基于三维数字地图系统的城市设计

基于三维数字地图系统的城市设计摘 要：三维数字地图系统作为“数字城市”、“数字规划”的产物，以其海量数据和强大的系统功能，为城市设计人员在设计过程中对方案分析论证、规划管理人员在审批过程中对方案评审以及公众在听证过程中对方案实施效果评价提供技术支撑和科学依据。本文在阐述三维数字地图技术及其特征的基础上，探讨了三维数字地图系统在城市设计中的应用，介绍了武汉市三维数字地图系统在城市设计中的应用情况。关键词：三维数字地图系统 虚拟现实 城市设计1.引言城市设计是对城市体形和空间环境的设计，其目的是对城市形象的提升和视觉景观环境的美化，对城市面貌的展现有着重要的作用。但长期以来，规划设计人员、规划审批人员在城市设计的设计过程和审批过程中，只能从二维层面或者静态的三维层面对设计效果进行把握，不能很好地去营造城市空间景观、保护城市特色。自“数字地球”、“数字城市”的概念提出以来，三维数字技术得到系统研究，三维数字地图系统应运而生，被广泛应用到城市设计中，城市设计进入了一个动态的三维时代。本文在简述三维数字地图技术与特征的基础上，探讨了三维数字地图系统在城市设计中的应用，并介绍了武汉市三维数字地图系统在城市设计中的应用情况。2.三维数字地图技术及特征2.1三维数字地图技术三维数字地图是从平面地图向三维的拓展，它将自然地形、地貌、山体、河流、道路、建筑、环境以及重大基础设施等城市自然和建设要素，通过划分模型单元和管理对象，进行平面、高程、结构、纹理色彩等的数字化处理，按照统一坐标无缝拼接而成的区域或城市可视化三维数字模型。三维数字地图是在真实表达城乡自然和人文三维空间要素的基础上，通过增加时间维度和社会经济数据维度，构成融空间、时间和管理信息为一体的多维数字城市公共平台，可以用于提高城市设计和规划管理水平，作为现代城市信息化管理的重要支撑，还可以应急指挥、防灾减灾、交通管理、网格化管理、社区管理服务等方面提供多层次的服务。2.2三维数字地图系统的主要特征（1）城市虚拟仿真数字化环境。三维数字地图系统采用先进的三维地理信息系统技术（3DGIS）、虚拟现实技术（VR）、数据压缩技术、计算机技术和网络技术等多种高新技术，集成城市多源、多尺度、多时态三维空间信息，实现海量数据的动态交互式浏览、空间分析和模拟，是真实城市物质空间环境的数字化模拟。（2）支持网络环境下的互操作。基于网络技术的三维数字地图系统，提供对城市空间的无缝管理，可以同时支持多种网络环境下的并发操作。（3）开放式的城市管理三维空间信息平台。据统计，城市活动的80%以上均与空间有关，三维数字地图系统提供了全市域的宏观地形地貌、河流水系等空间信息，提供了城区和重点地区的空间骨架和城市形态等信息，提供了街区、单体建筑、市政设施及景观设施等详细信息，是一个开放式的空间协同信息系统，城市行政管理部门根据需要可在此平台上进行二次开发，是进行城市各中管理活动的三维数字空间信息平台。（4）城市公共服务产品。三维数字地图具有多维信息处理、表达和分析的特点，在城市规划、网络化管理、智能交通、应急指挥、防灾减灾、数字旅游、电子商务与小区管理等方面有着十分广阔的应用，特别是在空间信息的社会化服务中，三维数字地图的应用有着越来越明显的优越性和不可替代性。（5）多层次的景观模型。三维数字地图系统提供了多细节层次的城市三维景观模型，能充分展现城市景观时空的变化，从平面、立面、时间、管理等多层次对城市物质空间环境信息进行分析处理，不但反映城市的框架、轮廓，而且反映城市细节、纹理和色彩。3.城市设计对三维数字地图系统的应用3.1三维数字地图系统在城市设计中的重要性城市设计作为城市规划的一部分，贯穿与城市规划的整个过程中，但与城市规划不同的是，城市设计注重对城市形体及空间环境的三维层次的设计，现实的多维环境很难从二维形态中准确表达，二维工具也很难以满足多维动态下的空间分析和决策需求。三维数字地图系统构建了一个三维的、动态的、实时的、可交互的和进行多种分析的城市虚拟环境，能最真实的表达城市的空间结构及环境，直观的模拟出规划实施后的城市空间环境，帮助城市设计人员与管理人员对城市设计的方案进行分析论证及评审，为公众参与提供技术支撑和科学依据。3.2城市设计的技术要求城市设计人员在设计过程中对方案的分析论证，规划管理人员在审批过程中对方案的评审，以及公众在听证过程中对方案实施效果的评价，都需要一套技术要求来把握方案设计、审批、实施的效果。城市设计技术要求包括两个方面：可度量要求和不可度量要求。（1）可度量要求可度量要求指可计量的要求。这可分为四大类：规范要求、用地类要求、建筑类要求、环境设施类要求。规范要求：包括后退城市道路红线、水域、山体、交通控制线、市政控制线、绿化控制线距离、建筑间距、日照间距等。用地类要求：包括用地性质、用地权属、建筑面积、容积率、建筑密度、绿地率等。建筑类要求：包括建筑功能、高度、层数、体量、建筑面积等，与城市规划从日照、通风等环境质量角度确定建筑物的高度、体量等不同，城市设计研究主要通过综合的视线分析方法进行推敲和分析。环境设施类要求：包括空气污染指数、噪声污染指数等环境质量标准，设施数量如座椅数量、树阴步行空间数量、有顶步行空间数量，以及不同种类绿化栽植的数量（比例）等与公共空间品质直接相关的评价标准。（2）不可度量要求不可度量要求又可称为定性要求，指对城市空间环境的舒适性、视觉趣味性、清晰性、便利性、视景愉悦性、多样性、和谐性、空间的确定性以及对城市空间尺度、特色、活动等方面的评价，是对城市公共空间以及建筑形态对使用者心理自觉方面的影响的描述。这类标准因具有较大的主观性而在实践中存在可操作性问题，可正是这类要求透射了城市设计的魅力。3.3三维数字地图系统功能与城市设计技术要求的结合三维数字地图系统提供的实景三维环境以及强大的系统功能能为城市设计人员、规划管理人员以及公众充分展现设计效果，便于科学地评价城市设计。（1）逼真的城市三维虚拟环境传统的城市设计往往因为缺乏真实城市环境而使设计成果过于理想化，任何层次、任何规模、任何位置的城市设计都需要考虑自然地形、山体、水域、道路走向、绿化、现有基础设施和市政设施配套情况、周边建筑环境等因素，只有在真实的场景中去设计，才能充分考虑这些因素，使设计更科学化，三维数字地图系统能提供整个城市的三维实体模型，营造一个逼真的三维虚拟环境。（2）丰富的城市二维数据库三维数字地图系统数据库中包含有城市总体规划、分区规划、控制性详细规划以及道路交通、轨道交通、市政工程、绿地景观等城市专项规划数据，二维图形数据与三维模型相叠加，系统在再辅以测量等工具和日照分析等功能，使人能清晰的判断城市设计是否满足功能、技术标准、规范及相关规划的要求。（3）多重属性链接系统的属性数据根据层次的不同，分为城市规划编制单元属性数据、不同权属用地属性数据、建筑环境属性数据。城市规划编制单元属性数据：包括用地性质及兼容性，建筑高度、建筑密度、容积率等数据。与城市总体规划、控制性详细规划相结合，确保城市设计能在上位规划的指导下进行。不同权属用地属性数据：包括用地权属、用地性质、总建筑面积、容积率、建筑密度、绿地率、建筑高度、人防面积、消防情况等数据。与规划审批条件相对应，保证城市设计在规划设计条件的控制下完成。建筑环境属性数据：建筑性质、建筑高度、建筑层数、建筑面积停车位数量、桌椅板凳数量、种植树木数量、交通流量、噪音等数据。属性数据与实体模型形成无缝链接，在城市设计调整时能实时改变属性数据，保证城市设计过程中技术指标的连动性，营造量化环境。（4）定值视线分析系统能按照自定的视点位置、高度以及视角大小进行视线分析，一方面能从人的角度评价城市设计中建筑位置、高度的合理性以及空间的通透性，保证建筑与建筑、建筑与环境、环境与环境之间的协调，对于城市沿街、临湖、滨江等城市重点地段设计尤为重要；另一方面可以展现城市空间环境中各种关系的组织，明确建筑空间与外部空间、私密空间与公共空间的分界，使城市空间结构元素更加清晰，保证地形地貌、建筑、道路、环境设施等空间元素之间的和谐以及建筑在形式、色彩、高度等方面的协调。系统能使人清晰地判断城市设计是否满足尺度感、和谐性以及空间的确定性等方面的要求。（5）多维统计分析系统多维统计分析包括平面维、立面维、时间维三种统计分析，能使人清晰地判断城市设计是否满足视觉趣味性、和谐性、多样性等方面的要求以及是否体现城市空间特色、展现建筑特色。平面维统计分析指对用地性质、范围、建筑功能、基底进行分类统计分析，保证城市设计中建筑及用地的合理布局、建筑的尺度感，体现城市特色区域的分布。立面维统计分析指建筑按形式、高度、色彩等进行分类统计，保证建筑与区域的协调，展现城市建筑特色及空间特色。时间维统计分析指对城市历史发展变迁的分析，充分利用系统历史性数据，了解城市变迁过程，有利于城市设计中对城市特色空间的保护、延续与挖掘。（6）多种模式漫游系统漫游模式包括无序漫游和有序漫游两种模式。无序漫游指无任何指定，按照系统设置的程序进行漫游。有序漫游指以人的高度或其他高度，以正常视角、舒适视角或其他视角，指定路径，进行漫游。充分展现城市街道布局、建筑布局、群体组合以及城市空间环境中街道生活的内容，以人的需求为出发点，对城市空间环境进行全方位、多视点、多角度地感知。系统能使人清晰地判断城市设计是否满足视觉趣味性、视觉愉悦性、舒适性、清晰性、便利性等方面的要求以及是否能丰富街道活动。4.武汉市三维数字地图系统在城市设计中的应用武汉市城市设计领域对三维数字地图系统的应用相当广泛，以下仅以一个具体实例来说明系统的应用情况。某项目位于某大学校园内，建筑坐落于山体之上，处于城市重要的景观节点。规划用地性质为公共设施用地，总用地面积为12425平方米，拟建建筑面积30357平方米，容积率1.98，建筑密度23.7%。（1）规划设计条件的满足。为了满足规划管理部门针对该用地提出的规划设计条件要求，需要动态了解项目的技术经济指标，若不满足规划设计条件，必须对方案进行调整，直至满足为止（如图1）。图1 项目的技术经济指标（2）空间关系的处理。为了保证拟建建筑与校园主要道路、周边建筑的协调性，需要对建筑、道路之间的空间关系进行分析（如图2）。（3）建筑与环境的协调。为了保证校园整体环境的和谐性，使建筑形式、色彩与周边环境相协调，必须调整拟建建筑风格、色彩，与其南侧田家炳教学楼相呼应（如图3）。图2 拟建建筑与周边建筑及道路的空间关系图3 拟建建筑与校园环境的协调（4）城市天际线的营造。从城市天际线的角度讲，应使低层建筑保持连续性，高层建筑具有节奏感，拟建建筑处于山体顶部，从沿城市道路视线景观上讲，拟建建筑应掩映在树木植被等自然环境之中（如图4）。图4 城市天际线的营造（从城市道路上看拟建建筑）（5）城市空间尺度的把握。为保证视线廊道的通透性，应控制拟建建筑体量，使外部空间能满足其作为图书馆功能的需要（如图5）。图5 建筑及外部空间的尺度感（6）城