初探地理信息系统对城市竖向设计的应用

凌爱婷

【摘要】现代城市高速发展，城市化进程不断加快，引发城市一系列问题，也给规划师们带来了挑战。规划设计师们想要规划设计与时俱进，精益求精，势必引入新的技术和科技，来辅助规划设计。本文通过介绍国外常用的地理信息系统软件，初步探索其对城市竖向设计的应用，给设计多一份思考。

【关键词】地理信息系统；城市；竖向设计

引言：随着经济社会的不断发展，城市化进程的加快，人类文明进步的同时，也引发了城市一系列的问题，使得传统的城市规划和城市管理面临严峻的挑战。

然而，随着科学信息技术的产生、发展和应用，地理信息系统也逐渐进入城市规划设计的应用当中。对于传统的规划设计软件和技术，地理信息系统能更有效利用地形图中所包含的空间信息，能提供具象的三维可视化空间模拟，能科学合理计算空间三维图形图像等等。这一切，促使地理信息系统技术越来越融入到城市规划设计中。

1、地理信息系统（GeographicInformationSystem）概述

1.1地理信息系统的定义

在各类参考资料上，比较广泛认同的地理信息系统概念是：地理信息系统由计算机系统、地理数据和用户组成的，通过对地理数据的集成、存储、检索、操作和分析，生成并输出各种地理信息，从而为土地利用、资源管理、环境监测、交通运输、经济建设、城市规划以及政府部门行政管理提供新的知识，为工程设计和规划、管理决策服务[1]。

1.2地理信息系统的发展趋势[2]

当前，GIS正向着集成化、产业化和社会化发展方向迈进，在技术上呈现以下发展态势。

（1）GIS与RS、GPS的集成（“3S”集成）

“3S”的集成是GIS、GPS和RS三者发展的必然结果。

（2）面向对象技术与GIS结合

GIS一般采用图形和属性分开管理的数据模型，即实体的图形数据用拓扑文件管理，属性数据用关系数据库管理，二者通过唯一标志符进行连接。

（3）真三维GIS和时空GIS

地理信息除具有空间特性外，还具有明显的时序特征，即动态变化特征。在许多GIS应用领域中，如环境监测、地震救援、天气预报等，空间对象是随时间变化的，描述和研究空间对象的时序特征在问题的求解过程中起十分重要作用。

（4）GIS与虚拟现实技术的结合

将虚拟现实技术引进GIS将使GIS更具有吸引力，采用虚拟现实中的可视化技术，在三维空间中模拟和重建逼真的、可操作的地理三维实体，GIS用户在客观世界的虚拟环境中将能更有效地管理、分析空间实体数据。

当前，GIS的发展趋势除以上4点外，GIS还与更多的软件相结合，其目的都是为了让GIS能更好为人类服务。

1.3地理信息系统的基本功能[3]

广义的说，地理信息系统是存储和处理与地理空间分布相关信息的集合，其基本功能有以下六点：

（1）数据采集与编辑

数据采集与编辑功能就是保证各层实体的地物要素按顺序转化为X，Y坐标及对应的代码输入到计算机中。

（2）数据存储与管理

GIS数据库是区域内一定地理要素特征以一定的组织方式存储在一起的相关数据的集合。

（3）数据处理和变换

为了保证系统数据的规范和统一，建立满足用户需求的数据文件，数据处理是GIS的基础功能之一。

（4）空间分析和统计

空间分析和统计功能是GIS的一个独立研究领域，它的主要特点是帮助确定地理要素之间的空间关系，不仅成为区别于其他类型系统的一个重要标志，而且为用户提供了灵活地解决各类专门问题的有效工具。

（5）产品制作与显示

GIS产品是指经由系统处理和分析，产生具有新的概念和内容，可以直接输出供专业规划或决策人员使用的各种地图、图像、图表或文字说明。

（6）二次开发和编程

GIS的二次开发环境使用户可以非常方便地编制自己的菜单和程序，生成可视化的用户应用界面，完成GIS的各项应用功能的开发。

2、地理信息系统对城市竖向设计的应用

2.1城市用地竖向设计

城市用地竖向设计是城市开发建设地区（或地段），为满足道路交通、地面排水、建筑布置和城市景观等方面的综合要求，对自然地形进行利用、改造，确定坡度、控制高程和平衡土石方等而进行的规划设计。

但是，由于城市的不断发展，对于土地的利用与开发强度越来越大，一些不易于开发、地形条件较为复杂的土地也被开发利用，以至于传统的以AUTOCAD以及其相关的二次开发软件编制的总体规划与详细规划设计对用地竖向设计不满足或者是达不到要求的深度，开发难度越加大。使竖向设计容易出现道路、地下工程管线不能衔接，桥梁以及架空管线设施净空不够，或者场地、建构筑物的排水不畅等一系列问题。因此，引入地理信息系统软件对地形精确的分析，给城市用地竖向设计带来全新改变，使之更科学合理。

2.2地理信息系统对城市竖向设计的应用示例

本文以罗定市日用化妆品控制性详细规划为例，介绍地理信息系统对城市竖向设计的应用。此控制性详细规划场地为山地，山地组成结构复杂，以软土覆盖次坚石和坚石，或者是次坚石、坚石直接裸露，严重增加场地设计难度和开挖成本。为了降低成本和减少难度，就需要控制性详细规划的竖向设计做到更加细致准确。因此，本次规划设计应用地理信息系统，对场地进行模拟、土石方计算以及场地设计。

（1）制作原始TIN模拟场地。

地理信息系统能够通过地形图上的高程点、等高线等信息，生成TIN文件模拟原始地形。TIN是以不规划三角网的形式创建原始地形，其能够充分表达地形的结构特征，具有可变的分辨率。生成的TIN文件还可以对地形的高程、坡度、坡向等作分析表达，让设计师更直观了解原始地形，从而作出规划设计。

（2）确定场地的平均标高。

平均标高是场地平整的依据，也是竖向设计的基础，因为只有在场地的平均标高确定后，才能在此基础上进行土石方工程量的计算和平衡。

此次控制性详细规划通过方格法，以边长为25m的方格网进行计算，确定场地内的平均标高。然后生成规划TIN，与原始TIN作叠合计算，求得土石方填挖量。通过整体把握、多次比较与尝试，以使得土石方填挖量基本平衡。

（3）设计场地具体标高。

在计算土石方填挖量的时候，地理信息系统会生成一幅三种颜色的地图，其分别代表填、挖和不填不挖。在此基础上，我们可以清晰把握场地内的整体填挖情况。再根据原始TIN的高程、坡度和坡向，确定场地道路走向与用地划分。最后根据平均标高和土石方填挖情况，确定道路和用地的具体标高。

（4）场地的土方计算。

通过上述三个步骤，可以得到规划的高程图，然后生成新的规划TIN。用新的TIN與原始TIN作叠合计算，可以得到新的土石方填挖量。在此需要特别注意的是，场地内如果有水塘水面等地形突变的情况，要考虑是否填土。如果填埋，需要考虑填土量；如果作保留处理，则要从TIN中减去。同样原始TIN也要减去，才能作出准确的土石方填挖量。竖向规划方案需要通过几次的调整，尽量使土石方平衡。

3、结语

本文通过介绍地理信息系统的强大功能，初步应用于控制性详细规划的竖向设计当中，使地形复杂多变的场地竖向设计更加科学和合理。地理信息系统的功能很多，本人相信其还可应用于更多规划设计过程之中。只有更加深入认识并学习掌握各方软件，巧妙应用到规划设计当中，才能使规划设计越趋科学成熟。

参考文献：

[1]陈述彭等；《地理信息系统导论》，科学出版社，2001

[2]黄杏元，马劲松，汤勤编著；《地理信息系统概论》，高等教育出版社，14-17，2001

[3王广震；《基于GIS的城市规划设计方法及应用研究——以城市竖向规划设计为例》，西安建筑科技大学，学位论文，2005