3DGIS技術輔助建設工程規(guī)劃放線方法研究與應用

程良勇，李南江，爐利英

（1.天津市勘察設計院集團有限公司，天津 300191；2.星際空間（天津）科技發(fā)展有限公司，天津 300384）

《天津市城市規(guī)劃管理技術規(guī)定》（市政府令第16 號）要求建設項目須制作空間分析模型或者效果圖來正確表達設計意圖、反映空間環(huán)境關系。根據這一要求，各報審單位提供的三維規(guī)劃放線的成果形式各異、內容簡單、信息不全面，對規(guī)劃審批工作造成了一定的困難。為進一步規(guī)范城市空間形態(tài)的規(guī)劃管理，提高規(guī)劃行政審批效率和科學性，編制了統(tǒng)一的空間分析模型圖紙繪制標準。為了結合該標準的制定和執(zhí)行，本課題以天津市某具體建筑項目為例，首次運用3DGIS 技術實踐三維空間規(guī)劃放線技術方法來進行建筑規(guī)劃放線審查，更加科學、高效地輔助用戶判定建筑建設項目規(guī)劃實施的正確性。通過建設項目空間分析模型，計算各項規(guī)劃指標準確，分析判定指標是否合格等，為相關部門決策提供真實可靠的依據[1-2]。

1 關鍵技術方法

本研究總體思路是根據規(guī)劃放線標準要求進行整理，運用3DGIS 軟件技術，以VRStar2.0 三維GIS 軟件平臺為基礎，建設數據建庫子系統(tǒng)，構建原始資料數據庫、三維空間模型數據庫和規(guī)劃法規(guī)知識庫。建設三維分析子系統(tǒng)，自動檢索提取數據庫中的項目數據和基礎數據，再分步驟進行各個模塊的分析計算，將結果存入成果數據庫。建設成果輸出子系統(tǒng)，統(tǒng)一輸出圖冊，形成最終成果報告[3]。

總體思路流程如圖1 所示。

圖1 總體思路流程圖

1.1 原始資料數據庫構建

數據庫建庫子系統(tǒng)提供原始資料編碼建庫的軟件接口，將規(guī)劃放線的相關法律法規(guī)、標準規(guī)范等資料進行提取和編碼，最后存儲在原始資料數據庫中。當建設項目需要進行三維規(guī)劃放線時，將建設項目的矢量圖和效果圖資料進行提取和編碼，最后存儲到原始資料數據庫。

1.2 三維模型數據庫構建

整理建筑工程項目相關的空間矢量數據，規(guī)劃實施方案的矢量圖數據，效果圖數據，進行三維空間分析模型制作，對構建的每一個三維模型進行取名編碼，建成三維模型數據庫[4]，通過本軟件載入，最終形成三維空間分析場景，作為空間核定建筑規(guī)劃放線方法的基礎數據資料依據。

1.3 法規(guī)知識數據庫構建

整理規(guī)劃放線相關原始法規(guī)資料，進行法規(guī)要求數據信息的提取，規(guī)劃指標信息提取，通過數據庫技術進行規(guī)劃放線法規(guī)知識數據庫的構建，最終通過數據庫訪問技術關聯(lián)到本軟件，作為空間核定建筑規(guī)劃放線方法的基礎法規(guī)資料依據。

1.4 建筑工程設計方案效果圖與規(guī)劃實施效果圖對比分析

效果圖與規(guī)劃實施效果圖對比分析，是將建筑工程設計方案效果圖與規(guī)劃實施效果圖進行對比分析，由于長期以來建筑工程設計方案效果圖反映的建筑形態(tài)體量色彩與實施效果存在顯著差異，容易給審批人員造成誤判。為了加強對建筑立面形態(tài)及色彩的監(jiān)管，按照規(guī)劃施工圖紙進行1∶1 的建模，將二維的施工圖紙建成三維場景，然后識別設計階段的三維效果圖的角度方位，將三維場景進行定位到相同角度，與效果圖分析對比[5]，發(fā)現二者的差異程度，給審批部門提供科學數據。通過本軟件進行效果圖識別[6]，方位計算，自動分析比對，形成分析結果圖冊。該方法中的技術難點是效果圖中的視點位置坐標及方位矢量的計算，即獲取效果圖像上的已知點坐標數據，已知點滿足投影點重合且空間位置不重合的映射關系點對，映射關系點對的數值范圍≥3 作為下一步計算的參數，根據這些已知點對坐標參數，以及參考點對所在空間直線都經過視點位置，如圖2 所示。根據幾何共線方程求交點計算公式，計算提取效果圖視點的位置坐標，記已知點對坐標為：

P0（x0,y0,z0）、P＇0（x＇0,y＇0,z＇0）、P1（x1,y1,z1）、P＇1（x＇1,y＇1,z＇1）、P2（x2,y2,z2）、P＇2（x＇2,y＇2,z＇2），假設視點位置為E（x,y,z），代入公式組成方程組：

采用線性回歸法解方程的方法，計算得出解E（x,y,z），即為視點位置坐標，其中：x,y,z 為E 點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值； x0,y0,z0為P0點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值； x＇0,y＇0,z＇0為P＇0點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值；x1,y1,z1為P1點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值；x＇1,y＇1,z＇1為P＇1點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值；x2,y2,z2為P2點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值； x＇2,y＇2,z＇2為P＇2點在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值。根據效果圖的中心參考點，記坐標為C（xc,yc,zc），計算出視點朝向方位，計算公式為：

式中，xc,yc,zc為點C 在空間直角坐標系中的3 個維度坐標值；表示的是方位矢量；xf,yf,zf是空間直角坐標系中的3 個維度坐標值。

圖2 視點坐標計算原理圖

1.5 建筑間距空間分析

建筑間距的合理性影響居民的居住舒適度，一直以來，管理部門都將其作為強制性要求，采用傳統(tǒng)人工模式進行測量、分析與計算， 但傳統(tǒng)的人工核算分析不僅工作量大，審批效率低，且容易出現遺漏。為了增強分析結果的科學性并提高審批效率，采用3DGIS 技術，按照各地區(qū)的建筑間距要求進行智能分析，可以提高分析結果的準確性及審批效率。

建筑間距空間分析方法是通過本軟件技術，進行建筑單體識別，建立建筑之間的映射關系圖網絡，計算出每個建筑單體的安全距離，最終疊加繪制在圖上，自動標注出安全距離不合法規(guī)要求的建筑部位，形成最終建筑間距空間分析圖。

該方法的技術難點是構建建筑單體的映射關系圖，通過識別建筑單體，計算建筑的朝向，長、寬及高度，遍歷搜索與該建筑有關系的建筑，建立一對多的映射關系集合。運用算法公式，針對與擬建建筑有映射關系的所有建筑，計算出最小安全距離。最小安全距離L計算公式如下：

式中，α 角為待計算的建筑與地理上東向的夾角；β 角為遮擋建筑與待計算建筑的夾角；H 為待計算建筑的高度；A 表示新舊小區(qū)建筑系數，new 表示新建小區(qū)建筑；old表示老舊小區(qū)建筑；B 為遮擋系數；隨角度α,β 角度的變化而改變；h 為遮擋建筑的高度；y 為帶計算建筑的寬度。

將分析出的單體建筑的多個安全距離范圍進行合并，繪制出閉合的安全范圍多邊形，再同與其有映射關系的建筑輪廓進行疊加運算，得出的相交部分判定為不合法規(guī)要求的部分。建設項目擬建建筑、周邊建筑、綠地、間距投影及不合法規(guī)要求部分按照要求的顏色進行標繪，其中RGB：137,194,227 表示淺藍顏色的紅、綠、藍3 個顏色值；RGB：255,0,0 表示紅顏色的紅、綠、藍3 個顏色值；RGB：110,174,26 表示草綠顏色的紅、綠、藍3 個顏色值。

1.6 建筑空間定位分析

隨著地下空間的不斷開發(fā)利用及建筑形態(tài)的多變，傳統(tǒng)的二維放線無法實現地下、架空、連廊等部位的分析。現代建筑地下、架空、連廊等部位是否滿足指標要求及空間界線，傳統(tǒng)的二維放線無法給管理部門提供數據支撐。構建三維模型，通過本軟件可以全方位快速分析各建（構）筑物是否有結構不滿足要求超出空間界線的情況，給審批人員提供真實數據，提升審批效率及成果的科學性。

建筑空間定位分析方法通過本軟件，按照規(guī)劃放線法規(guī)要求，基于項目方案地形和周邊道路中心線以內范圍，形成一個多邊形，將道路中心線高度抬高0.2 m，地庫地方抬高0.5 m，有建筑地方抬高1 m，構出一個三維空間立體模型，作為分析建筑項目地下空間是否符合規(guī)劃放線要求的標準。通過疊加規(guī)劃實施方案地下空間三維模型，自動分析出建筑項目超出標準的部分，用紅色高亮渲染。

1.7 建筑層高推算分析

隨著房地產的不斷發(fā)展，土地成本不斷攀升，開發(fā)商為了追求利益最大化，在建筑設計上虛報面積的情況時有發(fā)生，且隱秘性很高，管理部門很難察覺。為了更有效的監(jiān)管建筑面積量算，對建筑層高進行分析，進一步提高管理部門行政審批結果的科學性。

建筑層高分析方法通過本軟件計算建筑單體的層高系數，來判定該建筑是否符合規(guī)劃放線法規(guī)要求。該方法通過本軟件進行建筑單體的識別，計算每個建筑單體的空間體積，根據設計時的建筑面積，計算該建筑的層高系數，通過層高系數與規(guī)劃放線法規(guī)中的系數要求進行對比，自動分析出層高系數不符合要求的建筑單體，體積計算原理如圖3 所示。

該方法的技術難點是計算規(guī)劃實施方案中建筑單體的體積算法，提取擬建建筑單體三維模型，將其微分成三角面處理，通過計算建筑三維模型上每一個面蓋住的空間體積之和，即為建筑單體的體積。每一個三角形面蓋住的下面空間體可以分成幾個三角棱柱和兩個四面體，因此整棟建筑體積V 即為所有三角面蓋住的下面空間體積的總和，每一個三角面蓋住的空間體積記為Vi，每一個三角棱柱體積記為Zi，每兩個四面體[7]體積記為Ti和TN+i，N 為三角面的個數，γi為該面的法線方向值，方向朝上值為1，方向朝下值為-1，則體積的計算公式為：

圖3 建筑體積計算原理圖

根據計算出建筑三維模型包圍體內的空間體積，以及輸入的建筑設計建筑面積，計算得出層高系數C，計算公式為：

式中，Sj為該單棟建筑設計的總建筑面積。

1.8 建筑空間形態(tài)分析

國土空間規(guī)劃是國家的重要戰(zhàn)略部署，建筑空間形態(tài)是國土空間規(guī)劃中的重要組成部分。建筑空間形態(tài)直接影響城市空間布局是否科學。將建筑實施方案三維模型嵌入到現狀三維空間中進行形態(tài)分析，可以快速有效地發(fā)現該設計方案在空間形態(tài)建筑色彩建筑體量風格等是否與周邊建筑環(huán)境相協(xié)調是否科學合理，為城市建設提供更好的數據支撐，給管理部門提供科學依據，輔助其科學決策。

建筑空間形態(tài)分析方法從城市空間上分析建筑規(guī)劃實施方案的空間形態(tài)是否滿足規(guī)劃法規(guī)要求。通過本軟件在三維場景中識別分析的建筑，根據輸入的法規(guī)參數要求，計算出場景中的相機的方位，再對場景中的相機進行定位，最終輸出空間形態(tài)樣圖，計算相機方位與定位后的效果圖如圖4 所示。該方法多角度展現方案與周邊的體量關系、建筑高度、退讓間距等。

1.9 輸出成果圖冊

當建設項目完成三維規(guī)劃放線各個步驟中的分析計算后，每個分析步驟中的結果存儲至成果數據庫中；當完成所有步驟后，可以通過成果輸出子系統(tǒng)的軟件接口，統(tǒng)一生成圖冊，一鍵生成成果報告。

圖4 計算相機方位與定位后效果圖

2 軟件設計與實現

2.1 軟件架構設計

基于VRStar 2.0 平臺進行應用開發(fā)，基于OpenGL三維渲染引擎，軟件架構上采用類工廠設計模式，框架負責管理軟件各消息命令觸發(fā)、功能接口注冊等，分發(fā)三維場景觸發(fā)的事件和消息，實現模塊間的消息參數傳遞，增強軟件各個模塊之間的“高內聚、低耦合”特點。開辟多個線程進行處理三維場景事件，提高計算機資源使用效率，提升三維場景的繪制效率和空間分析效率。軟件架構設計圖如圖5 所示。

2.2 功能組織設計

本軟件屬于專業(yè)性較強的三維地理信息軟件，具備三維地理信息軟件的基礎功能，包括三維場景管理、場景編輯、三維動畫、查詢定位、視圖書簽、三維漫游、空間分析等3DGIS 基礎平臺功能，同時又具備建設工程三維規(guī)劃放線專業(yè)應用功能，包括數據建庫子系統(tǒng)、三維分析子系統(tǒng)和成果輸出子系統(tǒng)，涵蓋了資料編碼、場景構建、法規(guī)建庫、效果圖與實施圖對比分析、建筑間距空間分析、建筑空間定位分析、建筑層高推算分析、建筑空間形態(tài)分析、輸出結果等九大應用功能，實現輔助建設工程項目三維規(guī)劃放線應用。

圖5 軟件架構設計圖

2.3 實現效果

在本軟件研發(fā)完成后，結合天津市某建筑工程項目規(guī)劃實施放線案例進行使用，獲得各方法步驟中的分析成果圖，最后形成三維規(guī)劃放線分析圖冊，如圖6 ～11 所示。

圖6 設計方案效果圖與規(guī)劃實施對比圖

圖7 建筑間距空間分析圖

圖8 建筑空間定位分析圖

圖9 建筑層高推算分析圖

圖10 建筑空間形態(tài)東南方位分析圖

圖11 建筑空間形態(tài)西北方位分析圖

3 創(chuàng) 新

首次提出并以3DGIS 技術輔助三維空間核定建筑規(guī)劃放線的技術方法進行實踐，以其強大的三維地理信息技術基礎、數據資源基礎和空間信息基礎，全面表達建設項目和城市的形態(tài)、布局以及現狀、規(guī)劃等信息，不僅能直觀逼真的表達建筑物詳細的幾何特征，而且三維數字模型還能夠真實、形象地表達色彩，計算規(guī)劃指標等信息，全方位的為規(guī)劃管理工作提供數據支撐和手段支持。

4 結 語

本方法作為城市規(guī)劃放線的一種表現方式，輔助城市規(guī)劃放線工作從整體平面到立體空間上統(tǒng)籌城市建筑布局分析，城市景觀風貌分析，準確、客觀地分析建設項目經濟指標，科學判定建筑規(guī)劃實施方案是否滿足法規(guī)要求。

經過研究與實踐，本課題研究成果已在天津市得到廣泛應用，在成果的科學性和使用成本方面得到城市規(guī)劃管理部門、項目建設單位和項目設計單位的普遍認可，已經具備很高的推廣使用價值。