基于城市三維模型的兩種視域分析方法比較

【摘要】城市大多依水而建，隨著城市空間的拓展，尤其是高強度開發帶來了城市濱水界面的極大變化，在如今以存量提質為主的城市發展新時期，包括濱水界面、城市天際線、山水通廊和城市歷史城區風貌的品質提升成為了各地城市更新工作中一項重要議題。結合項目中實際遇到的關于視域分析的需求，主要采用了包括QGIS和Blender兩個開源軟件，并嘗試探討兩種方法的異同與優劣，進而給出在不同需求時的視域分析方法運用建議。

【關鍵詞】視域分析； QGIS； Blender； 計算機輔助設計

【中圖分類號】TP317.4【文獻標志碼】A

［定稿日期］2023-06-07

［作者簡介］文毅（1983—），男，碩士，工程師，注冊城鄉規劃師，從事城鄉規劃設計工作；朱彥臻（1996—），女，碩士，工程師，從事城鄉規劃設計工作；莫燦（1998—），女，碩士，助理工程師，從事城鄉規劃設計工作；楊瀅鈺（1995—），女，碩士，助理工程師，從事城鄉規劃設計工作；胡仙雅（1997—），女，碩士，研究方向為風景園林規劃與設計。

0 引言

“仁者樂山”“智者樂水”——中國城市歷來與山水相伴相生，山、水、城的關系維護也是城市發展的主要課題之一，尤其是將大尺度上的空間關系管控需求轉化為可執行的管理政策，成為了越來越多地方的管理需求。包括北京、重慶、香港、佛山［1］、日本京都、國內外眾多城市都開展了相關的工作，較為成熟的是在城市歷史城區保護方面，相關研究探索已經轉化為了相關的政策文件［2］。

2013年12月在北京舉行的中央城鎮化工作會議，更是明確指出：“要依托現有山水脈絡等獨特風光，讓城市融入大自然；讓居民望得見山、看得見水、記得住鄉愁?！睂⒆匀簧剿畬λ茉煺宫F城市山水景觀，提升城市的形象，改善人居環境發揮重要作用給予了明確［3］。根據民政部的數據，截至2021年，我國共有地級行政區劃單位333個，縣級行政區劃單位 2 843 個［4］。其中沒有山的城市屈指可數［5］，沒有河流的城市（指城市中心區域無河流）更是鳳毛麟角。過去數十年的城市高速拓展，極大改變了中國城市與山、水的空間關系。帶來了包括濱水界面、城市天際線、山水視線通廊和城市歷史城區風貌等空間形象的巨大變化。

1 現有分析方法簡述

對于正處在城市化轉型關口的中國城市，對重要景觀界面進行視域分析，進而轉化為建筑高度控制的政策工具成為了常態化的需求。目前運用較多的建筑高度控制方法主要有三種：（1）分區控制法，常見于傳統城區的保護；（2）眺望控制法，常用于視線通廊控制；（3）天際線控制法，常用于海岸線、河岸線等濱水空間的規劃研究分析［6］。但是傳統的分析方式（尤其是二維平面、二維剖面上的分析），隨著分析對象空間尺度的擴大，分析對象數量的增多，工作量迅速增加，也難以充分考慮山體、建筑物、建構筑物遮擋（尤其是高層建筑），地面高差變化等因素的影響。

2 兩種新的分析方法概述

隨著計算機硬件算力的快速提升和計算機輔助設計軟件應用的日新月異，以ArcGIS和QGIS為代表的地理信息系統軟件和以Sketchup、Rhino和Blender為代表的三維設計軟件在城市規劃工作中得到越來越多的運用。使得傳統的二維平面的分析方法邁向三維化有了軟件支撐。更貼近實際的城市空間狀況，也能夠適應更多的分析節點聯合分析。

本文基于兩個實際項目的工作情況，采用開源軟件QGIS和Blender來進行視域分析，并嘗試探討兩種方式的異同與優缺點。方法一：以QGIS為主要工具，主要使用其中的GRASS插件和Visibility Analysis插件，進行基于DEM數據的視域分析。方法二：以QGIS和Blender為主要工具，主要使用其中的GDAL（QGIS）模塊和EEVEE（Blender）模塊，進行基于城市體塊模型，使用光照模擬視線的可視范圍進行視域分析。

3 兩種分析方法的實證運用

3.1 基于QGIS的視域分析——以宜賓三江六岸區域為例

3.1.1 研究對象概況

宜賓素有“長江首城·中國酒都·中華竹都”的美譽，金沙江、岷江在市區匯流，正式成為傳統地理意義上的長江。宜賓市傳統的地標如白塔山、翠屏山、夾鏡樓、長江地標廣場、冠英古街和新建的重要節點如長江公園、三江口CBD、國際會議中心均位于三江口區域［7］。歷史城區、生態核心、新城區三個空間要素在三江六岸區域匯聚，三者如何協調，如何識別重要的空間區域，為地方規劃建設管理主管部門提供決策依據成為一個重要課題。為回答這一問題，筆者所在的項目組結合掌握的基礎信息資料，主要使用QGIS開展了分析工作。

3.1.2 研究方法步驟

（1）獲取基礎DEM數據：從地理空間數據云網站（http//www.gscloud.cn）獲取宜賓市三江六岸區域的30 m精度DEM數字高程數據，結合行政區劃邊界，使用按掩膜圖層裁剪柵格功能裁切出與研究范圍相適宜的DEM數據作為視域分析的空間基底（圖1）。

（2）獲取研究建筑輪廓和高度數據：基于實地調研和天地圖網站（http：//map.tianditu.gov.cn）的矢量地圖和衛星影像，結合OSM下載對應區域的建筑輪廓和高度數據，補充完善建筑高度等屬性信息，形成具有建筑高度屬性的建筑輪廓矢量數據（Shapefile格式）（圖2～圖3）。

（3）構建包含建筑體塊的柵格地表面：在確保建筑輪廓矢量數據與DEM數據的投影坐標系一致后，利用QGIS的GRASS模塊工具集進行數據處理。由于相關工具對輸入數據模型的嚴格要求，需先將DEM數據轉換為TIN數據，再將TIN數據與建筑輪廓矢量數據分別轉換為像元大小一致的柵格數據，由此得到柵格地表面和柵格建筑。利用QGIS空間分析擴展模塊中的工具集，判斷研究范圍中是否為建筑所在區域，若“是”，則柵格值取柵格建筑的值，否則取柵格地表面的值，以此實現了建筑輪廓矢量數據與空間基底DEM數據的疊合，生成了一個具有建筑高度信息的全新柵格地表數據，完成了2D要素向3D要素的轉換（圖4～圖6）。

（4）設定觀察者點：使用QGIS中的創建觀察者點工具（Create observer points），新建Shapefile格式的觀察者點要素圖層，創建事先選定的三個關鍵觀察點（選點位置分別為合江門廣場、長江公園、國際會議中心），并在屬性表中為其添加“高度”字段，利用3D分析模塊的相關工具，將3個關鍵觀察點所處的地表高度數據賦予對應的點要素，再補充觀察者自身的視點高度，以此獲得較準確的觀察點實際高程信息，將該點要素文件作為視域分析的基礎數據（圖7）。

（5）視域范圍分析：使用視域分析工具（Viewshed）對3個觀察點分別進行可見性計算（Visibility Calcualtion），得到每一個觀察點的可見性分布范圍（圖8～圖11）。

（6）可見性綜合分析：使用柵格計算工具，將上述步驟中得到的3個點的可見性分布圖做條件運算和疊加計算，區分出能夠同時被1個、2個和3個觀察點看到的區域，從而識別出對于選定的3個觀察點（假定權重相同）來說最需要關注的區域，為后續主管部門的工作提供決策支持。

小結：從上述方法的工作流程和分析結果來看，本方法可以較為直觀地展現視域分析的結論，進而指導城市公共界面的品質提升工作的重點。

3.2 基于QGIS+Blender的視域分析——以廣元兩江四岸區域為例

3.2.1 研究對象概述

廣元，古稱利州，是中國歷史上唯一女皇帝武則天的出生地，地處嘉陵江從山地向盆地的過渡地帶，使得古利州成為重要的驛道節點。地處嘉陵江和南河交匯處利州老城也就同時擁有了大江與小河兩種不同的濱水空間。作為城市地標的皇澤寺、鳳翔樓、老鐵橋、鳳凰樓、天成廣場、琴臺廣場和鳳臺賓館等坐擁廣元兩江四岸重要的濱水界面［8］。隨著城市的不斷更新，廣元的濱水界面這些地標相互之間的關系如何完善？在面臨以自平衡為主的有機更新需求下，老城內插花狀態的高層建筑與周邊建筑的天際線如何管控？為回答這一問題，筆者所在的項目組結合掌握的基礎信息資料，使用QGIS和Blender開展了分析工作。

3.2.2 研究方法步驟

（1）獲取基礎DEM數據：從地理空間數據云網站獲取廣元市兩江四岸區域的30 m精度DEM數字高程數據，結合行政區劃邊界，使用QGIS按掩膜圖層裁剪柵格功能裁切出與研究范圍相適宜的DEM數據作為視域分析的空間基底（圖12）。

（2）導出研究范圍地形和衛星影像：使用QGIS的GADL模塊的等高線計算功能，從前述DEM數據中獲取等高線數據，然后導出為DWG文件；加載同范圍的天地圖遙感影像，導出為PNG文件（圖13）。

（3）建立地形模型：在Blender中將前述等高線的DWG文件合并成地形，將遙感影像作為材質賦予地形。用以輔助建筑體塊的位置配準（圖14）。

（4）建立建筑體塊模型：根據項目組獲取的建筑輪廓資料，結合現場調研和百度街景的數據，分區分片整理出建筑輪廓和建筑高度信息。將建筑輪廓按照高度建立成體塊，進一步補充橋梁等大型建構筑物，與地形模型合并為相對完整的城市三維模型（圖15）。

（5）用燈光模擬觀察點：根據現場調研評估出10余處重要觀察點，每一個觀察點用Blender中的燈光模擬。關閉燈光的漫（反）射，增大燈光的強度［9］，選用平行投影的方式，采用頂視角和軸測視角，使用EEVEE模塊渲染，逐個獲得選定觀察點的可視性模擬分析。疊加地類分析圖來看，可以非常直觀地判讀出從各觀察點與城市、山體、水體之間的可見性（圖16）。

（6）將獲取的可見性分析結論加載進入QGIS，用二值方式重分類，然后進行疊加計算?？梢詺w納整理出各個重要觀察點和被觀察點的現狀視線通廊。為下一步建筑高度分區管控，城市界面管控政策制定提供了一定的技術支撐（圖17）。

從前述分析方法的工作流程和分析結論和表達來看，本方法可以較為直觀地展現視域分析的結論，進而指導城市空間管制工作與管制政策的指定。

4 兩種分析方法的對比

兩種分析方法的比較見表1。

5 小結

本文提到兩種方法，均是已有的視域分析理論框架下的眾多技術實現途徑之一，限于基礎數據生成的過程，其數據精度，完整程度均在現勢性方面有不足，需要投入較多資源進行現場調研作為補充，也就導致了分析結論在顆粒度上的固有缺陷。但是面向有限時間內、限定研究對象的規劃設計工作，這兩種方法均不失為總體規劃（國土空間規劃）階段或者控制性詳細規劃（城市設計）階段常規城市空間格局分析工作的補充工具。

隨著城市規劃管理和設計工作與計算機技術的結合，從簡單的計算機輔助設計（如AutoCAD、湘源控規）到城市地理信息系統（國土空間規劃），再到城市信息模型（CIM）、數字孿生城市。加上無人機、傾斜攝影等新技術手段的普及，城市規劃設計管理工作隨著計算機軟硬件的升級，工作手段得到不斷拓展，但是核心依然應當是是以人為本，為城市高質量發展賦能，為中國城市在山、水、城關系的提升方面發揮更大的價值。

參考文獻

［1］ 趙則.基于視線分析的城市公園周邊建筑高度控制規劃研究［D］.長沙：中南林業科技大學，2013.

［2］ 范躍虹，李紫妍，賴奕堆，等.古都景觀視線通廊保護方法研究：以京都為例［C］//面向高質量發展的空間治理，2020中國城市規劃年會論文集，成都：2021.

［3］ 項晶.基于山水視線分析的規劃區綠地布局方法研究：以遷西縣為例［D］.南京：南京林業大學，2019.

［4］ 2021年民政事業發展統計公報［R］.中國人民共和國民政部，2021.

［5］ xiang浩看世界.中國連一座山都沒有的十個城市，一望無際、一馬平川，有你家鄉嗎［EB/OL］.URL：https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1745489193223318201amp;wfr=spideramp;for=pc.

［6］ 張耀文.基于GIS視線分析的山地城市建筑高度控制方法及其應用——以黃龍縣老城區為例［J］.城市建設理論（電子版），2019（34）：14-15.

［7］ 宜賓市文化廣播電視和旅游局.長江首城、宜人宜賓［EB/OL］.URL：https：//isite.baidu.com/site/wjzdkqcm/4c00d455-5221-4eef-9f4a-388de57f8936？wid=5c2dc3ee4e334423992b0d9c06e0da7f_0_0.

［8］ 廣元市人民政府.印象廣元［EB/OL］.URL：https：//www.cngy.gov.cn/single/show/20160712145640222.html.

［9］ LovseYi. 10分鐘內搞定一張漂亮的景觀規劃視線分析［EB/OL］.URL：https：//www.bilibili.com/video/BV1H7411M7tL.