基于實景三維的建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案輔助構(gòu)建及審查

范 煒，朱 燁，王會影，沈 健

（1.蕪湖市灣沚區(qū)征地和土地整理開發(fā)復(fù)墾中心，安徽 蕪湖 241199；2.南京國圖信息產(chǎn)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210036）

0 引言

國土空間規(guī)劃是國家空間發(fā)展的指南、可持續(xù)發(fā)展的空間藍圖、各類開發(fā)保護建設(shè)活動的基本依據(jù)[1]。如何建立與之匹配的技術(shù)手段，高效支撐有序的規(guī)劃實施及精準(zhǔn)的規(guī)劃審查，對于充分發(fā)揮規(guī)劃引領(lǐng)作用具有極其重要的影響[2-3]。傳統(tǒng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)及規(guī)劃審查工作主要基于二維可視化技術(shù)和管理手段[4-5]，隨著城市快速發(fā)展，二維國土空間規(guī)劃和審查難以滿足現(xiàn)代應(yīng)用需求，二維數(shù)據(jù)的平面性、單一性難以反映現(xiàn)實的立體城市風(fēng)貌，易造成景觀不協(xié)調(diào)、空間管控難實現(xiàn)、人居體驗差等問題[6-7]。

三維地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)作為展現(xiàn)空間形態(tài)的最直接手段，是實現(xiàn)國土空間規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必然選擇，能夠有效支撐規(guī)劃成果展示立體化、規(guī)劃設(shè)計方案審查標(biāo)準(zhǔn)化，對于提升城市管理和開發(fā)利用水平具有重要意義[8-9]，國內(nèi)外學(xué)者開展了三維GIS 手段輔助國土空間規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、規(guī)劃編制及實施監(jiān)督等維度的相關(guān)研究[10-13]。結(jié)合國土空間規(guī)劃“五級三類”的管理體系，面向總體規(guī)劃、詳細規(guī)劃、專項規(guī)劃等不同類型的規(guī)劃，三維GIS 的融合應(yīng)用對規(guī)劃數(shù)據(jù)治理、規(guī)劃編制實施、規(guī)劃評估監(jiān)督等工作具有重要作用。例如，基于傾斜攝影、精細模型等構(gòu)建的基礎(chǔ)底圖數(shù)據(jù)，可以提供更加真實且直觀的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，能夠在總體規(guī)劃、詳細規(guī)劃等規(guī)劃編制過程中綜合兼顧地區(qū)風(fēng)貌，合理劃分功能分區(qū)、設(shè)置管控指標(biāo)等。三維參數(shù)化建模、三維空間分析等技術(shù)方法有助于快速、高效地構(gòu)建更小尺度下的核心區(qū)城市設(shè)計、單個建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計的動態(tài)化三維方案，并通過三維空間分析實時評價設(shè)計方案合規(guī)性，助力實現(xiàn)日益精細化、體系化的空間要素管控。

近年來，《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021版）》《自然資源部辦公廳關(guān)于全面推進實景三維中國建設(shè)的通知》等文件[14-15]相繼發(fā)布，為實景三維數(shù)據(jù)的采集、管理及應(yīng)用提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在此背景下，灣沚區(qū)結(jié)合現(xiàn)有規(guī)劃相關(guān)業(yè)務(wù)的迫切需求，研究并實現(xiàn)了基于實景三維的建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案輔助構(gòu)建及審查；采用構(gòu)建的地形級、城市級、部件級等實景三維數(shù)據(jù)，結(jié)合國土空間規(guī)劃數(shù)據(jù)及建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案的構(gòu)建和審查需求，開展了總體思路、架構(gòu)設(shè)計、技術(shù)體系、服務(wù)功能等方面設(shè)計與實現(xiàn)，提供規(guī)劃成果全方位展示、三維規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建與對比、方案立體化評審、規(guī)劃設(shè)計輔助決策等多維應(yīng)用。以實際應(yīng)用需求為導(dǎo)向，助力灣沚區(qū)建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案的全方位、多層次、數(shù)字化展示和評審，充分發(fā)揮了實景三維成果的價值，有效提升了數(shù)智化的服務(wù)效能和服務(wù)水平。

1 需求分析

建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案審查結(jié)果是建設(shè)工程規(guī)劃許可證核發(fā)的重要依據(jù)，為貼合場景應(yīng)用，本文對灣沚區(qū)建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案審查的核心業(yè)務(wù)需求進行了具體分析，全面梳理了灣沚區(qū)審查過程中用地性質(zhì)、規(guī)劃指標(biāo)、建筑造型、風(fēng)貌管控等方面的要求，促進三維參數(shù)化建模、三維空間分析、三維空間數(shù)據(jù)可視化等專項技術(shù)與業(yè)務(wù)場景的深度融合。

（1）規(guī)劃設(shè)計方案靈活構(gòu)建的需求?，F(xiàn)有的規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建主要基于二維圖紙，存在平面化、不直觀等缺點；基于專業(yè)建模軟件的三維構(gòu)建方案存在耗時且專業(yè)操作性強、缺少空間位置信息等問題，并且仍需在規(guī)劃底圖中進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)設(shè)置等操作，難以滿足日常工作中三維規(guī)劃設(shè)計方案快速、便捷構(gòu)建的應(yīng)用需求。

（2）評審指標(biāo)智能審核的需求。建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案評審的指標(biāo)體系較豐富，包括了空間管控類、評價類及環(huán)境類等維度指標(biāo)。以往的審核及分析過程主要依靠人工，易造成分析不全面、結(jié)果不準(zhǔn)確等問題，亟需結(jié)合業(yè)務(wù)實際需求將審核指標(biāo)數(shù)字化和規(guī)則化，以支撐智能輔助指標(biāo)的自動審查，從而執(zhí)行更規(guī)范、高效的規(guī)劃實施監(jiān)督。

（3）建筑風(fēng)貌立體管控的需求。隨著城市規(guī)劃建設(shè)管理水平的持續(xù)提升，城市建筑風(fēng)貌的品質(zhì)日益受到重視。傳統(tǒng)的二維規(guī)劃數(shù)據(jù)無法直觀展示規(guī)劃的實際可視化效果，制約了管理人員對數(shù)字化環(huán)境視域長廊、天際線等的精準(zhǔn)把控?；诘匦巍⑦b感影像、傾斜攝影等二維和三維數(shù)據(jù)構(gòu)建更加豐富、真實的底圖，對于支撐城市建筑風(fēng)貌建立、強化建筑風(fēng)貌品質(zhì)至關(guān)重要。

2 技術(shù)路線

2.1 總體思路

圍繞灣沚區(qū)建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建及審查的應(yīng)用特點和迫切需求，本文以灣沚區(qū)現(xiàn)有的二維和三維時空數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，融合地形、遙感影像、傾斜攝影、白模等多源數(shù)據(jù)，支撐三維現(xiàn)實空間抽象后的實景化、立體化表達，構(gòu)建三維“一張圖”，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供高質(zhì)量的底圖支撐?；趨?shù)化建模技術(shù)研究規(guī)劃設(shè)計方案的在線構(gòu)建方法，管理人員能夠輸入建筑高度、建筑朝向等基本信息，在“一張圖”場景中自動生成規(guī)劃設(shè)計方案，通過構(gòu)建便捷化方案促進三維GIS 技術(shù)在輔助規(guī)劃中的深度應(yīng)用。同時，數(shù)字化規(guī)劃要素的業(yè)務(wù)屬性、指標(biāo)規(guī)則等信息，依據(jù)國土空間規(guī)劃的管控要求，面向規(guī)劃設(shè)計方案的自動審查、三維空間分析等功能形成數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能決策支持能力，實現(xiàn)數(shù)字化、平臺化服務(wù)模式創(chuàng)新，總體思路如圖1所示。

圖1 總體思路

2.2 架構(gòu)設(shè)計

結(jié)合《自然資源部信息化建設(shè)總體方案》《實景三維中國建設(shè)技術(shù)大綱（2021 版）》等建設(shè)要求，灣沚區(qū)建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案輔助構(gòu)建及審查應(yīng)用主要基于實景三維國土空間基礎(chǔ)信息平臺建設(shè)，以平臺匯聚的各類二、三維數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，總體上遵循基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)資源層、平臺支撐層、應(yīng)用服務(wù)層和用戶層的架構(gòu)設(shè)計，構(gòu)建“數(shù)據(jù)+平臺+應(yīng)用”的模式，平臺總體架構(gòu)如圖2 所示。通過在平臺數(shù)據(jù)體系中抽取、匯總規(guī)劃專題的二、三維數(shù)據(jù)集，依托國土空間基礎(chǔ)信息平臺的資源管理、智能分析、可視化、統(tǒng)一認證等功能，聚焦建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案評審業(yè)務(wù)需求，研發(fā)提供規(guī)劃成果全方位展示、規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建、規(guī)劃設(shè)計方案對比、三維立體化評審、規(guī)劃設(shè)計輔助決策等功能，為開展全面高效的業(yè)務(wù)提供數(shù)智化的服務(wù)支撐。

圖2 總體架構(gòu)

2.3 技術(shù)體系

為保障系統(tǒng)的可擴充性、易維護性、開放性和統(tǒng)一性，本文以資源集中利用、核心能力復(fù)用共享為目標(biāo)，充分利用微服務(wù)、知識規(guī)則、新一代三維GIS 等技術(shù)，統(tǒng)籌整合業(yè)務(wù)應(yīng)用與服務(wù)的技術(shù)體系，以數(shù)據(jù)引擎、服務(wù)引擎、可視化引擎、知識引擎為支撐，實現(xiàn)業(yè)務(wù)應(yīng)用與服務(wù)的統(tǒng)一部署與分發(fā)，通過多端、多模式形成不同終端用戶的業(yè)務(wù)應(yīng)用。具體技術(shù)體系如圖3 所示。

圖3 技術(shù)體系

（1）數(shù)據(jù)引擎。為滿足多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和應(yīng)用共享，激發(fā)各類數(shù)據(jù)蘊含的潛力，基于平臺匯聚的二、三維數(shù)據(jù)，采用多源、多尺度、結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化等數(shù)據(jù)融合技術(shù)，支持三維地形、建筑白模、產(chǎn)權(quán)體、傾斜攝影、建筑信息模型（building information modeling，BIM）等多類型、全要素、多服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)融合和管理，能夠適應(yīng)不同數(shù)據(jù)的特點，滿足集中應(yīng)用需求。

（2）服務(wù)引擎。針對地形級、城市級、部件級等數(shù)據(jù)類型，提供矢量瓦片、空間三維模型（spatial 3D model，S3M）、Web 要素服務(wù)（web feature service，WFS）、Web 地圖服務(wù)（web map service，WMS）等服務(wù)，通過構(gòu)建的服務(wù)引擎對外提供統(tǒng)一服務(wù)，能夠面向多端、多平臺的服務(wù)需求，實現(xiàn)無插件與跨平臺的二、三維一體化數(shù)據(jù)服務(wù)集成發(fā)布能力。

（3）可視化引擎。采用數(shù)據(jù)壓縮、跨域并發(fā)請求、渲染優(yōu)化等方式，實現(xiàn)了支撐大場景、高效率、低延時的三維GIS 可視化技術(shù)方案，能夠有效增強基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、規(guī)劃專題等數(shù)據(jù)的可視化表達能力，可根據(jù)不同的應(yīng)用需求顯示不同細節(jié)層次的模型，為高效的可視化和數(shù)據(jù)分析提供便利。

（4）知識引擎。通過構(gòu)建豐富的分析算子，提供三維場景、三維建筑模型等數(shù)據(jù)的可視域、通視、天際線等三維空間分析，并基于指標(biāo)庫、規(guī)則庫、模型庫構(gòu)建智能決策體系，能夠支撐三維空間上計算規(guī)劃設(shè)計方案指標(biāo)，形成面向具體場景的輔助決策能力。

3 服務(wù)功能

3.1 規(guī)劃成果全方位展示

為支撐規(guī)劃設(shè)計成果的立體化、真實化表達，本文結(jié)合已有的數(shù)字高程模型（digital elevation model，DEM）、數(shù)字正射影像圖（digital orthophoto map，DOM）、傾斜攝影等實景三維地理場景類數(shù)據(jù)，融合區(qū)域內(nèi)的規(guī)劃數(shù)據(jù)，形成服務(wù)于建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案輔助構(gòu)建及審查的三維場景，在地圖中進行全方位展示。例如，針對總體規(guī)劃方案展示，在三維場景下以不同顏色渲染展示地塊的規(guī)劃用地類型，支持查看三維控制性詳細規(guī)劃，可以根據(jù)地塊控高、容積率等對地塊進行三維高度拉升，形成相應(yīng)的控制性詳細規(guī)劃盒子，從三維體塊角度查看控制性詳細規(guī)劃，并能夠查看不同地塊的控制性詳細規(guī)劃指標(biāo)要求。

3.2 規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建

本文采用參數(shù)化建模方法，實現(xiàn)在三維場景中快速構(gòu)建規(guī)劃設(shè)計方案，滿足實時動態(tài)調(diào)整、及時展現(xiàn)方案效果的應(yīng)用需求，規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建如圖4 所示。通過系統(tǒng)模型庫中預(yù)置的建筑模型或建筑基地輪廓線繪制和相應(yīng)參數(shù)設(shè)置的方式，快速構(gòu)建三維規(guī)劃設(shè)計方案，可以對目標(biāo)單體建筑的層數(shù)、方位、朝向、材質(zhì)和任意層的參數(shù)進行實時調(diào)整，能夠有效提高方案的設(shè)計效率。

圖4 規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建

3.3 規(guī)劃設(shè)計方案對比

針對規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建過程中的多方案比較需求，本文提供了多屏對比功能，可對多個設(shè)計方案或不同的調(diào)整結(jié)果進行比較，從中選擇較優(yōu)方案。同時，支持對每個分屏下規(guī)劃項目的位置、高度、朝向、體量、形態(tài)等屬性進行靈活調(diào)整，并在對比場景中融入了河流、湖泊、道路等不同粒度的實景三維地理實體，便于用戶從不同維度對方案的空間形態(tài)、建筑風(fēng)貌、業(yè)務(wù)合規(guī)性等進行統(tǒng)籌考慮，輔助城市規(guī)劃決策。

3.4 三維立體化評審

面向項目設(shè)計方案與規(guī)劃指標(biāo)的符合度評審，本文構(gòu)建了三維立體化評審體系，為建設(shè)方案提供定性和定量的輔助分析手段，從空間形態(tài)、指標(biāo)參數(shù)等方面佐證方案。提供不同類型的三維空間分析工具，包括控制性詳細規(guī)劃盒子分析、限高分析、貼線率計算、天際線分析、通視分析等，從三維空間計算建設(shè)項目設(shè)計方案的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，并以直觀的形式將分析結(jié)果立體可視化，滿足規(guī)劃設(shè)計方案各類指標(biāo)的高效、精確評審需求。

3.5 規(guī)劃設(shè)計輔助決策

結(jié)合項目智能選址、合規(guī)性分析等規(guī)劃決策應(yīng)用場景，本文構(gòu)建了分析算子，能夠進行自動化分析，并通過多維統(tǒng)計圖表、智能報告與實景三維場景相結(jié)合的方式可視化結(jié)果，為規(guī)劃設(shè)計方案提供決策依據(jù)。例如，項目智能選址支持通過用地性質(zhì)及控制性指標(biāo)查詢符合條件的地塊，并可對選中的地塊進行合理性分析和評估。同時，還提供了合規(guī)性分析，檢查項目的擬選址范圍是否符合國土空間規(guī)劃的管控要求，為項目生成及用地審批提供參考。還包括待開發(fā)用地指標(biāo)分析，能夠統(tǒng)計分析各類待開發(fā)用地情況，支持自定義范圍內(nèi)的拆遷影響情況分析并可計算拆遷成本等。

4 結(jié)語

如何通過三維手段輔助更科學(xué)的空間要素管控，對于城市建設(shè)和發(fā)展具有重要意義。本文面向灣沚區(qū)建設(shè)工程規(guī)劃設(shè)計方案構(gòu)建及審查的業(yè)務(wù)需求，實現(xiàn)了多類場景應(yīng)用，有效提升了規(guī)劃管控水平。（1）對規(guī)劃地塊進行了全方位、立體化展示，實現(xiàn)一圖清晰概覽全區(qū)各類用地分布，為灣沚區(qū)項目引進提供了資源底圖。（2）基于設(shè)定的三維建筑模型，能夠從三維空間計算設(shè)計方案的經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)，從而判斷項目設(shè)計方案與規(guī)劃指標(biāo)的符合度，輔助城市風(fēng)貌管控。（3）通過三維規(guī)劃輔助分析實現(xiàn)智能選地，自動分析展示符合條件的地塊，打造資源配置的“最強大腦”，并可通過指標(biāo)分析支撐精準(zhǔn)安排用地計劃，助力大美灣沚建設(shè)。

三維GIS 技術(shù)在國土空間規(guī)劃領(lǐng)域的應(yīng)用融合仍有巨大的價值潛力。下一步，本文將持續(xù)研究三維場景下的地下空間規(guī)劃審查及虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）、增強現(xiàn)實（augmented reality，AR）技術(shù)支撐下的規(guī)劃項目展示和評估等內(nèi)容，仍需持續(xù)探索全面的三維國土空間規(guī)劃實踐，從而推動建立全方位、全鏈條的數(shù)智化規(guī)劃管控體系。