基于GIS的城市空间规划应用研究

袁金锦 赵 雷

（山东省地质测绘院，山东 济南 250003）

0.引言

城市规划起源于工业革命。工业革命使人类的居住形式发生了改变，随着大量工业区的落地和城市生产力的进步，城市对劳动力的需求日益旺盛，劳动力逐渐向城市集中，使传统的农村居住方式开始向以城镇为主的居住方式转变。随着城市规模、城市数量、城市人口急剧增长，已有城市基础设施无法满足需求，配套土地、住宅和物资供应短缺，生态环境持续恶化。同时，由于城市原有交通无法满足生产和生活需求，导致生活区和生产区混杂，建筑物采光、通风等条件差，垃圾转运站、公共厕所、排水系统跟不上生产和生活需要，解决城市规划问题成为城市管理者的首要任务。在世界范围内，由于城市空间规划不合理导致一系列城市病，包括住房缺乏、能源供应紧张、交通堵塞、供水不足、生态环境污染、秩序混乱等。城市病主要表现在：盲目城市扩张，永久耕地越来越少、湖泊水域逐渐退化；城镇开发边界外的土地不断被侵占；城市道路、供水、供电等基础设施愈发不足；城市中的自然保护区、历史文化名城、古树名木被破坏；城市中的各种违法犯罪事件越来越多。这些问题使城市建设、城市管理和运行发生混乱，人民的生活、生产和生态环境恶性循环，导致资源浪费，一定程度上限制了城市的高质量可持续发展。

20世纪80年代，发达国家首次在城市空间规划中采用GIS技术，以满足政府在空间规划领域的信息化和智能化需求，解决“多规冲突”下的城市空间管制矛盾[1]。美国环境系统研究所公司（简称“ESRI公司”），美国Intergraph、Skyline等地理信息技术厂商将GIS技术应用于城市空间规划领域，如，建筑物地名地址查询、缓冲区规划分析、商业规划选址分析、日照规划分析、建筑物规划控高分析等，取得了良好的效果。

20世纪90年代开始，随着地理信息软件的全球化，发展中国家也开始采用GIS软件开展城市空间规划研究和应用，代表性的公司有武大吉奥信息技术有限公司、武汉中地数码公司、北京超图公司，它们分别推出了GeoStar、MapGIS、SuperMap等系列软件。各级政府自然资源和规划部门采用这些平台以及相应的解决方案来解决城市空间规划中面临的信息化问题，如，在城市空间规划中，通过GIS技术可以管理海量的时空数据，对多种表现形式的空间数据进行维护和更新，并实现对空间信息的查询、统计、分析，对城市规划空间提供数据支撑（如，通过GIS可用定性和定量的方式来划定“三区三线”）。通过GIS技术也可以实现地理空间数据与人口、经济、地名地址等要素相互关联，如，通过GIS技术可以分析城市内部各功能区的相互联系，了解城市人口分布情况和经济发展情况，优化商场、超市、地铁站点等基础设施的选址方案。

1.GIS概述

GIS技术起源于20世纪60年代的加拿大，最初是用于土地和军事制图等目的，随着UNIX操作系统的发展和Windows操作系统的诞生，地理信息技术在美国持续发展，诞生了诸如ESRI和Intergraph等一流的商业地理信息软件供应商。

地理信息技术是城乡规划和土地管理中不可或缺的关键性技术之一[2]，是综合利用地理信息数据（包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据）形成数据底座，利用计算机软硬件技术和交互式计算机图形学等技术搭建的基于二维、三维地图的软件平台。基于该平台开展地理信息数据处理、空间数据编辑、地理信息数据可视化、空间数据查询、空间分析等一系列操作，可满足不同行业用户需求。随着计算机硬件、操作系统的发展，以及大数据、云计算等新技术的涌现，地理信息技术从桌面组件式GIS向分布式跨平台GIS、时空大数据+云GIS不断进化和发展，从传统二维GIS向三维GIS跨越，形成二维、三维一体化GIS技术体系[3]。

2.基于GIS的城市空间规划技术架构

基于地理信息GIS技术的城市空间规划技术架构包含数据层、平台层、应用层、展示层如图1所示。

图1基于GIS的城市空间规划技术架构图

数据层：包含城市空间规划相关的空间数，含GIS数据（遥感影像、地形图、数字高程模型、倾斜摄影、MAX手工精细模型等）、BIM数据、IOT数据、规划业务数据等。

平台层：从数据层获取空间规划相关源数据，提供GIS可视化、查询、空间分析等服务，为城市空间规划上层业务提供支撑。

应用层：提供了规划方案可视化，二维、三维一体化呈现，规划查询，空间分析等功能，为城市空间规划提供通用的业务支撑。

展示层：应用层的相关查询、分析、统计结果，将通过展示层的PC端或者移动端向用户进行呈现，最终辅助政府决策者开展规划方案制定、修改、更新等工作。

3.GIS技术在城市空间规划中的应用方向

GIS技术在城市空间规划中的应用很广泛，通过GIS技术可为城市空间规划提供规划选址、地块压平、规划方案比对、规划全生命周期模拟、规划高度分析、控规盒子分析、拆迁量分析、沿街立面分析、日照分析等应用。

3.1 选址规划

通过GIS缓冲区分析实现对服务基础设施（如，商超、学校、医院等）能触达的服务半径和功能性建筑（如，住宅区）选址提供准确数据，从而为空间规划选址提供科学而智能的辅助决策。

作为GIS系统重要的空间分析功能之一，缓冲区分析可以实现对选定的位置或者区域进行缓冲区半径绘制，从而分析该半径所覆盖的地物。以用户选择的实体（点、线、面）为基础，构建该实体周围指定长度范围内的缓冲区多边形图层，然后通过源图层与结果图层的叠加分析，从而计算覆盖的区域范围。基于面状要素的缓冲区分析结果，是向外延伸一定距离生成的多边形所包含的范围；基于线状要素的缓冲区分析结果，是以选定的线为主轴线，距该轴线一定距离的带状多边形所包含的范围；基于点位的缓冲区分析结果，是以选定的位置点为中心，以一定长度为半径的圆所包含的范围。

3.2 地块压平分析

对规划建筑地块范围内的三维精细模型进行压平，并在压平的位置添加新的三维空间规划方案，从而实现在同一场景下快速更新可视化场景的目的。

根据用户在三维场景中绘制的多边形范围，与三维精细模型图层进行空间相交，自动对区域内的不规则三角网进行分析并实时修改顶点的高程值，使区域内的模型压平为一个平面。该操作不会对原始数据产生影响。

首先需要指定压平区域的高度，然后在三维场景中按照矩形区域、任意多边形区域等多种方式绘制多边形，绘制完成后压平效果实时显示，并在三维场景中显示多边形范围，可通过压平列表对各区域进行快速定位。

3.3 规划多方案对比分析

对后台的项目列表进行清单列表显示，并允许对选中的某个项目进行具体的规划多方案对比分析。实现多窗口实时比对同一地块的多个建设方案。支持多方案的同时观看和自动旋转浏览查看。

通常在页面中设置两个div，分别用来显示两个三维地球viewer1、viewer2，在div上设置监听事件，用来区分当前鼠标的操作区域。然后给两个viewer添加鼠标事件，当拖动viewer1的时候把相关参数传递给viewer2；反之亦然，即可实现两个球体的分屏联动效果。系统根据用户选择的建设方案，从后台读取项目范围和方案服务地址，实现实景模型的压平和建设方案的加载。

通过多方案对比分析功能，选择需要对比的两个方案，系统自动将窗口分屏并分别加载不同方案，两个窗口可互相联动并支持自动旋转浏览。

3.4 规划生命周期模拟分析

实现建筑工程项目的全流程三维化管理，包括规划建筑方案阶段、建筑物施工阶段、建筑物竣工验收阶段。将建筑工程项目各个阶段的动态变化用三维模型的方式进行表达和呈现。

3.5 规划高度分析

实现根据建筑物层数和建筑物地上高度信息，对建筑物分层设色渲染，达到对高层建筑统计和高亮显示的功能。

通过GIS技术加载三维建筑模型数据时，首先获取建筑物的层数，再根据GIS系统中预设的参数确定对应层的颜色，最后将相应的颜色分配到建筑物的纹理中。

3.6 控规盒子分析

实现根据容积率、控规限高等相关指标，对地块进行三维空间的抬升，以立体空间的方式呈现地块的属性。

结合已有或自定义的多边形，叠加控规矢量数据，检索区域内的全部地块，并以容积率或限高等指标为纵向上的高度参考，对每个地块垂直向上拉高构建三维白模。

根据建筑物控高属性将相关地块拉伸成为三维体块模型，实现规划数据以三维方式进行呈现，并基于带有高度属性字段的规划数据实现地块属性查询。也可以添加其他三维模型图层进行叠加，充分发挥基于GIS的控规在二维和三维层次上的综合控制性作用。

3.7 拆迁量分析

按缓冲区半径或自定义多边形，对设定区域内的待拆迁基础设施（建筑物等）进行量算和分析并进行结果呈现。

根据在三维GIS平台中预定义的多边形，与居民地图层进行空间相交分析，最终列出查询结果，并在列表中呈现查询结果，同时可对占地面积、建筑面积、建筑物数量等相关属性进行统计。

3.8 沿街立面分析

根据观测点，利用GIS技术生成当前场景视窗中沿街的立面并进行呈现。

按照用户自定义的多段线，采用GIS空间相交分析算法与建筑物求交，沿建筑物外轮廓绘制剖面线并显示在三维场景中。在三维场景中沿街绘制一条多段线，自动对沿街建筑立面进行分析并生成剖面图。

3.9 日照分析

利用3D GIS技术，根据预定义的时间计算日照的影响范围并对结果进行模拟和显示。

根据所在区域的经纬度范围，计算该区域在某个时间范围内能被太阳光照射到的时长。同时根据设置的采样距离、最大和最小高度、采样频率，计算出所在区域内的采光结果，采光值表示该位置日照时间占开始时间到结束时间的百分比。

4.GIS技术在城市空间规划中的关键技术和应用难点

4.1 二维、三维空间规划数据的融合技术

城市规划所涉及的地理信息数据、BIM模型数据格式繁多、标准多样化，给GIS技术的应用带来了困难。为此，需要对城市空间规划中所涉及的地上和地下数据、室内和室外二维、三维数据（含2D/3D GIS、BIM模型等数据）进行融合处理，给多套数据赋予一套编码体系、一套语义。

其中，二维数据主要是大场景的全域数字化现状数据、空间规划数据，小场景的物联网监测感知数据。全域数字化现状数据包含地理实体、地名/地址、电子地图（底图）数据，空间规划主要包含总体规划、详细规划和专项规划以及历史规划数据，通常以GIS/CAD和时序数据格式存在，是城市空间规划GIS系统中常见数据源。

三维数据主要是针对示范区域的倾斜摄影、激光点云等三维模型等数据，常见格式有MAX、FBX、3ds、OSGB、OBJ等，也是城市空间规划GIS系统中的主要数据源。

BIM数据主要是围绕城市“规、设、建、管”领域涉及的数据，主要包括局部区域（如，城市CBD）中小场景的城市设计数据（如，局部景观设计、建筑设计、市政设计等）和建设项目数据（主要是详细设计图BIM成果，施工图BIM成果和验收BIM成果），对应BIM五级LOD分别适用于规划、初步设计、详细设计、施工和运营等应用场景，要兼容常见的Revit、Sketchup、Tekla、InfraWorks等数据格式。这些数据都是城市空间规划GIS系统的重要数据源。

4.2 三维空间规划可视化技术

三维可视化技术需提供跨平台、跨终端、跨浏览器的三维可视化能力，基于WebGL的BIM模型轻量化技术搭建面向城市空间规划的三维可视化引擎[4]，能提供空间查询、空间量测、空间剖切、空间定位、属性浏览等功能，以满足用户在空间规划方案定制、空间方案对比、方案编辑和优化等方面的需求。

三维可视化引擎需具备海量城市空间规划二维、三维数据流畅加载、3D视图呈现和漫游、高逼真场景物理渲染能力。随着三维场景内容不断增加，三维模型的数据量也将越来越大，如，城市级3D场景。三维可视化渲染表达需要在保障海量三维场景可视化效果的同时具备最佳的性能。以高性能高效率为前提，为了降低针对系统内存的读写，减少对PC端和移动端设备运行温度的影响，降低对硬件资源的消耗，通常运用WebGL等技术框架。同时，需具备LOD技术，按照多级标准划分模型层次，并进行模型贴图预处理，实现三维模型外观显示完整、宏观和微观三维场景高效无缝切换。

5.结束语

运用地理信息（GIS）技术，可以为城市空间规划的全过程和全生命周期提供基础，为城市空间规划相关应用提供“可视化、三维化、动态化”的基础底座和技术支撑。为了让GIS技术进一步服务好未来的城市空间规划工作，需要解决一系列问题，如，高分辨率的城市级实景三维数据覆盖范围有限、缺少国土空间基础信息平台和城市信息模型CIM平台的支撑、基于GIS的城市规划与城市建设运行未有效衔接、GIS平台的海量数据承载能力不足等。为此，需要政府规划部门、GIS企业、高校科研机构共同参与，加强技术攻关。只有充分解决以上问题，才能进一步提升城市空间规划的合理性和科学性[5]，从而推动城市空间规划高质量发展。