GIS等多技术融合辅助城市规划设计及应用

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1 引言 全球化进程中，城市发展面临的不确定性影响因素增多，规划编制和城市设计难度、风险性加大，同时也对规划设计成果的科学合理性提出更高要求。因此，与时俱进地将现有的各种新技术合理的引入到城市规划设计中，对现状场地条件和现状的各种社会经济人口数据进行深入分析，对城市空间进行三维可视化模拟，对以往感性的、凭经验的设计进行辅助分析和反馈修正，有助于提高规划设计的效率，同时也增强设计成果的科学性和合理性。 2 GIS及其它新技术在城市规划行业应用现状 城市设计相关的新技术一般包括3S技术（GIS、RS和GPS）①、三维建模等，目前规划界对新技术应用也越来越重视，例如清华大学人居环境研究中心联合美国林肯土地学院基于信息技术的北京城市空间扩散机理与调控研究（丁成日等，2005）[1]、基于GIS的中国人居环境适宜性研究等，同济大学关于2010世博会规划建设全过程的可视化控制管理系统研究、东南大学建筑学院董卫、胡明星等关于GIS在文化保护中的应用（胡明星，2004）[2~3]以及利用GIS软件辅助空间句法的相关研究（段进，朱东风，2007）[4~5]；一些国际知名的事务所如易道、SWA等也不同程度利用GIS软件进行复杂地形的分析和模拟，英国的城市规划专业本科和硕士阶段教育都很重视这些方法论和新技术的应用，美国哈佛大学景观设计专业很早就利用GIS辅助场地分析等等（韩笋生，周昇，2001；庞磊，2006）[6~8]。这都说明了新技术在城市规划设计领域有着广泛的应用前景，但其广阔的应用前景与目前规划领域地理信息系统（以下简称为GIS）的实际应用情况形成较大反差，普遍在规划管理层面应用较广而在规划设计层面应用薄弱。 另外，由于国内城市规划大多脱胎于建筑学，更侧重于物质形态规划，对计算机辅助设计、三维建模、图像处理方面应用广泛，例如AutoCAD、Sketchup、3DMAX、PhotoShop等软件，但对3S技术研究等方面的应用不多（或者可以理解为GIS等技术的应用相对传统规划设计的学习门槛较高），现有的场景模拟和建筑三维建模一般局限于单个软件的应用，例如利用Sketchup建模推敲建筑体量关系，利用3DMAX制作效果图、利用ArcGIS生成2.5维的简化三维模型等[9]，大多没有考虑各软件之间的衔接和基础数据的共同利用。因此，现阶段新技术应用较多但没有系统化，各自为政现象比较严重；另一方面多倾向于学术前沿的探讨性研究，例如城市演进模式模拟、城市模型研究等，对这些新技术的普及化推广研究不多。 3 以GIS为主的新技术融合辅助城市规划设计的新思路 城市规划以地理空间信息作为其设计与管理的基础，与建筑设计相比，城市规划更注重理性分析、定量分析，强调有据可依，因此，城市规划设计需要建立在更为科学的信息支持基础上，规划师可以利用GIS技术快速按需要选择有关诸如土地利用、道路交通、基础设施、经济发展、环境保护等现状信息，并可以在综合考虑相关数据相互影响基础上做出科学的定量分析。因此，GIS的应用不应只是作为辅助绘制专题地图的工具，而应该引入城市规划设计各个阶段和各类专项规划中，渗透到现状调查一一数据分析一一模拟预测一一提出方案一一方案评估一一决策方案一一管理实施等整个规划设计过程。 同时，针对软件的现状发展情况，随着各行业的相互渗透以及多学科相互交叉应用的发展，目前计算机软件研发方面很大程度上实现了相互之间良好的数据转换和衔接，例如GoogleEarth提供了Sketchup数据的接口②，ArcGIS可以很方便的转换AutoCAD、Sketchup、3DMAX等数据格式③，从而可以实现多个软件直接的共同衔接使用，AutoCAD和ArcGIS等软件的功能越来越丰富，可以方便地基于其平台进行二次开发拓展其它功能。 考虑到国内规划技术手段目前还是以传统规划设计和计算机辅助设计制图的方式为主， GIS技术还只是初步、被动地参与到规划设计中，处于浅层次应用阶段，规划设计人员较少全面掌握GIS的强大功能，而GIS开发研究人员不熟悉规划业务，与规划设计的应用需求还存在一定差距。因此，笔者建议以GIS为主的新技术可以相互融合共同辅助城市规划设计的新思路，现阶段可以根据不同的规划类型，针对规划需求实现GIS与其它城市规划领域熟知的新技术融合，各自发挥优势共同介入到规划设计全过程，从而有效实现GIS等新技术与城市规划的渐进式结合，实现这些新技术之间的良好衔接和互动，逐步推广GIS等新技术在规划设计领域的应用，培养规划设计人员的GIS素质；远期则可以逐步实现GIS等新技术与规划设计的良好交互，通过基于通用软件(ArcGIS、AutoCAD)二次开发，建立各种类型的GIS面向城市规划设计的专家分析模型，进而推广新技术在城市规划领域更深层次的应用。 就目前来说，城市规划设计一般分为现状分析阶段、规划方案阶段和成果咨询反馈阶段，现以一般城市设计类型的规划为例，简单介绍各阶段的具体应用思路。 在现状分析阶段，可以借助GIS辅助场地分析，也可以利用高精度遥感影像与地形结合辅助现状场地分析和现状地物的判读。同时，利用现有的GIS软件（如ArcGIS）良好的开放性，可以很方便的实现GIS和AutoCAD数据的互相转换，在GIS平台完成现状分析（高程分析、坡度分析、洪水淹没分析等）的基础上进行方案的初步布局，包括用地、路网、建筑的初步布局等，然后直接转为AutoCAD平台的DWG格式，在此基础上进一步深化方案。这对于一些现状条件比较复杂，自然环境条件很好的地区更具优势。 在规划方案阶段，常规方法是借助Sketchup辅助草图设计，但不是基于真实地形，且建筑量较多情况下费时费力，对于一些异形建构物建模功能较弱；而GIS具备快速生成2维半模型的功能，只需要赋以建筑高度或层数信息，可以迅速生成大场景三维模型，还能很方便实现三维漫游动画功能。因此，建议充分融合这些软件的优势，借助GIS、Sketchup、3DMAX等软件各自建模优势，可以全部统一转换到GIS平台，从而实现粗细精度有机结合、基于真实地形的三维建模场景，从各个角度推敲建筑的高度、体量以及与周边环境的协调关系等。这对于旧城改造插建新建筑或者完全是新开发地区，都是很实用的手段。 在规划成果表达或者咨询反馈阶段，可以充分利用网络技术，例如可以基于Web GIS进行网络发布和反馈，也可以利用GoogleEarth和其他软件（Sketchup）良好的衔接,把方案导入到GoogleEarth中，结合高精度遥感影像融合规划设计方案征求公众意见。 4 应用探索与相关案例 4.1佛山市三水区云东海中心区规划设计 广东省佛山市三水区云东海地区地势低洼，沉积层厚，有很好的积水条件，曾经有珠江三角洲最大的湖泊，20 世纪后期很多水面被改造成耕地或鱼塘。 在云东海中心区规划设计④中，我们充分利用GIS技术对基地现状环境和规划方案进行量化分析，对基地引水路线、湖面形态、土方量计算及中心岛位置选择等重大技术问题的合理决策提供了先进的技术支持，实现了新技术应用与人居环境规划设计的良好结合。 首先，在现有的地形图数据基础上提取高程点，从而获取DEM(数字高程模型)数据,利用GIS软件进行高程、坡度、坡向等一系列分析，并结合地质相关资料（断裂带分布等），可以直观得到用地适建性评价情况，为后期规划方案的设计提供的很好的参考。同时，利用GIS软件的3D Analyst（三维分析）功能可以对基地现状地形进行模拟，叠加现状道路、水系等信息，对现状自然环境有一个直观的认识（见图1）。 另外，对湖区恢复范围的确定和湖区的水源补给一直存在较大争议，本次规划中充分利用GIS的水文分析功能，进行洪水淹没线模拟，并对基地范围内的流水累计量、汇水线、水流方向等也作了相关分析，充分利用DTM（Digital Terrain Model，数字地形模型）分析，对引水路线进行多方案比较，结合规划方案对多个可能的引水方案路线进行剖面分析，并融入到周边地区的规划设计中。（见图2） 由于云东海中心区整体地势低洼，需要一定的土方工程和平整才能进行城市开发建设，基于现状分析和洪水淹没线等相关分析，结合规划理念构思在GIS平台勾画初步方案（湖区恢复范围、中心岛位置、道路、旅游开发区域等），并利用GIS软件的土方计算功能进行填挖方估算，其间根据规划构思和需求进行调整，初步确定后将初步方案转化为DWG格式，进行下一步的深入推敲。其中，方案尽量利用现状地形，在充分考虑规划设计效果的基础上，将中心岛位置选择在地势相对较高的地块，并结合现状地形高差局部做亲水平台，同时也对中心岛中心道路的穿越作了详细的交通分析，充分体现了设计与自然结合、与环境协调的规划思想，同时也提高了规划成果的准确性和合理性。 在本次规划中，我们对现状地形和规划后的地形分别进行三维模拟，并将相关的道路、建筑以及环境的信息导入叠加，可以直观地看到规划设计的效果，结合相关的高程、坡度、坡向等信息，在前期规划草案阶段对道路的线型进行调整，以保证道路坡度合理并尽量避免大填大挖；同时，基于GIS平台进行三维分析，可以对模拟结果进行鸟瞰、漫游等功能，比传统设计中利用3DMAX建模所呈现的固定画面要更切合实际地形。（见图3） 以上规划案例充分展示了GIS技术辅助规划设计的全过程，在GIS技术支持的基础上，通过对场地的自然属性、土方计算等进行量化分析和三维模拟，从规划的构思、草案至最后方案成果表达整个阶段都充分与GIS的分析结果进行交互反馈，取得了良好的效果，说明利用GIS等新技术辅助规划设计是完全可行的，而且还有很大的拓展空间。 当然，本规划并不是单一的利用新技术辅助设计，其规划思想和技术手段都是强调对自然环境的尽量少破坏、人工建筑与自然环境相协调为原则，也就是人居环境规划设计中所强调的可持续发展原则，在保证这个原则的基础上进行规划设计构思，同时借助GIS等新技术对人力较难判断的相关因素进行量化分析和辅助决策，从而实现科学合理的人居环境规划设计，这才是我们要达到的最终目标。

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4.2惠东县新行政中心区及周边地段城市设计 广东省惠东县新行政中心区位于惠东县城西南部，两条河流（西枝江和黄排河）在此交汇，具备良好的自然生态条件。在惠东县新行政中心区及周边地段城市设计中，我们选用ArcGIS 9.2软件介入本次规划设计的全过程，利用ArcGIS 3D Analyst扩展模块来对现状地形进行场地分析和洪水淹没分析，并与Sketchup和3DMAX建模充分结合制作大范围三维漫游动画，辅助推敲规划建筑与周边环境相互关系；同时，还充分利用GoogleEarth 与ArcGIS和Sketchup之间的接口，将规划方案和建筑模型导入全球卫星影像，从而更好的辅助规划决策和公众参与等。 在现状分析阶段，我们根据现有电子地形图提取等高线、水系、堤岸范围等相关地形地貌的基础数据，建立为分析必备的基础数据库；根据基础数据库里具有高程值的等高线图层，生成TIN（不规则三角网）模型，并进行坡度、坡向、高程等各项分析；利用ArcGIS提供的三维场景分析模块ArcScene，导入地形、道路、河流、现状建筑物等图层，对现状进行三维地形模拟，并与遥感影像相叠加，实现更真实的三维模拟。通过对现状地形的深入分析，为后期规划方案的构思（例如：可建设用地、滨水岸线和山体对规划基地的影响等）提供了很好的参考。 在规划方案推敲的过程中，我们借助GIS的3D分析功能快速建模，从而推敲建筑之间的高度、体量关系，以及建筑群与周边环境（山、水以及现状建筑）的关系。规划方案基本确定下来之后，我们一方面充分利用ArcGIS的ArcScene的飞行动画功能来实现规划范围内的全景三维动画，将要求不太精细的建筑利用ArcGIS软件进行快速建模；另一方面，与建筑规划行业常用的辅助设计构思软件----Sketchup充分结合应用，利用Sketchup模型推敲的优势，将一些重要建筑或精细度要求较高的Sketchup建筑模型导入到ArcGIS软件中；同时，有些例如风水塔、桥梁等重要节点建筑或构筑物，则采用3DMax精细建模后再导入到ArcGIS中，这样，我们在GIS的平台可以实现不同建模精度需求的三维模拟和动画漫游效果，既充分发挥了GIS软件对大场景海量数据快速处理功能，也发挥了3DMax 建模精细的特点以及Sketchup出色的3D引擎，在小场景的细节表现突出且模型修改方便等优势。（见图4） 在本次规划中，我们还尝试将最后的规划方案和设计模型导入Google Earth中，将相关的属性与描述都设置好，将其打包为kmz文件，可以将这个文件放在网络上提供下载，以便公众查看，也可以通过提交给Google Earth论坛，申请成为Google Earth的一部分数据。只要电脑安装了Google Earth软件，并连接网络，就可以在任何地方看到我们的规划设计方案了（参见图5）。 5 结语 多学科交叉应用和研究是城市规划学科的发展顺应现代科学发展的总体趋势，新技术发展促进了城市规划新的思想方法和设计方法的发展，包括规划分析的广泛性、论证的严谨性、成果的弹性等。对于城市规划行业来说，为什么会出现GIS、RS等技术在规划管理方面应用广泛而规划设计行业却成为AutoCAD、3DMax一统天下的局面值得我们深思。因此，探讨和研究新技术支持下规划设计方法上的更新完善有很大应用价值和推广意义。 本文的相关规划案例中，我们成功的将GIS软件介入到规划设计的全过程，且充分结合3S其他技术（RS、GPS ）以及建筑规划行业的辅助制图和建模软件完美结合，实现了规划前期的辅助分析、规划构思阶段的辅助设计和推敲比对、规划后期的辅助决策等，与传统的规划构思过程进行良好的交互反馈。因此，我们有理由相信，现代的城市规划设计更需要结合先进的信息科学技术的成果，数字技术的时代3S等信息技术将在推动城市规划管理的严密性、规划决策的科学性、规划设计的科学性、合理性和高效率等各方面发挥越来越重要的作用 [10]。 注释 ① 3S技术包括GIS、RS和GPS，为地理信息系统GIS(Geographic Information System)，遥感RS(Remote Sensing)和全球定位系统GPS(Global Positioning System)的英文简称。 ② 2006年，GoogleEarth收购Sketchup之后，该产品开始提供对外的良好接口，Sketchup模型可以很好地导入Google Earth中，并利用先进的Terren地形来观察模型与周边环境的契合程度，也可以将Google Earth中的地形导入Sketchup中做推敲和研究。 ③ 以常见的ArcGIS软件为例，其中的ArcToolbox模块可以实现和其他多种数据格式的互相转换接口，包括*.dwg， *.3DS，*.FLT等。 ④ 文中案例一是2005年由佛山市三水区政府组织的国际竞赛，华南理工大学建筑学院和德国S＋P景观设计公司联合体提交的规划方案取得第一名。

skywoolf

看来GIS还是主要应用于前期的勘察地理信息方面

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后期还得用元胞自动机去实现

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后期还得用元胞自动机去实现

aqiangjlq

菜鸟努力挣照度

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wangtianhui1999

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这个是好帖子！GIS的同胞~

guihuashizyl

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红黑1899

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