提要　地理信息系统(GIS)的普及将给城市规划领域带来变化。本文讨论GIS在城市设计中的应用。首先，提出了一个采用现有GIS软件的条件下，在城市设计过程中应用GIS的框架。然后着重讨论在城市设计方案阶段和公众参与中的GIS应用。三维可视化技术在方案设计过程中可以起到重要的作用。WebGIS和VRML的结合则是城市设计中公众参与的一种有效的途径。

　　关键词　地理信息系统GIS　城市设计　三维可视化　公众参与

　Abstract：The popularity of GIS will bring some great changes　in the field of urban planning. The paper discusses　the application of GIS in the processing of urban design. Using off-the-shelf GIS as an urban design　tool-kit, a framework for the application of GIS in　the processing of urban design is presented. Then it　focuses on GIS application in two important issues:the designing process and public participation. 3D　visualization can play an important role in the designing process. WebGIS integrated with VRML is　an effective way of public participation in urban　design.

　　Keyword：GIS, urban design, 3D visualization,public participation

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，规划师必须靠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)。

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。