3S技术在规划设计中的应用
Editor's Note
非常详细，来自月月小鸟的总结。
The following article is from 月月小鸟 Author 最最可爱的
写在前面的话
不知不觉间月月小鸟已坚持了快三个月，『规划师的ArcGIS应用手册』也在不断地充实和完善。试着来个小结，针对3S技术在城市规划设计中应用展开全面研究和探索，试图在城市规划设计工作中构建相对完整和系统的3S技术服务框架体系。写的不好，还请见谅。感谢支持，欢迎讨论！
1. 数据准备
1.1 卫星影像
作为规划设计者对此数据并不会感到陌生，获取途径也很多（甲方提供或网上下载），使用任何一款地图下载器都可轻松获取。需要说明的是，一张具有准确坐标信息的高清卫星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）文件的卫星影像。
图1 高清卫星影像
示例影像，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。
1.2 遥感影像
遥感数据的获取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，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。城市规划主要使用的是卫星遥感数据，常见的数据来源有LANDSAT数据、SPOT数据、RADARSAT数据、ASTER数据以及高分辨率卫星数据等，其中以LANDSAT数据最为普遍。目前国内较权威的卫星遥感数据均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。
图2 遥感影像的获取方式（地理空间数据云）
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。
1.3 DEM高程数据
将流域划分为m 行n列的四边形并计算每个四边形的平均高程,然后以二维矩阵的方式存储高程。DEM是数字高程模型是研究分析地形、流域、地物识别的重要原始资料，能够反映一定分辨率的局部地形特征；通过DEM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。
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，常用DEM高程数据信息如下：空间参考GCS_WGS_1984、基准面D_WGS_1984、分辨率30米。
1.4 地图POI数据
地图软件针对人们日常生活比较关心的几类POI（如银行、餐饮、景点、宾馆等）提供了更为详尽的信息，包含名称、分类、地址和电话等。目前城市规划中较为常用的地图POI数据，主要源自百度地图和高德地图。
图3 上海古美片区POI数据（高德地图）
2. 前期设计
本阶段主要关注的是现状调研的成果整理和基础地形的分析处理，推荐的应用场景有：卫星影像、基础地形和遥感影像。（见下表）
应用场景 | 内 容 | 备 注 |
卫星影像 | 高清卫星影像 | 坐标配准、导入范围 |
调研数据库 | 照片生成路径 | |
基础地形 | 高程、坡度、坡向 | 分类统计说明 |
地表模型 | 方案底图、模型基底 | |
模拟径流 | 根据地形模拟水系 | |
现状水系 | 根据地形图或影像图提取现状水系 | |
遥感影像 | 历史影像图 | 影像预处理（5年一景） |
用地解译 | 提取农田、林地、水系、山体、村庄建设用地和城镇建设用地，并与上一版本规划进行用地增减比对分析和性质变更分析 | |
城市空间演变 | 根据历史影像提取城市建设用地范围，进行增减比对分析 | |
地表温度 | 基于遥感影像相关波段解析地表温度分布 | |
水质污染监测 | 基于遥感影像相关波段解析水面异常 |
2.1 卫星影像
卫星影像与测绘CAD进行坐标变换并配准，打通传统测绘数据和卫星遥感数据的互转通道；有效避免了传统规划设计处理手法中，CAD地形图与卫星影像无法精确配准的问题。如图4所示：
图4 卫星影像与测绘CAD精确配准
基于高清卫星影像的工作底图，利用GPS的位置采集技术将调研中拍摄的照片数据在底图上进行空间落位；结合Arc-GIS软件平台中可视化展示，构建现状调研数据库、绘制精准的现状调研路线图。使用常见的内置GPS设备（智能手机或无人机等）即可轻松实现，如图5、图6所示：
图5 带有GPS定位信息的照片在卫星影像上精准加载
图6 精准的现状调研路线
2.2 基础地形
在尚未获取测绘高程数据或者规划范围数据不齐全的前期研究阶段，可基于DEM高程数据完成高程、坡度和坡向分析，构建规划区及周边的地表模型，模拟区域地表径流，描绘河流水系现状。规划区开发强度越低，现状水系与理论河网的契合度则越高。如图7、图8所示：
图7-1 规划区及周边地表模型的构建
图7-2 规划区及周边地表模型的构建
图8 径流模拟过程得到的理论河网与现状水系对比
2.3 遥感影像
深度挖掘遥感影像数据中在城市规划中的效用，推荐的应用场景有：历史影像图、用地解译、城市空间演变、地表温度和水质污染监测等。
历史影像的处理，通常选用“一年一景”或“五年一景”（如图9）；用地解译可根据需求进行分类，常见的可简单分为建设用地、林地、耕地和水系（如图10）；城市空间演变是对各景解译结果进行增减比对分析和和性质变更分析，构建用地变化转移矩阵（见表3）；地表温度解析和水质污染监测是遥感技术的拓展应用，适用于较大空间区域的水平监测和质量评估（如图11）。
图9 XX县“五年一景”的历史影像变化示意
图10 XX市XX区2009-2016年用地解译
图11 景区地表温度解析和长江泥沙水体测量
From | To | 2010-2013年 | 2013-2016年 | ||
面积（km2） | 比例 | 面积（km2） | 比例 | ||
建设用地 | 水域 | 0.023 | 0.26% | 0.102 | 0.59% |
林地 | 0.025 | 2.84% | 2.145 | 12.49% | |
裸地 | 1.355 | 15.27% | 3.813 | 22.2% | |
水域 | 建设用地 | 1.143 | 6.45% | 0.863 | 5.90% |
林地 | 0.020 | 0.11% | 0.015 | 0.11% | |
裸地 | 2.223 | 12.54% | 0.728 | 4.98% | |
林地 | 建设用地 | 3.858 | 19.74% | 1.226 | 8.77% |
水域 | 0.014 | 0.07% | 0.017 | 0.12% | |
裸地 | 2.650 | 13.55% | 2.397 | 17.1% | |
裸地 | 建设用地 | 4.924 | 45.95% | 3.758 | 33.89% |
水域 | 0.248 | 2.31% | 0.046 | 0.41% | |
林地 | 0.684 | 6.38% | 0.561 | 5.06% |
表1 XX经济技术开发区2010-2016年用地转移矩阵
表1配图 XX经济技术开发区2010-2016年用地解译
3. 方案构思
本阶段主要关注的是水文、植被、生态等因子对方案布局的影响，推荐的应用场景有：水文分析、“源-汇”分析、生态承载力和建设条件分析。（见下表）
应用场景 | 内 容 | 备 注 |
水文分析 | 流域范围 | 分析各条河流的流域范围 |
低洼地分析 | 分析区域低洼地带、蓄水区 | |
河网等级 | 划分理论河网等级 | |
水系汇流累积 | 分析河流的汇水面积、水量 | |
湿地/水库的构建 | 优化选址、容量测算 | |
“源-汇”分析 | 源-汇的选取 | 筛选依据 |
源-汇格局 | 引入生态阻力模型，分析“源-汇”联系强度 | |
生态廊道 | 划分等级，明确保护要求 | |
生态承载力 | 人口容量测算 | 最大承载力原则 |
生态赤字/冗余 | 低碳发展的需求 | |
建设条件分析 | 生态敏感性 | 筛选指标，构建权重并完成因子叠加分析 |
用地适宜性 | 筛选指标，构建权重并完成因子叠加分析 | |
城市增长边界 | 构建生态安全格局，确立城市发展边界 |
3.1 水文分析
经过“填洼分析——流向分析——流量分析”的过程，提取河流网络并划分流域范围；划定河网等级，提取山体的泄洪通道和现状干枯的河流；完善水敏感性分析，指导“水生态文明”和“海绵城市”的建设；完善河流汇水面积和水量测算，实现湿地和水库的选址优化。（如图12）
图12 水文分析流程示意
3.2 源-汇分析
通过生态阻力分析和自发廊道等分析，构建影响因子相互作用矩阵和最小阻力模型，明确生态廊道及廊道间的相对重要性。有理有据地阐明规划设计中保留和建设生态廊道的必要性，而不再仅仅是依托上位规划需求论或项目经验总结论等设计者“拍脑袋”得到的结果。（如图13）
图13 源-汇分析——向外辐射的潜在廊道
PS：图片引自论文《城市生态源功能视角下的源汇格局分析——以大黄堡湿地作用下的武清区为例》
3.3 生态承载分析
基于生态足迹和生态承载力的计算，评估区域可持续发展的状态。常见的评价指标包含：生态盈余或生态赤字、生态足迹指数（EFI）等。
0 ＜ EFI＜100%时，区域处于可持续发展状态；-100% ＜ EFI＜0时，区域处于不可持续发展状态；EFI＜-100%时，区域处于严重不可持续发展状态。
图14 生态承载分析——基于生态承载的人口容量估算
3.4 建设条件分析
通过对影响因子“分项评价、加权叠加”的手法，开展区域生态敏感性和用地适宜性研究；利用生态安全格局分析的手法，划定城市增长边界。（如图15）
图15 建设条件分析（图片引自网络）
4. 方案评估
本阶段主要关注的是如何论证方案的合理性，借助Arc-GIS分析软件、City Engine建模软件以及建筑环境模拟软件，对设计方案进行多维度评价。推荐的应用场景有：土地价值、交通网络、三维分析和环境分析。（见下表）
应用场景 | 内 容 | 备 注 |
土地价值 | 居住用地价值评价 | 构建居住地块价值指标体系，对区域内居住用地进行比选和分析 |
交通网络 | 城市关联度 | 对比与核心城市相关的周边城市 |
基础设施服务范围 | 欧式距离+泰森多边形 | |
交通可达性 | 基于路径距离 | |
最短距离 | 基于路径距离 | |
三维分析 | 建筑批量建模 | 利用City Engine实现参数化批量建模，实现多方案三维比选 |
景观视域 | 结合地形和建筑模型，分析观察点的视域范围、景观廊道的通视性 | |
高度控制 | 基于山体背景或者重要节点可视的建筑高度控制 | |
城市天际线 | 结合地形和建筑模型，分析观察点的城市天际线 | |
环境分析 | 风环境 | 风向、风速、风压等分析 |
噪声环境 | 根据噪声源进行城市噪音分布分析（道路） | |
热岛分析 | 类比模拟城市热岛分布 | |
日照采光 | 建筑群日照、单体建筑采光 |
4.1 土地价值
开展地块价值研究，将地块价值作为分解落实开发量的基本依据；[4]同时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内容的研究。（如图16）
图16 现状土地价值分析
PS：图片引自论文《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》
4.2 交通网络
讨论城市之间的外部关联度、划定城市基础设施服务范围，对现状及规划的交通网络进行评价、开展交通的可达性和最短距离分析。（如图17）
图17 交通网络分析（引自“研习社”课程案例）
4.3 三维分析
利用City-Engine进行参数化建模，实现多方案空间比选；结合Arc-GIS软件在规划设计项目的应用，设计了观测位置（点、线、面）可视性分析、基于山体背景的地块建筑限高研究以及城市天际线等应用模块。（如图18、图19）
图18 三维分析（引自“研习社”课程案例）
图19 参数建模示意
4.4 环境分析
利用CFD、CadnaA/W、Fluent、Ecotect等环境模拟软件，开展风环境、噪声环境、热岛、日照和采光等模拟研究，对规划设计核心地块或某个标志性建筑群进行多纬度综合评价。推荐的应用场景有：风环境模拟、噪声环境模拟、热岛模拟、日照模拟和建筑内部采光模拟等。（如图20）
图20 环境分析（引自网络）
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