三维地理信息系统在城市规划中的应用

8.3.3　三维地理信息系统在城市规划中的应用

运用遥感数据和GIS对城市地理空间信息强大的管理和分析功能，能准确地计算人口密度和建筑容量，进行有关城市总体规划的各项技术经济指标分析，完成城市规划、道路拓宽改建过程中拆迁指标计算，从而有效地确定各类用地性质，辅助城市用地选择和建设项目合理选址；还能确定详细规划范围内的道路红线、道路断面以及控制点的坐标、标高；合理安排各项工程管线、工程构筑物的位置和用地等。运用三维GIS技术可以极大地提高城市规划的正确性和科学性。

三维GIS在规划中的应用，除了具有管理信息系统和二维的地理信息系统的功能(如日常的办公管理、二维信息管理、二维的信息查询和分析等)外，还具有对城市和城市规划中三维信息的管理及处理和分析的功能。

三维GIS在城市规划中的应用主要有以下几个方面。

1.基础应用部分

无论是城市规划的管理和城市规划的编制，都是把数据作为开展工作的基础。三维GIS系统秉承了管理信息系统和地理信息系统的特点，同时又加入了三维信息管理、显示、查询、分析的功能，因此，城市规划中三维GIS系统的首要用途就是数据管理和信息管理。

1)现状信息的管理

对现状信息的掌握和分析，是城市规划编制、审批和实施的首要步骤。城市规划管理的现状信息错综复杂，并且数据量极大。

现状信息一般分为现状地形信息、现状建筑物信息和现状专题信息三种。

(1)现状地形信息

传统的地形信息是以地图的形式存储的，在三维GIS中，既可以存储和管理传统意义的二维的地图信息，也可以存储和管理三维数据特有的信息。由于城市规划工作涉及的部门很多，数据的格式上有可能产生不统一的情况，如在某些测绘部门习惯使用Mircostation来绘制地形图，在城市规划管理习惯使用AutoCAD来查看地形图，这就产生了数据的格式转换和兼容性问题。在GIS数据库中，能够融合各种数据格式，把它们统一管理起来，并能统一更新。

现状地形信息包括以下几个部分：①传统的二维数据：二维矢量地图、栅格地图、航空摄影资料和卫星遥感影像资料。②三维地形数据：地形的数字高程模型(DEM)或者数字地形模型(DTM)。③数字正射影像(DOM)。

(2)现状建筑物信息

传统的建筑物信息是存储在二维数据中的，建筑物的平面数据以建筑物投影在水平面上的轮廓表示，高度信息作为属性存储在数据库中。人们要从这种二维的信息推测建筑物的三维体量，需要加入自己的主观判断和分析，十分不便。尤其对于重要的建筑物，在进行规划的时候可能要作为主要的参考信息。三维建筑物就能够满足这样的要求：对于所存储建筑物信息的详细程度，它可以按照建筑物的重要程度来划分；对于重要的建筑物，它可以建立详细的模型并附上纹理。

(3)现状专题信息

专题信息可以包括以下几个部分，行政区划、人口经济、基础设施、公共服务设施、文物保护、道路管线、建筑物高度、容积率等。专题信息一般是以二维来表示的，但是对于建筑物高度这样的信息，用三维的形式来表达就更合适一些。

2)规划信息的管理

规划信息的管理就是对城市规划的成果进行管理。从传统城市规划的编制阶段来说，规划的成果分为以下几个部分：城市总体规划成果、城市分区规划成果、城市控制性详细规划成果和城市修建性详细规划成果。

(1)总体规划成果

总体规划的成果包括规划文件和主要图纸。规划文件包括文本和附件。

总体规划的图纸主要包括：①现状图：市域城镇布局的现状图和市区现状图。②用地评价图。③市域城镇体系规划图。④城市总体规划图。⑤各项专业规划图，包括：综合交通体系及道路交通规划图，给水、排水工程规划图，电力、电信、供气与供暖工程规划图，环境卫生设施与环境保护规划图，绿化系统及园林绿化规划图，名胜古迹和风景规划图，地下空间开发及人防工程规划图，河湖水系及防洪规划图。

城市总体规划所要求的数据的比例尺较小，总体规划图纸的比例一般是：大中城市为1∶10 000或1∶25 000；小城市为1∶5 000～1∶10 000，其中建制镇为1∶5 000。因此在三维可视化的地理信息系统中，模型的详细程度可以选用最粗略的等级。

(2)分区规划成果

在实际工作中，大、中城市总体规划的图纸比例较小，深度也是有限的，主要是在结构上作轮廓性的规定。为了提高详细规划的设计质量，大、中城市常常在总体规划和详细规划之间增加分区规划这一程序。

分区规划的成果包括规划文件和主要图纸。分区规划的文件包括规划文本和附件，规划说明及基础资料附件。分区规划的图纸主要包括：规划分区的位置图、分区现状图、分区土地利用及建筑容量规划图、各项专业规划图。

随着规划范围的缩小和规划要求图纸比例的增大，分区规划对三维GIS提出了更高的要求，模型的尺度为1∶5 000才能满足分区规划的制图要求。

(3)详细规划成果

根据不同的工作要求，详细规划分为控制性详细规划和修建性详细规划两种。

①控制性详细规划。控制性详细规划以控制建设用地性质、使用强度和空间环境作为城市规划管理的依据，并指导修建性详细规划。控制性详细规划的成果包括文件和图纸。控制性详细规划文件包括规划文本和附件，规划说明及基础资料附件，规划文本中包括规划范围内土地使用及建筑管理的规定。规划图纸主要包括规划范围内的现状图、控制性规划图等。图纸的比例为1∶1 000～1∶2 000。

②修建性详细规划。修建性详细规划适用于当前成片开发、新建、改建的地区和建设工程项目比较落实的地区，用于指导各项建筑和工程设施的设计和施工。修建性详细规划文件为规划设计说明书，规划图纸包括规划地段的现状图、详细规划总平面图、竖向规划图、各项专业规划图、反映规划设计意图的透视图。

详细规划的深度，一般应满足房屋建筑和各项工程编制初步设计的需要。其内容和图纸可根据具体要求有所增减。图纸比例一般为1∶2 000，也可以用1∶500和1∶1 000。

2.城市景观浏览漫游

在平台界面上以文字说明、浏览漫游及媒体播放等多种方式对所选择的景观进行显示，展现所在城市的景观。利用实时浏览和全景漫游展现出规划前后的城市景观形象，为规划专业人士提供可视化的规划辅助工具，使管理阶层人士正确领会规划方案的内涵，使市民及外界人士对本城市的景观形象有一个全面、动感的印象。演示形式多样：可以交互式的手动播放，也可自动连续演示。城市规划人员就可以动态的观察城市的三维景观，规划师可以在计算机中模拟穿行，并可以随时停留以对重点地段的规划方案进行多方探讨，了解当前城市规划的现状，有效地把握其优点与不足。考察所经过地区的地物信息之间或地物与所在环境之间是否协调，这样就可以根据当前的情况有效地制定下一步的规划方案。

3.三维景观虚拟规划设计

1)真实三维环境中的虚拟城市规划设计

传统的城市规划设计，通常以二维的地形平面图为基础，进行场地平面位置规划设计，而设计结构的三维效果，往往是利用计算机仿真的立体透视图来表示。尽管城市规划设计方案的CAD建模软件已经非常成熟，具有三维可视化功能，但却很难与具有真实地理空间坐标的建筑物和环境联系起来，在进行规划设计中也难以综合考虑现有周边的实际生态环境，以及社区或城市的整体效果。在城市真实数字模型的三维可视化环境中进行城市规划设计，打破了传统设计方法的局限性，使设计者如身临其境随心所欲地选择最佳设计方案，实现规划设计方案与周边环境和谐匹配。同时，还可以快速进行多方案比较选择，只需随时改变设计参数，即可在真实三维景观环境中，展现出想象的设计实体空间效果。其中包括设计模型的结构形状、纹理效果、光照效果、相关位置、整体环境效果等，如图8.9所示。

2)虚拟规划与真实景观的集成

城市景观的真实再现，是重建的城市真实三维数字模型；城市景观的虚拟规划，是城市规划方案的设计模型。将两个模型无缝地叠加在一起，就实现了虚拟景观与真实现实的集成。这样就可以直观地比较虚拟规划前后城市景观的变化，并可以交互地观察虚拟规划后的建筑物与周围城市环境的融合程度，为规划方案的制定提供直接参考。

图8.9　三维景观虚拟规划设计示例图

4.城市规划方案评估

将规划设计方案制作成三维模型，并将其结合到现状三维模型中，生成规划审批三维模型。这样，规划师就可以在计算机中选择任意路线、方位、角度对该规划方案进行跟踪、审批与评测，以对重点地段的规划方案进行多方探讨。规划师还可在任何需要的时候，根据要求对该地段规划方案的色彩设计、布局、空间体量关系，以及建筑与环境之间的关系进行多方探讨与分析评价。除此以外，规划师还可以从任意视角、任意高度来全方位地观察该规划设计方案，审查该方案与周边环境的关系、日照情况、通视情况等，根据这些判断规划方案的优劣及合理性，从而为规划决策提供辅助。

5.其他应用

1)日照分析

所谓日照分析，就是通过模拟大寒日的日照变化，由计算机计算出各采样点的具体日照时间。对于居民住宅之间的日照，国家1993年出台的《城市居住区规划设计规范》有明确的规定。居民住宅间距，应以满足日照要求为基础，综合考虑采光、通风、消防、防震、管线埋设、避免视线干扰等要求确定。大城市住宅的日照时间，在大寒日不得低于两小时(以底层窗台的日照时间为准，下同)，或者不得在冬至日少于1小时。

三维可视化平台所具有的日照分析功能主要有：

(1)在指定区域和时间计算日升、日落和日照基本参数。

(2)在指定位置计算日照时间、日照强度等参数。

(3)单点采光分析。建筑群体内任意一点，在任意时间和高度的日照分析计算。

(4)对建筑设计的采光性给出参考意见。

(5)智能推算满足指定日照要求的建筑物高度及位置。

(6)待建建筑物位置分析。准确确定待建建筑物在已有建筑群体内满足自身日照要求和其他已有建筑日照要求的合理位置。

(7)待建建筑物高度分析。准确确定待建建筑物在建筑位置已经确定的条件下，在已有建筑群体内满足自身日照要求和其他已有建筑日照要求的合理建筑高度。

(8)对不同的建筑物给出日照持续时间的量化指标，评价建筑物采光性的优劣。

对于规划管理部门来说，利用这一功能既可以在建筑物高度确定的条件下，结合自身及其他建筑物的光照时间要求，合理地确定待建建筑物的位置，又可以在建筑物位置已经确定的条件下，根据日照时间的要求来确定待建建筑物的合理高度。这样，城市规划的审批者在审批建筑物的设计时，就可以依法把握好相邻建筑物“采光权”等规范标准，对规划方案进行科学、合理的审批，避免纠纷。

日照分析如图8.10所示。

图8.10　日照分析

2)通视分析

通过通视分析模块，可以直观地评估某栋楼某个房间的通视情况，判断其是否有比较良好的视野，而无遮挡，这对于规划方案的评估有很重要的意义。如果一栋楼在建成后对本身或其他的建筑物的视野造成了不良的影响，那么这个规划方案显然是不合理的，而在传统的规划方案审批过程中从图纸上是无法动态地观察一个待建建筑物的通视情况的，因此这种审批结果可能带有一定的风险性，而且也容易在事后引起纠纷，造成不必要的损失。有了通视分析的辅助就可以一目了然，从而防患于未然。

通视分析如图8.11所示。

3)缓冲区分析

城市中的道路也是很重要的一类地物信息，随着经济的发展和机动车的日益增多，房屋拆迁和道路拓宽的案例越来越多。那么，缓冲区分析可为它们提供有效的辅助作用。例如：选择待拆迁道路两侧的房屋，得到房屋高度、查询房屋占地面积等房屋自身的属性信息。这样规划管理部门就可以很方便地计算待拆迁房屋总的占地面积，从而计算出拆迁的预算，更好地制定合理的拆迁方案。又如针对待拆迁道路，在其周围形成线缓冲区，可以人为控制缓冲区内建筑物的可见与否，以便观察道路拓宽前后的效果。另外，利用平台的量测功能，可以方便地得到填挖方的数值。

图8.11　通视分析

4)水淹分析

模拟水淹效果，判断水淹范围。城市的建筑物，尤其在一些大城市中，多数都具有地下室。利用水淹分析功能，城市规划部门就可以合理地规划、设计地下室的高度，可以有效地防止降雨时雨水倒灌等。

以上所介绍的例子只是规划领域应用的一部分，三维地理信息系统在城市规划中的应用范围是非常广泛的，而且取得了很好的实际效果。要真正发挥三维地理信息系统在规划管理方面的优势，提高城市规划管理的智能化水平还有很多工作要做。只有把三维地理信息系统与诸如规划管理等具体应用紧密结合才能真正发挥其优势，也只有在规划管理等领域中引入诸如三维可视化平台等科学的管理手段，才能提高规划管理的水平，做到科学管理、合理规划。