地理设计平台的研发及其在城市规划中的应用探索

周文生 / ZHOU Wen-sheng
杨旭彤 / YANG Xu-tong
苏文松 / SU Wen-song

摘要：清华地理设计平台THGeoDesign(Tsinghua GeoDesign Platform)是按照地理设计理念构架的基于GIS的城乡规划支持系 统，可用于规划设计全过程，即从现状数据采集、现状分析、规划方案设计、规划方案评估、模拟、规划方案展示到规划成 果输出。首先分析GIS在我国城乡规划设计应用中存在的问题，以及地理设计思想对GIS与城市规划的影响；在此基础上，阐 述了THGeoDesign的设计思想、平台构架、功能模型以及系统特点；最后以大庆市西城区分区规划为例，讨论了THGeoDesign 的规划应用。实践表明，THGeoDesign是有效的规划设计工具，使得规划设计与规划分析能够有效结合，有助于提升规划设计 的效率和规划成果的科学性。

关键词：风景园林；GIS；地理设计；平台构架；规划分析；规划设计

Abstract: THGeoDesign(Tsinghua GeoDesign Platform) is an urban and rural planning support system based on GIS, which is constructed under the guidance of GeoDesign idea. It can be used in the whole process of planning and design, namely data collection, data analysis, planning design, evaluation of planning scheme, simulation of planning scheme, presentation of planning scheme and output of planning results. First of all, this paper analyses the problems existing in the application of GIS in urban and rural planning and design in China and the impact of GeoDesign ideas for urban planning. Based on the above analysis, the design principle, platform framework, functional model and system characteristics of THGeoDesign are introduced. Finally, taking the planning of Xicheng District of Daqing City as the case, the paper discusses the application of THGeoDesign in urban planning. It shows that THGeoDesign is a powerful planning design tool which can enhance the efficiency of planning and the rationality of planning results by combining planning design and planning analysis effectively.

Key words: landscape architecture; GIS; GeoDesign; platform architecture; planning analysis; planning and design

1 问题的提出

在我国城市规划领域，GIS发挥着越来越重要的作用， GIS已经渗透到城市规划的各个方面，包括从编制到管理，从 前期资料收集整理到成果出图，从小范围的详细规划到更大的 区域规划，从综合性的总体规划到专业性的专项规划，从项目 选址到可持续发展战略制订等方面[1]。然而，相比之下，GIS在 城市规划管理方面的应用较为重要，也较为成熟，但GIS在规 划编制过程中的研究和应用相对滞后，GIS所能发挥的作用十 分有限。造成这种重管理轻设计的原因在于以下几个方面[2-3]。

1) 规划设计单位对GIS的刚性需求不足：在国内规划设计 单位，由于规划任务较多，规划编制周期较短，对研究、分析 工作要求不高。加之GIS技术的应用需要数据、专业人员的支持，导致规划设计单位对GIS应用积极性不高。

2) 数据共享机制不完善，数据获取渠道不畅：GIS在规划设计中的应用需要有丰富的地理、历史、人文、经济、交通、环境 等空间数据的支撑。而在国内还没有建立起有效、完善的数据共 享机制，导致数据的获取渠道十分有限。因此，很多专业数据需要自己搜集和加工处理，从而使数据获取成本大大增加。

3) GIS与规划专业结合的深度不够：一般GIS软件仅仅提 供GIS常用的功能，而规划设计工作中所用的专业分析功能如 动态模拟、预测等功能则没有提供。这样，GIS在规划设计中 的应用大多仅停留在信息查询、简单的空间分析、专题图制作 等方面，GIS所能发挥的作用比较有限。

4) GIS工具使用难度较大：规划设计师虽然也意识到GIS 技术在规划分析方面的重要性，但与目前规划设计单位所常用 的CAD软件相比，GIS软件无论是在软件的普及性、操作的便捷性以及功能的针对性等方面均与CAD软件存在一定的差距， 这从客观上造成了GIS技术在规划设计过程中应用的障碍。

针对以上存在的问题，除了在国家、行业层面积极推进 地理信息共享的政策、法律和标准规范的建设外，还需对GIS 技术进行提升，使其能够满足规划设计任务的需要。地理设计 (GeoDesign)概念的提出为GIS在城市规划编制中的应用提供 了一种新的模式，该模式是一种把规划设计方案的形成和地理 环境影响因素紧密结合在一起的规划和设计方法，对传统规划 设计方法的改造具有重要意义。

2 地理设计及其影响

地理设计的核心思想就是将规划分析融入规划设计的整 个过程，构建起感性设计与理性分析的桥梁，提倡“草图—设计—模拟—评估—优化”这一循环、渐进式的规划方案形成过 程。目前，经过GIS与规划设计领域学者的推动，地理设计已逐 渐成为GIS与规划设计领域的研究热点[4-6]。由于地理设计的理 念有助于人们更加科学地解决人类社会快速发展所带来的一系 列环境问题，它对规划设计领域将会产生深刻的影响，具体体 现在以下几个方面。

1) 对GIS技术的影响。 地理设计的特点就是将空间分析用于规划设计的整个过程，传统GIS为了适应这种需求，就需要GIS在易用性和功能 专业化方面进一步提升。具体来说，现有的GIS系统的运行 需要相对固定的运行环境(包括数据环境、系统软件和硬件环境)，而对于规划设计工作来说，需要的是一个弹性的工作环境，为此，GIS需进行调整，以适应这种弹性的工作环境的要 求。其次，现有的GIS系统虽然具有很强的空间分析能力，但设计功能十分欠缺，为此，需要在GIS基础上进行智能化、参 数化设计工具的开发。最后，现有GIS分析功能在规划设计中的应用比较简单，这与规划设计工作所需要的分析内容还有一 定的距离，为此，还需加强专业分析模型的整合与开发。

2) 对城市规划的影响。 作为规划设计主体的规划设计师应摆脱传统主观定性的规划决策习惯，树立一种基于规划背景资料进行科学理性分析的严谨 科学精神，以便适应地理设计的规划设计模式。其次，在地理设 计框架下除了规划设计工具本身外，还需要符合地理设计理念的 设计工作流程。为此需要根据规划设计的特点对其工作流程进行 认真研究和梳理。最后，为了在规划设计过程中实现规划数据有 效利用和共享，需大力开展和推进数据标准规范的建设。

3) 对地理信息共享平台建设的影响[7]。 数字城市和智慧城市是未来城市不可或缺的重要基础设施，是现代城市文明和精神文明建设的主要标志。在数字城市 和智能城市的建设中，地理空间数据共享平台的建设是数字城 市和智能城市建设的重要内容，为了使地理空间数据共享平台 所提供的服务能更加深入地应用于规划设计领域，需将传统的地理信息服务模式向地理设计服务模式转变，提升地理空间数 据共享平台服务的品质。

3 地理设计平台的研发

目前已有2类工具可用于地理设计，一类是为传统的规划 设计软件增加空间数据的分析能力，如esri公司的ArcCAD， ArcGIS for AutoCAD，这些工具为规划设计师提供了在 AutoCAD环境中使用GIS数据分析的功能；二是在传统的GIS 软件中增加设计功能，如esri公司的ArcSketch、CityEngine 和INDEX，其中ArcSketch提供了在ArcGIS环境中进行草 绘地物要素的能力[8]，而CityEngine则提供了在ArcGIS环境 中基于规则和参数的三维建模能力，使规划设计师可以通过 CityEngine高效地进行城市设计。INDEX是基于ArcGIS的人 机交互式规划支持系统，规划设计师可在INDEX指标库的支持 下对各个规划方案进行定量的评估。

尽管上述工具已具备了一些地理设计的特征，但通常 也仅仅是作为一个辅助工具支持规划设计的部分工作。真正 体现地理设计思想的地理设计系统还不多见。为此，笔者在 地理设计理念的指导下设计并实现了一个地理设计平台， 称为清华地理设计平台(Tsinghua GeoDesign Platform， THGeoDesign)，该平台的设计目标是构建一个覆盖规划设计全过程，即从现状数据采集、现状分析、规划方案设计、规划 方案评估、模拟、规划方案展示到规划成果输出等的规划设计支持平台。

3.1 平台设计原则

1) 充分考虑规划设计与规划分析的互动性。 作为地理设计的实践平台，应能有效地将规划设计与规划分析进行整合，使整个规划设计过程可方便地在设计与分析的 不断交替中进行，从而保证规划设计的效率以及规划设计成果 的科学性和有效性。

2) 融入规划分析、规划设计模型。 作为一个规划设计平台，应提供规划设计所常用的专业分析模型和设计工具，如规划情景分析、用地适宜性分析以及土地需求分析等，为规划设计工作提供更为专业的支持。同时，平台也应提供将专家的设计理念和思想模型化、规则化的工具。

3) 考虑规划设计过程的特点，便于规划设计人员的使用。 与CAD相比，传统的GIS平台通常操作比较复杂，规划设计人员不容易掌握。为此，平台的设计应注重界面友好性，考虑规划设计的特点以及规划设计人员的工作习惯，方便规划设计人员的使用。

3.2 平台总体框架

根据上述设计理念，笔者设计平台框架(图1)，该平台采用3层架构体系，包括数据层、服务组件层和应用层。

数据层包括用于支撑平台运行的各类空间数据，主要包括基础地理数据、现状调查数据、前期规划数据和规划设计数据等。

服务组件层提供应用层所需要的各类服务组件，根据服务组件的功能可划分为数据库操作、二维GIS、三维 GIS、CAD数据操作、数据分析、数据展示以及智能计算七大类组件。

应用层由服务组件层构建，提供面向规划设计师、支持规划设计整个过程的应用子系统。

3.3 平台功能模型

THGeoDesign的功能模型如图2所示，该模型主要 由系统配置管理、属性数据处理、图形数据处理、规划分析、规划设计、规划评价、地理模拟以及专题制图8个子系统组成。

1) 系统配置管理子系统。

THGeosign是一个面向规划设计师使用的敏捷式 GIS规划平台，规划设计师可针对具体的规划项目，通过 系统配置管理子系统对支持规划设计工作的数据环境和功 能环境进行自由定制，从而快速搭建一个适合自己需要的 地理设计平台。该子系统主要包括规划项目管理、系统功 能配置、专题图配置、快捷定位配置以及属性展示配置等 功能模块。

2) 属性数据处理子系统。

属性数据处理子系统主要用于属性数据的管理和维护，包括方便属性数据操作的一系列功能，如属性结构处理、属性数据处理以及GIS/EXCEL协同等功能模块。其中，GIS/EXCEL协同功能模块主要是方便规划设计师对 EXCEL数据的使用。

3) 图形数据处理子系统。

与属性数据处理子系统相对应，图形数据处理子系统主要用于空间数据的导入以及空间数据的预处理，以保证 空间数据分析结果(如容积率和建筑密度)的准确性。目前 该子系统主要包括GE数据获取、外部CAD数据导入、地 块压盖处理以及地块分解处理等功能模块。

4) 规划分析子系统。

规划分析子系统提供方便、快捷的空间数据分析模块，以满足规划设计师在规划设计过程中对空间数据分 析的需要。该子系统既包括多模式信息查询、综合统计 分析、规划指标计算、设计环境分析等常规的规划分析功能，也包括用于城市设计的三维场景分析、街景剖面分析、景观视廊分析以及天际线分析等功能。

5) 规划设计子系统。

规划设计子系统是THGeoDesign的核心子系统， 该子系统提供规划设计过程中所常用的工具，方便规划设计方案的产生。主要包括GIS/ CAD协同、方案对比分析、地块智能处理以及建筑智能布局等。其中GIS/CAD协同模块 提供了将CAD环境中的设计工作与GIS环境中的分析工作紧密结合的工作模式，使得设计草图能及时得到评价，体现了地理设计的基本理念。建筑智能布局模块则采用智能处理技术，根据设计范围内容的环境信息和设计参数自动生成符合要求的平面设计图。

6) 规划评价子系统。

对规划地段进行调查、分析与评价是进行规划设计方案的前提，本规划评价子系统包括了模型管理、知识规则管理和评价模型构建等功能模块，用于对评价对象进行分析评估。模型计算方面则包括模型式综合评价、规则式综合评价以及评价因子计算等功能模块。

7) 地理模拟子系统。

地理模拟技术是一种通过自下而上的模拟试验手段来探索和分析特定地理现象的形成与演变过程的有效工具，能够帮助揭示复杂地理动态现象的形成规律并对其发展方向及演 化过程进行有效的预测。地理模拟子系统包括城市发展情景模拟以及专项规划方案的模拟和评估模块。

8) 专题制图子系统。

专题制图子系统是用于规划成果输出的重要子系统，利用该子系统可实现标准图件和定制图件的输出。具体包括图层样式管理、标准图件面板管理、定制图件面板管理、标准图输出以及定制图输出等功能模块。

3.4 平台实现和技术特点

THGeoDesign基于esri公司的ArcGIS Engine 9.2，在Microsoft VB.NET 9.0环境中开发，数据库采用 Microsoft SQLServer2005。在平台的开发中还利用了 Google Earth和AutoCAD二次开发技术，实现了GE数据 采集、三维空间分析以及GIS/CAD协同功能模块。地理模 拟子系统通过元胞自动机(CA)和多智能体(M-Agent)等智 能计算技术来进行开发。

作为一个以地理设计理念构建的规划设计平台， THGeoDesign具有以下几方面的特点。

1) 规划设计过程的全面支持。

平台充分考虑了规划设计的工作内容，设计了数据处理、规划分析、规划设计、规划评价、地理模拟以及专题 制图等子系统，以便在规划设计的整个过程应用该系统完 成规划设计任务。

2) 可伸缩性的规划设计环境。

根据规划设计环境的特点，THGeoDesign可根据规划设计任务的需要，通过专题图配置、处理功能配置等功 能快速搭建规划设计所需要的数据环境与数据处理环境， 使设计与分析工作能够在定制的环境中进行。

3) CAD技术的应用。

尽管GIS系统具有空间数据分析能力，但用GIS完全取代目前规划设计师所常用的CAD还有很长的路要走。鉴于此，THGeoDesign提供了GIS/CAD协同作业工具，充分 利用了CAD的设计能力以及GIS的数据分析能力，使传统 的规划设计工作可以在GIS的实时支持下进行。

4) Google Earth技术的应用。

Google Earth是目前全球最大的三维地理信息系统，具有数据丰富、用户体验优异的特点。目前，在 城乡规划领域，Google Earth可作为空间数据的一种来源，以弥补规划设计中地理数据不易获取的问题。在 THGeoDesign中利用Google Earth所提供的二次开发接口，开发了数据获取模块，以获取规划地段遥感数据 和DEM数据。与此同时，也利用该接口开发了规划设计成果三维展示与分析模块，以满足规划设计成果即时三 维可视化展示的需要。

5) 地理模拟技术的应用。

地理模拟技术是近年来发展起来的人工智能与GIS结合的新型空间分析技术，该技术在THGeoDesign的应用 增强了平台分析问题的能力。在宏观层面可开展诸如区域 或城市发展的情景模拟分析研究，为规划的决策提供依据，在微观层面进行诸如城市资源优化配置和专项规划方案的评估等。

4 应用案例

目前，THGeoDesign已在中国大运河保护与管理规划、大庆市总体城市设计、大庆 市西城区分区性规划、昆明滇池流域景观风貌保护体系研究以及城市公共安全应急响应动 态地理模拟模型及其在城市公共安全规划中的应用等项目中得到应用。下面就以大庆市西城区分区性规划中工业用地调整分析为例来介绍该平台的应用情况。

4.1 案例背景及技术流程

大庆是一个因油而生、依油而兴的资源型城市，大庆市西城区属于典型的石油工业 资源型城区，然而不合理的工业布局，导致城市空间结构混乱无序、环境污染日益严重、 交通拥堵不断加剧。因此大庆市西城区城市工业用地的调整成为新一轮分区规划的重要内容，为此，项目组制定了如图3所示的技术流程。

该技术流程中工业用地调整评价模型的构建是整个评价工作的核心。该模型包括空间 调整驱动力评价和城市发展政策限制评价两部分(图4)。其中空间调整驱动力评价是指针 对工业用地对布局空间的要求所进行的评价，包括工业用地约束性评价和非工业用地置换 性评价2个方面。城市发展政策限制评价是指从城市不同的发展政策出发所进行的用地评 价，该评价包括生态工程、人居工程以及工业工程三方面的政策评价内容。

调整备选方案是指根据工业用地调整的需求按照调整评价的结果确定工业用 地调整的时序。具体来说，就是以空间调 整驱动力评价为基础，用不同的城市发展 政策限制来划分限制区域，限制区域内的 工业用地按照空间调整评价结果优先进行 调整排序，这样根据不同的城市发展政策 就会得到不同的备选方案。本次规划中设 定了生态工程政策方案、人居工程政策方 案、工业工程政策方案以及无政策限制方案4种备选方案。最后按照各备选方案的 评价结果确定工业用地的调整时序、调整 批次以及调整数量。

4.2 规划设计应用实践

根据大庆市西城区分区性规划 的规划内容和上述分析，项目组利用 THGeoDesign的“系统配置管理”子系 统搭建了大庆市西城区规划支持系统，并 在“评价模型构建”模块的支持下采用层 次分析法构建了大庆市西城区工业用地调 整评价模型(图5)。在此基础上利用“评 价因子计算”模块中的距离因子计算、内 部关系因子计算、外部关系因子计算(图6)、密度计算以及空间传值等功能，完成 了交通运输、调整规模、空间功能等12 个评价因子的计算。之后利用“模型式综 合评价”模块得到了生态工程方案、人居 工程、工业工程以及无政策限制4个备选 方案的评价分析结果。该结果通过“备选 方案计算”和“调整批次计算”模块的处 理最终得到如图7所示的4种备选方案调整批次分析图(图7)。

在上述分析方案的基础上，利用“方 案统计”模块来分析不同备选方案工业用 地调整时序和调整规模的叠合度。图8所展示的是生态工程、人居工程、工业工程 3个备选方案中工业用地调整批次均为第 一批的地块分析结果。当然，根据需要可 以选择任意2个备选方案进行综合分析。

由于上述分析结果不仅考虑了工业用 地的空间约束条件，还考虑到不同发展政 策对工业用地的影响，因此，分析结果对 大庆市西城区工业用地的调整具有重要的指导意义。

在本次规划实践中，THGeoDesign除了用于上述工业用地调整研究外，还在专题分析(如土地利用现状分析、用地空间管制分析、住区建筑与环境质量评估)、专项规划(如土地利用规划、 绿地系统规划、道路交通规划)以及规划成果输出等方面得到了应用。鉴于篇幅所限，就不一一赘述了。

5 结语

目前，地理设计的理论、方法、工具还处于起步阶段，国内外尚无成熟的应用体系，但地理设计作为一种全新的规划设计模式，是未来规划设计领域的发展方向。在我国规划编制由定性到定量、由粗放到精细、由静态到动态的今天，地理设计的研究与实践就显得尤为迫切。

本文所介绍的THGeoDesign是笔者在地理设 计工具方面的初步探索成果，该平台已在教学、科研和规划实践中得到了应用，并取得了很好的应用效果，希望对我国地理设计的研究与实践起到一定借鉴作用。当然，THGeoDesign也有很多不完善的地方，希望在地理设计理论的指导下对平台在易用性、公众参与性、规划动态评估以及动态模拟等方面进行改造和提升。

 

参考文献：

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[8] 李莉，袁超.地理设计的思想、方法和工具[J].地理空间 信息，2011(6)：42-44.

作者简介：

周文生/1966年生/男/浙江江山人/GIS专业博士/清华大学建筑学院规划系副教授/研究方向为地理模拟、地 理设计和文化遗产保护(北京 100084)

杨旭彤/1986年生/女/河南郑州人/GIS专业硕士/北京市规划委员会丰台分局信息中心助理工程师/研究方向为GIS 在城市规划方面的应用(北京 100071)

苏文松/1982年生/男/江苏泰州人/风景园林专业硕士/注册规划师/中关村发展集团股份有限公司/中国科学院地理科学与资源研究所在读博士研究生/研究方向为产业园区空间规划和产业布局(北京 100080)