基于城市三維模型的兩種視域分析方法比較

【摘要】城市大多依水而建，隨著城市空間的拓展，尤其是高強度開發(fā)帶來了城市濱水界面的極大變化，在如今以存量提質(zhì)為主的城市發(fā)展新時期，包括濱水界面、城市天際線、山水通廊和城市歷史城區(qū)風貌的品質(zhì)提升成為了各地城市更新工作中一項重要議題。結(jié)合項目中實際遇到的關(guān)于視域分析的需求，主要采用了包括QGIS和Blender兩個開源軟件，并嘗試探討兩種方法的異同與優(yōu)劣，進而給出在不同需求時的視域分析方法運用建議。

【關(guān)鍵詞】視域分析； QGIS； Blender； 計算機輔助設(shè)計

【中圖分類號】TP317.4【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-06-07

［作者簡介］文毅（1983—），男，碩士，工程師，注冊城鄉(xiāng)規(guī)劃師，從事城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計工作；朱彥臻（1996—），女，碩士，工程師，從事城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計工作；莫燦（1998—），女，碩士，助理工程師，從事城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計工作；楊瀅鈺（1995—），女，碩士，助理工程師，從事城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計工作；胡仙雅（1997—），女，碩士，研究方向為風景園林規(guī)劃與設(shè)計。

0 引言

“仁者樂山”“智者樂水”——中國城市歷來與山水相伴相生，山、水、城的關(guān)系維護也是城市發(fā)展的主要課題之一，尤其是將大尺度上的空間關(guān)系管控需求轉(zhuǎn)化為可執(zhí)行的管理政策，成為了越來越多地方的管理需求。包括北京、重慶、香港、佛山［1］、日本京都、國內(nèi)外眾多城市都開展了相關(guān)的工作，較為成熟的是在城市歷史城區(qū)保護方面，相關(guān)研究探索已經(jīng)轉(zhuǎn)化為了相關(guān)的政策文件［2］。

2013年12月在北京舉行的中央城鎮(zhèn)化工作會議，更是明確指出：“要依托現(xiàn)有山水脈絡(luò)等獨特風光，讓城市融入大自然；讓居民望得見山、看得見水、記得住鄉(xiāng)愁?！睂⒆匀簧剿畬λ茉煺宫F(xiàn)城市山水景觀，提升城市的形象，改善人居環(huán)境發(fā)揮重要作用給予了明確［3］。根據(jù)民政部的數(shù)據(jù)，截至2021年，我國共有地級行政區(qū)劃單位333個，縣級行政區(qū)劃單位 2 843 個［4］。其中沒有山的城市屈指可數(shù)［5］，沒有河流的城市（指城市中心區(qū)域無河流）更是鳳毛麟角。過去數(shù)十年的城市高速拓展，極大改變了中國城市與山、水的空間關(guān)系。帶來了包括濱水界面、城市天際線、山水視線通廊和城市歷史城區(qū)風貌等空間形象的巨大變化。

1 現(xiàn)有分析方法簡述

對于正處在城市化轉(zhuǎn)型關(guān)口的中國城市，對重要景觀界面進行視域分析，進而轉(zhuǎn)化為建筑高度控制的政策工具成為了常態(tài)化的需求。目前運用較多的建筑高度控制方法主要有三種：（1）分區(qū)控制法，常見于傳統(tǒng)城區(qū)的保護；（2）眺望控制法，常用于視線通廊控制；（3）天際線控制法，常用于海岸線、河岸線等濱水空間的規(guī)劃研究分析［6］。但是傳統(tǒng)的分析方式（尤其是二維平面、二維剖面上的分析），隨著分析對象空間尺度的擴大，分析對象數(shù)量的增多，工作量迅速增加，也難以充分考慮山體、建筑物、建構(gòu)筑物遮擋（尤其是高層建筑），地面高差變化等因素的影響。

2 兩種新的分析方法概述

隨著計算機硬件算力的快速提升和計算機輔助設(shè)計軟件應(yīng)用的日新月異，以ArcGIS和QGIS為代表的地理信息系統(tǒng)軟件和以Sketchup、Rhino和Blender為代表的三維設(shè)計軟件在城市規(guī)劃工作中得到越來越多的運用。使得傳統(tǒng)的二維平面的分析方法邁向三維化有了軟件支撐。更貼近實際的城市空間狀況，也能夠適應(yīng)更多的分析節(jié)點聯(lián)合分析。

本文基于兩個實際項目的工作情況，采用開源軟件QGIS和Blender來進行視域分析，并嘗試探討兩種方式的異同與優(yōu)缺點。方法一：以QGIS為主要工具，主要使用其中的GRASS插件和Visibility Analysis插件，進行基于DEM數(shù)據(jù)的視域分析。方法二：以QGIS和Blender為主要工具，主要使用其中的GDAL（QGIS）模塊和EEVEE（Blender）模塊，進行基于城市體塊模型，使用光照模擬視線的可視范圍進行視域分析。

3 兩種分析方法的實證運用

3.1 基于QGIS的視域分析——以宜賓三江六岸區(qū)域為例

3.1.1 研究對象概況

宜賓素有“長江首城·中國酒都·中華竹都”的美譽，金沙江、岷江在市區(qū)匯流，正式成為傳統(tǒng)地理意義上的長江。宜賓市傳統(tǒng)的地標如白塔山、翠屏山、夾鏡樓、長江地標廣場、冠英古街和新建的重要節(jié)點如長江公園、三江口CBD、國際會議中心均位于三江口區(qū)域［7］。歷史城區(qū)、生態(tài)核心、新城區(qū)三個空間要素在三江六岸區(qū)域匯聚，三者如何協(xié)調(diào)，如何識別重要的空間區(qū)域，為地方規(guī)劃建設(shè)管理主管部門提供決策依據(jù)成為一個重要課題。為回答這一問題，筆者所在的項目組結(jié)合掌握的基礎(chǔ)信息資料，主要使用QGIS開展了分析工作。

3.1.2 研究方法步驟

（1）獲取基礎(chǔ)DEM數(shù)據(jù)：從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站（http//www.gscloud.cn）獲取宜賓市三江六岸區(qū)域的30 m精度DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，結(jié)合行政區(qū)劃邊界，使用按掩膜圖層裁剪柵格功能裁切出與研究范圍相適宜的DEM數(shù)據(jù)作為視域分析的空間基底（圖1）。

（2）獲取研究建筑輪廓和高度數(shù)據(jù)：基于實地調(diào)研和天地圖網(wǎng)站（http：//map.tianditu.gov.cn）的矢量地圖和衛(wèi)星影像，結(jié)合OSM下載對應(yīng)區(qū)域的建筑輪廓和高度數(shù)據(jù)，補充完善建筑高度等屬性信息，形成具有建筑高度屬性的建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)（Shapefile格式）（圖2～圖3）。

（3）構(gòu)建包含建筑體塊的柵格地表面：在確保建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)與DEM數(shù)據(jù)的投影坐標系一致后，利用QGIS的GRASS模塊工具集進行數(shù)據(jù)處理。由于相關(guān)工具對輸入數(shù)據(jù)模型的嚴格要求，需先將DEM數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為TIN數(shù)據(jù)，再將TIN數(shù)據(jù)與建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)分別轉(zhuǎn)換為像元大小一致的柵格數(shù)據(jù)，由此得到柵格地表面和柵格建筑。利用QGIS空間分析擴展模塊中的工具集，判斷研究范圍中是否為建筑所在區(qū)域，若“是”，則柵格值取柵格建筑的值，否則取柵格地表面的值，以此實現(xiàn)了建筑輪廓矢量數(shù)據(jù)與空間基底DEM數(shù)據(jù)的疊合，生成了一個具有建筑高度信息的全新柵格地表數(shù)據(jù)，完成了2D要素向3D要素的轉(zhuǎn)換（圖4～圖6）。

（4）設(shè)定觀察者點：使用QGIS中的創(chuàng)建觀察者點工具（Create observer points），新建Shapefile格式的觀察者點要素圖層，創(chuàng)建事先選定的三個關(guān)鍵觀察點（選點位置分別為合江門廣場、長江公園、國際會議中心），并在屬性表中為其添加“高度”字段，利用3D分析模塊的相關(guān)工具，將3個關(guān)鍵觀察點所處的地表高度數(shù)據(jù)賦予對應(yīng)的點要素，再補充觀察者自身的視點高度，以此獲得較準確的觀察點實際高程信息，將該點要素文件作為視域分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（圖7）。

（5）視域范圍分析：使用視域分析工具（Viewshed）對3個觀察點分別進行可見性計算（Visibility Calcualtion），得到每一個觀察點的可見性分布范圍（圖8～圖11）。

（6）可見性綜合分析：使用柵格計算工具，將上述步驟中得到的3個點的可見性分布圖做條件運算和疊加計算，區(qū)分出能夠同時被1個、2個和3個觀察點看到的區(qū)域，從而識別出對于選定的3個觀察點（假定權(quán)重相同）來說最需要關(guān)注的區(qū)域，為后續(xù)主管部門的工作提供決策支持。

小結(jié)：從上述方法的工作流程和分析結(jié)果來看，本方法可以較為直觀地展現(xiàn)視域分析的結(jié)論，進而指導(dǎo)城市公共界面的品質(zhì)提升工作的重點。

3.2 基于QGIS+Blender的視域分析——以廣元兩江四岸區(qū)域為例

3.2.1 研究對象概述

廣元，古稱利州，是中國歷史上唯一女皇帝武則天的出生地，地處嘉陵江從山地向盆地的過渡地帶，使得古利州成為重要的驛道節(jié)點。地處嘉陵江和南河交匯處利州老城也就同時擁有了大江與小河兩種不同的濱水空間。作為城市地標的皇澤寺、鳳翔樓、老鐵橋、鳳凰樓、天成廣場、琴臺廣場和鳳臺賓館等坐擁廣元兩江四岸重要的濱水界面［8］。隨著城市的不斷更新，廣元的濱水界面這些地標相互之間的關(guān)系如何完善？在面臨以自平衡為主的有機更新需求下，老城內(nèi)插花狀態(tài)的高層建筑與周邊建筑的天際線如何管控？為回答這一問題，筆者所在的項目組結(jié)合掌握的基礎(chǔ)信息資料，使用QGIS和Blender開展了分析工作。

3.2.2 研究方法步驟

（1）獲取基礎(chǔ)DEM數(shù)據(jù)：從地理空間數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲取廣元市兩江四岸區(qū)域的30 m精度DEM數(shù)字高程數(shù)據(jù)，結(jié)合行政區(qū)劃邊界，使用QGIS按掩膜圖層裁剪柵格功能裁切出與研究范圍相適宜的DEM數(shù)據(jù)作為視域分析的空間基底（圖12）。

（2）導(dǎo)出研究范圍地形和衛(wèi)星影像：使用QGIS的GADL模塊的等高線計算功能，從前述DEM數(shù)據(jù)中獲取等高線數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)出為DWG文件；加載同范圍的天地圖遙感影像，導(dǎo)出為PNG文件（圖13）。

（3）建立地形模型：在Blender中將前述等高線的DWG文件合并成地形，將遙感影像作為材質(zhì)賦予地形。用以輔助建筑體塊的位置配準（圖14）。

（4）建立建筑體塊模型：根據(jù)項目組獲取的建筑輪廓資料，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研和百度街景的數(shù)據(jù)，分區(qū)分片整理出建筑輪廓和建筑高度信息。將建筑輪廓按照高度建立成體塊，進一步補充橋梁等大型建構(gòu)筑物，與地形模型合并為相對完整的城市三維模型（圖15）。

（5）用燈光模擬觀察點：根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研評估出10余處重要觀察點，每一個觀察點用Blender中的燈光模擬。關(guān)閉燈光的漫（反）射，增大燈光的強度［9］，選用平行投影的方式，采用頂視角和軸測視角，使用EEVEE模塊渲染，逐個獲得選定觀察點的可視性模擬分析。疊加地類分析圖來看，可以非常直觀地判讀出從各觀察點與城市、山體、水體之間的可見性（圖16）。

（6）將獲取的可見性分析結(jié)論加載進入QGIS，用二值方式重分類，然后進行疊加計算?？梢詺w納整理出各個重要觀察點和被觀察點的現(xiàn)狀視線通廊。為下一步建筑高度分區(qū)管控，城市界面管控政策制定提供了一定的技術(shù)支撐（圖17）。

從前述分析方法的工作流程和分析結(jié)論和表達來看，本方法可以較為直觀地展現(xiàn)視域分析的結(jié)論，進而指導(dǎo)城市空間管制工作與管制政策的指定。

4 兩種分析方法的對比

兩種分析方法的比較見表1。

5 小結(jié)

本文提到兩種方法，均是已有的視域分析理論框架下的眾多技術(shù)實現(xiàn)途徑之一，限于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)生成的過程，其數(shù)據(jù)精度，完整程度均在現(xiàn)勢性方面有不足，需要投入較多資源進行現(xiàn)場調(diào)研作為補充，也就導(dǎo)致了分析結(jié)論在顆粒度上的固有缺陷。但是面向有限時間內(nèi)、限定研究對象的規(guī)劃設(shè)計工作，這兩種方法均不失為總體規(guī)劃（國土空間規(guī)劃）階段或者控制性詳細規(guī)劃（城市設(shè)計）階段常規(guī)城市空間格局分析工作的補充工具。

隨著城市規(guī)劃管理和設(shè)計工作與計算機技術(shù)的結(jié)合，從簡單的計算機輔助設(shè)計（如AutoCAD、湘源控規(guī)）到城市地理信息系統(tǒng)（國土空間規(guī)劃），再到城市信息模型（CIM）、數(shù)字孿生城市。加上無人機、傾斜攝影等新技術(shù)手段的普及，城市規(guī)劃設(shè)計管理工作隨著計算機軟硬件的升級，工作手段得到不斷拓展，但是核心依然應(yīng)當是是以人為本，為城市高質(zhì)量發(fā)展賦能，為中國城市在山、水、城關(guān)系的提升方面發(fā)揮更大的價值。

參考文獻

［1］ 趙則.基于視線分析的城市公園周邊建筑高度控制規(guī)劃研究［D］.長沙：中南林業(yè)科技大學，2013.

［2］ 范躍虹，李紫妍，賴奕堆，等.古都景觀視線通廊保護方法研究：以京都為例［C］//面向高質(zhì)量發(fā)展的空間治理，2020中國城市規(guī)劃年會論文集，成都：2021.

［3］ 項晶.基于山水視線分析的規(guī)劃區(qū)綠地布局方法研究：以遷西縣為例［D］.南京：南京林業(yè)大學，2019.

［4］ 2021年民政事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報［R］.中國人民共和國民政部，2021.

［5］ xiang浩看世界.中國連一座山都沒有的十個城市，一望無際、一馬平川，有你家鄉(xiāng)嗎［EB/OL］.URL：https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1745489193223318201amp;wfr=spideramp;for=pc.

［6］ 張耀文.基于GIS視線分析的山地城市建筑高度控制方法及其應(yīng)用——以黃龍縣老城區(qū)為例［J］.城市建設(shè)理論（電子版），2019（34）：14-15.

［7］ 宜賓市文化廣播電視和旅游局.長江首城、宜人宜賓［EB/OL］.URL：https：//isite.baidu.com/site/wjzdkqcm/4c00d455-5221-4eef-9f4a-388de57f8936？wid=5c2dc3ee4e334423992b0d9c06e0da7f_0_0.

［8］ 廣元市人民政府.印象廣元［EB/OL］.URL：https：//www.cngy.gov.cn/single/show/20160712145640222.html.

［9］ LovseYi. 10分鐘內(nèi)搞定一張漂亮的景觀規(guī)劃視線分析［EB/OL］.URL：https：//www.bilibili.com/video/BV1H7411M7tL.