仇巍巍，陳從喜，項家鈾，高 宇，齊書花，朱先云

（自然資源部信息中心，北京 100830）

0 引言

黨的十八大以來，國家圍繞國土空間規(guī)劃改革推出了《中共中央關(guān)于全面深化改革若干重大問題的決定》《全國國土規(guī)劃綱要（2016—2030年）》等系列方針政策。2018年3月，自然資源部成立，“建立空間規(guī)劃體系并監(jiān)督實施”是其重要職能之一。從現(xiàn)有相關(guān)政策趨勢看，國土空間規(guī)劃體系改革的要求越來越明晰，縱向建立國家、區(qū)域、省、市（縣）、鄉(xiāng)五級國土空間規(guī)劃，橫向建立國土空間規(guī)劃、專項規(guī)劃和詳細(xì)規(guī)劃三類規(guī)劃，以第三次全國國土調(diào)查（以下簡稱“三調(diào)”）數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)一建立規(guī)劃數(shù)據(jù)庫，實行國土空間用途管制和規(guī)劃監(jiān)管[1]。

國土空間規(guī)劃是國家空間發(fā)展的指南、可持續(xù)發(fā)展的空間藍(lán)圖，是各類開發(fā)保護建設(shè)活動的基本依據(jù)[2]。國土空間規(guī)劃擁有較好的地形數(shù)據(jù)、地貌數(shù)據(jù)和矢量數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，這些數(shù)據(jù)多以傳統(tǒng)的二維形式存儲和展現(xiàn)，然而國土空間規(guī)劃需要大量的多維度空間分析功能，二維數(shù)據(jù)和分析功能轉(zhuǎn)化為基于三維GIS的實景表達形式和增加多維度空間分析的需求日益迫切。同時，相比二維GIS，三維GIS可以更加準(zhǔn)確、真實地展示現(xiàn)實環(huán)境，為信息判讀和空間分析提供更好的途徑，而且部分關(guān)鍵的高級空間分析功能也只能在三維GIS中實現(xiàn)，如日照分析、地質(zhì)分析和鏈路連通性分析等。這都使得基于三維GIS的國土空間規(guī)劃具有更直觀、更科學(xué)、更多維度等優(yōu)勢[3]。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成

國土空間規(guī)劃首先要研判國土空間基礎(chǔ)狀況，要求以“三調(diào)”作為“底數(shù)底圖”，統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和工作底板，摸清整個國土空間的現(xiàn)狀，還原真實世界的面貌，這是整個國土空間規(guī)劃的起點。

在傳統(tǒng)的規(guī)劃中，大部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料以二維形式存儲，基礎(chǔ)底圖以二維形式展現(xiàn)。三維GIS技術(shù)可以對真實場景進行還原，根據(jù)DEM和遙感影像數(shù)據(jù)生成三維場景模型。可以使用建筑框圖數(shù)據(jù)進行參數(shù)化建模，建模成果通常被稱為白模；對于較復(fù)雜或精度要求較高的建筑，可以采取傾斜攝影或人工建模方式；其他自然環(huán)境數(shù)據(jù)則在三維場景基礎(chǔ)上，根據(jù)應(yīng)用需求進行相應(yīng)建模，盡可能還原現(xiàn)實環(huán)境，最終生成三維國土空間“一張圖”[4]。

2 國土空間規(guī)劃評價分析

新的國土空間規(guī)劃體系提出了“雙評價”分析系統(tǒng)[5]，對國土空間規(guī)劃分析也提出了更高的要求。傳統(tǒng)的二維分析功能已很難滿足要求，必須基于集成了多源數(shù)據(jù)的真實三維場景，使用三維GIS技術(shù)方法改進規(guī)劃評價分析理念和手段。

2.1 國土空間規(guī)劃“雙評價”

國土空間規(guī)劃“雙評價”由資源承載力評價和國土空間開發(fā)適宜性評價構(gòu)成[6]，“雙評價”各個環(huán)節(jié)需要借助大量的空間分析功能?，F(xiàn)有的評價體系以二維GIS技術(shù)為主，但評價模型缺乏地區(qū)異同的考慮和有效的驗證方法，這使得“雙評價”體系在實際應(yīng)用中出現(xiàn)了一些偏差。三維GIS技術(shù)使得這些問題可以通過場景還原和空間分析等環(huán)節(jié)進行優(yōu)化和驗證[7]。

2.1.1 場景還原

三維GIS通過虛擬化技術(shù)手段模擬現(xiàn)實世界，以坐標(biāo)系和比例尺為基礎(chǔ)在數(shù)字世界展現(xiàn)現(xiàn)實世界，在可視化的虛擬環(huán)境中，地形、地貌、地質(zhì)等要素的分析更加真實和直觀，為后續(xù)規(guī)劃設(shè)計、分析和監(jiān)督奠定了基礎(chǔ)。例如，基于三維場景的日照分析、淹沒分析和土方量分析等使得規(guī)劃設(shè)計和評價更科學(xué)，如圖1所示。

圖1 3D場景還原

2.1.2 空間分析

基于三維場景可完成地形、坡度等要素分析，通過引入高程維度，使得分析結(jié)果更加科學(xué)。例如，坡度是描述地形特征的重要指標(biāo)，也是分析地表物質(zhì)運動、土壤侵蝕量的重要因子，所以在耕地調(diào)查中實施坡度分級可以直觀地反映耕地地表形態(tài)、耕地質(zhì)量和生產(chǎn)條件，也是制定耕地保護和生態(tài)退耕政策的主要依據(jù)[8]。在耕地坡度等級分析中，生成三維坡度圖并結(jié)合基礎(chǔ)底圖疊加生成耕地坡度分級圖，從而可對不同坡度級的耕地面積進行量算、統(tǒng)計和分析并通過三維GIS進行直觀表達，如圖2所示，同時可引入噪聲、場強等微觀要素，分析所使用的算法模型，增強“雙評價”體系中的微觀規(guī)劃。

圖2 耕地坡度分析

2.2 國土空間規(guī)劃分析

國土空間管理對象既包括平面也包括高程信息，而現(xiàn)有的基于二維分析方法存在以下不足。（1）分析維度不足，缺乏三維要素，不能充分考慮多維度的要素分析。（2）分析結(jié)果表達不直觀，難以直觀地反映地形、日照等要素情況。基于三維GIS的分析技術(shù)可以很大程度地改善這些不足[9]。

2.2.1 多維度分析

規(guī)劃過程離不開諸多的空間分析功能，其中三維因子是必不可少的分析因子。基于地形的路徑規(guī)劃以三維地形要素為主，同時結(jié)合遙感影像得出最佳線路。另外，傳統(tǒng)的電信固定無線接入鏈路分析使用傳統(tǒng)的二維表現(xiàn)鏈路的連通情況，而現(xiàn)實世界中，高度、遮擋物對鏈路的影響非常大，傳統(tǒng)的二維分析不再適用，基于三維場景規(guī)劃點對點和點對多點鏈路對于固定無線接入（包括ISP）、微波回程等顯得尤為必要，如圖3所示。

圖3 三維環(huán)境下的鏈路連通性分析

三維空間分析功能主要包括數(shù)字高程模型分析、三維網(wǎng)絡(luò)分析及基于3D Mesh的分析，主要有坡度、坡向、陰影、連通性、噪聲、場強等分析功能，為規(guī)劃提供參考，這部分功能非常實用重要。

2.2.2 分析結(jié)果三維化

目前，基于二維的規(guī)劃分析已產(chǎn)生了大量的分析成果，這些結(jié)果可基于三維GIS進行更直觀地表達，并通過與三維場景、3D Mesh、環(huán)境等融合，使規(guī)劃分析的過程和結(jié)果更符合人們的使用習(xí)慣、更易接受和理解。全球各大洲機場分布分析將機場分布統(tǒng)計結(jié)果進行三維立體表達，如圖4所示，可非常直觀地看到北美洲的機場數(shù)量最多，其次是歐洲。與二維統(tǒng)計圖相比，基于三維GIS的可視化技術(shù)使得信息表達更加直觀形象，在三維場景中對分析結(jié)果進行全方位分析，可以獲取更多的有用信息。

圖4 各大洲機場數(shù)量統(tǒng)計

3 三維地理設(shè)計

三維地理設(shè)計可利用已有的數(shù)據(jù)通過快速參數(shù)化搭建三維場景，同時根據(jù)需要可以實時進行修改和調(diào)整，三維地理設(shè)計已被應(yīng)用到城市規(guī)劃設(shè)計并拓展到鐵路設(shè)計、公路設(shè)計等領(lǐng)域。根據(jù)涉及的指標(biāo)是否定量化，三維地理設(shè)計分為定量化設(shè)計和定性化設(shè)計[10]。

3.1 定量化設(shè)計

基于已有的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)計方案，通過預(yù)定義的參數(shù)化規(guī)則，自動生成并可反映設(shè)計指標(biāo)。此外，可將定量化的規(guī)劃指標(biāo)設(shè)置為相應(yīng)的約束參數(shù)，如“三區(qū)三線”、城鎮(zhèn)規(guī)劃中的規(guī)劃指標(biāo)等，可以實時反映設(shè)計方案是否合規(guī)合理，并提出不符合指標(biāo)的設(shè)計部分，通過實時調(diào)整設(shè)計方案和實時驗證評測指標(biāo)，找出最優(yōu)設(shè)計方案，如圖5所示。

圖5 城鎮(zhèn)設(shè)計

3.2 定性化設(shè)計

對于規(guī)模較大的國土空間規(guī)劃，除了考慮定量化指標(biāo)外，還需考慮眾多無法定量化的天際線、建筑梯度、城市色彩等指標(biāo)。在設(shè)計過程中，為輔助規(guī)劃人員提供不同類型的分析工具，與定量化設(shè)計互為補充。

基于三維場景的三維地理設(shè)計不僅使整個規(guī)劃設(shè)計、評審和監(jiān)督過程不再只面對二維地圖或預(yù)制作的三維模型，而且可以通過調(diào)整參數(shù)和指標(biāo)直接編輯規(guī)劃成果，并可對定量化指標(biāo)進行預(yù)警和建議，對定性化指標(biāo)進行輔助分析，可以直接輸出定性化指標(biāo)方案示意圖，還可實現(xiàn)即時調(diào)整即時呈現(xiàn)、即時調(diào)整即時對比、即時調(diào)整即時出圖的效果，對于提高規(guī)劃設(shè)計效率和成果科學(xué)性具有非常好的支撐作用。

4 國土空間規(guī)劃實施監(jiān)管

規(guī)劃的生命力在于實施。為了保障規(guī)劃的有效實施，必須對實施過程進行有效的監(jiān)管。因此，在規(guī)劃方案經(jīng)審批成為正式文件后，必須通過多種手段對其實施過程進行綜合監(jiān)管，以完成預(yù)定的規(guī)劃目標(biāo)。在傳統(tǒng)的二維環(huán)境中，以二維形式構(gòu)建國土空間數(shù)據(jù)資源體系并設(shè)計監(jiān)測指標(biāo)，進行執(zhí)法監(jiān)察和核查，同時根據(jù)已有的靜態(tài)規(guī)劃資料，按照相關(guān)制度和指標(biāo)進行檢查，再對規(guī)劃實施情況進行反饋，做出評估和動態(tài)修改。當(dāng)外部條件發(fā)生重大變化時，對原有的規(guī)劃進行修編。然而無論方案表達的直觀性、融合性，還是方案修編及新舊方案的定性和定量變化對比，都過多依賴人的意識和水平，暴露了基于二維的規(guī)劃系統(tǒng)支撐性不足的缺點[11]。

4.1 構(gòu)建動態(tài)監(jiān)管體系

國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)基于科學(xué)布點方法構(gòu)建多層級監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，通過一套科學(xué)的國土空間監(jiān)測指標(biāo)獲取長期、動態(tài)、精細(xì)化、多要素、多尺度的國土空間系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)高強度國土開發(fā)背景下國土空間變化及其相關(guān)影響因子的全面感知。完整的國土空間監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該由互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)和“天-空-地”一體化監(jiān)測技術(shù)支撐下全國-區(qū)域-市縣-村鎮(zhèn)-地塊不同尺度組成的多層級監(jiān)測體系，能夠建立全面、詳實、準(zhǔn)確的權(quán)威性國土空間數(shù)據(jù)資源體系，涵蓋國土空間基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集、空間規(guī)劃數(shù)據(jù)集、空間管理數(shù)據(jù)集及社會經(jīng)濟數(shù)據(jù)，為國土空間規(guī)劃實施的動態(tài)監(jiān)管提供全面、有效的支持[12]。

多要素、多尺度的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，長期、動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)，宏觀、中觀、微觀的監(jiān)測指標(biāo)都需要三維GIS作為載體才能很好地集成和呈現(xiàn)，實景三維技術(shù)尤為突出，通過對現(xiàn)實世界進行高精度還原，為后期的規(guī)劃、融合、修編提供了很好的基底，從而成為國土空間規(guī)劃最基礎(chǔ)、最準(zhǔn)確的底圖數(shù)據(jù)源之一，同時基于實景三維進行多源數(shù)據(jù)的融合和分析，并建立多維度的監(jiān)測指標(biāo)體系，從而最終構(gòu)建形成科學(xué)的動態(tài)監(jiān)管體系。

4.2 規(guī)劃成果實施監(jiān)督

相對于傳統(tǒng)的基于二維數(shù)據(jù)及分析技術(shù)的規(guī)劃成果監(jiān)督管理，基于三維場景和規(guī)劃指標(biāo)體系的三維規(guī)劃帶來了更多維的數(shù)據(jù)及直觀的規(guī)劃手段。傳統(tǒng)的規(guī)劃監(jiān)督主要聚焦當(dāng)前的規(guī)劃方案，而基于三維GIS的規(guī)劃監(jiān)督進行全生命周期監(jiān)督管理，在規(guī)劃實施前可以進行現(xiàn)實與規(guī)劃融合預(yù)測，實施過程中進行指標(biāo)實時對比，實施后進行數(shù)據(jù)更新，并可借助遙感、傾斜攝影技術(shù)等進行長期、定期的跟蹤監(jiān)督，實施監(jiān)督具備了全生命周期的可實施性和前瞻性。

4.3 規(guī)劃成果評估和修改

傳統(tǒng)的二維規(guī)劃關(guān)注規(guī)劃方案的任務(wù)目標(biāo)，這種靜態(tài)規(guī)劃過程缺乏規(guī)劃成果的直觀感受。同時，隨著自然環(huán)境及社會環(huán)境的實時變化，基于三維GIS的動態(tài)規(guī)劃則應(yīng)運而生。

基于真實的三維場景，通過國土空間規(guī)劃平臺將規(guī)劃成果和規(guī)劃分析管理等功能進行整合，可對規(guī)劃方案進行三維瀏覽，并對現(xiàn)狀數(shù)據(jù)進行融合，對現(xiàn)狀和規(guī)劃方案或者多個方案進行對比分析，得出最優(yōu)方案和相應(yīng)的調(diào)整細(xì)節(jié)，全方位驗證規(guī)劃思路，在評估過程中可以使用疊加分析等功能，同時可借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，評估人員更加身臨其境，擁有最直接的感受并對成果做出最直接的評估。

同時，在規(guī)劃實施過程中，依據(jù)新情況和新要求對方案進行局部修正、補充以及重新調(diào)配是很難避免的。在三維場景中，規(guī)劃方案的預(yù)修改和對比分析是規(guī)劃方案修改非常好的前置分析，對于多種修改方案進行直觀表達并融合規(guī)劃方案的已實施部分，最終達到優(yōu)中選優(yōu)、持續(xù)優(yōu)化國土空間結(jié)構(gòu)和功能的目的。

5 國土空間規(guī)劃公眾服務(wù)

現(xiàn)有的國土空間規(guī)劃“一張圖”實施監(jiān)督信息系統(tǒng)流程包括了編制、審批、實施、監(jiān)督的規(guī)劃全過程，全面提升了空間治理體系和治理能力。但公眾較少參與規(guī)劃過程，現(xiàn)有的公眾參與方式主要是傳統(tǒng)的座談會、聽證會和規(guī)劃展覽等方式。二維GIS方法引入后，公眾通過查看二維的規(guī)劃設(shè)計平面圖一定程度提高了參與直觀感與積極性，但由于規(guī)劃設(shè)計專業(yè)性強、設(shè)計成果表達抽象等特點，一般公眾仍很難理解所表達的國土空間規(guī)劃具體含義和效果，無法真正了解規(guī)劃方案的科學(xué)性和合理性，就無法對規(guī)劃設(shè)計方案提出有效的想法，更無法參與規(guī)劃實施過程的監(jiān)督工作。

建議增加基于三維GIS的國土空間規(guī)劃公眾服務(wù)，通過將專業(yè)的國土空間規(guī)劃成果轉(zhuǎn)化為公眾容易理解的三維場景，極大地提高公眾的理解能力。同時，可以將設(shè)計成果與現(xiàn)有環(huán)境進行融合，例如，公眾可以直接查看所在地區(qū)改造前后的綠化情況，對規(guī)劃方案的指標(biāo)進行直觀了解，同時在三維場景下將規(guī)劃中的建筑限高、天際線、城市色彩等專業(yè)分析結(jié)果進行直觀融合展示并可以與圖像、聲音相結(jié)合，這對進一步提高公眾參與和理解國土空間規(guī)劃內(nèi)涵具有顯著的提升作用?；谌SGIS的公眾服務(wù)還能夠展現(xiàn)城市的歷史時空演變，公眾可通過查看地區(qū)的時空演變了解地區(qū)的歷史變遷，有助于了解地區(qū)的歷史文化，從而實現(xiàn)政府和公眾的良性互動，實現(xiàn)地區(qū)的發(fā)展決策更加科學(xué)化和合理化[13]。

6 結(jié)語

綜上所述，國土空間規(guī)劃是一個全覆蓋、全類型的系統(tǒng)，涉及眾多的部門、繁雜的數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)量巨大，分析功能要求高，為了提高國土空間規(guī)劃的工作效率和決策的科學(xué)性，多學(xué)科、多種類的技術(shù)方法應(yīng)用于國土空間規(guī)劃成為必然趨勢。本文針對三維GIS技術(shù)在國土空間規(guī)劃過程中的作用進行了詳細(xì)的闡述和分析，從國土空間規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集成、國土空間規(guī)劃“雙評價”、三維地理設(shè)計到實施監(jiān)督，并建議增加公眾服務(wù)部分，三維GIS在整個國土空間規(guī)劃過程能發(fā)揮多源數(shù)據(jù)集成、直觀可視化及多維度分析的優(yōu)勢。同時，更多新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用可在國土空間適宜性評價、生態(tài)空間規(guī)劃等方面提供更科學(xué)和全面的支撐[14]。隨著國土空間規(guī)劃工作的深入推進，三維GIS技術(shù)的進一步發(fā)展及與其他新技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，必定在國土空間規(guī)劃中發(fā)揮更加積極的作用，進一步提高國土空間規(guī)劃的科學(xué)性和合理性。