三維GIS應用于規劃審批中的關鍵技術研究

馮 琰，郭容寰，劉一寧

(上海市測繪院基礎地理信息中心，上海200063)

一、引 言

三維GIS作為二維GIS的延伸，已經日趨成熟，有條件應用于國土規劃、城市應急、城市安全等各行業領域。隨著城市建設不斷向縱深、向地下空間、向綜合性的快速發展，國土規劃中的規劃審批工作，正迫切需要三維技術的支撐。

三維GIS形象真實地描述了城市三維地理空間的內容，它不僅具有虛擬現實表現的真實感，而且具有真實的地理坐標，以及具有空間分析和空間運算能力。三維GIS相關技術包括三維數據采集技術、三維城市建模技術、三維數據庫技術、三維可視化技術及三維應用技術等。隨著近十年來國內外科研人員在三維GIS領域的不斷探索和研究，三維GIS相關技術得到了迅猛發展，為三維GIS在各個領域的廣泛應用創造了有力條件，尤其是在城市規劃領域，三維GIS擁有很大的施展空間。

目前，國內外對三維GIS的研究主要集中于空間數據的獲取、數據建模、數據管理、三維可視化表現和空間分析等方面。而三維技術專門針對城市規劃管理方面的應用研究，主要集中于利用專門的三維平臺系統或虛擬現實技術，并結合規劃管理相關工作進行;也有基于三維GIS對城市規劃某一方面開展專題研究的。而對于規劃審批，多數城市還是以二維GIS為主來應用，通過將規劃審批數據納入二維GIS數據庫，建立規劃成果信息庫，并用二維GIS手段提高控規編制和審批的銜接［1］。

將三維GIS應用到規劃審批，為規劃審批提供有效的技術手段，必須解決三個關鍵技術問題：一是對規劃審批相關數據和資料進行有效管理，即建立規劃審批三維數據庫，為規劃審批提供三維數據基礎;二是探索規劃審批數據在三維空間的有效表達和管理方式，本文提出三維控制盒，將規劃控制指標體系賦予三維控制盒，利用控制盒直觀形象地表達規劃控制內容，為規劃審批提供了表達和管理基礎;三是研究實現復雜三維空間分析算法，如建筑物投影面獲取、平立剖面獲取、復雜模型三維空間交集運算等三維空間算法，這些算法的實現為三維規劃審批提供了有效技術手段。

二、規劃審批三維數據庫

國內很多城市都建立了城市三維數據庫，數據基礎以現狀地理信息，以及建筑設計和城市設計方案的三維模型為主，主要功能包括城市形態展示、規劃成果展示等。其中，有些城市還利用三維數據庫對建筑設計方案開展比選工作，以此作為項目審批的輔助手段。但對于規劃審批，尚無其他城市建立相關的三維數據庫，規劃審批仍以二維數據為主。本文將重點介紹規劃審批三維數據庫的建設方法。

三維GIS的基礎是三維數據，以現有的二維、三維地理信息數據及規劃控制數據為基礎，綜合應用遙感、數據庫、三維GIS等技術，用三維技術和三維GIS理念去設計和管理規劃審批數據。規劃審批三維數據庫包括三維基礎地理庫、三維規劃數據庫和三維建筑設計方案數據庫3部分。

1.三維基礎地理數據庫

三維基礎地理數據庫包括基礎地形數據、航空影像數據、地下管線數據和三維模型數據。三維基礎地理數據庫是控詳規劃三維數據庫的基礎，它用直觀、形象的三維空間要素來表達現實世界。利用三維基礎地理數據庫構建的城市三維GIS場景，不同于計算機動畫和仿真模擬，它是以真實的三維地理坐標為基礎，空間要素位置關系與現實世界完全一致，可以進行任意飛行、旋轉和漫游［4］，為控詳規劃編制提供了真實的三維數據和逼真的三維環境。同時，為控詳規劃階段的現狀調查、資料收集、用地分析等提供了直觀的科學依據［4］。

2.三維規劃數據庫

三維規劃數據庫建立在三維基礎地理數據庫基礎上，由規劃編制中各種過程數據和成果數據組成，包括控規文件、控規圖紙、控規圖則和城市設計方案。控規文件是由規劃說明書、實施文本和各種附件資料組成;控規圖紙包括各種規劃圖和現狀圖數據;控規圖則由每個地塊的控制指標、相關控制要求和規劃意圖及大比例尺控詳規劃圖紙組成，控規圖則為土地出讓提供招議標底條件和為修建性詳細規劃提供編制準則和要求［5］，控規圖則包括普適圖則和附加圖則;城市設計方案是城市設計內容在控制性詳細規劃中的體現，是對城市三維空間和環境的綜合規劃設計，具有深化城市規劃的作用，城市設計方案成果形式有效果圖、動畫和三維模型等多種。

為了將控規文件、控規圖紙、控規圖則和城市設計方案等控規數據進行有效組織和管理，同時將控規數據在三維場景中進行直觀形象的表現。本文提出三維控制盒概念，利用三維控制盒將控規數據以立體圖形和屬性等方式進行管理和表現，關于三維控制盒理論將在第3章中詳細闡述。

3.建筑設計方案數據庫

建筑設計方案數據庫建立在三維控規數據庫基礎上，依據控詳規劃要求，對地塊的建筑形式進行全面設想，并根據其功能具體確定建筑物的空間組合形式和詳細尺寸，構造及材料等。建筑設計方案是周圍環境、城市歷史文脈及城市控制性詳細規劃相協調的結果［6］，建筑設計方案的成果形式有平立剖設計圖、效果圖、動畫和三維模型等多種。

建筑設計方案數據庫與三維基礎地理數據結合，可以為規劃設計和管理人員提供直觀手段，判斷建筑設計方案是否與現狀周邊環境是否協調;建筑設計方案數據庫與三維控規數據庫結合，可以為規劃設計和管理人員提供有效控制手段，判斷建筑設計方案是否滿足控詳規劃各種指標控制要求，以上兩者的實現，都必須依靠三維GIS技術。為了將三維GIS技術有效地融入控制性詳細規劃，本為提出三維控制盒概念，利用其作為有效載體和控制方法，下面將詳細闡述三維控制盒理論。

三、三維控制盒

三維控制盒是以三維規劃數據庫為基礎，利用空間形態和屬性等方式來管理和表達控規數據，使得規劃控制數據能以統一有效的方式進行管理，同時使得規劃數據在三維GIS場景中得以直觀形象地表現。利用三維GIS技術，三維控制盒將抽象的控規要素進行形象化的三維表達，可根據每個規劃地塊的退界和控高等控制要素生成控制盒。如圖1為某規劃地塊控制盒在三維GIS場景中展示效果，在空間形態方面，控制盒形象地反映了這個地塊的空間控制要素，也就是說每個地塊的設計方案不能超出控制盒的范圍，在一定程度上對設計方案的空間形體進行了控制;在屬性方面，每個控制盒都帶有相應地塊的控規指標數據，如地塊編號、用地代碼、建筑密度等，在三維GIS場景中可以實時查詢任意控制盒所帶屬性信息，為控制盒在應用方面進一步拓展奠定了良好基礎。

圖1 某規劃地塊三維控制盒

根據不同地區的控詳規劃成果，以及規劃實施的要求，三維控制盒分為4種類型，分別為基礎控制盒、精細控制盒、擴展控制盒和地下控制盒。基礎控制盒用于一般地區，根據控規數據庫中的地塊邊界、用地性質、建筑控制線、建筑高度等指標形成的控制盒，控規數據庫中的其他指標作為屬性賦予控制盒;精細控制盒用于重點地區，結合城市設計方案，按照控規數據庫中的公共通道、業態功能、建筑形式、建筑層數、標志性建筑位置等控制要素，對基礎控制盒進行細化而形成的控制盒;擴展控制盒可在規劃實施過程中，按照規劃執行的要求，對于基礎控制盒的地塊邊界、容積率、建筑高度等部分控制要素進行彈性擴展;地下控制盒反映了地下空間的可開挖范圍，根據三維規劃數據庫的地下控制指標生成。

四、三維規劃審批空間分析

在傳統的二維規劃審批中，建筑設計方案的關鍵控制指標都要靠人工計算和比對，這樣費時費力。在三維規劃審批中，在三維規劃審批數據庫和三維控制盒基礎上，利用三維空間分析可以實現規劃指標與設計指標的自動計算和比對，如建筑高度、建筑退界、貼現率、分層密度、建筑密度等。

1.建筑高度分析

利用三維控制盒與建筑設計方案模型進行空間疊加運算，可以判斷建筑設計方案是否超高，如果超高，還可以精確得到超高數值。如圖2中深灰色部分為超高部分。

圖2 建筑高度分析

2.建筑退界分析

利用三維控制盒與建筑設計方案模型進行空間疊加運算，可以判斷建筑設計方案是否超界，如果超界，還可以精確得到超界數值。如圖3中深灰色部分為超界部分。

圖3 建筑退界分析

3.建筑貼線率分析

建筑貼線率是指建筑貼合某一分界面的墻面長度與該界面長度的比值，實際計算時，建筑貼合界面部分的長度取的是建筑墻面與界面距離不超過2 m部分的長度。建筑貼線率的意義是控制建筑面向公共界面的形態和視覺效果。建筑貼線率計算時，利用建筑設計方案某邊到控制盒對應邊的投影長度與控制盒該邊長度進行比值運算。考慮到建筑設計方案的復雜性，計算時須顧及異性建筑結構和貼線邊后移方法。圖4中深灰色邊貼線率超標。

圖4 建筑貼線率分析

4.建筑分層密度分析

建筑分層密度是建筑密度概念的延伸，指的是建筑在某個高度區間內的建筑密度。建筑分層密度計算時，根據地塊控制盒的具體分層密度指標，將控制盒分為若干個不同的高度區間，利用區間的上限和下限截取建筑，再利用截取部分進行投影，最后求出投影部分的面積，進而求出每個高度區間內的建筑密度，并與控制指標進行比較，即可得出分層密度是否超限。圖5中深灰色部分為建筑分層密度超出的部分。

圖5 建筑分層密度分析

以上只列舉了三維規劃審批中幾個關鍵指標的空間分析示例，在實際應用中可以根據三維控制盒和建筑設計方案模型進行多種指標的計算。

五、應用實例

本文所探索的三維規劃審批關鍵技術已經在上海市虹橋商務區核心區案例中得到很好的實踐和應用。虹橋商務區三維規劃審批平臺，包含數據庫管理系統、后臺分析系統、應用發布系統和業務服務系統4個子系統，實現了項目審批、方案比較、指標校核及各種分析功能于一體的業務和辦公平臺，為規劃管理人員提供直觀、系統和高效地三維可視化管理平臺。三維規劃數據庫管理系統完成對三維基礎數據、規劃要素和規劃方案等數據管理、維護等工作;三維規劃管理后臺分析系統完成復雜的三維空間分析和運算，為三維規劃管理和審批提供強有力的技術支撐;三維規劃管理應用發布系統是將后臺分析系統中的各種分析功能和分析結果進行包裝和分發，以服務或者XML方式發布到三維規劃管理平臺中，同時完成獲取三維規劃管理平臺的用戶消息，并將消息進行解譯傳遞到后臺分析系統;三維規劃管理業務服務系統有效結合規劃管理的日常業務和標準規范，將數據庫管理系統、后臺分析系統和應用發布系統有機結合起來，使得三維規劃管理平臺更加貼合實際應用，切實將三維技術融入到三維規劃管理日常業務辦公中，有效提高規劃管理的技術手段和辦公效率。系統界面如圖6所示。

圖6 虹橋商務區三維規劃審批平臺

六、結束語

本文探索了三維GIS應用于規劃審批的關鍵技術，研究了規劃審批三維數據庫的建立流程和方法，為規劃審批提供三維數據基礎;探索規劃審批數據在三維空間的有效表達和管理方式，利用控制盒直觀形象地表達規劃控制內容，為規劃審批提供了表達和管理基礎;研究實現復雜三維空間分析算法，為三維規劃審批提供了有效技術手段。最后本文通過虹橋商務區三維規劃審批管理平臺將上述關鍵技術得以實現。

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