三维GIS应用于规划审批中的关键技术研究

冯 琰，郭容寰，刘一宁

(上海市测绘院基础地理信息中心，上海200063)

一、引 言

三维GIS作为二维GIS的延伸，已经日趋成熟，有条件应用于国土规划、城市应急、城市安全等各行业领域。随着城市建设不断向纵深、向地下空间、向综合性的快速发展，国土规划中的规划审批工作，正迫切需要三维技术的支撑。

三维GIS形象真实地描述了城市三维地理空间的内容，它不仅具有虚拟现实表现的真实感，而且具有真实的地理坐标，以及具有空间分析和空间运算能力。三维GIS相关技术包括三维数据采集技术、三维城市建模技术、三维数据库技术、三维可视化技术及三维应用技术等。随着近十年来国内外科研人员在三维GIS领域的不断探索和研究，三维GIS相关技术得到了迅猛发展，为三维GIS在各个领域的广泛应用创造了有力条件，尤其是在城市规划领域，三维GIS拥有很大的施展空间。

目前，国内外对三维GIS的研究主要集中于空间数据的获取、数据建模、数据管理、三维可视化表现和空间分析等方面。而三维技术专门针对城市规划管理方面的应用研究，主要集中于利用专门的三维平台系统或虚拟现实技术，并结合规划管理相关工作进行;也有基于三维GIS对城市规划某一方面开展专题研究的。而对于规划审批，多数城市还是以二维GIS为主来应用，通过将规划审批数据纳入二维GIS数据库，建立规划成果信息库，并用二维GIS手段提高控规编制和审批的衔接［1］。

将三维GIS应用到规划审批，为规划审批提供有效的技术手段，必须解决三个关键技术问题：一是对规划审批相关数据和资料进行有效管理，即建立规划审批三维数据库，为规划审批提供三维数据基础;二是探索规划审批数据在三维空间的有效表达和管理方式，本文提出三维控制盒，将规划控制指标体系赋予三维控制盒，利用控制盒直观形象地表达规划控制内容，为规划审批提供了表达和管理基础;三是研究实现复杂三维空间分析算法，如建筑物投影面获取、平立剖面获取、复杂模型三维空间交集运算等三维空间算法，这些算法的实现为三维规划审批提供了有效技术手段。

二、规划审批三维数据库

国内很多城市都建立了城市三维数据库，数据基础以现状地理信息，以及建筑设计和城市设计方案的三维模型为主，主要功能包括城市形态展示、规划成果展示等。其中，有些城市还利用三维数据库对建筑设计方案开展比选工作，以此作为项目审批的辅助手段。但对于规划审批，尚无其他城市建立相关的三维数据库，规划审批仍以二维数据为主。本文将重点介绍规划审批三维数据库的建设方法。

三维GIS的基础是三维数据，以现有的二维、三维地理信息数据及规划控制数据为基础，综合应用遥感、数据库、三维GIS等技术，用三维技术和三维GIS理念去设计和管理规划审批数据。规划审批三维数据库包括三维基础地理库、三维规划数据库和三维建筑设计方案数据库3部分。

1.三维基础地理数据库

三维基础地理数据库包括基础地形数据、航空影像数据、地下管线数据和三维模型数据。三维基础地理数据库是控详规划三维数据库的基础，它用直观、形象的三维空间要素来表达现实世界。利用三维基础地理数据库构建的城市三维GIS场景，不同于计算机动画和仿真模拟，它是以真实的三维地理坐标为基础，空间要素位置关系与现实世界完全一致，可以进行任意飞行、旋转和漫游［4］，为控详规划编制提供了真实的三维数据和逼真的三维环境。同时，为控详规划阶段的现状调查、资料收集、用地分析等提供了直观的科学依据［4］。

2.三维规划数据库

三维规划数据库建立在三维基础地理数据库基础上，由规划编制中各种过程数据和成果数据组成，包括控规文件、控规图纸、控规图则和城市设计方案。控规文件是由规划说明书、实施文本和各种附件资料组成;控规图纸包括各种规划图和现状图数据;控规图则由每个地块的控制指标、相关控制要求和规划意图及大比例尺控详规划图纸组成，控规图则为土地出让提供招议标底条件和为修建性详细规划提供编制准则和要求［5］，控规图则包括普适图则和附加图则;城市设计方案是城市设计内容在控制性详细规划中的体现，是对城市三维空间和环境的综合规划设计，具有深化城市规划的作用，城市设计方案成果形式有效果图、动画和三维模型等多种。

为了将控规文件、控规图纸、控规图则和城市设计方案等控规数据进行有效组织和管理，同时将控规数据在三维场景中进行直观形象的表现。本文提出三维控制盒概念，利用三维控制盒将控规数据以立体图形和属性等方式进行管理和表现，关于三维控制盒理论将在第3章中详细阐述。

3.建筑设计方案数据库

建筑设计方案数据库建立在三维控规数据库基础上，依据控详规划要求，对地块的建筑形式进行全面设想，并根据其功能具体确定建筑物的空间组合形式和详细尺寸，构造及材料等。建筑设计方案是周围环境、城市历史文脉及城市控制性详细规划相协调的结果［6］，建筑设计方案的成果形式有平立剖设计图、效果图、动画和三维模型等多种。

建筑设计方案数据库与三维基础地理数据结合，可以为规划设计和管理人员提供直观手段，判断建筑设计方案是否与现状周边环境是否协调;建筑设计方案数据库与三维控规数据库结合，可以为规划设计和管理人员提供有效控制手段，判断建筑设计方案是否满足控详规划各种指标控制要求，以上两者的实现，都必须依靠三维GIS技术。为了将三维GIS技术有效地融入控制性详细规划，本为提出三维控制盒概念，利用其作为有效载体和控制方法，下面将详细阐述三维控制盒理论。

三、三维控制盒

三维控制盒是以三维规划数据库为基础，利用空间形态和属性等方式来管理和表达控规数据，使得规划控制数据能以统一有效的方式进行管理，同时使得规划数据在三维GIS场景中得以直观形象地表现。利用三维GIS技术，三维控制盒将抽象的控规要素进行形象化的三维表达，可根据每个规划地块的退界和控高等控制要素生成控制盒。如图1为某规划地块控制盒在三维GIS场景中展示效果，在空间形态方面，控制盒形象地反映了这个地块的空间控制要素，也就是说每个地块的设计方案不能超出控制盒的范围，在一定程度上对设计方案的空间形体进行了控制;在属性方面，每个控制盒都带有相应地块的控规指标数据，如地块编号、用地代码、建筑密度等，在三维GIS场景中可以实时查询任意控制盒所带属性信息，为控制盒在应用方面进一步拓展奠定了良好基础。

图1 某规划地块三维控制盒

根据不同地区的控详规划成果，以及规划实施的要求，三维控制盒分为4种类型，分别为基础控制盒、精细控制盒、扩展控制盒和地下控制盒。基础控制盒用于一般地区，根据控规数据库中的地块边界、用地性质、建筑控制线、建筑高度等指标形成的控制盒，控规数据库中的其他指标作为属性赋予控制盒;精细控制盒用于重点地区，结合城市设计方案，按照控规数据库中的公共通道、业态功能、建筑形式、建筑层数、标志性建筑位置等控制要素，对基础控制盒进行细化而形成的控制盒;扩展控制盒可在规划实施过程中，按照规划执行的要求，对于基础控制盒的地块边界、容积率、建筑高度等部分控制要素进行弹性扩展;地下控制盒反映了地下空间的可开挖范围，根据三维规划数据库的地下控制指标生成。

四、三维规划审批空间分析

在传统的二维规划审批中，建筑设计方案的关键控制指标都要靠人工计算和比对，这样费时费力。在三维规划审批中，在三维规划审批数据库和三维控制盒基础上，利用三维空间分析可以实现规划指标与设计指标的自动计算和比对，如建筑高度、建筑退界、贴现率、分层密度、建筑密度等。

1.建筑高度分析

利用三维控制盒与建筑设计方案模型进行空间叠加运算，可以判断建筑设计方案是否超高，如果超高，还可以精确得到超高数值。如图2中深灰色部分为超高部分。

图2 建筑高度分析

2.建筑退界分析

利用三维控制盒与建筑设计方案模型进行空间叠加运算，可以判断建筑设计方案是否超界，如果超界，还可以精确得到超界数值。如图3中深灰色部分为超界部分。

图3 建筑退界分析

3.建筑贴线率分析

建筑贴线率是指建筑贴合某一分界面的墙面长度与该界面长度的比值，实际计算时，建筑贴合界面部分的长度取的是建筑墙面与界面距离不超过2 m部分的长度。建筑贴线率的意义是控制建筑面向公共界面的形态和视觉效果。建筑贴线率计算时，利用建筑设计方案某边到控制盒对应边的投影长度与控制盒该边长度进行比值运算。考虑到建筑设计方案的复杂性，计算时须顾及异性建筑结构和贴线边后移方法。图4中深灰色边贴线率超标。

图4 建筑贴线率分析

4.建筑分层密度分析

建筑分层密度是建筑密度概念的延伸，指的是建筑在某个高度区间内的建筑密度。建筑分层密度计算时，根据地块控制盒的具体分层密度指标，将控制盒分为若干个不同的高度区间，利用区间的上限和下限截取建筑，再利用截取部分进行投影，最后求出投影部分的面积，进而求出每个高度区间内的建筑密度，并与控制指标进行比较，即可得出分层密度是否超限。图5中深灰色部分为建筑分层密度超出的部分。

图5 建筑分层密度分析

以上只列举了三维规划审批中几个关键指标的空间分析示例，在实际应用中可以根据三维控制盒和建筑设计方案模型进行多种指标的计算。

五、应用实例

本文所探索的三维规划审批关键技术已经在上海市虹桥商务区核心区案例中得到很好的实践和应用。虹桥商务区三维规划审批平台，包含数据库管理系统、后台分析系统、应用发布系统和业务服务系统4个子系统，实现了项目审批、方案比较、指标校核及各种分析功能于一体的业务和办公平台，为规划管理人员提供直观、系统和高效地三维可视化管理平台。三维规划数据库管理系统完成对三维基础数据、规划要素和规划方案等数据管理、维护等工作;三维规划管理后台分析系统完成复杂的三维空间分析和运算，为三维规划管理和审批提供强有力的技术支撑;三维规划管理应用发布系统是将后台分析系统中的各种分析功能和分析结果进行包装和分发，以服务或者XML方式发布到三维规划管理平台中，同时完成获取三维规划管理平台的用户消息，并将消息进行解译传递到后台分析系统;三维规划管理业务服务系统有效结合规划管理的日常业务和标准规范，将数据库管理系统、后台分析系统和应用发布系统有机结合起来，使得三维规划管理平台更加贴合实际应用，切实将三维技术融入到三维规划管理日常业务办公中，有效提高规划管理的技术手段和办公效率。系统界面如图6所示。

图6 虹桥商务区三维规划审批平台

六、结束语

本文探索了三维GIS应用于规划审批的关键技术，研究了规划审批三维数据库的建立流程和方法，为规划审批提供三维数据基础;探索规划审批数据在三维空间的有效表达和管理方式，利用控制盒直观形象地表达规划控制内容，为规划审批提供了表达和管理基础;研究实现复杂三维空间分析算法，为三维规划审批提供了有效技术手段。最后本文通过虹桥商务区三维规划审批管理平台将上述关键技术得以实现。

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