2D GIS和3D GIS的城市规划辅助决策系统

张 平

(福州市勘测院，福建 福州 350108)

伴随着我国城市建设进入加速发展阶段，传统的城市规划和管理手段已不能解决城市一体化与精细化管理中存在的诸多问题，需要3D GIS技术来实现对城市立体空间的全面感知和管理[1-3]。特别是智慧城市时空信息云平台的建设，积累了丰富的城市二三维现状数据，实现了城市立体空间信息形象的展示、项目与周围地形环境空间关系直观地查看，为城市规划管理与决策提供了科学、直观、准确的数据支持与分析辅助[4-5]。

传统的城市规划管理通常是在二维空间或利用三维效果图进行，往往只从单一项目本身来审批，缺乏全局视角、空间关系、周边环境协调等问题的考虑[6]。本文在智慧城市时空信息云平台的二维、三维基础地理信息数据基础上，将2D GIS的强大平面分析与3D GIS的精准立体分析相结合，设计与研究城市规划辅助决策系统，以辅助城市规划管理和决策，实现城市空间形态和城市景观的统筹布局与协调发展。

1 系统设计

1.1 总体架构设计

在智慧城市时空信息云平台建立的城市电子地图和三维模型等基础地理信息数据基础上，整合二三维规划专题数据，建立基于2D GIS和3D GIS的城市规划辅助决策系统，为城市规划管理和决策提供数据交互式浏览、查询、辅助分析与辅助审批。本系统采用云计算的思想，基于B/S架构，总体结构设计如图1所示。

(1) 基础设施层：系统运行所依托的存储设备、计算设施、网络设施、安全设施，以及相应的操作系统、数据库软件等基础软硬件设施，可由智慧城市时空信息云平台搭建的云计算平台统一提供。

图1 系统总体架构

(2) 数据资源层：由基础地理信息数据库、二三维规划专题数据库及系统运行形成的业务数据库组成。

(3) 基础支撑平台层：连接数据资源层和应用层的纽带，包含2D GIS引擎、3D GIS引擎、工作流引擎、表单引擎等。

(4) 应用层：面向城市规划辅助决策的业务需求，提供城市规划辅助决策系统应用服务和相关服务接口。其中城市规划辅助决策系统应用服务包含交互式可视化显示、三维审批辅助工具、三维规划方案管理、三维规划辅助分析、综合地下管线管理等模块；服务接口体系主要包含城市规划数据系列接口、规划审批数据系列接口、三维规划模型数据系列接口。

除此之外，还应包含系统运行维护的相关保障机制，包含组织机构与政策法规、数据标准与数据更新等内容。

1.2 数据库设计

数据库主要由基础地理信息数据库、二三维规划专题数据库及系统运行形成的业务数据库组成。

1.2.1 基础地理信息数据库

基础地理信息数据库包含电子地图数据(矢量、影像)、地名地址数据、建筑物数据、数字高程数据、三维模型数据等[7]，其中三维模型数据包含三维要素模型(建筑模型、交通模型、水系模型、植被模型、场地模型等)和三维地表模型。这些基础地理信息数据通过智慧城市时空信息云平台建设的数据成果来共享提供。

1.2.2 二三维规划专题数据库

二三维规划专题数据库由二维规划专题数据和三维规划规划专题数据组成(如图2所示)。其中，二维规划专题数据包含二维的城乡规划类数据(城市总体规划、控制性详细规划、各类专项规划等)、二维规划审批类数据(选址红线、用地红线等)、二维城市综合管线数据[8]；三维规划专题数据包含城市设计模型、规划方案模型、规划竣工模型、三维综合管网模型等数据。

(1) 城市设计模型：是城市设计编制形成的三维空间成果，能体现城市特色风貌，在塑造城市风貌、建筑形态方向上有重要作用。

图2 数据库构成

(2) 规划方案模型：包含与规划技术审查相关的三维模型，按照用途分为建筑方案模型、总平面方案模型、三维方案参考模型(已批未建)。规划方案模型按照审批结果又可分为中间成果方案库和正式成果库，其中中间成果库是报批报审过程中形成的中间成果，正式成果库是审查通过后已采纳的设计方案模型。

a. 建筑方案模型：在建筑方案设计审查过程中，设计单位提供的能够反映建筑的色彩、外立面、体量和与周边空间关系的表达的三维方案模型，通常包括建筑模型、道路模型(建筑小区内部)、植被模型、场地、水系模型(建筑小区内部)和其他模型。

b. 总平面方案模型：主要是在总平面方案审查阶段，由设计单位提供的基于总平面分区功能布置和审批高度、能够反映与周边位置和体量关系的模型，该模型无需体现建筑立面的纹理。

c. 三维方案参考模型(已批未建)则是推行三维方案审查过程中的过渡产物，主要针对的是已批未建或已批在建的项目的周边建筑，为了辅助周边项目的规划审查，需要通过已经获批的总平面设计方案图纸，建立三维方案的参考模型(根据总平面设计方案和设计高度建立的无贴面纹理的参考模型，能够反映建筑的高度、体量等)。

(3) 规划竣工模型：规划条件核实阶段，由建设单位提供根据建设现状采集的竣工三维模型，该模型可保证三维建筑方案模型评审周边现状的现势性，可作为现状三维模型数据的补充和更新。

(4) 三维综合管网模型：根据二维综合管线数据和属性信息建立的三维综合管网模型。

2 主要功能与应用

2.1 交互式可视化显示

交互式可视化显示是系统的基本操作模块，包含对场景的浏览、控制和视角切换等操作，以及场景的平移、旋转、定位、天气控制、特定场景和导航、属性查询等通用功能，此外，还实现了二三维场景联动展示[9]，便于用户切换三维场景和二维地图分屏联动和叠加查看(如图3和图4所示)。

图3 二三维分屏联动

交互式可视化显示可为城市设计、城市规划编制以及规划审批提供多视角、多尺度的数据支撑和场景模拟判别。

2.2 三维审批辅助工具

三维审批辅助工具主要用于三维空间上定量位置、高度、面积等精确计算，以及系统图片输出、特定场景制作、局部区域的场景输出。

三维审批辅助工具主要针对三维报件方案审核过程中空间距离、面积、模型等指标的检查工作。

2.3 三维规划方案管理

三维规划方案管理是本系统的核心模块，用于三维规划方案的创建、调整和管理，主要针对模型收件后规划项目和报件方案的创建、编辑、模型数据和附件材料的导入、管理等业务工作。可从本地导入规划方案的三维模型到场景中，并实现任意角度的浏览和查看；对于指定方案，可以进行建筑对象的高度、位置、朝向、体量、层数的调整，并可对模型选择区域内的材质、色彩进行实时调整，实现方案的动态调整，并可实现同一方案调整前后的对比[10](如图5 和图6所示)。

图5 规划方案调整

图6 调整方案对比

三维规划方案管理模块通过将规划方案三维模型与现状的三维模型进行融合，直观实现方案模型的细节及周边景观环境的协调研判，提高方案自身调整的合理性，以及区域空间形态和景观环境布局的协调性，减少方案设计失误，提升规划审批的科学性。

2.4 三维规划辅助分析

三维规划辅助分析模块主要是为了在报件项目的审核阶段，为建设方案提供定性和定量的辅助分析手段，从空间形态、指标参数等方面来佐证方案，为规划审批提供科学决策的依据和支撑。

三维规划辅助分析主要包含[11-14]：

(1) 控高分析和天际线分析主要用于方案的高度符合性检查。控高分析根据城市空间管制总图对规划地块建筑的限高要求，自动检测是否超过或符合控高要求(如图7所示)；天际线分析通过将规划方案三维模型与现状三维模型数据进行融合，分析划定区域范围各建筑单体相对地表的高度并曲线拟合天际线，判断是否符合天际线规划。

图7 控高分析

(2) 日照模拟和日照时长分析主要用于方案的日照分析。日照模拟和日照时长分析分别模拟不同时间太阳对建筑方案的光照阴影效果和指定位置(如单个建筑物)一天可接受的日照时间长度，从全局和单点多个角度进行日照分析(如图8所示)。

图8 日照时长分析

(3) 通视分析、沿路通视、视域分析从不同角度评估方案和周边建筑景观的通视或遮挡情况，不仅可用于建设方案审批，而且对历史文化保护区的景观保护也具有重要应用意义。

(4) 建筑间距分析自动计算拾取的两栋建筑之间的最小距离，判断建筑间距是否符合审批指标要求。

(5) 参数化推演及推演模型指标计算主要用于城市空间形态的整体布局与景观协调性辅助分析。参数化推演根据城市功能布局和概念设计，将二维建筑物数据生成素体建筑模型用于补充现状三维模型未覆盖区域，便于用户从宏观上把控和规范城市整体布局(如图9所示)；推演模型指标计算是根据参数化推演出的模型，对推演出的地块规划开发强度指标，套合红线数据进行容积率、绿地率、建筑密度等指标计算，从而估算推演参数的合理性，为方案调整提供依据。

图9 参数化推演

(6) 挖填方分析可提供对设计方案的建设成本进行预估，即对涉及山体或洼地的规划方案，根据地表模型计算山地的挖方和洼地和填方量。

(7) 拆迁量预估为城市的旧城改造规划、评估提供分析支撑。根据现状三维模型数据和二维建筑物数据对选定范围的拆迁影响面积进行初步计算，以及涉及各类功能用途建筑的分类统计。

2.5 综合地下管线管理

综合地下管线管理即实现二维综合管线数据的三维可视化管理，直观地查看地下管线之间的关系，以及地下管线与地上地面地物之间的空间关系，智能实现管线的平面分析和立体空间分析，辅助综合地下管线的三维规划设计、方案审批[15]。

综合地下管线管理主要包含二三维管线联动展示、信息查询与统计分析、管网分析、数据编辑、三维分析等功能。其中管网分析分为横断面分析、纵断面分析、开挖分析、事故分析、连通性分析等二维分析功能；三维分析分为剖面分析、挖洞分析等立体分析功能。

3 结 语

基于2D GIS和3D GIS的城市规划辅助决策系统以基础地理信息数据为基础、规划专题数据为支撑，采用2D GIS和3D GIS联动技术，提供交互式可视化显示、三维审批辅助工具、三维规划方案管理、三维规划辅助分析、综合地下管线管理等功能与服务，不仅能够全方位地查看项目本身细节信息，而且能够分析项目与周围环境的关系和协调性，辅助城市规划与审批，极大地提高了城市规划管理的科学水平和决策水平。同时，本系统的推广应用能同步将城市建设形成的三维规划方案模型、三维规划竣工模型更新至城市现状三维模型数据中，最新的规划建设内容能够及时反映在城市三维空间中，保证三维模型数据的现势性[16]，更好地发挥三维模型数据在智慧城市建设中的应用价值。因此，本系统的研究对促进城市合理规划、提升城市规划智能化水平，乃至推进智慧城市的建设具有重要意义。