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GIS等多技术融合辅助城市规划设计及应用Application of Combined Assistant Technologies in Urban Planning and Design王成芳Wang Chengfang摘要　本文从新技术在城市规划设计行业应用现状和规划设计的传统工作流程出发，提出以地理信息系统（GIS）为主的新技术相互融合共同辅助城市规划设计的工作新思路，充分融合多个信息技术渗透到城市规划设计的各个阶段，包括现状场地分析、三维建模与方案推敲、规划成果表达或公共参与咨询等，并结合实际城市设计案例进行应用实践，为新技术支持下规划设计工作方法和应用思路的更新完善提供参考和建议。关键词　地理信息系统（GIS）　城市规划设计　场地分析　三维建模　公众参与ABSTRACT　From studying the existing application of new technologies in the profession of urban planning and design and typical processes, this paper proposes the combined application of GIS and other new technologies into urban planning and design, such as site analysis, three-dimensional visualization，design comparison，public participation, and so on. With case studies of related practices in urban design, this paper illustrates this new idea.\\KEY WORDS　geographic information system (GIS), urban planning & design, site analysis, three-dimensional model, public participation中图分类号 TU984.11+1文献标识码　B文章编号　1000-0232(2009)05-0076-04一、新技术在城市规划行业应用现状　　随着科学技术的发展与进步，特别是计算科学、信息技术的广泛应用，我国城市规划事业经半个多世纪的新发展，以地理信息系统（Geographic Information System ,简称为GIS）为代表的3S技术（即地理信息系统、全球定位系统、遥感，简称为GIS、GPS、RS）、计算机辅助制图（AutoCAD）、虚拟现实（Virtual Reality）等新技术日渐广泛应用于城市规划领域。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]二、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技术按需要快速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——数据分析——模拟预测——提出方案——方案评估——决策方案——管理实施等整个规划设计过程。　　针对城市规划行业相关的计算机技术发展的现状来看，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Google Earth提供了SketchUp数据的接口(2)，ArcGIS可以很方便的转换AutoCAD、SketchUp、3ds Max等数据格式(3)，从而可以实现多个软件直接共同衔接使用，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。　　因此，笔者建议以GIS为主的新技术相互融合共同辅助城市规划设计的新的工作思路，为国内规划设计行业的新技术应用普及和推广模式提供参考。现阶段根据不同的规划类型，针对规划需求实现GIS、RS技术与其它城市规划领域熟知的其他技术融合，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。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，但也侧面反映出以GIS为代表的新技术在城市规划行业的应用更倾向于前沿性的研究，对这些新技术的普及化推广研究不多。虽然早在上世纪后期地理信息系统（以下简称为GIS）引起城市规划行业的广泛关注，但目前普遍在规划管理层面应用较广而在规划设计层面应用依然薄弱，国内规划技术手段依然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，与规划作者简介　华南理工大学建筑学院讲师、亚热带建筑科学国家重点实验室固定研究人员（广州，510640）设计的应用需求还存在一定差距，其应用现状实际和城市规划行业之间一直若即若离，存在或多或少的尴尬。 2009.5 South Architecture / 南方建筑 / Architectural Forum 建筑论坛 　77

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规划支持模型，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，也可以叠加高精度遥感影像与三维地形模拟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，然后将初步方案转为常用的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。GIS具备快速生成三维模型的功能，只需要赋以建筑高度或层数信息，在若干植被素材库中选择相应符号，即可快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、3ds Max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Google Earth和其他软件（SketchUp）良好的衔接,把方案导入到Google Earth中，结合高精度遥感影像融合规划设计方案征求公众意见。　　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，曾经拥有珠三角最大的湖泊，20 世纪中后期很多水面被围湖造田或改造成鱼塘，在云东海中心区规划设计国际竞赛④中，要求重新恢复部分湖面并进行相关旅游开发建设。因此，我们充分运用GIS技术对基地现状环境和规划方案进行量化分析，对基地中心湖的引水路线、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技术支持，实现新技术应用与人居环境规划设计的良好结合。　　首先，利用现有地形图的高程点数据获取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，为后期规划方案的设计提供很好的参考。同时，利用GIS软件的3D Analyst（三维分析）功能对基地现状地形进行三维模拟，并叠加现状道路、水系等信息，对现状自然环境有一个直观的认识（图1）。　　另外，对湖区恢复范围的大小和湖区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、水流方向等也做了相关分析，利用DTM（Digital Terrain Model，数字地形模型）分析，对引水路线结合水务部门相关资料进行多方案比较，三、应用探索与相关案例结合规划方案对多个引水方案路线进行剖面分3

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析，并融入到周边地区的规划设计中（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，进行规划方案下一步的深入推敲。其中，方案充分考虑现状地形和自然环境，结合规划设计构思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，同时也提高规划成果的准确性和合理性。　　在本次规划中（图3），我们对现状地形和78　　建筑创作 Architectural Creation / 南方建筑 / South Architecture 2009.5

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1 现状地形GIS模拟2 中心湖引水方案比较

3 规划地形GIS模拟（叠加规划总平面和建筑）

4 规划方案三维动画（动画截屏图，其中几座主题建筑为SketchUp建模导入，桥梁和风水塔等为3ds Max建模导入）5 利用Google Earth鸟瞰规划模型

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2009.5 South Architecture / 南方建筑 / Architectural Creation 建筑创作 　79

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3ds Max建模所呈现的固定画面要更切合实际地形。　　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，和方案辅助设计真正结合起来，而不仅仅限于地形分析的浅层次应用和图面表达，充分说明利用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。　　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，选用ArcGIS 9.X软件介入该规划设计的全过程，利用ArcGIS 3D Analyst分析对现状地形进行场地分析和洪水淹没分析，并与SketchUp和3ds Max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Google Earth 与ArcGIS和SketchUp软件之间的接口，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，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；根据地形等高线生成TIN（不规则三角网）模型，并进行坡度、坡向、高程等各项基础分析；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，利用GIS技术对约200ha范围用地内的建筑和部分场景（树木、广场等）实现快速建模，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，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3ds Max精细建模后再导入到ArcGIS中，这样，我们在GIS的平台可以实现满足不同建模精度需求无缝衔接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3ds Max 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，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（参见图5）。的规划新思路，对于新技术在城市规划设计行业的渐进式普及和推广是有借鉴意义的。一方面基本沿袭传统规划设计的工作流程和基本方法，同时也充分结合常用软件的优势，只需要进行简单的GIS软件操作培训即可实现利用其进行辅助分析和方案设计；另一方面，在充分利用这些多软件协同分析和辅助设计的过程中，规划人员的观念也逐步得以改变，通过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。　　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 [6]。四、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、3ds Max一统天下的局面值得我们深思。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地引入到城市规划设计中，探讨和研究新技术支持下规划设计方法和应用思路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，笔者建议以GIS为主的新技术相互融合共同辅助城市规划设计注释(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，Google通过收购以开发SketchUP 3D设计软件而成名的@Last软件公司,为Google Earth图形插件提供了更多优化和改进。(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) 文中案例一为2005年 “佛山市三水区云东海中心区规划设计”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投标规划方案取得第一名。

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