学术交流ACADEMIC COMMUNICATION
三维GIS技术在杭州城市规划中的应用探索

作者:裘斌 卓泳 熊军  日期:2016-04-18  字体:【


一、   三维GIS技术简介

    城市规划是地理信息系统的重要应用领域,传统的GIS通过平面地图来组织管理信息,随着虚拟现实技术的进步,在三维城市模型背景下的空间信息管理模式已逐步成为现实。与传统的二维GIS相比,三维规划GIS系统以可视化的直观形式来表达空间和规划业务的逻辑关系,提升了规划管理水平、拓宽了规划业务范围、优化了规划成果质量,是传统规划管理方法的有力补充和发展方向。三维规划GIS技术有以下功能特点:

1、  空间信息的展示更为直观

    从人们懂得通过空间信息来认识和改造世界开始,空间信息主要是以图形化的形式存在的。而用二维的图形界面展示空间信息相对抽象,需要一定专业知识的人士才能熟练掌握理解。相比二维GIS而言,三维GIS为空间信息的展示提供了更为丰富、逼真、直观的平台,使抽象难懂的空间信息可视化和直观化,方便人们快速地理解。毫无疑问,三维GIS在可视化方面有着得天独厚的优势。随着计算机软件图形技术和计算机硬件方面的进步,原先需要昂贵先进的图形卡、工作站才能带动的虚拟现实场景,如今已经可以在普及型的高配电脑上实现,各种三维辅助工具软件也日益丰富和完善,三维GIS大规模应用的条件已经完全成熟。

2、  多维度空间分析功能更加强大

    空间信息的分析过程往往是复杂、动态和抽象的,在数量繁多、关系复杂的空间信息面前,二维GIS的空间分析功能常具有一定的局限性,无法进行诸如地质分析、日照分析、空间扩散分析、通视性分析等高级空间分析功能。而三维GIS则擅长完成这些分析。三维GIS强大的多维度空间分析功能,不仅是GIS空间分析功能的一次跨越,还在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性。

3、  三维技术辅助规划更完善

    三维GIS的沉浸感和互动性不但能够给用户带来强烈、逼真的感官冲击,获得身临其境的体验,还可以通过其数据接口在实时的虚拟环境中随时获取项目的数据资料,方便大型复杂工程项目的规划、设计、投标、报批、管理,有利于设计与管理人员对各种规划设计方案进行科学的辅助设计与方案评审。用户可以在三维场景中任意漫游,人机交互,譬如即时观察改变设计方案建筑的材质、颜色的调整效果;通过简单调整参数即时改变绿化密度,等等;使用三维GIS系统支持城市规划,可以加快规划设计的速度,提高设计方案的质量和修正的效率,及时发现纠正规划漏洞,提高项目的评估质量。

 

二、   在杭州规划中的应用方向

    随着城市发展的发展,相对应的是杭州城市的高度和空间利用率也在不断地增长。如何在发展的同时,保护城市的自然风景资源,保持杭州江南古都的独特景观风貌,是杭州规划领域面临的一项重要课题。我院从2004年来通过《环西湖地区数字景观模型系统》、《钱江两岸景观规划》、《西湖东岸城市景观提升工程》、《运河两岸色彩规划》、《三江两岸生态景观保护与建设规划》等一系列景观相关项目的研究,尝试通过虚拟现实与三维GIS等技术来辅助城市景观规划的编制和项目审批控制,将抽象的规划指标用直观明了的视觉场景展现出来,并作为决策的依据。

    经过近年来的积累,目前我院的三维GIS系统建设已经初具规模,在技术上正逐步从最初单纯的场景模拟向模型库综合管理转变;在数据建设上已基本完成了杭州市主城区400平方公里区域的现状建筑模型覆盖;在实际应用上基本上做到了敏感区域内建设项目的景观论证制度,保证了对拟建区域或项目建成后的预期效果提前预知,达到规划控制的目的。

 

目前在杭州规划系统中,三维GIS主要在规划编制辅助、景观分析和规划项目审批管理三个方面开展景观方面的应用:

1、   规划编制辅助

    杭州城市规划历来强调对城市景观的控制与保护。在1983年国务院批复的《杭州市城市总体规划(1983-2000年)》中明确提出了对西湖东岸城市发展控制的条文。1990年完成的《杭州空域规划研究》中,首次系统地对杭州城市空间基本格局,与西湖风景区的关系,及景观空间的设计与控制方法进行了深入的研究与探讨。1996年,杭州完成了《杭州市湖滨地区控制性详细规划》,针对西湖景观保护与城市发展协调问题,对与西湖景观最密切的湖滨地区进行了详细规划编制,对各地块的开发建设提出了详细规划指引的同时,也提出了西湖东岸城市景观控制的思路和方法。另外,2002年开始,《杭州市历史文化名城保护规划》、《西湖风景名胜区总体规划(2002-2020年)》、《杭州市城市总体规划(2001-2020年)》相继编制完成并得到正式批复。自此,对保护西湖景观、保持旧城风貌、协调城景关系方面的法规性文件终于确定下来。

    我院在2008年开始的《西湖东岸城市景观提升工程规划》专项研究中,全面使用三维GIS技术模拟验证规划成果,确保了成果数据的真实、准确。该项目从城湖关系发展演变、城市景观发展与控制、控制技术研究、城市景观现状问题等四个专题研究入手,完成了杭州西湖周边景观控制纲领性准则的设定,在为未来建设项目的西湖景观评估提供一个统一的指导规范,明确了城市景观评估的评判原则、思路、方法、标准以及指标参数,并为杭州的西湖景观影响地块一一确定景观控制指标,并最终落实到控规地块的指标中去。三维GIS在该项规划的研究编制中起到了重要的辅助作用,而该项规划的完成又对杭州的三维GIS景观控制方法制定了理论上的指导依据。

image002.gif

    随着规划控制理论和手段的不断完善,杭州的规划编制工作开始逐步推广使用三维GIS数字模型模拟景观分析,真实再现敏感区域的城市场景,动态地从不同角度、不同位置观测拟规划地块的建筑高度和体量关系,从而达到在规划阶段即对区域建筑形态进行预见性分析的目的,提升了规划管理的主动性。

    特别自从2011年西湖成功申遗以后,杭州对城市景观敏感区域的控制从原先的西湖周边扩展到西湖、钱塘江、运河、西溪湿地、以及城区周边重要山体等众多区域,在包括各个单元控规调整以及专项规划的编制中,推广使用三维GIS系统全方位介入规划指标的分析评估,提高了规划控制指标的科学性,先后在包括望北单元控规修改、钱江新城金融城规划等众多项目编制中使用了这样的三维辅助推导、验证流程。

 

2、  景观分析

    在杭州主城区内,对西湖景观可能产生影响的建设项目都需要进行景观分析论证,充分评估项目与西湖景观以及周边建筑之间的相互关系,力争在方案设计阶段就判明不利景观的因素,并随之作出设计调整。使用三维GIS进行建设项目景观评估,使景观控制的主动性和可预见性大大加强,对如钱塘江两岸、上城区公共中心、武林广场等高层建筑集中区域的建设项目开展有效控制,及时避免了建成后出露于吴山过渡带的现象。

image004.jpg




 

图二. 景观模拟分析成果截图

 
 


3、 审批管理

    三维GIS不仅有场景模拟的功能,其在信息管理方面的功能也同样很强大。除了拥有传统GIS所具有的数据管理和分析功能之外,它还具有传统二维GIS不具备的三维分析和可视化优势。杭州周边地区地处丘陵地带,地势起伏较大,三维GIS表达高程信息非常直观明白,规划建设项目的形态特征、布局关系、地势落差一目了然。我院在局三维GIS标准平台的基础上,针对局项目审批流程进行了三维审批应用开发。该系统以报建项目为单位,对历次方案,包括原始资料、三维模型、分析方法和意见结论等数据进行捆绑式管理,审批人员可以随时打开项目方案的某个版本,载入到现状模型场景中去,自动替换项目区域内的现状模型,使项目方案和周边现状场景完美融合。系统同时还集成有方案管理、信息查询、实时编辑、视点管理等管理功能,以及控高分析、通视分析、视域分析、断面分析等辅助分析功能,为领导、管理人员、专家和设计师等提供一个直观、易用的业务操作和管理平台。

    目前三维辅助规划审批正在杭州主城区各规划分局中开展重点项目试验,待执行流程和方法稳定成熟后将作为项目行政审批的一个环节正式开展。

image006.jpg

规划三维审批流程示意图

 

三、  三维GIS景观规划要素

    当前三维GIS在杭州最成熟的应用是对城市景观的控制。使用三维GIS辅助进行景观规划可以极大地提高规划的深度、准确度和编制效率,执行有效的景观控制,同时也能大大提高规划项目管理的效率和水平。在使用中,需要着重关注以下一些要素:

1、  视点、视带的选择

    三维GIS的视点选择直接决定了景观效果的好坏。出于规划控制的目的,我们应该尽可能地选取相对最不利视点。以西湖景观为例,《西湖东岸城市景观提升工程规划》中确定了5个一类视点(主要视点),4个二类视点(敏感视点),2个三类视点(补充视点)以及2个校核视点。在断桥视点观察钱江新城高层建筑,可能因为离城太近而目标不可视,而在同为主要视点的苏堤压堤桥视点则可能非常突兀。因此在实际中同样大致以下因素优先选取不利视点:

   目标影响宝石山、吴山绿化过渡带的;

   目标构成城市天际轮廓线的;

   目标影响视线通廊的;

   目标体量过大的;

   目标与周边建筑不协调的;

   视点位置敏感度高的。

   同理,对于城区其他景观控制区域,视点选取也应结合控制理论和实际地理因素,从最不利原则出发综合考量决定。

image008.jpg

 

2、   目标

   目标的诸多自身要素是景观分析的重要分析对象,包括:

   建筑形态:建筑高度、体量、轮廓线条、立面构成等元素直接构成目标的形体;

   位置距离:在考虑天气,开启雾化能见度效果的情况下,距离远近关系到目标是否清晰、可视;

   风格:建筑风格关系到它的整体气质,以及和周边环境的协调程度。目前西湖东岸的既有明快简单的现代风格建筑,也有繁复严谨的欧式建筑,不同风格交错夹杂,使得西湖东岸城市轮廓线显得杂乱、整体性较差;

   顶部形态:是建筑远景的最重要的特征形要素;

   建筑色彩、材质,等等。

 

3、   环境

   绿化:由于树木的位置,树冠形状的不确定性,绿化是三维GIS中最难模拟的影响因素。通常为了达到最接近真实的模拟效果,需要从多个视点角度,通过照片匹配的方式对树木高度、密度、种类进行仔细的比对微调;

   周边建筑的形态风格:反衬出目标建筑的风格。

 

4、   景观细节

   环境与建筑细部的处理对城市景观的整体形象起着重要作用,,并主要表现在以下几方面:

  广告招牌:大量的屋顶招牌、广告、墙面广告直接影响了城市轮廓线的真实与完整性,同时也是较易整治和变动较频繁的景观影响因素;

  搭建构筑物与设备:常对建筑轮廓线条的流畅性有着出乎意料的影响作用。

 

 

四、  三维GIS应用展望

    未来城市规划领域的三维GIS应用必将越来越广泛,随着应用范围的不断扩大,应用功能的不断丰富,软、硬件水平的不断提高,城市规划设计、管理、展示必将与三维GIS技术更为紧密地结合起来,产生更为深远的积极作用。针对杭州而言,三维GIS系统预计在不远的将来,将会向以下几方面发展提升:

   1、与传统GIS在数据契合度上进一步提升,打通三维GIS库与传统的二维SDE图形库,使三维GIS系统可以直接调取二维基础地形数据和其他规划业务图形数据,并将大部分二维GIS分析功能移植到三维GIS系统中去。

   2、功能开发进一步深化优化,在包括操作易用性、功能灵活性、使用移动性等方面作进一步提升,更贴近日常规划业务实际,使普通规划行业人员爱用易用。

   3、在城市规划走出专业小圈子,迎接公众参与的大趋势下,三维GIS是实现这种大趋势的最好形式。杭州正在积极研究规划与大数据、互联网+等新兴技术的结合,从规划数据的自动获取、整合分析到发布利用,都是全新的课题,三维GIS如何拓展转型,支持这种从内容到形式的全面转变,将是下一阶段研究的重点。