城市规划中的BIM+GIS三维可视化系统研究

王振峰，徐明霞 （陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安 710300）

0 前言

2018 年在中央经济工作会议中首次提出“新型基础设施建筑”的概念，简称“新基建”。所谓新基建涵盖七大领域，即5G 基站建设、特高压、工业互联网、新能源充电、城际高铁、人工智能、大数据中心，涉及诸多产业链。它是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系。2020 年“新基建-人工智能”技术在巡检、测温、清洁、云端护理、无人配送和机器人等方面“大显身手”；“新基建-大数据中心”技术使国民能够时刻了解现状和发展态势；“新基建-工业互联网”技术，使企业彼此之间打通资源、共享互利。在“新基建”背景下，建筑行业势必需要以建筑信息化技术（BIM 技术）手段改变传统生产方式，使其向绿色、节能、环保、智能的理念持续推进。并且，近年来智慧城市风潮逐渐影响全国，尤其是国家“十二五”规划对智慧城市的支持和鼓励，期间有约400 余个城市和地区启动智慧城市的建设。近几年我国先后出台了《国家新型城镇化规划（2014-2020 年）》《国务院关于促进信息消费扩大内需的若干意见》，其中明确提出加快智慧城市建设；由发改委、工信部、科技部等八部委联合发布的《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》中提出到2020 年建成一批特色鲜明的智慧城市的目标。在智慧城市基础设施建设方面，各职能部门（如国土、林业、交通、市政、道路、规范、矿产、地质、水利等）都有各自的职责和业务应用系统，造成了各个职能部门各自为政、数据资源封闭、基础设施建设重复等诸多问题，导致浪费大量资金和材料，成为智慧城市中基础设施规划和选址建设的重要瓶颈。

“城市建设，规划先行”，智慧城市规划，尤其是土地利用规划是推动智慧城市建设的重要基础[1]。在智慧城市建设背景下，土地利用规划鼓励系统、智慧、动态地思考与解决城市土地利用的各种问题，以系统化、结构化、智能化的技术与工具为支持，科学分析城市土地大数据，审视城市土地资源条件、功能布局、支撑体系等内容，制定科学与合理的智慧城市土地利用规划方案。城市土地利用规划应是对传统土地规划理论的深化与拓展，应从规划初始阶段嵌入“智慧”理念。其一，注重顶层设计，面向城市本身层次及土地利用需求，因地制宜，将城市特色体现出来；其二，提高对近期建设规划的重视，将信息技术、物联网等技术作为重点，进行智慧城市土地利用“神经”的搭建；其三，中期规划逐步向智慧土地应用的领域拓展，进一步结合土地的空间功能，提升品质，增强土地利用的可持续发展能力。

BIM+GIS 方面，在国内外专家和学者主要集中的土地合理利用上，提出了扇形理论、多核理论和同心圆理论。这些理论主要用在城市综合体选址、商业用地规划建设方面，将其用在基础设施建设方面，存在一定的局限性。唐小龙和张宜华[2]提出了对利用BIM+GIS 构建建筑综合信息平台，分析该平台在智慧城市和智慧工地的实施效果，提升了建筑工程管理水平和能力。徐旻洋[3]通过建立BIM+GIS 大数据基础平台，采集城市管理数据，融合时空定标与信息数据，初步实现了城市管理的数字化。邱耀林[5]系统地总结了GIS 技术在城市规划中的应用原则及GIS 预测模型辅助分析系统在城市规划应用的情况，为城市规划的管理提供了参考。高琪[8]通过GIS+BIM 技术，借助档案数据库系统构建了城建项目数字系统，制定了信息数据标准，把城建项目信息归化管理，实现了城建项目地理信息与空间信息的连接，为城市规划提供了参考资料。贾敦新[10]以重庆悦来生态城城市规划数据为基础，利用GIS 的空间和指标统计分析融合技术，分析重庆城市生态空间格局和环境，重新构建了城市生态空间框架，把城市地形、地貌进行数据重叠，选取最佳城市植物绿化线路，通过GIS+GPS 建立城市生态信息数据库。

国内外对智慧城市规划研究主要集中在：①基本内涵的研究，分为技术导向型和政策导向型；②技术支撑研究，主要研究智慧城市的核心技术，包括了大数据、云计算、智能识别等诸多方面，而这些技术被广泛地应用在智慧城市建设的各个方面，如智慧政务、智慧社区、智慧医疗、智慧交通等。另外，现在GIS +BIM 技术的应用大部分都在交通领域，而在城市地理空间信息的智慧规范方面的研究较少，本研究利用GIS 技术、BIM技术结合大数据平台分析，以期对智慧城市的规划和管理提供一定的应用参考。

1 设计方法

1.1 BIM与GIS模型空间基准

经过独立设计的BIM 模型，即使经过模型的格式整合，BIM 的模型空间仍然是处于独立的坐标系统下[3]。在将BIM 模型与三维的GIS 场景进行交互的过程中，处理BIM 模型组件正确的空间拓扑关系，需要通过模型的族坐标系和全局坐标系的几何转换，保证组件空间关系的正确性[4]。BIM 相邻实体模型间正确的相对空间关系可以通过模型测量点和实际测量点的坐标建立参考关系，完成两者空间基准的统一，实现BIM 模型在GIS模型里的正确定位[5]。

1.2 系统总体框架

BIM 与GIS 的三维可视化系统首先将BIM 模型、地形数据汇总到三维GIS平台中，然后通过GIS 平台将所设计的建筑信息数据和基础的地理空间信息进行三维展示，最后利用BIM 中的数据和建筑设计标准库中的间距量化指标来审批设计方案。BIM 与GIS 三维可视化系统主要由数据模块、服务模块和应用模块组成，整体框架如图1所示。

图1 系统流程图

1.3 系统应实现的功能

可以展示多元数据融合形成的三维场景；可以根据不同的功能要求将系统划分为多个子模块，如光照模拟模块、模拟城市空间测量模块与设计开发项目审批模块；系统应当包含所有的可视化对象，能够对城市规划场景进行统一管理；系统应当包含项目中所有组件的完整属性信息；能够查看与修改项目组件信息。

2 设计结果与分析

2.1 BIM到GIS模型转换

首先对BIM 模型过滤得到模型的几何信息和项目属性信息，按照组件类别进行命名，分类存放建筑的几何模型信息，单独模块组件用Element ID 命名，然后对得到的信息进行解析，解析完成后的组件属性信息用EXCEL 进行存储，简化系统读取信息与管理建筑参数信息的过程。

2.2 三维融合场景浏览

三维可视化系统通过对skyline 的二次开发，实现数字模拟数据、三维建筑模型数据、正影像图数据、画图数据的多元融合，窗口的浏览模式也应当方便用户浏览操作。

图2 浏览操作界面图

2.3 城市规划参数信息管理

从BIM 模型解析得到的城市规划参数信息通过单独的Element ID 与简述的几何模型关联起来，进行统一的管理。城市规划参数信息模块由参数信息查询、城市规划属性总表和建筑属性信息修改组成。参数信息可以通过城市规划组件模型的Element ID 进行查询；城市规划总属性表中包含了城市规划所有组件的详细信息，可以全面地管理与展示城市规划的组件信息；通过查询城市规划组件的ID，在数据模型或总属性表上可以修改组件的信息。

2.4 光照模拟仿真

光照模拟仿真模块通过模拟太阳光实时照射，查看城市规划建筑物模型阴影效果和建筑物的光照遮挡情况，为城市规划设计提供更加直观的场景日照效果。利用体元栅格来表达日照率的三维空间分布，可以全方位对日照的分布进行表达，不仅局限在表面；同时利用动态过滤的方式，可以看到模型内部的日照情况，获得更多信息。

图3 光照模拟图

2.5 城市规划三维场景空间测量

通过在三维GIS 场景中进行交互式测量，可以快速获得城市建筑物的面积与空间距离。系统提供的交互式测量工具应当实现测量空间中同一水平面上两点间的直线距离，测量空间中同一个竖直平面所选组件的直线高度，测量空间中任一组建的面积和体积。

2.6 城市规划建筑的间距审批

城市规划建筑的间距审批需要获取建筑物模型的关键要素，得到建筑物组建的底部轮廓。测量建筑物底部轮廓的间距，合格的底部外轮廓用绿色表示，不满足建筑物间距审批的底部轮廓用红色加宽线表示，同时红色加宽线周围用注释框将设计建筑物应符合的标准间距进行展示。

2.7 建筑限高核查

在建筑限高核查中首先需要对城市不同区域的建筑限高进行查询再输入到系统模型中，然后再将城市规划设计项目中的建筑物与该区域的建筑限高进行比较，不符合限高条件的建筑模型用红色半透明的三维立方体标出，最后要用红色注释框标出该区域的限高数值。

2.8 建筑密度与容积率核查

城市规划建筑密度与城市规划区域建筑容积率的核查首先需要设置城市规划用地总面积与该区域的限高，然后将建筑物基地面积、建筑物总面积与城市规划用地总面积求比后得到城市规划设计建筑密度与建筑物的统计率，最后通过区域限高条件，将城市规划设计值与规划审批标准库中的标准值进行对比，完成审批。

3 结论

BIM 与GIS 是城市规划领域重要的技术平台，将BIM 与GIS 二者结合起来的可视化系统能够解决城市规划协同性差和打破相关专业壁垒的问题，并且为城市规划由二维向三维之间的转变搭建了桥梁，为城市规划设计人员提供了便利，有益于城市建设的发展。但是目前BIM 与GIS 的结合方式主要是软件平台的结合与数据标准的交互，系统之间的兼容性与设计流程优化问题有待进一步发展。