本發(fā)明涉及地理信息科學虛擬現(xiàn)實領域,尤其是城市景觀測量和三維模擬顯示的一種城市樓層可視綠地面積快速估算及三維展示方法。
背景技術:
當前,城市化背景下中國開始采取垂向發(fā)展策略,城市綠地面積所占比例下降的同時城市綠地的可視性也受到了阻擋。城市綠地對于城市生態(tài)發(fā)展及居民舒適度來說都具有重要價值。其主要功能除了生態(tài)功能(凈化空氣等)、社會功能(減少犯罪、烘托城市文化氛圍等)以外,還具有視覺功能。即城市綠地具有觀賞價值,且科學研究表明觀賞綠地可以減輕城市居民的負面心理癥狀。因此,對城市綠地視覺功能的分析研究具有十分重大的意義。
目前,分析視覺功能的現(xiàn)有方法主要分為兩類:第一類是使用面向城市居民的主觀評價系統(tǒng)收集和分析綠地的視覺評價。通過展示照片、影像模擬城市景觀內(nèi)部第一人稱視角的觀賞狀態(tài),分析居民評分及回饋的語義數(shù)據(jù),最后得出視覺評價結論。這類方法的優(yōu)點是充分收集了居民舒適度的主觀評價數(shù)據(jù),缺點在于個體差異以及簡陋的分析手段對于結果影響極大。第二類是使用Viewsphere、Green View Index等方法定量地衡量了綠地的視覺功能。這類方法的優(yōu)點在于,通過二維可達性分析或是三維視域分析一定程度上實現(xiàn)了視覺功能的定性描述。其缺點在于耗時耗力且數(shù)據(jù)量非常龐大,諸如需要在數(shù)個城市街道交叉口拍攝照片并提取照片中綠色像素所占百分比來加權相加得到結果。此外,一些三維視域分析的方法在建模過程中效率也往往十分低下。可見,現(xiàn)有方法通常不能完整、全面、定量、自動地分析城市綠地的視覺功能。綜上,當前分析城市綠地視覺功能的技術主要存在以下幾個方面的問題:
(1)止于定性模擬以及二維平面的定量估算,缺乏垂直尺度上定量化的衡量。
(2)缺少具象地表達城市綠地景觀視覺質量的技術。
(3)依靠傳統(tǒng)調查、人工測量或是人工建模的方式,工作量極大,數(shù)據(jù)更新速度極慢。
技術實現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的就是為了克服上述當前技術存在的問題而提供的一種城市樓層可視綠地面積快速估算及三維展示方法,該方法可以實現(xiàn)城市建筑物各樓層可觀賞綠地面積的快速估算、自動建模以及統(tǒng)一儲存,大大提高了城市綠地景觀視覺職能的分析能力及效率,降低了人力成本。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
一種城市樓層可視綠地面積快速估算及三維展示方法,該方法包括以下步驟:
步驟1:用建筑物分層建模算法,對建筑物數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)進行基底輪廓提取以及自動化三維建模,生成相應的Shp圖層以及Multipatch模型;
步驟2:用樓層可視綠地快速估算算法,結合植被分布數(shù)據(jù)對提取的建筑物各樓層進行可觀賞綠地面積的自動估算;
步驟3:更新建筑物三維模型的屬性字段,并進行分層設色展示。
所述建筑物分層建模算法,具體包括:
i)基底輪廓提?。涸O定3.5-3.8米高程閾值T=3.5-3.8m,使用閾值分割方法,根據(jù)公式得到二值柵格圖;再將二值柵格圖矢量化,即通過邊界線追蹤,去除多余結點(Node)將柵格數(shù)據(jù)整理為記錄各個結點坐標的多個多邊形(Polygon);遍歷該輪廓矢量數(shù)據(jù),記錄各個多邊形的邊界(Extent)并賦予建筑物編號(FID)及類別(Building Type)屬性;
ii)樓層截面輪廓提?。焊鶕?jù)建筑物類別及城市規(guī)劃方案設定層高h,使用同樣的閾值分割和矢量化方法,得到建筑物各樓層的截面輪廓,此處j層樓的閾值T=j*h;遍歷各個樓層輪廓矢量數(shù)據(jù),記錄各個多邊形的中心點坐標G=(x1+x2+…+xn/n,y1+y2+…+yn/n)及樓層數(shù),n為多邊形邊數(shù),x、y為橫、縱坐標;通過判定中心點坐標歸屬的基底輪廓多邊形范圍(Extent)賦予相應建筑物編號屬性;
iii)層間樓層外壁模型構建:創(chuàng)建各樓層高度上的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN),將各樓層輪廓做緩沖區(qū)分析生成一定厚度的環(huán)狀矢量圖層作為壁,將環(huán)壁投影到相應樓層的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)上,通過獲取多邊形邊線與TIN三角邊交點高程值進行線性內(nèi)插并用環(huán)壁輪廓做邊界約束生成新的TIN,連接層間各結點組成三角形面片并最后生成層間樓層外壁模型;
iv)模型組合:依據(jù)建筑物編號進行將三角片進行組合歸并,最終以單個Multipatch類型存儲。
所述的建筑物數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)是指象元值表征高程且土地利用類型歸屬建筑用地的柵格數(shù)據(jù)。
所述樓層可視綠地快速估算算法,具體包括:
i)創(chuàng)建觀測點及觀測平臺:將樓層輪廓進行1個柵格單元邊長大小的緩沖區(qū)分析,通過修改樓層截面輪廓覆蓋柵格的值為該樓層的高度創(chuàng)建“觀測平臺”;在觀測平臺內(nèi),沿截面輪廓線每間隔距離d=1-5m創(chuàng)建一個觀測點,則觀測點總數(shù)Pj代表j層樓的周長,代表的向上取整值,即大于等于的最小整數(shù);
ii)綠地視域分析:使用LOS方法(Line of sight)對各個觀測點進行視域分析,通過比較觀察點高程、目標綠地柵格高程以及觀察點與目標綠地連線上柵格的高程值。若存在高于目標綠地的地物,則該綠地圖斑標記為不可見,否則為可視綠地,所有可視綠地柵格組成一個可視綠地結果集合,Nj個觀測點共可得到Nj個集合;
iii)匯總計算可視綠地總面積:
(1)計算樓層可視綠地面積為GVj(n)指j層樓能夠看到的第n個綠地圖斑,S(·)指該圖斑的大小,Nj是指該層樓可視的綠地圖斑總數(shù),指該層樓所有觀測點可視的綠地圖斑的并集;
(2)計算方向樓層可視綠地面積為t(α,β)指該層樓觀察角θ在α至β范圍內(nèi)可視的綠地圖斑總數(shù),正北作為0°順時針測量至360°;
(3)計算總樓層可視綠地面積以及平均樓層可視綠地面積k是指總樓層數(shù);
上述步驟1-3得到的值錄入追蹤樓層輪廓的矢量文件相應屬性字段內(nèi)。
所述更新建筑物三維模型的屬性字段,并進行分層設色展示,具體包括:
i)根據(jù)各樓層觀測點坐標查詢對應模型外壁面片及水平兩側±d/2距離內(nèi)的面片,更新可視綠地面積屬性;
(2)更新該樓層所有外壁面片的樓層可視綠地面積屬性;
(3)使用分層設色的方法,將目標屬性字段的值劃分等級,依據(jù)級別高低賦予Multipatch模型的外壁面片以及Shp圖層的多邊形以深淺不同的顏色并進行最終展示。
本發(fā)明不僅創(chuàng)新性地提出了垂直方向上的城市可視綠地分析概念,同時實現(xiàn)了自動化估算和快速建模展示,減少了實測的人力成本。滿足了城市居民、城市規(guī)劃者、決策制定者及樓盤經(jīng)銷者等各人群在綠地景觀相關方面的部分需求,具有社會效益和經(jīng)濟價值。
與現(xiàn)有技術相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
(1)在垂直尺度上定量化地衡量了城市建筑物的綠地景觀水平。
(2)具象地用三維建模及著色標記的方法展示了城市綠地景觀的視覺質量。
(3)整個估算和建模過程自動處理,人力成本極低。
本發(fā)明具有社會效益和經(jīng)濟意義,包括:
(1)可用作現(xiàn)有建筑物可觀賞綠地價值的評估,作為居民舒適度評價的一個組成部分。
(2)可用于城市改造項目中預估新建筑物的建造對于周邊建筑綠色視野的影響,輔佐城市規(guī)劃者和決策制定者。
(3)可用作樓盤經(jīng)銷商展示樓盤各層樓各個角度的綠色景觀水平??蓪ⅰ熬G色樓層”作為新房定價的參考因素。
附圖說明
圖1為本發(fā)明流程圖;
圖2為本發(fā)明實施例原始的建筑物數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)以及綠地分布數(shù)據(jù)圖;
圖3為本發(fā)明實施例提取的建筑物基底圖層;
圖4為本發(fā)明實施例中實施例中世界經(jīng)融大廈第四層樓層截面輪廓及建模結果圖;
圖5為本發(fā)明實施例觀測平臺、觀測點的創(chuàng)建以及綠地視域分析結果圖;
圖6為本發(fā)明實施例展示樓層可視綠地面積屬性的單棟建模結果圖;
圖7為本發(fā)明實施例三維模型展示結果圖;
圖8為本發(fā)明實施例生成的展示總/平均樓層可視綠地面積屬性字段的shp結果圖層。
具體實施方式
實施例
參閱圖1,以上海市陸家嘴區(qū)域為研究對象,圖2為本實施例使用的建筑物數(shù)字表面模型以及植被分布數(shù)據(jù)。所述的建筑物數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)是指象元值表征高程且土地利用類型歸屬建筑用地的柵格數(shù)據(jù)。
步驟1:調用建筑物分層建模算法,對建筑物數(shù)字表面模型數(shù)據(jù)進行基底輪廓提取以及自動化三維建模,生成相應的Shp圖層以及Multipatch模型。
具體操作包括:
i)基底輪廓提?。焊鶕?jù)市政規(guī)劃設定3.5米高程閾值T=3.5m,使用閾值分割方法,根據(jù)公式得到二值柵格圖;再將二值柵格圖矢量化,即通過邊界線追蹤,去除多余結點(Node)將柵格數(shù)據(jù)整理為記錄各個結點坐標的多個多邊形(Polygon);遍歷該輪廓矢量數(shù)據(jù),記錄各個多邊形的邊界(Extent)并賦予建筑物編號(FID)及類別(Building Type)屬性;如圖3,陸家嘴區(qū)域共提取了618棟建筑物(574棟居民樓與44棟商用樓)。
ii)樓層截面輪廓提?。焊鶕?jù)建筑物類別及城市規(guī)劃方案設置層高h為居民樓3m、商用樓3.6m,使用同樣的閾值分割和矢量化方法,得到建筑物各樓層的截面輪廓。以商用樓世界經(jīng)融大廈第四層為例,設定閾值T=j*h=4*3.6=14.4m,得到第四層的矢量數(shù)據(jù),記錄各個建筑物多邊形的中心點坐標G=(x1+x2+…+xn/n,y1+y2+…+yn/n)及樓層數(shù),n為多邊形邊數(shù),x、y為橫、縱坐標;通過判定中心點坐標歸屬的基底輪廓多邊形范圍(Extent)賦予相應建筑物編號屬性;如圖4b,世界經(jīng)融大廈第四層的中心點坐標為(3527,549),歸屬建筑物編號21的基底多邊形范圍x∈(3500,3560),y∈(500,597)。
iii)層間樓層外壁模型構建:創(chuàng)建各樓層高度上的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN),將各樓層輪廓做緩沖區(qū)分析生成一定厚度的環(huán)狀矢量圖層作為壁,將環(huán)壁投影到相應樓層的不規(guī)則三角網(wǎng)(TIN)上,通過獲取多邊形邊線與TIN三角邊交點高程值進行線性內(nèi)插并用環(huán)壁輪廓做邊界約束生成新的TIN,連接層間各結點組成三角形面片并最后生成層間樓層外壁模型;如圖4c為世界經(jīng)融大廈第四層生成的模型。
iv)模型組合:依據(jù)建筑物編號進行將三角片進行組合歸并,最終以單個Multipatch類型存儲。
步驟2:調用樓層可視綠地快速估算算法,結合植被分布數(shù)據(jù)對提取的建筑物各樓層進行可觀賞綠地面積的自動估算。
具體操作包括:
i)創(chuàng)建觀測點及觀測平臺:如圖5a,將樓層輪廓進行1個柵格單元邊長大小的緩沖區(qū)分析,修改樓層截面輪廓覆蓋柵格的值為該樓層的高度。將世界金融大廈第四層輪廓截面覆蓋的柵格值修改為3.6*4=14.4m創(chuàng)建該層的“觀測平臺”;在觀測平臺內(nèi),沿截面輪廓線每間隔距離d=1m創(chuàng)建一個觀測點,則觀測點總數(shù)Pj代表j層樓的周長,代表的向上取整值,即大于等于的最小整數(shù);圖5b中為世界金融大廈第四層創(chuàng)建的49個觀測點。
ii)綠地視域分析:使用LOS方法(Line of sight)對各個觀測點進行視域分析,通過比較觀察點高程、目標綠地柵格高程以及觀察點與目標綠地連線上柵格的高程值。若存在高于目標綠地的地物,則該綠地圖斑標記為不可見,否則為可視綠地,所有可視綠地柵格組成一個可視綠地結果集合,Nj個觀測點共可得到Nj個集合;如圖5c為第17個觀測點得到的第17個可視綠地結果集合。
iii)匯總計算可視綠地總面積:
(1)計算樓層可視綠地面積為GVj(n)指j層樓能夠看到的第n個綠地圖斑,S(·)指該圖斑的大小,Nj是指該層樓可視的綠地圖斑總數(shù),指該層樓所有觀測點可視的綠地圖斑的并集;
(2)計算方向樓層可視綠地面積為t(α,β)指該層樓觀察角θ在α至β范圍內(nèi)可視的綠地圖斑總數(shù),正北作為0°順時針測量至360°;
(3)計算總樓層可視綠地面積以及平均樓層可視綠地面積k是指總樓層數(shù);
上述步驟1-3得到的值錄入追蹤樓層輪廓的矢量文件相應屬性字段內(nèi)。
步驟3:更新建筑物三維模型的屬性字段,并進行分層設色展示。
主要操作包括:
(1)根據(jù)各樓層觀測點坐標查詢對應模型外壁面片及水平兩側±d/2距離內(nèi)的面片,更新可視綠地面積屬性;
(2)更新該樓層所有外壁面片的樓層可視綠地面積屬性;
(3)使用分層設色的方法,將目標屬性字段的值劃分等級,依據(jù)級別高低賦予Multipatch模型的外壁面片以及Shp圖層的多邊形以深淺不同的顏色并進行最終展示。圖6為世界金融大廈單棟建模結果,6a、6b為不同方向,其外壁面片展示的是對應觀測點可視綠地面積的字段值,6c展示的是樓層可視綠地面積屬性字段。圖7為陸家嘴區(qū)域618棟建筑的整體建模結果。圖8是用提取的建筑物基座輪廓shp圖層展示總/平均樓層可視綠地面積指數(shù)屬性字段的結果。