“多规合一”背景下古建筑规划保护辅助审批系统应用研究——以东莞市古建筑为例

覃 俊 钱乐祥* 吴志峰 陈颖彪 李安敬 周 芬 许英明

1(广州大学地理科学学院 广东 广州 510006)2(广州市昱安信息技术有限公司 广东 广州 510663)3(广东南方数码科技股份有限公司 广东 广州 510665)

0 引 言

历史古建筑损毁主要归因于：① 被侵占挤压，导致环境变化，加剧古建筑建材材质老化；② 人们物质生活水平提高，无法满足生活需求，被遗弃或拆除；③ 部分古建筑保护级别太低，属于城市改造规划范围内；④ 修缮、保护措施存在局限性；⑤ 自然灾害等。针对以上问题，学者开展了大量实地保护相关研究[1-5]。然而，实物保护受限于其生命周期，无法永久保存[6]，古建筑数字化在保护、展示和辅助修缮[7]等方面逐渐成为研究热点，并随着激光测绘[8-10]、倾斜摄影测量[11]、BIM[12]等技术的发展，古建筑数字化体系趋于完善。同时，由于古建筑保护与开发利用多以政策导向为主要驱动力，城市规划管理部门和文物管理部门对古建筑的保护与开发利用起决定性作用。近年来，新的城市总体规划和控制性详细规划方案层出不穷，国家对文物保护的重视程度也与日俱增[13]，不少地方的文物保护空间规划控制体系正积极和当地“多规合一”体系对接，纳入统一工作平台[14-15]。然而，基于文物古建的数字化成果和规划成果搭建数字化管理平台，辅助审批文物古建相关建设项目的研究较少，导致了“多规合一”背景下城市历史风貌空间保护管理体系的不完善。

本文梳理研究区域内古建筑数量及分布，采用无人机和云台相机分别采集低空和地面的古建筑立体空间信息，构建精细化三维实景模型。结合东莞市规划局现有规划审批系统，设计开发古建筑保护规划审批辅助决策系统，实现规划管理部门对古建筑的动态管理与辅助决策，分析古建筑周边建设项目对其造成的空间影响，加强对古建筑及其周边环境的保护，完善“多规合一”下城市古建筑风貌空间保护体系。

1 系统分析

传统城市规划管理通常以二维设计图为基础，其三维效果图往往屏蔽周围地物和环境。只从单一项目本身来审批，缺乏全局视角，无法直观感知建设项目与其周边环境的空间关系及协调度[16-17]。随着三维激光扫描技术和倾斜摄影测量技术的发展，建筑复杂结构三维建模技术逐渐成熟[12]，利用二维空间展示城市规划数据的方法正在逐渐被更能直观反映城市规划成果的三维可视化技术取代[18]。然而，传统的三维WebGIS的客户端实现技术不能充分满足开放性、跨平台性、插件依赖性、渲染速度等方面的需求[19-20]。本系统采用新兴的HTML5和WebGL技术，将古建筑三维模型加入到WebGIS应用中[19-22]，提出了一套古建筑规划保护辅助审批三维可视化平台，实现了多源异构数据的综合展示，弥补了东莞市城乡规划局规划审批三维空间分析功能的不足。该系统的设计与实现对城市建设部门审批古建筑周边建设项目、提高古建筑保护能力具有重要意义。

2 系统设计

2.1 系统架构

本文基于SOA架构模型进行系统设计，采用组件化和面向对象的设计开发模式，结合新兴的WebGL技术，选用J2EE技术体系架构主流的MVC分层设计模型及B/S结构进行实际开发。在基础二三维地理信息数据的基础上，整合历史建筑三维模型，建立基于3D WebGIS的规划辅助审批系统。系统由下而上分为四层：基础设施层提供系统运行和数据存储的软硬件环境；数据资源层由各类业务主体数据库、基础资源数据库组成；应用支撑层包含系统组件库和基础服务；应用层提供数据管理、综合展示、统计分析，以及包含三维规划方案审批等各项空间分析功能的辅助审批模块。除此以外，系统还包含了古建筑数字化标准体系、质量保障体系以及平台运维管理体系等内容，具体如图1所示。

图1 系统架构图

2.2 功能结构

本文中原型系统的设计采用组件式开发的理念，将系统中公共的业务和功能部分抽象为组件，并将组件注册到企业服务总线上。随着业务需求的变化，通过组件的组装，就可形成新的应用。系统应用层是在应用支撑层的基础上进行设计，分为四大模块(数据管理，综合展示，辅助审批，统计分析)，每个模块对应详细的子功能如图2所示。

图2 功能结构图

3 数据库设计

3.1 数据采集与处理

数据采集的质量决定了三维模型的精度。因此，在选用高精度设备的基础上，需制定详细的数据采集方案。本文在低空多视角摄影和地面多视角影像采集工作中，分别采用DJI Inspire 1 RAW多旋翼无人机和DJI Osmo三轴手持云台，搭载Zenmuse X3广角镜头的集成化解决方案，将采集的影像根据色卡进行匀光匀色处理后，导入三维实景建模软件Context Capture(CC)。然后分别完成地面和低空的多视影像空中三角测量(Aero Triangulation，AT)，基于影像位置信息严格配准，合并区块(blocks)，对影像进行密集匹配，生成彩色点云，构建TIN三角网和Mesh模型，映射纹理。最终完成古建筑三维实景模型的建设工作。该过程如图3所示。

图3 三维实景建模技术路线

3.2 数据库存储

本文中原型系统数据库由用户数据、基础地理信息数据、古建筑属性数据、古建筑三维数据、规划方案三维数据、历史街道数据、全景空间数据等业务数据组成。古建筑三维模型又根据其重要性分为精细模型和简单模型，基础地理信息数据由规划局或国土局提供高清电子地图和影像数据。数据存储部分由Oracle关系型数据库和ArcGIS SDE地理空间数据引擎组成，基于由开放地理空间联盟(OGC)提出的开放标准(如WFS、WMS)通过数据库连接驱动、Web Service进行访问[13]。规划方案三维数据要求建设单位提供.max文件格式，由Autodesk 3ds Max打开，通过该软件中UsxExporter插件导出.usx格式的模型数据，然后经由编译发布平台发布模型服务，在服务器中进行配置后，可导入本系统中进行辅助审批的各项分析功能。

4 系统开发与功能实现

4.1 开发环境

(1) 操作系统：Windows 7；

(2) 编程语言：Java，SQL，JavaScript，JQuery，CSS；

(3) 开发工具：Eclipse、PLSQL Developer；

(4) 数据库系统：Oracle Database 11g；

(5) WebGIS平台：ArcGIS Server 10.2；

(6) 空间数据引擎：ArcGIS SDE。

4.2 总体结构

本系统为Web端应用，创建Web站点时，需要使用HTML语言向组成Web站点的各个Web页面放置文本、图形、动画、音频信息等内容，以及按钮和超链接等可以进行交互的内容。数据管理综合展示、辅助审批、统计分析等用户操作界面由此构建而成。系统操作界面分为三块，采用DIV + CSS实现布局，用

• 标签实现导航栏，
  标签实现数据管理的数据增加、更新、删除等面板，标签用于承载统计分析的图片渲染以及综合展示功能，包括古建筑宏观、纵观、微观展示以及单栋建筑室内外精细三维模型等。

  三维模型渲染方面采用了WebGL 3D图形标准，解决了现有的Web交互式三维动画的两个问题：(1) 它通过HTML脚本本身实现Web交互式三维动画的制作，无须任何浏览器插件支持;(2) 它利用底层的图形硬件加速功能进行的图形渲染，是通过统一的、标准的、跨平台的OpenGL接口实现的。具体实现主要使用three.js，它是对WebGL进行的封装，所以实际上WebGL是3D绘图的基础，但使用three.js开发会更加高效。在three.js中，核心的便是场景(scene)、相机(camera)、渲染器(renderer)。场景是一个容器，可以将一些物体如cube放在这个容器中；相机的作用就是选择合适的角度对这个容器进行拍摄得到一幅照片；渲染器的作用是把相机拍到的照片放到浏览器中显示。建筑方案三维模型借助了第三方提供的接口实现建筑模型数据的导入。

  4.3 系统功能

  4.3.1数据管理

  数据管理功能是对系统各类基础空间数据和属性数据的增加、更新、删除，包括地形图、地名地址库、古建筑属性信息、历史街道数据等，数据类型包含表单、视频、全景、GPS测点信息、三维模型等。可通过名称实现模糊查询，或通过条件筛选，查找相应的古建筑信息，实现属性数据的查询和地图定位。其实现方法是服务器接收数据并进行对应的业务逻辑处理，再通过JDBC将数据持久化，即将内存中的数据模型转换为存储模型。

  4.3.2综合展示

  综合展示功能包括古建筑宏观、纵观、微观展示，宏观上以研究区地图为背景，展示每个区域建筑类型及数据统计图表；纵观上，以三维平台为支撑，设置漫游路线，模拟人在研究区古建筑群中走动游览；微观上可实现对单栋建筑室内外精细三维模型、建筑结构剖面的平移、放大、缩小等浏览操作，如图4所示。本系统为B/S架构，用户操作界面(前端)由HTML+JavaScript构建，页面form(表单)中的数据通过request对象传送到服务端(后端)。此外，还实现了二三维地图联动展示，通过点击查询结果或地图上某一位置可快速定位到对应古建筑的空间位置，查看该建筑属性信息。

  

  图4 建筑结构剖面图

  4.3.3辅助审批

  辅助审批系统是本系统的主要功能，将建设项目三维方案导入系统，实现了三维GIS的各类空间分析功能，主要包括了控高分析、红线分析、阴影分析、视野分析、方案比选等。

  (1) 控高分析。该功能主要用于方案的高度符合性检查[20]。根据当前用地的控高值生成三维控规盒，比较方案建筑与控规盒之间的高度差，如果方案高度超过控规盒的高度，则该建筑采用黄色显示，并可列出超出部分所在建筑楼别，如图5所示。

  

  图5 控高分析

  (2) 红线分析。根据城市规划部门控制性详细规划中道路红线的退线距离生成缓冲区(buffer)，与当前方案中的建筑物范围进行比对，对于建筑超线部分采用红色高亮显示。

  (3) 阴影分析。该分析即建设方案的日照分析。根据研究区经纬度确定当地日照条件，选取日期和时间，通过request获取相关数据；根据sdk中提供阴影分析方法，传入相关日期和时间数据，自动生成日照位置，直射古建筑产生阴影遮挡，并自动计算遮挡区域及时长等；分析建设项目对周边一定范围内古建筑在某一天的日照效果和阴影遮挡情况，可通过时间轴进行动态模拟。该分析界面如图6所示。

  

  图6 阴影分析

  (4) 视野分析。称为定点查看，模拟分析人在固定位置往不同角度的通视情况或遮挡情况。该功能不仅可用于建设项目方案审批，对历史文化街区的景观保护也具有重要意义。该分析界面如图7所示。

  

  图7 视野分析

  (5) 方案比选。对同一建设项目不同建设方案的对比，并可加入现状建筑，通过双屏或三屏联动展示，直观分析建设项目与周边历史文化街区的景观协调性，综合分析不同建设方案的优劣，为建设单位进行方案调整和城市规划管理部门决策提供参考。相关数据来源于存储模型，存储模型包含关系模型、XML、二进制流；在程序中保存对象时，会把数据保存到Session会话中，然后根据项目的配置文件，自动将这种保存提交到数据库中。该功能界面如图8所示。

  

  图8 方案比选

  4.3.4统计分析

  统计分析功能通过输入精确坐标或者选择区域、选择视野范围、圆选、框选、多边形选在二维地图选定区域，统计该区域内的符合古建筑类别、级别、年代等条件下的古建筑数量，并以图形和表格两种模式展示，点击统计结果数值可查看统计明细表，如图9所示。

  

  图9 统计分析

  5 结 语

  本文以历史古建筑倾斜摄影测量的三维实景模型数据成果为基础，基于B/S架构，提出了一套“多规合一”背景下古建筑空间保护体系的WebGIS应用——古建筑保护规划审批辅助决策系统，实现了古建筑的综合展示、统计分析，以及历史街区城市建设项目的控高分析、红线分析、阴影分析、视野分析、方案比选等空间分析功能，建立了古建筑数字化档案，为历史街区城市建设项目的规划审批和古建筑数字化保护提供科学依据。

  实践证明，本系统更好地发挥了历史古建筑三维数字化成果，提高了城市规划管理部门对城市建设项目与周边古建筑景观协调性的规划能力，有效控制了负面空间影响，将古建筑空间保护体系加入城市规划部门审批制度，是对“多规合一”背景下城市历史风貌空间保护管理体系的探索和实践。