xiàn)簡單的測量等操作。

(3)公眾反饋。公眾可以提交對設(shè)計成果的評價、建議信息，這些信息可以以公開展示在發(fā)布系統(tǒng)中，或以內(nèi)部信件的方式遞交給設(shè)計人員。

7 結(jié)論

地理設(shè)計系統(tǒng)在整合GIS、CAD等現(xiàn)有技術(shù)工具基礎(chǔ)上，為地理環(huán)境中模擬、評估不同專業(yè)的規(guī)劃設(shè)計方案之間以及對周邊環(huán)境的影響，優(yōu)化設(shè)計方案提供了解決之道。本文提出了建立綜合性地理設(shè)計系統(tǒng)的目標(biāo)，構(gòu)造了主要框架，實現(xiàn)了本體驅(qū)動的設(shè)計方案模型，在此基礎(chǔ)上論證了地理設(shè)計工作流程引擎的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵組件，搭建了地理設(shè)計原型系統(tǒng)，驗證了地理設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)可行性及其廣闊應(yīng)用前景。

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