三维GIS在国土空间规划中的应用综述

仇巍巍，陈从喜，项家铀，高 宇，齐书花，朱先云

（自然资源部信息中心，北京 100830）

0 引言

党的十八大以来，国家围绕国土空间规划改革推出了《中共中央关于全面深化改革若干重大问题的决定》《全国国土规划纲要（2016—2030年）》等系列方针政策。2018年3月，自然资源部成立，“建立空间规划体系并监督实施”是其重要职能之一。从现有相关政策趋势看，国土空间规划体系改革的要求越来越明晰，纵向建立国家、区域、省、市（县）、乡五级国土空间规划，横向建立国土空间规划、专项规划和详细规划三类规划，以第三次全国国土调查（以下简称“三调”）数据为基础，统一建立规划数据库，实行国土空间用途管制和规划监管[1]。

国土空间规划是国家空间发展的指南、可持续发展的空间蓝图，是各类开发保护建设活动的基本依据[2]。国土空间规划拥有较好的地形数据、地貌数据和矢量数据等数据基础，这些数据多以传统的二维形式存储和展现，然而国土空间规划需要大量的多维度空间分析功能，二维数据和分析功能转化为基于三维GIS的实景表达形式和增加多维度空间分析的需求日益迫切。同时，相比二维GIS，三维GIS可以更加准确、真实地展示现实环境，为信息判读和空间分析提供更好的途径，而且部分关键的高级空间分析功能也只能在三维GIS中实现，如日照分析、地质分析和链路连通性分析等。这都使得基于三维GIS的国土空间规划具有更直观、更科学、更多维度等优势[3]。

1 基础数据集成

国土空间规划首先要研判国土空间基础状况，要求以“三调”作为“底数底图”，统一数据标准和工作底板，摸清整个国土空间的现状，还原真实世界的面貌，这是整个国土空间规划的起点。

在传统的规划中，大部分基础数据资料以二维形式存储，基础底图以二维形式展现。三维GIS技术可以对真实场景进行还原，根据DEM和遥感影像数据生成三维场景模型。可以使用建筑框图数据进行参数化建模，建模成果通常被称为白模；对于较复杂或精度要求较高的建筑，可以采取倾斜摄影或人工建模方式；其他自然环境数据则在三维场景基础上，根据应用需求进行相应建模，尽可能还原现实环境，最终生成三维国土空间“一张图”[4]。

2 国土空间规划评价分析

新的国土空间规划体系提出了“双评价”分析系统[5]，对国土空间规划分析也提出了更高的要求。传统的二维分析功能已很难满足要求，必须基于集成了多源数据的真实三维场景，使用三维GIS技术方法改进规划评价分析理念和手段。

2.1 国土空间规划“双评价”

国土空间规划“双评价”由资源承载力评价和国土空间开发适宜性评价构成[6]，“双评价”各个环节需要借助大量的空间分析功能。现有的评价体系以二维GIS技术为主，但评价模型缺乏地区异同的考虑和有效的验证方法，这使得“双评价”体系在实际应用中出现了一些偏差。三维GIS技术使得这些问题可以通过场景还原和空间分析等环节进行优化和验证[7]。

2.1.1 场景还原

三维GIS通过虚拟化技术手段模拟现实世界，以坐标系和比例尺为基础在数字世界展现现实世界，在可视化的虚拟环境中，地形、地貌、地质等要素的分析更加真实和直观，为后续规划设计、分析和监督奠定了基础。例如，基于三维场景的日照分析、淹没分析和土方量分析等使得规划设计和评价更科学，如图1所示。

图1 3D场景还原

2.1.2 空间分析

基于三维场景可完成地形、坡度等要素分析，通过引入高程维度，使得分析结果更加科学。例如，坡度是描述地形特征的重要指标，也是分析地表物质运动、土壤侵蚀量的重要因子，所以在耕地调查中实施坡度分级可以直观地反映耕地地表形态、耕地质量和生产条件，也是制定耕地保护和生态退耕政策的主要依据[8]。在耕地坡度等级分析中，生成三维坡度图并结合基础底图叠加生成耕地坡度分级图，从而可对不同坡度级的耕地面积进行量算、统计和分析并通过三维GIS进行直观表达，如图2所示，同时可引入噪声、场强等微观要素，分析所使用的算法模型，增强“双评价”体系中的微观规划。

图2 耕地坡度分析

2.2 国土空间规划分析

国土空间管理对象既包括平面也包括高程信息，而现有的基于二维分析方法存在以下不足。（1）分析维度不足，缺乏三维要素，不能充分考虑多维度的要素分析。（2）分析结果表达不直观，难以直观地反映地形、日照等要素情况。基于三维GIS的分析技术可以很大程度地改善这些不足[9]。

2.2.1 多维度分析

规划过程离不开诸多的空间分析功能，其中三维因子是必不可少的分析因子。基于地形的路径规划以三维地形要素为主，同时结合遥感影像得出最佳线路。另外，传统的电信固定无线接入链路分析使用传统的二维表现链路的连通情况，而现实世界中，高度、遮挡物对链路的影响非常大，传统的二维分析不再适用，基于三维场景规划点对点和点对多点链路对于固定无线接入（包括ISP）、微波回程等显得尤为必要，如图3所示。

图3 三维环境下的链路连通性分析

三维空间分析功能主要包括数字高程模型分析、三维网络分析及基于3D Mesh的分析，主要有坡度、坡向、阴影、连通性、噪声、场强等分析功能，为规划提供参考，这部分功能非常实用重要。

2.2.2 分析结果三维化

目前，基于二维的规划分析已产生了大量的分析成果，这些结果可基于三维GIS进行更直观地表达，并通过与三维场景、3D Mesh、环境等融合，使规划分析的过程和结果更符合人们的使用习惯、更易接受和理解。全球各大洲机场分布分析将机场分布统计结果进行三维立体表达，如图4所示，可非常直观地看到北美洲的机场数量最多，其次是欧洲。与二维统计图相比，基于三维GIS的可视化技术使得信息表达更加直观形象，在三维场景中对分析结果进行全方位分析，可以获取更多的有用信息。

图4 各大洲机场数量统计

3 三维地理设计

三维地理设计可利用已有的数据通过快速参数化搭建三维场景，同时根据需要可以实时进行修改和调整，三维地理设计已被应用到城市规划设计并拓展到铁路设计、公路设计等领域。根据涉及的指标是否定量化，三维地理设计分为定量化设计和定性化设计[10]。

3.1 定量化设计

基于已有的基础数据，根据设计方案，通过预定义的参数化规则，自动生成并可反映设计指标。此外，可将定量化的规划指标设置为相应的约束参数，如“三区三线”、城镇规划中的规划指标等，可以实时反映设计方案是否合规合理，并提出不符合指标的设计部分，通过实时调整设计方案和实时验证评测指标，找出最优设计方案，如图5所示。

图5 城镇设计

3.2 定性化设计

对于规模较大的国土空间规划，除了考虑定量化指标外，还需考虑众多无法定量化的天际线、建筑梯度、城市色彩等指标。在设计过程中，为辅助规划人员提供不同类型的分析工具，与定量化设计互为补充。

基于三维场景的三维地理设计不仅使整个规划设计、评审和监督过程不再只面对二维地图或预制作的三维模型，而且可以通过调整参数和指标直接编辑规划成果，并可对定量化指标进行预警和建议，对定性化指标进行辅助分析，可以直接输出定性化指标方案示意图，还可实现即时调整即时呈现、即时调整即时对比、即时调整即时出图的效果，对于提高规划设计效率和成果科学性具有非常好的支撑作用。

4 国土空间规划实施监管

规划的生命力在于实施。为了保障规划的有效实施，必须对实施过程进行有效的监管。因此，在规划方案经审批成为正式文件后，必须通过多种手段对其实施过程进行综合监管，以完成预定的规划目标。在传统的二维环境中，以二维形式构建国土空间数据资源体系并设计监测指标，进行执法监察和核查，同时根据已有的静态规划资料，按照相关制度和指标进行检查，再对规划实施情况进行反馈，做出评估和动态修改。当外部条件发生重大变化时，对原有的规划进行修编。然而无论方案表达的直观性、融合性，还是方案修编及新旧方案的定性和定量变化对比，都过多依赖人的意识和水平，暴露了基于二维的规划系统支撑性不足的缺点[11]。

4.1 构建动态监管体系

国土空间监测网络基于科学布点方法构建多层级监测网络体系，通过一套科学的国土空间监测指标获取长期、动态、精细化、多要素、多尺度的国土空间系统监测数据，实现高强度国土开发背景下国土空间变化及其相关影响因子的全面感知。完整的国土空间监测网络应该由互联网、物联网和“天-空-地”一体化监测技术支撑下全国-区域-市县-村镇-地块不同尺度组成的多层级监测体系，能够建立全面、详实、准确的权威性国土空间数据资源体系，涵盖国土空间基础数据集、空间规划数据集、空间管理数据集及社会经济数据，为国土空间规划实施的动态监管提供全面、有效的支持[12]。

多要素、多尺度的基础数据，长期、动态的监测数据，宏观、中观、微观的监测指标都需要三维GIS作为载体才能很好地集成和呈现，实景三维技术尤为突出，通过对现实世界进行高精度还原，为后期的规划、融合、修编提供了很好的基底，从而成为国土空间规划最基础、最准确的底图数据源之一，同时基于实景三维进行多源数据的融合和分析，并建立多维度的监测指标体系，从而最终构建形成科学的动态监管体系。

4.2 规划成果实施监督

相对于传统的基于二维数据及分析技术的规划成果监督管理，基于三维场景和规划指标体系的三维规划带来了更多维的数据及直观的规划手段。传统的规划监督主要聚焦当前的规划方案，而基于三维GIS的规划监督进行全生命周期监督管理，在规划实施前可以进行现实与规划融合预测，实施过程中进行指标实时对比，实施后进行数据更新，并可借助遥感、倾斜摄影技术等进行长期、定期的跟踪监督，实施监督具备了全生命周期的可实施性和前瞻性。

4.3 规划成果评估和修改

传统的二维规划关注规划方案的任务目标，这种静态规划过程缺乏规划成果的直观感受。同时，随着自然环境及社会环境的实时变化，基于三维GIS的动态规划则应运而生。

基于真实的三维场景，通过国土空间规划平台将规划成果和规划分析管理等功能进行整合，可对规划方案进行三维浏览，并对现状数据进行融合，对现状和规划方案或者多个方案进行对比分析，得出最优方案和相应的调整细节，全方位验证规划思路，在评估过程中可以使用叠加分析等功能，同时可借助虚拟现实技术，评估人员更加身临其境，拥有最直接的感受并对成果做出最直接的评估。

同时，在规划实施过程中，依据新情况和新要求对方案进行局部修正、补充以及重新调配是很难避免的。在三维场景中，规划方案的预修改和对比分析是规划方案修改非常好的前置分析，对于多种修改方案进行直观表达并融合规划方案的已实施部分，最终达到优中选优、持续优化国土空间结构和功能的目的。

5 国土空间规划公众服务

现有的国土空间规划“一张图”实施监督信息系统流程包括了编制、审批、实施、监督的规划全过程，全面提升了空间治理体系和治理能力。但公众较少参与规划过程，现有的公众参与方式主要是传统的座谈会、听证会和规划展览等方式。二维GIS方法引入后，公众通过查看二维的规划设计平面图一定程度提高了参与直观感与积极性，但由于规划设计专业性强、设计成果表达抽象等特点，一般公众仍很难理解所表达的国土空间规划具体含义和效果，无法真正了解规划方案的科学性和合理性，就无法对规划设计方案提出有效的想法，更无法参与规划实施过程的监督工作。

建议增加基于三维GIS的国土空间规划公众服务，通过将专业的国土空间规划成果转化为公众容易理解的三维场景，极大地提高公众的理解能力。同时，可以将设计成果与现有环境进行融合，例如，公众可以直接查看所在地区改造前后的绿化情况，对规划方案的指标进行直观了解，同时在三维场景下将规划中的建筑限高、天际线、城市色彩等专业分析结果进行直观融合展示并可以与图像、声音相结合，这对进一步提高公众参与和理解国土空间规划内涵具有显著的提升作用。基于三维GIS的公众服务还能够展现城市的历史时空演变，公众可通过查看地区的时空演变了解地区的历史变迁，有助于了解地区的历史文化，从而实现政府和公众的良性互动，实现地区的发展决策更加科学化和合理化[13]。

6 结语

综上所述，国土空间规划是一个全覆盖、全类型的系统，涉及众多的部门、繁杂的数据类型，数据量巨大，分析功能要求高，为了提高国土空间规划的工作效率和决策的科学性，多学科、多种类的技术方法应用于国土空间规划成为必然趋势。本文针对三维GIS技术在国土空间规划过程中的作用进行了详细的阐述和分析，从国土空间规划基础数据集成、国土空间规划“双评价”、三维地理设计到实施监督，并建议增加公众服务部分，三维GIS在整个国土空间规划过程能发挥多源数据集成、直观可视化及多维度分析的优势。同时，更多新技术的结合应用可在国土空间适宜性评价、生态空间规划等方面提供更科学和全面的支撑[14]。随着国土空间规划工作的深入推进，三维GIS技术的进一步发展及与其他新技术的结合应用，必定在国土空间规划中发挥更加积极的作用，进一步提高国土空间规划的科学性和合理性。