地理信息系统在城市设计中的应用
关键词 地理信息系统GIS 城市设计 三维可视化 公众参与
1 城市设计和地理信息系统
1.1 城市设计的研究对象和内容
城市设计是城市规划中一项重要的工作内容，也是当前城市规划实践的热点之一。关于城市设计的定义和内容许多学者各有不同的论述。一般来讲，习惯上将城市规划中设计城市场所的工作称为城市设计(Varkki，2000)。
从城市设计的内容上来看，它是设计城市而不是设计建筑。由于城市设计的主要研究对象是城市的体形结构与各个要素，包括城市的天际线、制高点、边缘和入口、建筑物、街道、广场、视线走廊、水景和绿地等。从城市设计的工作成果来看，城市设计最终是通过城市设计导则和相关的策略，而不是详尽的形状和位置的蓝图的规定来形成城市环境、城市空间。但是要形成这样的关于城市环境的规定性、指导性导则，在设计的过程中，则必须对于设计的对象进行形象化的分析和研究。为此，城市设计研究的内容是三维城市空间和由各种城市设计要素组成的城市环境，这就是城市设计与其他城市规划工作的区别所在。
1.2 计算机技术在城市设计的中的应用
在城市规划领域对计算机技术的应用，从1960年代有关土地利用-交通模型的研究开始，已经有了较长的历史。在城市设计中应用计算机技术，从CAD(计算机辅助设计)在设计部门推广开始，在近十几年来也有了迅速的发展。从目前的情况来看，CAD技术和与此相关的计算机动画技术，在城市设计中的应用已经得到普及，计算机渲染和动画成为许多城市设计项目中必备成果之一。
1990年代后期，国外城市设计领域中开始使用虚拟现实技术(Batty，1999 Laurini，2001)。虚拟现实(Virtual Reali—ty，简写为VR)技术，是由计算机产生一种虚拟的环境，从而使得用户产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。虚拟现实技术的基本特征用三个“I”表示，即Im—mersion(沉浸性)、Interaction(交互性)、Imagination(构想性)。虚拟现实和CAD及计算机动画的区别在于：动画的所有画面是事先定义计算好的，操作者只能被动地观看结果。而VR技术能让操作者随时改变视角、位置和路线，观察虚拟的城市环境，使人能沉浸在虚拟环境中，并可以与它发生交互作用。虚拟现实技术在国内的城市设计领域也有了实际应用(迟伟，2000)。
从当前城市设计工作普遍使用的计算机技术来看，有如下普遍的特征：
1.2.1 在城市设计中，形象思维和空间造型是重要的环节，需要有多种的技术方法来辅助实现。为此，使用计算机技术集中在城市空间和城市环境的模拟上，而缺少在城市设计其他阶段使用的技术和应用实例。
1.2.2 现有的计算机技术在城市空间和城市环境模拟上的应用，也是集中在设计成果的制作和表现上。在某种程度上更是一种“包装”的技术，缺少的是便于在设计过程中对设计方案模拟和反复推敲的计算机技术。
1.3 GIS在城市设计中的应用研究现状
和CAD、VR技术相对应，GIS是另一种在城市规划领域有着较多应用的计算机技术。长期以来，GIS在城市规划中的应用，集中在区域研究、城市交通、基础设施、社会经济分析等方面的政策研究和决策支持。对于城市设计这种更多地注重形态和城市空间形象的规划类型，GIS的应用并没有涉及到。
英国学者Batty等人(1998)曾经致力于GIS和虚拟城市环境的研究，在此基础上，提出GIS技术在城市设计中应用的可行性和实例(1999)。但是在国内的城市设计实践中尚未有完整、系统的应用报道。为此，笔者的出发点是在国外学者已有的研究基础上，结合国内城市设计的实际情况，提出适用于当前国内城市设计工作的GIS应用的基本框架，以得到适合于辅助城市设计工作的GIS方法。笔者所要讨论的问题包括以下两个方面：
一方面使用现有的已经成熟的地理信息系统技术、使用现有的商业化的GIS软件，辅助城市设计，这样得到的技术方法具有较好的实用性。另一方面，尽量与其他的已经在城市设计中得到应用的计算机技术(包括VR技术和CAD技术)相结合，发挥各自的特点，取得最佳的效果。
1.4 GIS在城市设计中应用的基本框架
建立一个GIS应用于城市设计工作的基本框架，首先需要对城市设计的工作划分一个清晰的工作流程，再从中得出城市设计的各个工作阶段，现有的GIS技术可以发挥的作用。
我国现有的城市设计工作一般遵循的工作框架是：现状调查——现状分析——确定规划目标——设计对策——分析比较——设计方案——咨询反馈。如果按阶段划分，可以框定为现状分析阶段、方案设计阶段、咨询反馈阶段。在这三个阶段过程中，现有的GIS技术可以在多处发挥作用。不同的GIS技术对应城市设计的不同工作阶段，就形成了表1。具体的分析论述如下：
1.4.1 城市设计的现状分析阶段。
在这一阶段中，可以采用传统的GIS空间分析技术(包括叠合分析、邻近分析、网络分析等在内)。现状分析和相关的社会、经济的背景研究，是城市设计过程中的重要环节，在这一阶段GIS可以扮演重要的角色。针对人口、社会、经济、交通、城市用地等等方面的分析，可能涉及到GIS中的多种空间分析技术，所得到的分析结果可以通过GIS专题制图的形式表达出来。例如，采用网络分析和邻近分析技术研究各类设施的服务范围：利用叠合分析技术研究规划区的用地适宜性等等。传统的空间分析技术是一种二维的技术，只能应用于二维分布的空间问题(例如人口分布、交通问题、社会经济空间分布、设施的服务范围等等)，不能应用于三维城市空间的研究。在城市规划的其它阶段，这种传统的空间分析技术已经有了较多的实例。从研究的对象和使用的技术方法来看，在城市设计的这一阶段中使用的GIS空间分析技术与其他阶段的城市规划中使用的分析技术并没有显著的区别。
1.4.2 在城市设计的方案阶段，这一阶段是提出不同的对策，通过不断的分析、比较，形成可行的城市设计方案。可能适用的GIS技术，包括三维可视化技术、不规则三角网(TIN)技术。这一阶段使用的GIS技术，必须能够满足城市设计研究对象针对三维城市空间和城市环境的特征。长期以来在城市设计领域应用GIS的一个难点在于：城市设计的研究对象是三维的城市空间，而传统的GIS研究的一般是二维空间数据。这一阶段的GIS应用，是区别于GIS在其他城市规划领域应用关键之一。当然，在城市设计的方案阶段，前述的空间分析技术也可以在规划方案的社会、交通、城市用地分析中得到应用。
1.4.3 城市设计的咨询和反馈阶段。在这一阶段是上一阶段形成的不同的规划设计方案，通过专家咨询、或者不同形式的公众参与，反馈到城市设计方案中，以最终形成城市设计成果。WebGIS技术和相应的可视化技术可以为城市设计的专家咨询、公众参与提供新的工具。
综上所述，以下部分的重点将集中在城市设计的后两个阶段中GIS的应用。对于专题制图和针对社会经济、交通问题等常规的GIS空间分析应用，由于和其他阶段的城市规划中使用的空间分析技术并没有显著的区别，将不作赘述。
2 城市设计方案阶段的GIS应用
可视化(Visualization)一直是GIS的一个重要的研究领域(Gahegan，2000)。1960年代GIS形成开始，就利用计算机图形软硬件技术，把地理空间数据的图形显示与分析作为基本的不可缺少的功能。早期受限于计算机二维图形软硬件显示技术，大量的研究放在图形显示的算法上，如画线、颜色设计、选择符号填充、图形打印等，应用于专题地图的制作等。在二维可视化研究后，进一步发展为对三维可视化技术的研究。从1980年代末以来，三维GIS及其可视化成为GIS的研究热点(龚建华等，1999)。三维可视化技术的发展为GIS在城市设计的方案阶段的应用提供了可能性。
2.1 现有的技术方法及不足
在城市设计的过程中，由于城市设计的对象是三维的城市空间，而规划师所能直接绘制的只是二维的设计草图，这就存在一个如何将二维的设计到三维的表现转化的问题。规划师需要这样一种手段来推敲、修改方案。传统的方法有两种：
2.1.1 绘制轴测图、或者是三维的透视图。通过三维的透视草图的效果来验证方案的设想。这时，规划师必须*自己的空间想象力进行工作。
2.1.2 在方案阶段使用的设计方法是制作工作模型，不同阶段模型深度不同，可以利用模型对城市空间的三维形象进行推敲。由于城市模型需要经过大比例尺的缩小，因此只能获得城市的鸟瞰形象，无法以正常人的视角来感受城市空间，无法获得接近真正的感受。
近年来，在CAD和计算机动画技术普遍使用的情况下，使得城市设计可以用计算机进行三维建模，利用效果图和三维动画来表现城市的三维空间。然而，效果图只能提供静态局部的视觉体验；动画虽然有较强的动态三维表现力，但不具备实时的交互性，只能有预先设置的特定表现。而且对方案的修改以及观察路线的变化需要重新计算，需要很长的计算时间才能够看到结果。由于构造模型的过程过于费时，并不适合于在城市设计的方案阶段中使用，不能辅助规划师推敲和调整方案。事实上，目前使用这些技法，也是使用在城市设计成果的最终表现上。
2.2 应用三维可视化技术，快速实现从二维到三维的转化
传统的GIS是一种二维的技术，存在着自身难以克服的缺陷，不能表现第三维的高程信息。这也就是长期以来在城市设计领域，应用GIS的困难所在。
三维GIS技术，是GIS领域的正在逐步发展的领域。三维GIS不仅能够表达空间对象间的平面关系，而且能描述和表达它们之间的垂向关系。从现有的GIS发展来看，成熟的三维GIS相关技术大多集中在三维可视化方面(肖乐斌等，2001)。现有的三维可视化技术，其原理是在二维GIS的基础上，增加高程信息。它并未将高程变量作为独立的变量来处理，只将其作为附属的属性变量对待，是将Z值投影到一个模型上，显示时X、Y、Z三个轴均被显示，这样就可以模仿人从某点观察的视觉，使空间对象看起来像真正的三维空间对象一样。因此也被俗称为二维半的系统。
这种二维半的GIS已经实用化，已经有了成熟的商业化产品。例如，使用较为广泛的ArcView GIS是典型的二维GIS系统，但是在加载了三维—analyst扩展模块后就是一个典型的二维半系统。
基于二维半GIS的三维可视化技术为城市设计中快速实现从二维到三维实体模型的转化，提供了一种新的方法。目前，CAD技术的普遍使用，规划师绘制的设计方案二维设计图是由CAD绘制的。二维半GIS可以转换读取以CAD绘制的二维设计图，以属性数据的形式给定每一物体的高程信息，就可以直接得到三维模型。这种方法的优点在于：构造模型的速度快，迅速地将规划师的设计构思以三维形式表现出来，从而反馈到设计的过程中去。
这样形成的三维物体场景，不能表达过多的细节，在真实性和表达的细腻程度上无法和计算机动画相比。但是，它可以从多个视角、多个场景中观察虚拟的城市空间，更新修改的速度快，便于实现实时多方案比较、实时城市设计要素修改。这种技术已经能够满足在城市设计的方案阶段，协助规划师推敲和修改方案的需要。为此，基于二维半GIS的三维可视化技术，作为一种“数字化的工作模型”，可以在城市设计的方案阶段应用(图1)。
图1 使用ArcView GIS软件的3维可视化技术，即时反映城市设计方案
2.3 不规则三角网TIN在城市设计中应用
不规则三角网(TIN)，是GIS的一种重要空间表达技术，适合于表达由不规则点形成的连续面。它的原理是对有限个离散点，每三个最邻近点联结成三角形，每个三角形代表一个局部的三维平面，再根据每个平面方程，计算各网格点高程，生成连续的面(图2)。TIN通常可以用来模拟城市地形。在地形复杂地区，对城市规划师来讲更难把握由城市设计形成的城市空间和城市环境。此时，TIN和前述的二维半GIS相结合，就能更好地反映出设计构思。采用了TIN的另一优点在于：可以利用TIN形成的数字地面模型进一步进行竖向设计和土方平衡计算。图3就是采用TIN和二维半GIS的结合，实现的山地城市设计的方案即时模拟。
图2 不规则三角网TIN的平面显示
图3 三维可视化在山地城市设计方案中应用
3 城市设计咨询反馈阶段的GIS应用
3.1 城市设计的公共参与
笔者提到的咨询反馈阶段包括两个部分的内容。第一是专家评审或其他形式的专家论证；第二是针对广大市民的公众参与。尽管面向的对象不同，但是对于城市设计编制过程来讲，都是在设计单位已经提出完整的推荐方案之后进行。目前，专家论证是主要的咨询和反馈方法，以后公众参与的地位会越来越重要。
关于公众参与城市规划、参与城市设计的有关呼吁、倡议由来已久。各地的规划部门在实际工作中，努力扩大规划的公布和宣传、争取公众参与，取得了一定的进展，但其实际效果与规划界的设想、广大人民需求相比仍相差甚远。出现这种情况的主要原因是来自于城市规划体制、社会和法制等等方面。但是不可否认的是，也存在技术方面的原因所造成的影响。具体地来讲，包括以下两个方面：
3.1.1 规划本身是一种专业技术，所展示的规划设计方案，如果不是以一种易于非专业人员理解的方式出现，那么这种参与的效果必然是大打折扣的。在各种规划层次中，城市设计的成果虽然已经属于比较形象化，但是仍然存在这一问题。
3.1.2 公众参与的形式问题。一般来说可以采用城市规划公示制度和城市规划听证制度。目前采用召开展示会等方式，更多的是一种宣传性的公示制度，与真正意义上的参与相去甚远。
和专家咨询相比较，以上技术层面的问题在普通的、非专业的公众参与中更为突出。计算机技术的介入可以使城市规划的公众参与更为有效(Lauri—ni，2001)。从技术层面上来看，在公众参与有效应用中的计算机技术，必须满足以下几个条件：
(1)必须是一种直观的、易于理解的方式展示设计方案。目前，最理想的方法是采用虚拟现实技术，但是它也存在设备硬件昂贵、需要专门的浏览软件等问题。
(2)必须是能够满足广泛参与，参与者不需要付出(或极小的)额外的费用，就可以实现。通过互联网参与是一种理想的方式。
(3)必须是双向的交流，能让参与者以文字、图形等等形式反馈意见。
3.2 WebGIS及其应用
WebGIS是Internet/Intranet技术应用于GIS开发的产物，它是在Internet或Intranet网络环境下的一种兼容、存储、处理、分析和显示与应用地理信息的GIS，由于大多数的客户端应用采用了WWW协议，故通常可以称为We—bGIS(宋关福等，1998)。WebGIS技术上有以下的几个特点，使其有助于在技术上辅助城市规划的公众参与(Kington etc，2000)：
3.2.1 与传统的GIS相比，We—bGIS操作简单，易于为广大的普通公众所接受。由于WebGIS的客户端，只采用通用的Web浏览器(如Internet Ex—plorer、Netscape)。客户端如果使用矢量图形，只需在客户端事先安装Web浏览器插件(plug—in)，或者运行时自动下载Java Applet或ActiveX控件；在客户端如果使用栅格图像则不需要而任何额外程序(Peng，1999)。这样，大大降低了操作复杂度(只要会上网的人都会用)。
3.2.2 而与单纯WWW方式的进行网上展示规划成果相比，WebGIS能够体现传统GIS的空间查询(图文互访)、简单空间分析的长处。从WWW的任意一个节点，用户可以浏览Web—GIS站点中的空间数据、制作专题图，以及进行各种空间检索和简单分析。也能够完成将参与者的意见以文字或图形的形式反馈的任务。
3.2.3 WebGIS又具有客户端平台独立性，无论客户机是采用何种操作系统，只要支持通用的Web浏览器，用户就可以访问WebGIS数据库。
虽然WebGIS在理论研究和应用方面都还处于发展阶段，但是几个重要的GIS厂商都已经有了各自的WebGIS产品，如MapInfo ProServer、GeoMedia Web Map、ArcIMS。这些现有的产品和技术，是当前实现基于互联网的城市规划GIS应用的基础。
直接使用WebGIS，可以实现通过Internet或Intranet，广大市民查询以二维形式存在的城市规划成果信息，并且可以反映市民的意见。但是，针对城市设计而言，必须将城市设计的成果以三维的形式反映给市民，才能达到有效的公众参与的目的。单纯依*现有的二维WebGIS难以实现在城市设计公众参与中应用。
3.3 VRML与WebGIS结合的城市设计公众参与
从现有的技术手段来看，虚拟现实技术和WebGIS的结合，可以有效地应用于城市设计的公众参与。
在城市设计领域，首先需要解决的是：在互联网上有效地表达三维城市环境和城市空间的问题。在互联网表达三维实体模型，目前，公认有效的工具是虚拟现实建模语言(VRML)。VRML是在互联网上表达三维模型的标准，它是一种跨平台的语言，主要包括几何造型、变换、属性、光线、阴影和表面纹理描述，目前使用的一般是VRML2.0规范。与传统的三维模型的表达方法不同，浏览由VRML构造的三维模型不需要专用的软件，用户通过一个在普通Web浏览器(IE等)安装的标准VRML插件就可以浏览三维模型数据。常见的Web浏览器VRML插件有多种，一般都是较小的免费软件。采用VRML建立的模型文件小，对于网络带宽要求不高，适合网络传输。对VRML数据的浏览又是一种互动的方式，用户可以自由变化视点、角度，从任意视点和路线观察由设计形成的虚拟城市空间。目前，许多软件都可以支持生成VRML模型。现有的GIS软件，也已经可以方便地将二维半的GIS空间数据，转化为VRML形式。
VRML与WebGIS结合应用在城市设计中，WebGIS技术是基础，由Web—GIS提供在互联网条件下的空间查询和空间分析的基础。VRML则是城市设计必不可少的三维城市环境在互联网上的表达工具。至于VRML数据的来源，可以是多种多样的，可以是由GIS产生，也可以由CAD或其他动画软件产生，也可以使用专用虚拟现实软件。从虚拟环境的真实性、细致程度考虑，更应该采用专用的虚拟现实制作工具或动画软件(图4)。
图4 通过安装了CORTVRML插件的IE浏览器，观看转化为VRML形式的城市设计方案
图5提出了一个VRML和WebGIS相结合，适用于城市设计的公众参与的基本框架。由数据库、服务器、客户端三部分构成。
3.3.1 数据库
数据库中包括城市规划设计方案的图形和属性数据库(方案说明书等)。在建立相应数据库时应将城市规划设计中的CAD数据转化为GIS数据。为了实现城市虚拟环境，还需要将表现三维城市空间的数据转化为VRML形式。其他的渲染图、计算机动画等图形、图像数据也存放在数据库中。
图5 基于WebGIS和VRML的城市设计公众系统参与的框架
3.3.2 服务器
服务器包括WWW服务器、Web—GIS服务器。WebGIS服务器用以支持用户的空间查询、分析。通过建立专用网站的方式，在Internet上发布城市设计有关信息。利用VRML在互联网上实现城市虚拟环境与漫游，利用Java实现本地数据库或者异地数据库的数据链接。这些功能通过在专用网站上下载的浏览器插件实现与客户端的交互。
3.3.3 客户端
在相应专用网站的主页上提供有关的VRML和WebGIS浏览器插件。普通的市民就可以在城市虚拟环境下进行漫游，从不同角度、任意视点、动态地观察城市设计形成的三维城市空间和环境的方案。通过WebGIS访问二维的城市设计图形数据和对应的属性数据库(城市设计说明书等)。更为重要的是，作为客户端的市民还应能与网站交换关于对城市设计方案的意见，并能将修改后的意见以图或文方式发送回服务器。
WebGIS和VRML结合，是城市规划和设计的广泛公众参与一种适宜的方式。它已经在国外的城市设计和城市规划实践中得到了应用(Doyle etc，1998 Laurini，2001)。它可以解决前面提到的，在公众参与的技术层面上三个要求。
4 小结和讨论
近年来，GIS的发展，尤其是三维可视化技术的发展，为GIS应用于城市设计带来了可能。GIS在城市设计的多个阶段都可以发挥有效作用。笔者提出了一个建立在现有的GIS技术基础上，城市设计中应用GIS的基本框架。除了社会经济分析、交通分析等与其他类型的城市规划差别不大的空间分析应用外，在城市设计中应用GIS的关键在于如何有效地表达三维城市空间。在城市规划的方案阶段，GIS的三维可视化技术可以作为规划师推敲、修改方案的辅助工具。在城市设计咨询反馈阶段，WebGIS和VRML的结合可以在技术层面上提供一种有效的公众参与方法。
在城市设计中应用的GIS，其特点在于三维技术应用。需要指出的是现有的三维可视化技术只是基于二维半的GIS。由于三维GIS的理论研究和系统建设工作比二维GIS远为复杂，所以迄今为止，目前，国内外还没有一个成熟完整的三维GIS系统(肖乐斌等，2001)。现有的二维半的技术有两个明显的特点：它表达的对象内部是空的，不具备应有的信息；虽然它能表现邻近的多个表面，但难以进行表达多个表面交*的情况，例如，在城市建筑物的表达中就难以展示复杂的坡屋顶。二维半的GIS更不能进行三维空间分析和查询。GIS本身在不断地发展中，如果真正意义上的三维GIS普及化和商业化了，那么GIS在城市设计中的应用前景将更为广阔。