参与式三维电子沙盘技术在村镇规划设计中的应用

■ 张晓彤 宇林军 何 炬

落实2030年可持续发展议程，再造魅力故乡，技术在可持续发展中起着重要引领作用。参与式电子沙盘技术将成为开发村镇空间设计众包平台的核心技术。

据住建部统计，近10年来，村镇建设投资已经从2005年的每年5000亿元，上升至如今的每年超过16000亿，其增速要超过同时期GDP增长率近5个百分点。其中全国村镇规划编制投入超过50个亿（未包含不需资质的专项咨询）。

但目前我国村镇规划覆盖率仍然偏低，乡镇一级约为70%，行政村一级约为60%。按照住建部“到2020年我国将通过改革创新，大幅提高乡村规划的易编性和实用性，力争实现乡村规划基本覆盖，结束农村无规划、乱建设局面”的预期，以及3～10年的规划修订周期的预期计算，我国村镇规划需求十分庞大。

2014年至今，党中央、国务院和各部委集中发文指导农村土地改革工作。特别是2015年中央农村工作会议表明，以农村土地征收、集体经营性建设用地入市、宅基地制度改革为代表的“三块地”改革试点将全面深入。这标志着会有更多的集体经营性建设用地入市拍卖，土地征收范围也会有所缩小，探索宅基地有偿使用制度和自愿有偿退出机制可能会成为核心。

我们可以通过国家层面一系列政策判断，农村土地市场被寄予诸多市场预期、农村承包土地的经营权和农民住房财产权抵押贷款将会使农村金融有望进一步盘活。也就是说，除了传统政府和村民自身对于村镇建设的投资外，将会有远超过目前投资级别的民间资本在不远的将来投入到村镇建设中来。

而外部民间资本的介入势必将带来村镇建设更加多元的利益相关者，及其各异的规划设计需求。传统的“政府-设计院”直接对接的规划设计模式，仅仅通过事后向公众征求

意见，来满足政府、投资人、当地居民、游客等不同利益相关者的诉求，交流成本将会巨大。规划设计任务的发包方希望更多地参与到方案阶段的决策中来，任务承担方则希望在交流过程中尽量减少重复成本。因此能提供多利益相关者共同方案设计的电子沙盘平台将顺应市场需求，为甲乙双方提供可参与、专业化、权威性的规划设计平台，将会受到甲乙双方的青睐。

一、现有技术分析

（一）相关传统规划设计效率工具

国内常用的传统规划设计效率软件主要包括鸿业城市规划设计软件、SKETCH UP、湘源村庄规划CAD系统等。鸿业城市规划设计软件和湘源村庄规划CAD系统主要基于CAD平台研发，因此需要CAD平台支持运行，且规划设计工具为二维工具，无三维场景下的规划设计工具；SKETCH UP虽然提供了简单易用的三维模型生成工具，但并不是基于程序建模技术，也没有提供快速创建和修改三维城市布局的编辑工具；City Engine表现力丰富，但缺少规划设计领域需要的评价功能。总之，目前传统规划设计效率软件总体上缺少三维环境中的具有专业分析功能的规划设计工具，因而无法实现电子沙盘似的参与式规划。

（二）相关规划决策支持软件

相关规划决策设计软件主要包括index、What if、Community Viz和City Engin等，三款软件主要侧重于规划方案的评价，提供了方案评价的评价指标，但三款软件都没有提供适合中国规划评价标准的模型和算法，且评价指标也较少，不能够提供规划方案的多学科评价如景观格局评价、空间句法评价等。此外，作为规划决策支持软件三款软件都没有规划设计工具，因而无法应用于规划方案的创建和修改，进而无法应用于实时的参与式规划。总之，目前的规划决策支持软件侧重于规划方案的评价，无二维和三维规划设计功能。

表1 相关规划设计效率工具优/劣势比较

表2 相关规划决策工具优/劣势比较

二、技术实现

（一）电子沙盘的呈现和使用

“参与式三维电子沙盘”通过集成遥感技术、地理信息系统（GIS）和3D仿真技术，可以直观地还原出指定村镇的地形和高分辨率遥感影像，形成3D电子沙盘。有别于AutoCAD、3D MAX等专业设计软件，本软件具有交互式的特点和简单易上手的用户体验，允许使用者在沙盘中随意编辑和摆放各式各样的建筑、道路和环境要素。这样仅仅依靠鼠标点选和拖拽等简单的操作，就可以生成具备全3D效果的村镇规划设计方案。而且，每当方案需要修改的时候，也仅需要进行同样的鼠标拖拽动作即可，甲乙双方只围绕着沙盘不断的动态调整演示就可以快速达成意见统一，极大地提高了效率。

（二）多专业分析工具的集成化

虽然具有简单易用的特点，但是电子沙盘的后台GIS能力却并不简单。不但具备诸如ArcGIS等专业GIS软件中对地物、环境、属性等的基础检索能力，还可以从土地政策、生态学、地理学、规划学等多个角度为每一套方案生成详尽的分析评价报告。这些内容不但会反馈给规划设计者以供改进方案，也会帮助非专业的规划参与者们注意一些国家基础标准，还会在方案评价环节中提供给专家们作为一份参考。所以无论是专业的规划设计人员还是参与的民众，都可以通过这些数据直观的方案对比内在的不同，让方案不再是一份静态的图纸，而是蕴含着众多可执行度分析的、理性的选择，架起多科学性沟通的桥梁。

三、技术突破

（一）三维技术与地理信息系统技术的融合，革命性提升设计者效率

“参与式三维电子沙盘”基于3D全息地球模型进行开发，采用WGS84坐标系实现从洲际尺度到村镇尺度的平滑缩放，再通过叠加全中的遥感数据和地形DEM数据，具备对中国任意村镇进行3D电子沙盘展示的能力。此外在数据层面，沙盘具备对细小物体进行识别、建模、追溯、计算的能力，从而在后台建立起一张庞大的数据网，能够与建筑、道路、环境要素等一一对应，根据它们的不同属性及位置关系，实时演算推理当前方案的热点、价值、分布、合理性、平衡度等等。保证能够随时为方案生成2D、3D规划图，以及各式各样的规划分析建议。

（二）多学科分析功能的集成，使过程评估成为现实

相对于传统的规划设计软件如AutoCAD、SketchUP、MAYA等，本系统具备3D GIS能力，可以在设计者构造规划图的同时，一站式地为其提供所见即所得的3D实景效果和详细的GIS分析数据，从而不再需要在规划软件、实景软件、GIS等多软件之间切换，也不再需要花费精力去做数据导入导出、格式转换、报表集成等等繁琐的工作。在这个系统中，设计者唯一要做的就是从内置模型库中挑选元素摆放好一张高度直观的3D实景规划图，然后点击一下“分析”按钮，所有地理形态、地理关系、国标数据、甚至一些前沿性的生态学数据等都会同时快速生成。如果模型库没有所需要的模型，设计者只需要点击手动建模按钮，按照向导简单几步就可以生成自己想要的模型，根本不需要再去另寻软件。

（三）极低的使用门槛，造就具有极致参与感的用户体验

相对于传统的3D GIS软件如ArcGIS-3D的复杂逻辑和“从零构建”的操作思路，本系统以极简的理念，在开始画面就为使用者呈现出了一个全球范围的3D电子沙盘，即使不输入一字一句、一点一线，也可以轻松地玩转沙盘，寻找世界范围内的每一个村镇角落。然后，只要懂得鼠标操作，就可以像玩游戏一样在沙盘上摆放各种建筑元素，不知不觉间一套规划创意就诞生了，再辅上系统给出的专业性建议，使多学科协同辅助决策成为现实。甲方在与设计单位商谈方案时也不再有巨大的专业隔阂，让方案一旦变更后的数据重算周期从以周为单位缩短为以分钟为单位，从而让现场修改方案变为可能。这将完全扭转非专业人士在面对专业规划方案时被动接纳的处境。

四、案例分享

（一）乡村历史景观复原与评估

梳理乡村历史景观的变化规律可以为决策乡村可持续发展路径提供治理依据。如何利用当地村民更容易接受的方式挖掘其记忆中的景观记忆和乡土知识，复原乡村历史景观，并进行评估是本研究的目的。

以贵州省贞丰县对门山村为例，利用自主研发的三维电子沙盘工具，结合参与式农村评估技术，由当地村民自主复原了1958、1980、1995、2015四个时期的历史景观。通过工具自带分析功能分析显示：由村民在三维电子沙盘工具上复原的景观，在土地利用、生态服务价值、景观格局指标等方面的数据结果与本村发生的导致景观变化的重要历史事件关联性强。可以认为，三维电子沙盘工具作为非专业人士易于理解的手段，可以较为准确、便捷地获取乡村景观形成、变迁及驱动因素等信息。本文提出的三维电子沙盘工具在乡村历史景观评估中的应用方法可以为未来参与式乡村景观规划设计提供方法和工具参考。

图1 村民通过三维电子沙盘工具复原历史景观

本研究将更易于当地村民理解和运用三维电子沙盘工具结合参与式农村评估技术，成功地从时空两个维度复原村民记忆中的乡村历史景观，真正实现村民对乡村历史景观记忆实时可视化为三维复原景观地图，并表现在三维电子沙盘上。同时听取他们对景观变迁原因的观点，实现研究人员与村民的实时交流，最大程度地保证沟通行动的有效性和真实性。在乡村规划与管理行动中，基于PGIS的乡村（历史）景观调查与规划方法，通过与三维电子沙盘工具的高度结合，最大限度地保证了讨论过程和结果的一致性，真正实现乡村规划和管理过程中的村民参与。

图2 通过三维电子沙盘工具产出的1980年景观场景及平面图示意

三维电子沙盘在本次对乡村历史景观调查中首次获得了较好的应用，从时间的另一个方向上来看，其也会有效提升乡村景观规划设计的质量和效率。作为一款多专业集成、门槛又极低的设计平台，它很好地解决了在规划设计工具领域，传统工具的功能单一性与GIS等工具功能复杂性的这一对矛盾，提供一站式的设计平台，既可以提高专业设计人员的规划效率，又开创性地为非专业人士提供了更加直接参与设计决策过程的途径；其附加的过程评估功能也将为参与设计的不同利益相关者实时提供决策辅助依据，是对乡村景观规划设计方法创新性的方法。

（二）聚落开放空间可视性研究

可视性分析是聚落开放空间设计的重要内容之一。在聚落开放空间设计中，通常使用三维电子沙盘模拟景观要素分布，规划人员定性地分析聚落空间中景观的可视性，缺少定量分析方法和工具。鉴于此，本文提出了基于三维电子沙盘的聚落空间可视性分析方法和工具，在天际线曲折度、天际线距离、景观层次感三个维度衡量空间的景观视觉感受。以浙江省宁波市大堰镇景观为例，进行了案例研究。结果表明，基于三维电子沙盘的可视性分析方法和工具可对景观进行可视性分析和视觉质量的定量计算，可辅助规划师、建筑师更好地认识其景观设计形态。

图4 “三维电子沙盘”可视性分析工具

聚落开放空间可视性是聚落空间规划的一个重要内容。天际线曲折度、天际线距离及景观层次感是定量描述天际线的三个重要指标。本文基于“三维电子沙盘”，实现了基于天际线分析的聚落开放空间可视性分析工具。该工具将天际线曲折度、天际线距离、景观层次感分析的计算结果以图形的形式展示，利于使用。以浙江省宁波市大堰镇为例进行了案例研究。研究结果说明，该工具计算结果结合主观判断，尽管不能直接应用曲折度、天际线距离、层次感指标数值大小来评价某处空间可视性的优劣程度，但可协助规划师、建筑师更好地认识聚落开放空间景观形态，更好地比较现状和不同设计方案形成空间形态之间的差异。

本研究为村镇聚落开放空间的可视性研究提供了一些研究方法和工具的实践性贡献。三维电子沙盘的参与带来了三维可视分析的方便和效率，为视域范围内天际线和景观层次的视觉因素提供了定量的结果，使每个节点的结果能够进行评估和方案比对。考虑长远意义，利用三维电子沙盘工具进行的可视化分析和视觉质量的计算可以激发聚落开放空间与视觉之间的定量分析的潜力，为环境评价提供适当的标准，并制定未来的规划和设计合理提供参考依据。在未来的聚落开放空间可视性研究和实践中，需要在以下方面进一步深入研究，包括如何合理选择观测点，如何在满足可视性评估精细程度前提下，尽量简化建筑模型，及如何在天际线分析中加入其他视觉因素（如纹理，风格，颜色或装饰）进行开放空间景观分析等。

图5 观测点选择示意

图6 各观测点可视性数据分析

五、讨论

“参与式电子沙盘技术”是一款多专业集成，但使用门槛又极低的村镇三维空间规划设计平台。它解决了在规划设计工具领域，传统工具的功能单一性与GIS等工具功能复杂性的这一对矛盾。“电子沙盘”将二者紧密结合在一起，提供一站式的设计平台，既可以提高专业设计人员的效率，又开创性地为非专业人士提供了参与设计的途径，将成为开发村镇空间设计众包平台的核心技术。该工具直接面向村镇规划设计这一细分市场新的盈利增长点，将有极大的市场前景。