3DGIS技术辅助建设工程规划放线方法研究与应用

程良勇，李南江，炉利英

（1.天津市勘察设计院集团有限公司，天津 300191；2.星际空间（天津）科技发展有限公司，天津 300384）

《天津市城市规划管理技术规定》（市政府令第16 号）要求建设项目须制作空间分析模型或者效果图来正确表达设计意图、反映空间环境关系。根据这一要求，各报审单位提供的三维规划放线的成果形式各异、内容简单、信息不全面，对规划审批工作造成了一定的困难。为进一步规范城市空间形态的规划管理，提高规划行政审批效率和科学性，编制了统一的空间分析模型图纸绘制标准。为了结合该标准的制定和执行，本课题以天津市某具体建筑项目为例，首次运用3DGIS 技术实践三维空间规划放线技术方法来进行建筑规划放线审查，更加科学、高效地辅助用户判定建筑建设项目规划实施的正确性。通过建设项目空间分析模型，计算各项规划指标准确，分析判定指标是否合格等，为相关部门决策提供真实可靠的依据[1-2]。

1 关键技术方法

本研究总体思路是根据规划放线标准要求进行整理，运用3DGIS 软件技术，以VRStar2.0 三维GIS 软件平台为基础，建设数据建库子系统，构建原始资料数据库、三维空间模型数据库和规划法规知识库。建设三维分析子系统，自动检索提取数据库中的项目数据和基础数据，再分步骤进行各个模块的分析计算，将结果存入成果数据库。建设成果输出子系统，统一输出图册，形成最终成果报告[3]。

总体思路流程如图1 所示。

图1 总体思路流程图

1.1 原始资料数据库构建

数据库建库子系统提供原始资料编码建库的软件接口，将规划放线的相关法律法规、标准规范等资料进行提取和编码，最后存储在原始资料数据库中。当建设项目需要进行三维规划放线时，将建设项目的矢量图和效果图资料进行提取和编码，最后存储到原始资料数据库。

1.2 三维模型数据库构建

整理建筑工程项目相关的空间矢量数据，规划实施方案的矢量图数据，效果图数据，进行三维空间分析模型制作，对构建的每一个三维模型进行取名编码，建成三维模型数据库[4]，通过本软件载入，最终形成三维空间分析场景，作为空间核定建筑规划放线方法的基础数据资料依据。

1.3 法规知识数据库构建

整理规划放线相关原始法规资料，进行法规要求数据信息的提取，规划指标信息提取，通过数据库技术进行规划放线法规知识数据库的构建，最终通过数据库访问技术关联到本软件，作为空间核定建筑规划放线方法的基础法规资料依据。

1.4 建筑工程设计方案效果图与规划实施效果图对比分析

效果图与规划实施效果图对比分析，是将建筑工程设计方案效果图与规划实施效果图进行对比分析，由于长期以来建筑工程设计方案效果图反映的建筑形态体量色彩与实施效果存在显著差异，容易给审批人员造成误判。为了加强对建筑立面形态及色彩的监管，按照规划施工图纸进行1∶1 的建模，将二维的施工图纸建成三维场景，然后识别设计阶段的三维效果图的角度方位，将三维场景进行定位到相同角度，与效果图分析对比[5]，发现二者的差异程度，给审批部门提供科学数据。通过本软件进行效果图识别[6]，方位计算，自动分析比对，形成分析结果图册。该方法中的技术难点是效果图中的视点位置坐标及方位矢量的计算，即获取效果图像上的已知点坐标数据，已知点满足投影点重合且空间位置不重合的映射关系点对，映射关系点对的数值范围≥3 作为下一步计算的参数，根据这些已知点对坐标参数，以及参考点对所在空间直线都经过视点位置，如图2 所示。根据几何共线方程求交点计算公式，计算提取效果图视点的位置坐标，记已知点对坐标为：

P0（x0,y0,z0）、P＇0（x＇0,y＇0,z＇0）、P1（x1,y1,z1）、P＇1（x＇1,y＇1,z＇1）、P2（x2,y2,z2）、P＇2（x＇2,y＇2,z＇2），假设视点位置为E（x,y,z），代入公式组成方程组：

采用线性回归法解方程的方法，计算得出解E（x,y,z），即为视点位置坐标，其中：x,y,z 为E 点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值； x0,y0,z0为P0点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值； x＇0,y＇0,z＇0为P＇0点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值；x1,y1,z1为P1点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值；x＇1,y＇1,z＇1为P＇1点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值；x2,y2,z2为P2点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值； x＇2,y＇2,z＇2为P＇2点在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值。根据效果图的中心参考点，记坐标为C（xc,yc,zc），计算出视点朝向方位，计算公式为：

式中，xc,yc,zc为点C 在空间直角坐标系中的3 个维度坐标值；表示的是方位矢量；xf,yf,zf是空间直角坐标系中的3 个维度坐标值。

图2 视点坐标计算原理图

1.5 建筑间距空间分析

建筑间距的合理性影响居民的居住舒适度，一直以来，管理部门都将其作为强制性要求，采用传统人工模式进行测量、分析与计算， 但传统的人工核算分析不仅工作量大，审批效率低，且容易出现遗漏。为了增强分析结果的科学性并提高审批效率，采用3DGIS 技术，按照各地区的建筑间距要求进行智能分析，可以提高分析结果的准确性及审批效率。

建筑间距空间分析方法是通过本软件技术，进行建筑单体识别，建立建筑之间的映射关系图网络，计算出每个建筑单体的安全距离，最终叠加绘制在图上，自动标注出安全距离不合法规要求的建筑部位，形成最终建筑间距空间分析图。

该方法的技术难点是构建建筑单体的映射关系图，通过识别建筑单体，计算建筑的朝向，长、宽及高度，遍历搜索与该建筑有关系的建筑，建立一对多的映射关系集合。运用算法公式，针对与拟建建筑有映射关系的所有建筑，计算出最小安全距离。最小安全距离L计算公式如下：

式中，α 角为待计算的建筑与地理上东向的夹角；β 角为遮挡建筑与待计算建筑的夹角；H 为待计算建筑的高度；A 表示新旧小区建筑系数，new 表示新建小区建筑；old表示老旧小区建筑；B 为遮挡系数；随角度α,β 角度的变化而改变；h 为遮挡建筑的高度；y 为带计算建筑的宽度。

将分析出的单体建筑的多个安全距离范围进行合并，绘制出闭合的安全范围多边形，再同与其有映射关系的建筑轮廓进行叠加运算，得出的相交部分判定为不合法规要求的部分。建设项目拟建建筑、周边建筑、绿地、间距投影及不合法规要求部分按照要求的颜色进行标绘，其中RGB：137,194,227 表示浅蓝颜色的红、绿、蓝3 个颜色值；RGB：255,0,0 表示红颜色的红、绿、蓝3 个颜色值；RGB：110,174,26 表示草绿颜色的红、绿、蓝3 个颜色值。

1.6 建筑空间定位分析

随着地下空间的不断开发利用及建筑形态的多变，传统的二维放线无法实现地下、架空、连廊等部位的分析。现代建筑地下、架空、连廊等部位是否满足指标要求及空间界线，传统的二维放线无法给管理部门提供数据支撑。构建三维模型，通过本软件可以全方位快速分析各建（构）筑物是否有结构不满足要求超出空间界线的情况，给审批人员提供真实数据，提升审批效率及成果的科学性。

建筑空间定位分析方法通过本软件，按照规划放线法规要求，基于项目方案地形和周边道路中心线以内范围，形成一个多边形，将道路中心线高度抬高0.2 m，地库地方抬高0.5 m，有建筑地方抬高1 m，构出一个三维空间立体模型，作为分析建筑项目地下空间是否符合规划放线要求的标准。通过叠加规划实施方案地下空间三维模型，自动分析出建筑项目超出标准的部分，用红色高亮渲染。

1.7 建筑层高推算分析

随着房地产的不断发展，土地成本不断攀升，开发商为了追求利益最大化，在建筑设计上虚报面积的情况时有发生，且隐秘性很高，管理部门很难察觉。为了更有效的监管建筑面积量算，对建筑层高进行分析，进一步提高管理部门行政审批结果的科学性。

建筑层高分析方法通过本软件计算建筑单体的层高系数，来判定该建筑是否符合规划放线法规要求。该方法通过本软件进行建筑单体的识别，计算每个建筑单体的空间体积，根据设计时的建筑面积，计算该建筑的层高系数，通过层高系数与规划放线法规中的系数要求进行对比，自动分析出层高系数不符合要求的建筑单体，体积计算原理如图3 所示。

该方法的技术难点是计算规划实施方案中建筑单体的体积算法，提取拟建建筑单体三维模型，将其微分成三角面处理，通过计算建筑三维模型上每一个面盖住的空间体积之和，即为建筑单体的体积。每一个三角形面盖住的下面空间体可以分成几个三角棱柱和两个四面体，因此整栋建筑体积V 即为所有三角面盖住的下面空间体积的总和，每一个三角面盖住的空间体积记为Vi，每一个三角棱柱体积记为Zi，每两个四面体[7]体积记为Ti和TN+i，N 为三角面的个数，γi为该面的法线方向值，方向朝上值为1，方向朝下值为-1，则体积的计算公式为：

图3 建筑体积计算原理图

根据计算出建筑三维模型包围体内的空间体积，以及输入的建筑设计建筑面积，计算得出层高系数C，计算公式为：

式中，Sj为该单栋建筑设计的总建筑面积。

1.8 建筑空间形态分析

国土空间规划是国家的重要战略部署，建筑空间形态是国土空间规划中的重要组成部分。建筑空间形态直接影响城市空间布局是否科学。将建筑实施方案三维模型嵌入到现状三维空间中进行形态分析，可以快速有效地发现该设计方案在空间形态建筑色彩建筑体量风格等是否与周边建筑环境相协调是否科学合理，为城市建设提供更好的数据支撑，给管理部门提供科学依据，辅助其科学决策。

建筑空间形态分析方法从城市空间上分析建筑规划实施方案的空间形态是否满足规划法规要求。通过本软件在三维场景中识别分析的建筑，根据输入的法规参数要求，计算出场景中的相机的方位，再对场景中的相机进行定位，最终输出空间形态样图，计算相机方位与定位后的效果图如图4 所示。该方法多角度展现方案与周边的体量关系、建筑高度、退让间距等。

1.9 输出成果图册

当建设项目完成三维规划放线各个步骤中的分析计算后，每个分析步骤中的结果存储至成果数据库中；当完成所有步骤后，可以通过成果输出子系统的软件接口，统一生成图册，一键生成成果报告。

图4 计算相机方位与定位后效果图

2 软件设计与实现

2.1 软件架构设计

基于VRStar 2.0 平台进行应用开发，基于OpenGL三维渲染引擎，软件架构上采用类工厂设计模式，框架负责管理软件各消息命令触发、功能接口注册等，分发三维场景触发的事件和消息，实现模块间的消息参数传递，增强软件各个模块之间的“高内聚、低耦合”特点。开辟多个线程进行处理三维场景事件，提高计算机资源使用效率，提升三维场景的绘制效率和空间分析效率。软件架构设计图如图5 所示。

2.2 功能组织设计

本软件属于专业性较强的三维地理信息软件，具备三维地理信息软件的基础功能，包括三维场景管理、场景编辑、三维动画、查询定位、视图书签、三维漫游、空间分析等3DGIS 基础平台功能，同时又具备建设工程三维规划放线专业应用功能，包括数据建库子系统、三维分析子系统和成果输出子系统，涵盖了资料编码、场景构建、法规建库、效果图与实施图对比分析、建筑间距空间分析、建筑空间定位分析、建筑层高推算分析、建筑空间形态分析、输出结果等九大应用功能，实现辅助建设工程项目三维规划放线应用。

图5 软件架构设计图

2.3 实现效果

在本软件研发完成后，结合天津市某建筑工程项目规划实施放线案例进行使用，获得各方法步骤中的分析成果图，最后形成三维规划放线分析图册，如图6 ～11 所示。

图6 设计方案效果图与规划实施对比图

图7 建筑间距空间分析图

图8 建筑空间定位分析图

图9 建筑层高推算分析图

图10 建筑空间形态东南方位分析图

图11 建筑空间形态西北方位分析图

3 创 新

首次提出并以3DGIS 技术辅助三维空间核定建筑规划放线的技术方法进行实践，以其强大的三维地理信息技术基础、数据资源基础和空间信息基础，全面表达建设项目和城市的形态、布局以及现状、规划等信息，不仅能直观逼真的表达建筑物详细的几何特征，而且三维数字模型还能够真实、形象地表达色彩，计算规划指标等信息，全方位的为规划管理工作提供数据支撑和手段支持。

4 结 语

本方法作为城市规划放线的一种表现方式，辅助城市规划放线工作从整体平面到立体空间上统筹城市建筑布局分析，城市景观风貌分析，准确、客观地分析建设项目经济指标，科学判定建筑规划实施方案是否满足法规要求。

经过研究与实践，本课题研究成果已在天津市得到广泛应用，在成果的科学性和使用成本方面得到城市规划管理部门、项目建设单位和项目设计单位的普遍认可，已经具备很高的推广使用价值。