研习社 | 学员作业：基于“3S”技术的城市规划设计实践
基于“3S”技术的城市规划设计实践
大家好，我叫汤鹏，来自上海复旦规划建筑设计研究院，是一名城市规划师。在项目实践中，经常借助“3S”技术辅助规划设计，最近抽出时间对“3S”技术在城市规划设计中的应用进行了整理分享给大家。同时，“3S”技术是一个庞大而复杂的技术体系，涉及的内容众多，本文来自笔者在实际项目中的实践和思考，未能完全涵盖“3S”技术在城市规划中的所有应用，更多算是“抛砖引玉”，引起大家的讨论。
前言：
随着高新技术的发展和大数据时代的来临，城市规划的信息化水平不断提高，由RS、GIS和GPS构成的“3S”技术在城市规划领域的应用不断普及。“3S”技术不仅使图纸变得更加形象、具体和生动，还大大提升了城市规划的科学性和严谨性。虽然“3S”技术对城市规划工作者来说已不再是新名词，但其在城市规划领域的应用尚未形成统一标准。因此，本文结合个人在规划项目中的数据实践，对“3S”技术在城市规划中的应用领域与技术方法进行了整理，希望给予一线设计人员将“3S”技术应用于项目实践以借鉴。
1、“3S”技术
1.1 “3S”技术整体概述
3S技术是全球定位系统(Global positioning systems，GPS)、遥感技术(Remote sensing，RS)和地理信息系统(Geography information systems，GIS)的统称，是空间技术、传感器技术、卫星定位与导航技术和计算机技术、通讯技术相结合，多学科高度集成的对空间信息进行采集、处理、管理、分析、表达、传播和应用的现代信息技术[1]。
1.2 全球定位系统（GPS）
利用定位卫星，在全球范围内实时进行定位和导航的系统。为城市规划提供快速的、准确的空间定位，方便进行测量、监控和导航等。
1.3 遥感技术（RS）
从高空或外层空间接收来自地球表层各类地理的电磁波信息，并通过这些信息进行扫描、摄影、传输和处理，对地表各类地物和现象进行远距离控测和识别的现代综合技术。笔者将其作为城市规划基础数据的来源之一，是地表数据获取和更新的重要途径。[1]
1.4 地理信息系统（GIS）
在计算机硬件支持下，对有空间内涵的地理信息进行输入、储存、查询、运算、分析和表达的技术系统。[2] 为城市规划进行数据处理，诸如分析地理信息发展变化和演变过程，建立可视化平台进行成果展现。
2、“3S” 技术与城市规划
2.1 现有研究基础
根据万方数据系统关键词检索的结果，3S技术与城市规划结合的研究中单项技术以GIS与城市规划的结合相关度极高（814篇），RS、GPS与城市规划的结合相对较低（44篇、57篇）。3S技术与城市规划的结合研究超过RS、GPS的单项成果数（65篇），其中超50篇成果题名包含了“3S技术”、“城市规划”、“应用”等词汇，可见3S技术在城市规划中的应用实践备受关注。（见表1）
表1 万方数据系统关键词检索结果
2.2 “3S” 技术在城市规划中的应用概述
总体来说，目前3S技术在城市规划设计和管理中的应用非常广泛,包含城市基本地形图更新、现状调查与数据管理、现状评价与空间分析、交通调查与模拟分析、方案评价与成果表现、信息发布与公众参与、规划管理和执法监察等。同时也面临一些问题，诸如系统定位不切实际，盲目跟风、贪大求全；管理机制滞后，信息化和透明化推行难度大；技术及人才不完善，专业队伍少、产品不多；技术综合力度不够，与CAD技术的结合较好、与其他信息技术的结合较差；数据共享和数据转化难度大，低水平重复建设尚未解决等等。[2]
具体到三大技术，“3S”技术各具特色，在城市规划中的应用场景也有较大差异。 GPS可以提供低成本、高精度的瞬时位置和速度信息等，但是信息结构单一、缺少地理属性，在城市规划中主要是提供带有经纬度位置的空间数据，比如POI数据、出租车轨迹数据等；RS可以快速获取大范围、高精度的地表信息，在城市规划中主要是提供地理类数据，比如地形图数据、影像图数据、遥感数据等；而GIS不同于RS、GPS技术，其具有较强的数据查询、检索、分析和表达能力，是主要的数据分析平台。[2]
总结来说，在城市规划领域，将GPS技术和RS技术作为全新的规划数据采集手段，将GIS作为主要的分析平台进行数据融合、数据分析和数据可视化等操作，可以有效规避单项技术的局限性，推进城市规划技术方法的创新。（图1）
图1 3S技术在规划设计中的应用框架
3、“3S”技术在城市规划中的具体应用
3.1 数据采集
在城市规划项目编制中，尤其在实地调研前的前期分析阶段，需要采集多项城市数据进行辅助分析。RS、GPS技术的进步为采集数据提供了极大的便利性。通过“3S”技术能采集的数据类型多样，来源广泛。常用的数据类型包含：遥感数据、测绘数据、统计数据、调查数据、知识数据、成果数据和业务数据等。常见的数据获取途径有设备自行采集、开源数据抓取和购买供应商付费数据等。
其中应用最广泛，能公开采集，可称为规划设计必备数据的有：卫星影像、遥感影像、DEM高程数据和地图POI数据。笔者在此对其获取方式和数据格式做出简要介绍和说明，以供大家参考取用。
3.1.1 卫星影像
规划设计人员对卫星影像图肯定不陌生，影像图是规划设计中了解基地现状的重要资料。影像图获取的途径很多，多数地图下载器都可轻松获取。一张带有准确坐标信息的影像将会为你后续工作带来极大便利，笔者推荐使用标签图像文件格式（TIFF）的卫星影像。
图2示例的高清卫星影像，相关信息如下：空间参考GCS_WGS_1984；基准面D_WGS_1984；左上角经纬度（117.893525061，24.4338023221）；右下角经纬度（118.122178015，24.2921816861）；分辨率0.6米/像素。
图2 高清卫星影像
3.1.2 遥感影像
遥感数据是太阳辐射经大气层到达地面被地物反射后再次穿过大气层被遥感传感器接收产生的数据。根据遥感平台的高度可以分为航天遥感、卫星遥感和地面遥感三种。城市规划中主要使用的是卫星遥感，数据来源有LANDSAT数据、SPOT数据、RADARSAT数据、ASTER数据以及高分辨率卫星数据等等。国内较为权威的卫星遥感数据来自地理空间数据云共享，获取方式分免费下载和商业购买两种。目前城市规划中常用的遥感数据来自LANDSAT-7/LANDSAT-8卫星，数据信息如下：空间参考GCS_WGS_1984、基准面D_WGS_1984、分辨率30米。（图3）
图3 遥感影像的获取（地理空间数据云）
3.1.3 数字高程数据（DEM）
DEM数字高程模型是进行地形分析和流域划分的重要原始资料，能够反映特定分辨率下的地形地貌特征，通过DEM亦可提取大量的地表形态信息，包含流域网格单元的坡度、坡向以及单元格之间关系等等。目前,城市规划中常用DEM高程数据来源有地理空间数据云和地理国情监测云平台等，数据信息如下：空间参考GCS_WGS_1984、基准面D_WGS_1984、分辨率30米。（图4）
图4 数字高程数据（DEM）
3.1.4 地图POI数据
POI是“Point of Information”的缩写，可以翻译成“信息点”。设施种类包括宾馆酒店、餐饮服务、购物服务、风景名胜、科教文化设施、金融服务、居民小区、汽车服务、体育休闲、医疗设施、政府单位、交通设施、公共设施等；数据标签包含名称、分类、地址和电话等；通过POI数据可以进行众多设施的分布分析。（图5）
图5 上海古美片区POI数据（高德地图）
3.2 数据分析
笔者基于实际项目中的经验，以及对于规划设计项目推进流程的理解，同时综合了城市数据研习社“面向城市实践的数据能力增强计划”的课程内容，总结得出如下数据分析场景。此外，对于每个应用场景，根据不同类型规划项目的需求，分别针对总体规划、控制性详细规划、修建性详细规划、城市设计、景观规划和旅游规划提出应用模块的适用性建议。（表2）
表2 3S技术在规划设计中的场景应用及项目适用性
3.2.1 多源数据融合
（1）规划设计中常遇到CAD地形图与卫星影像无法准确匹配的问题，可以通过Arc-GIS实现坐标系变换和数据配准，打通传统规划测绘数据和卫星遥感数据的转换通道。（图6）
图6 卫星影像与测绘CAD精确配准
（2）利用影像图和带有经纬度信息的现状照片可以构建现状调研数据库，绘制精准的现状调研路线图，减少调研资料整理的工作量。实现步骤为：首先，下载高清卫星影像工作底图；然后，利用GPS的定位技术将调研中拍摄的照片在影像图上进行空间落位，同时结合Arc-GIS软件的可视化展示。GPS设备方面，智能手机或无人机等皆可轻松实现。（图7、图8）
图7 带有GPS定位信息的照片在卫星影像上精准加载
图8 精准的现状调研路线
3.2.2 基础地形建模
在未获取测绘高程数据或基地数据不全的情况下，可基于DEM高程数据完成高程分析、坡度分析和坡向分析，构建规划区及周边的地表模型。（图9）
图9 规划区及周边地表模型的构建
3.2.3 遥感解译
遥感影像中包含大量地表信息，可用于土地覆盖监测、森林覆盖监测、草地覆盖监测和湿地资源监测等。在规划设计中使用遥感技术实现地物识别和地温提取的需求，常选用一年或五年跨度的遥感影像，解译后实现地表用地分类（建设用地、林地、耕地和水系），并据其结果进行比对，构建用地转移矩阵，研究城市用地空间演变规律。地温解析和水质监测作为遥感技术的拓展应用，常见于较大空间区域的水平监测和质量评估（图12）。
图10 五年一景的遥感影像变化示意
图11 漳州招商局经济技术开发区2010-2016年用地解译结果
表3 漳州招商局经济技术开发区2010-2016年用地转移矩阵
图12 景区地表温度解析和长江泥沙水体测量
3.2.4 水文分析
水文分析是基于高程模型（DEM）建立水系模型，规划设计中可用于研究流域水文特征和模拟地表水文过程，并对未来的地表水文情况进行评估。水文分析能够帮助我们实现：（1）模拟区域地表径流，提取河流网络并划分流域；（2）划定河网等级，提取山体的泄洪通道和现状干枯河流；（3）完善水敏感性分析，指导“水生态文明”和“海绵城市”建设；（4）分析汇水面并进行水量测算，实现湿地和水库的选址优化。（图13、图14、图15）
图13 水文分析
图14 理论河网与现状河网对比
图15 湿地选址分析
3.2.5 源汇廊道分析
源汇廊道分析是基于规划影响因子之间的相互作用，构建最小阻力模型后计算得出的理论廊道。研究廊道间的相对重要性，划定廊道等级。明确规划设计中需要保留的维持生态安全的基本廊道，有理有据地阐明规划设计中保留和建设廊道的必要性，而不是“拍脑袋”、也不是诸如“上位规划定位论”或“项目经验总结论”等说不清道不明的理由。（图16）
图16 源汇廊道分析——向外辐射的潜在廊道[3]
3.2.6 建设条件分析
建设条件分析是在对规划影响因子 进行“分项打分、加权叠加”的技术处理后，完成规划区生态敏感性和用地适宜性评价。同时，利用生态安全格局分析的方法，划定生态控制红线、明确城市建设用地增长边界。（图17）
图17 建设条件分析
3.2.7 土地价值评估
（1）开展地块价值研究，将地块价值作为分解落实开发量的依据；引入片区综合承载力测算模型，开展涵盖交通承载力、公共设施承载力、环境承载力以及市政基础设施承载力等专题的研究工作。（图18、图19）
图18 生态安全格局分析
图19 现状土地价值评估[4]
（2）深度挖掘土地价值影响因子，结合开源POI热点数据开展城市商业网络评价，研究城市街道的功能和业态、探索城市街道的商业活力和核心竞争力、评估城市街道周边地块的土地价值。（图20）
图20 上海古美片区服务设施布局研究
3.2.8 交通网络分析
尝试运用基于路径距离的方法对交通网络进行评价，探讨城市与周边的外部关联度，评价城市内部交通状况，开展“交通可达性分析、设施服务范围分析和最短路径距离分析”等场景在规划设计项目的应用实践。（图21）
图21 交通网络分析
3.2.9 三维视线分析
利用Arc-Scene进行体块建模，对设计方案中重要节点和线路的可视性进行评价，同时开展“基于观测位置可视性、基于山体背景的地块建筑限高研究和城市天际线”等场景在规划设计项目的应用实践。（图22、图23）
图22 体块模型构建
图23 三维视线分析
参考文献
[1] 百度百科，3S技术，https://baike.baidu.com/
[2] 吴威龙，基于3S技术的数字城市规划，安徽农业科学，2007,35(25):8035-8037
[3] 杨天翔、敬东，城市生态源功能视角下的源汇格局分析一一以大黄堡湿地作用下的武清区为例，2014(第九届)城市发展与规划大会论文集
[4] 宋强, 基于开发强度指标体系构建的土地价值分析——以乌鲁木齐市新市区高新区部分片区控制性详细规划为例, 2010中国城市规划年会论文集
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汤鹏，已参加由国匠城和城市数据团共同举办的《面向规划实践的数据能力增强计划》，具备城市数据综合分析能力，特此颁发认证，以资鼓励。
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城市数据研习社
2016年8月，由国匠城与城市数据团联合成立的城市数据研习社，发起了面向城市规划行业的“千人计划”。 希望能够从规划师中首先招募1000人，组建城市数据学习社群，增强规划师的数据应用能力，提升整个行业的数据应用水平。在半年左右的时间内已有1000多位规划师加入研习社。研习社学员已覆盖国内外132所高校，114所设计院和103家其它企事业单位。
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