地理设计系统框架研究及实践

薛梅，何兴富，邱月

(重庆市勘测院，重庆 400020)

1 引言

地理设计是将设计方案的形成和地理环境影响因素模拟紧密结合在一起的规划设计方法［1］，通过将地理环境展示、模拟、分析功能带入城市规划设计流程，使从设计草图到设计成果之间的各个环节都能得到分析和评审［1，2］。与传统规划设计方法工具相比，地理设计除了能够直观展示设计方案的视觉效果，更重要的是通过强大的空间数据管理和分析特性，进行反复和快速的影响评估，并不断优化设计方案。

现有的地理设计研究主要包括理论和实践两个方面。理论研究主要集中于地理设计定义、作用及前景的探讨;实践层面大多基于传统GIS、CAD软件进行扩展，为设计人员提供草绘、分析、评估工具，缺少涵盖设计领域知识、工具软件、过程交互的完整体系［2～6］，这使得跨专业、跨学科间的地理设计应用变得困难。本文针对上述地理设计研究中存在的问题，提出地理设计系统的基本框架，建立了本体驱动的设计模型，实现多专业协同的地理设计引擎及其关键组件，并以市政道路设计为例开展了实践。

2 地理设计系统框架

地理设计系统的目标在于通过现代计算机技术、通讯技术、协同技术，将领域知识和社会价值更有效地集成到设计活动中，以实现对规划设计活动的增强［7］。

要实现这一目标，需要解决3个方面的主要问题:①建立具有地理定位和语义含义的数据模型，用于表达、模拟、存储和分享设计方案;②基于这个数据模型规范设计工作流程，实现多专业、多人员分散协同的规划设计;③加强规划设计过程中多角色参与和讨论，使规划设计方案能代表利害关系人以及公众的多元化利益。

地理设计系统的基本框架如图1所示。在分布式地理空间环境支撑下，本体驱动的设计方案模型实现了面向知识的设计方案存储与管理，地理设计工作流程引擎对设计过程进行了全方位的支撑，通过交互式演示汇报和公众反馈提高规划过程参与。

图1 地理设计系统框架

3 本体驱动的设计方案模型

3.1 传统设计方案不足

目前，CAD工具软件在设计市场中占据主要地位，其通常采用文字标志点、图形、颜色、图层的形式来存储设计方案。其主要优势在于利用成熟的作图工具，达到“所见即所得”的直观效果。但其中的语义表达模糊，必须有外部文档清晰解释图层命名和图形标准，才能实现文件的共享，增大了文件之间的耦合度;其次，在后期设计变更中，各设计方案版本之间缺乏必要关联性，给多设计者、多专业的交互设计带来影响和干扰;最后，为了对设计效果进行定量评估，必须对设计方案进行重新编码，以满足不同评估模型的需求，后期工作量较大。

因此，以CAD为代表的传统设计方式比较适用于单体方案的设计和展示，缺少对周边环境的考虑和模拟评估，难以适应多元化的设计需求。

3.2 地理设计方案新需求

和传统设计方式相比，地理设计更强调对设计方案周边环境的影响评估，通过设计过程中的评估反馈，不断优化改进设计方案。这一目标给地理设计方案模型提出了两个方面新需求:地理定位和语义。通过地理定位将设计方案和特定地点关联，有助于收集、获取方案及周边环境、社会、经济等相关信息，为设计过程中的模拟和方案评估提供数据依据;通过语义信息明确表达空间数据隐含的设计知识，提高设计成果表达的准确性、完整性，为多专业、跨学科的规划设计过程提供基础模型支撑。

3.3 本体驱动的设计模型

利用本体方法研究地理设计方案模型，为解决以上问题提供了有效途径。地理本体既准确地描述了概念含义，又描述了概念之间的内在关联，能够有效地表达特定领域内的知识，实现不同数据集之间的集成，为设计方案的共享、设计过程互操作提供解决方案［8，9］。

针对具体应用领域，首先建立领域本体树，以描述空间数据的语义内容，利用一系列构成树状结构的概念作为共享的知识库，以表达领域知识，然后建立该领域相关对象结构，通过参数化驱动方法进行对象的构造建模。

城市由几个子本体模型组成，如图2所示，本体模型按照路网、地块、建筑、景观、设计约束和公共空间进行划分，将城市理解为不同的复杂本体系统，例如城市路网系统。每一个子本体系统纵向分为一系列的对象类，如路网系统按照设计等级分为快速路(UE)、主要道路(MS)、次要道路(SMS)、内部道路(SR)和道路结构(SS)。不同子系统之间存在横向和交错的关联，在图中由线段连接，例如快速路连通城市各大组团，现状约束要素(如河流、湖泊)约束道路生长。由此，构成了城市本体模型的层次分支和交错关系图。

图2 城市本体模型

在城市本体模型中，每个对象类具有不同的类型选项和属性，以市政道路设计方案为例。

4 地理设计工作流程引擎

4.1 传统设计流程与地理设计工作流程比较

以CAD软件为主要工具的传统设计流程与地理设计工作流程最主要区别为:在传统设计中，设计和评估两个环节是完全分离的，通常在不同的时间阶段，由不同的工作团队完成;而地理设计将设计和评估紧密结合起来，总的想法是提供一个实时的“仪表盘”给设计者，帮助设计者随时调整设计方案。例如可能显示随地理情况而变化的成本评估器。图3和图4分别展示传统规划设计流程和地理设计流程。

图3 传统规划设计流程

图4 地理设计工作流程

4.2 关键组件

地理设计工作流程引擎在分布式地理空间环境支撑下，实现对地理设计全过程的支撑。除了融合CAD、GIS等已有工具特性外，还需要通过灵活的组件设计来实现。

核心地理设计引擎应包括以下组件:①图形绘制器:综合CAD和GIS工具的特性，既支持各种复杂平面几何形状的绘制与编辑，又能根据设计方案预设要素的图形显示方式，提高草绘效率，减少重复工作。②实时评估仪表板:在设计过程中对设计目标进行实时监控并加以反馈，便于设计人员实时调整设计方案。③协同设计工具集:实现多人、多专业参数化、协同设计，当某个环节设计变更时，通过消息机制通知其他参与者，管理其引用成果的更新工作。④细节抽象器:对不同设计阶段设置不同的细节抽象层次，并实现不同细节抽象层次之间的切换。⑤版本管理器:以一种一致的命名约定来检索不同版本变化，实现版本的存储与回溯。⑥模拟评估器:在虚拟地理环境(例如三维场景中)，基于已有的评估模型，对设计方案进行全面的模拟评估，如图5所示。

图5 地理设计引擎关键组件

5 规划过程参与

规划设计重要目标之一在于保障城市空间利益的最大化，这一目标需要通过加强多元利益主体在规划过程中的参与实现。不管是面向业主的演示汇报，还是征求公众意见，都需要不具备设计专业知识的利益主体参与到规划设计的过程中。

地理设计系统为规划过程的多方参与提供了解决方案。①通过图形方式集成展示方案周边地理环境，使参与者更快速、透彻地理解设计意图;②将设计成果整合到虚拟地理环境，实现设计成果的动态模拟与影响评估，便于参与者了解设计带来的后果，进行直观选择;③通过网络互操作、内容集成、三维场景交互操作、自动演示等技术，在地理设计系统中交互式融入汇报内容，提高传统演示汇报互动性，如图6所示。

图6 设计方案交互式演示

6 地理设计实践

地理设计原型系统基于Skyline基础平台，集成实现了引擎关键技术组件，初步实现在三维地理环境下市政道路设计、模拟与评估。

6.1 市政道路设计方案本体模型

根据设计领域知识［10］，市政道路本体模型由参数化驱动的属性集表述，概念之间是继承和聚集关系。其主要包括路段、平面线型、横断面、纵断面、超高、加宽。如道路的横断面设计可以表示如图7所示:

图7 道路横断面构成

采用UML方式对道路本体的对象、属性建模，生成组件的参数模型，如平面线型的结构图如图8所示:

图8 平面线形结构UML图

6.2 可视化三维道路设计与评估

实现三维道路的设计，将道路竖向设计与周边地形关系衔接。并依托GIS强大的分析功能，叠加类型的用地类型、宗地信息、地质信息、地灾信息等空间信息进行实时分析，快速反馈平面线形的合理性。还可对生成的三维模型进行驾驶模拟、透视分析、视距分析、土石方分析等分析工作，对道路的设计方案进行综合评价，如图9～图11所示。

图9 道路草绘及设计

图10 道路模拟

图11 方案评估

6.3 互动演示与参与

将规划设计方案内容整合到设计系统中，并实现内容与系统的实时动态交互。通过内容集成、三维场景交互操作、自动演示等技术，实现在三维平台上融入汇报演示功能。不仅可以像传统汇报演示那样展示图文汇报内容，还可以通过“动作”的方式，实现演示内容与三维场景的实时交互，如飞到目标位置、播放演示路径、环视目标物体、自动分析等。发布内容主要包括主要有几个部分组成:

(1)项目信息。通过传统Web展示方式，向公众展示项目设计的相关信息，包括项目介绍、设计单位、设计意图等;

(2)三维展示。在项目设计的各阶段，将三维设计成果发布到方案发布系统中，公众可以通过场景浏览工具全方位浏览设计细节，通过场景测量工具实现简单的测量等操作。

(3)公众反馈。公众可以提交对设计成果的评价、建议信息，这些信息可以以公开展示在发布系统中，或以内部信件的方式递交给设计人员。

7 结论

地理设计系统在整合GIS、CAD等现有技术工具基础上，为地理环境中模拟、评估不同专业的规划设计方案之间以及对周边环境的影响，优化设计方案提供了解决之道。本文提出了建立综合性地理设计系统的目标，构造了主要框架，实现了本体驱动的设计方案模型，在此基础上论证了地理设计工作流程引擎的结构及关键组件，搭建了地理设计原型系统，验证了地理设计系统实现可行性及其广阔应用前景。

［1］ Flaxman M.Fundamentals of geodesign.Redlands［A］.GeoDesign Summit［C］.California，2010:54～70.

［2］ Tomlin CD.Speaking of geodesign［A］.GeoDesign Summit［C］.Santa Barbara，California，2011:180～189.

［3］ Goodchild M.Spatial concepts in GISand design［A］.GeoDesign Summit［C］.Santa Barbara，California，2011:89～92.

［4］ Dangermond J.GIS:designing our future.ArcNews，2009.

［5］ Dana M.Real－time，sketch－based GIS database［A］.GeoDesign Summit［C］.Redlands，California，2010:230～236.

［6］ Goodchild M.Spatial by design［A］.GeoDesign Summit［C］.California，2010:419～423.

［7］ Ervin S.A system for geodesign［A］.GeoDesign Summit［C］.California，2010:266～270.

［8］ 孙敏，陈秀万，张飞舟.地理信息本体论［J］.地理与地理信息科学，2004(3):6～11.

［9］ 安杨，边馥苓，关佶红.GIS中地理本体的建立与比较［J］.武汉大学学报·信息科学版，2006(12):1108～1111.

［10］ 李杰.城市道路设计［M］.北京:高等教育出版社，2007:23～41.