CN107944089B - 一种基于现状视廊的地块限高分析系统及其分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于现状视廊的地块限高分析系统及其分析方法，其特征在于所述系统包括以下模块：基础数据搜集模块，用于收集周边地形、现状建筑和建设地块的数据；现状视廊高度分析模块，进行现状地块高度统计、现状视廊目标解析、现状视廊高度计算，得出观察点的现状视廊控制高度；地块规划限高决策模块，由空间内任一点的空间位置读取该点的现状视廊高度作为限高，将地块边界内所有点的现状视廊高度最小值作为该地块的规划限高。本方法计算快速准确，所需数据可按常规流程搜集，在城市视廊专项控制、地块或建筑限高规划等方面有较高的应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于现状视廊的地块限高分析系统及其分析方法。
背景技术
城市研究课题具有综合性高、操作性强、专业面广等特点，往往涉及场地、竖向、道路、建筑、地形和地块等多方数据，因此有必要在三维设计过程中探索数据的交互设计、多因素的协同设计以及数据挖掘的技术规范，为提高对现状格局的识别、加深对既有功能的理解提供硬件支持。然而，现阶段和城市（视觉）专项规划普遍缺乏对基地现状建设条件的系统预判以及对空间管制策略的前期研究。
ESRI arcGIS平台提供了丰富、灵活的空间加工和再解读能力，具有强大的空间2维（或2.5维）数据处理能力，相同情况下的运算速度快于多数传统BIM软件，在三维精度要求不高但尺度巨大、要素众多的城市研究和方案阶段较为适用，尤其适用于观察点的现状视廊分析和确保某景观可视的视廊控制等分析。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于现状视廊的地块限高分析系统，以ESRI arcGIS10.3为基础平台，结合AUTODESK autoCAD的矢量存储功能和ESRI arcGIS的空间数据挖掘功能，通过周边地形数据、建设地块和现状建筑高度推出各建设地块的规划最大高度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于现状视廊的地块限高分析系统，其特征在于所述系统包括以下模块：
基础数据搜集模块，用于收集周边地形数据、建设地块数据和现状建筑数据预处理流程，将得出周边地形、现状建筑和建设地块的数据；
现状视廊高度分析模块，进行现状地块高度统计、现状视廊目标解析、现状视廊高度计算，得出观察点的现状视廊控制高度；
地块规划限高决策模块，由空间内任一点的空间位置读取该点的现状视廊高度作为限高，将地块边界内所有点的限高（现状视廊高度）最小值作为该地块的规划限高。
进一步地，所述地块限高分析系统基于ESRI arcGIS的架构。
进一步地，基础数据搜集模块包括周边地形数据预处理模块、现状建筑数据预处理模块和建设地块数据预处理模块。
进一步地，由建设地块边界对其内部现状建筑高度进行统计得出，通过最大值、众数值或平均值等统计方法得出各地块的现状有效高度；根据开敞空间的自身面积、辐射半径、空间使用率和使用者观景需求选取特定观察点，基于观察点对周边地形进行可视性分析，筛查出该观察点可见的地形区域，该可见地形区域内任一点将作为可见目标点用于后续的视廊高度计算；计算观察点到可视目标的仰角正切值，由仰角正切值和任一点距观察点水平距离的乘积确定该点的现状视廊高度。
本发明的目的在于提供一种基于现状视廊的地块限高分析方法，以ESRI arcGIS10.3为基础平台，结合AUTODESK autoCAD的矢量存储功能和ESRI arcGIS的空间数据挖掘功能，通过周边地形数据、建设地块和现状建筑高度推出各建设地块的规划最大高度。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于现状视廊的地块限高分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
A、基础数据收集，得到周边地形、现状建筑和建设地块的数据；
B、进行现状地块高度统计、现状视廊目标解析、现状视廊高度计算，得出观察点的现状视廊控制高度；
C、根据各开敞空间的自身面积、辐射半径、空间使用率和使用者观景需求选取若干个观察点，由空间内任一点的空间位置读取该点的现状视廊高度作为限高，将地块边界内所有点的现状视廊高度最小值作为该地块的规划限高。
进一步地，步骤A中，基于地理空间数据云的空间栅格数据得到周边地形数据；该地形数据通过空间参考点配准、校准至与路网、建设区、水系、绿地矢量数据相一致；所述周边地形数据包含了城市周边的大尺度地理要素，用以提取引导空间决策的景观地形要素。
进一步地，步骤A中，基于业主提供的矢量文件整理得到现状建筑数据，该现状建筑数据包括了建筑基线投影格局、建筑高度，结合了基于GOOGLE earth投影长度解译的校验过程；通过转换、筛选、关联和编辑转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据。
进一步地，步骤A中，根据业主提供的CAD图纸确定建设地块数据，同时结合OpenStreetMap网站的矢量数据进行整合，建设地块数据包括了路网和建设区内部各地块的空间属性，通过转换和编辑等操作转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据。
进一步地，由建设地块边界对其内部现状建筑高度进行统计得出，通过最大值、众数值或平均值等统计方法得出地块现状有效高度；根据开敞空间的自身面积、辐射半径、空间使用率和使用者观景需求选取特定观察点，基于观察点对周边地形进行可视性分析，从中筛查出该观察点可见的地形区域，该可见地形区域内任一点将作为可见目标点用于后续的视廊高度计算；计算观察点到可视目标的仰角正切值，由仰角正切值和任一点距观察点水平距离的乘积确定该点的现状视廊高度。
本发明以确保现状某景观可视为规划目标，得出视线廊道控制高度并转义为地块的规划限高，为详细规划阶段的地块限高提供指引，本发明旨在实现对基地现状视廊的系统预判，为城市视廊专项控制、地块或建筑限高规划等方面的空间决策提供依据。本方法基于ESRI arcGIS平台的空间数据处理，计算快速准确，所需数据可按常规流程搜集，在城市视廊专项控制、地块或建筑限高规划等方面有较高的应用价值。
附图说明
图1是本发明中数据分析的过程示意图。
图2是本发明的基础数据搜集模块的过程示意图。
图3是本发明的现状视廊高度分析模块的过程示意图，其中图3a为现状地块高度统计流程图，图3b为现状视廊目标解析流程图，图3c为现状视廊高度计算流程图。
图4是本发明的基于现状视廊高度的地块限高计算流程图。
图5是现状视廊高度计算原理图。
具体实施方式
本发明所述海绵城市规划空间管制的数据分析方法，该方法主要基于ESRIarcGIS的架构和算法编写。
该方法体系包括三大模块：基础数据搜集模块、现状视廊高度分析模块和地块规划限高决策模块。图1示出了一个示例的相应分析过程。
①基础数据搜集模块
a）周边地形数据预处理：主要基于地理空间数据云（中国科学院计算机网络信息中心科学数据中心，http://www.gscloud.cn）的空间栅格数据；该地形数据通过空间参考点配准、校准至与路网、建设区、水系、绿地等矢量数据相一致；包含了城市周边的大尺度地理要素（例如周边的山体格局、大尺度的区域景观等），用以提取引导空间决策的山体地形要素。
具体步骤包括，从地理空间数据云下载高程数据，导入arcMAP，空间坐标配准，得到周边地形数据。
b）现状建筑数据预处理：主要基于业主提供的CAD图纸等矢量文件整理，同时结合GOOGLE earth目视解译进行校验；该数据包括了建筑基线投影格局、建筑高度（由业主提供的建筑层数和用地层高相乘确定）等参数，结合了基于GOOGLE earth投影长度解译的校验过程；通过转换、筛选、关联和编辑等操作转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据。该数据拟用于城市地块高度统计和视廊现状分析，为引导后续规划提供决策支持。
具体步骤包括：根据业主提供的现状CAD图纸（含建筑基底、层数），提取建筑基底为外部块，转化为面要素，提取建筑层数为外部块，导出为点要素，通过空间属性关联对建筑基底面要素添加层数，得到结果1；
根据业主提供的现状CAD图纸（含地块和用地性质），CAD中将地块转化为封闭面域，并提取面域为外部块，将不同用地性质的地块面域置于同一同名图层，导入polygon子项至arcMAP，导出成面要素，基于用地性质对地块融合，对融合后的地块添加层高（由用地性质查询决定），与结果1进行空间属性关联，添加高度字段，计算楼高（=层数*层高），得到现状建筑数据。
c）建设地块数据预处理：主要根据业主提供的详细规划（或其他建设项目）CAD图纸确定，同时结合OpenStreetMap（http://www.openstreenmap.org）等网站的矢量数据进行整合，参数包括了路网和建设区内部各地块的空间属性；通过转换和编辑等操作转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据。该数据将被作为城市发展和开发分布的判断依据，为后续现状空间统计和规划参数确定提供平面空间单元（图2）。
根据业主提供的现状CAD图纸（含地块和用地性质），CAD中将地块转化为封闭面域，并提取面域为外部块，将不同用地性质的地块面域置于同一同名图层，导入polygon子项至arcMAP，导出成面要素，结合路网数据，对导出的面要素数据进行校准、微调，得到建设地块数据。
②现状视廊高度分析模块
a）现状地块高度统计：对于城区内的地块基于建筑全集数据提取高度信息，基于最不利原则、多数原则或平均原则统计出各地块的现状有效高度----对应取地块关联内建筑高度的最大值、众数值或平均值，也可自定义统计规则（例如：排除异常值后取各建筑高度的最大值、众数值或平均值），为后续景观可视性分析和确保景观可视的各地块控制高度确定提供基础依据（图3-a）。
具体步骤包括：将现状建筑数据转为栅格数据，结合建筑地块数据，对地块内建筑高度的最大值、众数值或平均值等进行统计，并进行非空间属性关联将统计值赋入新增字段，得到结果2；
根据业主提供的已生效的各片区控规CAD图纸（含地块控制高度），提取地块高度为外部块，导入annotation子项至arcMAP，得到结果3；
将业主提供的已生效的各片区控规jpg位图（含地块控制高度），导入至arcMAP，进行多次空间配准，得到结果4，与结果2和结果3结合，对地块的新增字段进行校核、微调，进一步确定各地块的现状有效高度数据。
b）现状视廊目标解析：规划将重视地块在遮挡条件下的周边地形景观价值，充分保留可被视线感知的山体景观。为此，基于筛选得到的特定观察点（例如：户外开敞空间等）对周边山体地形进行可视性分析，从中筛查出该观察点可见的地形区域；该可见区域内任一点将作为可见目标点用于后续的视廊高度计算（图3-b）。
具体步骤包括：将地块有效高度（新增字段的值）转为栅格数据，结合周边地形数据，对地块有效高度和地形进行拼接，得到实际地表数据；
考虑区域所有的开敞空间，通过调查问卷、资料文献和实地调研等探究各开敞空间特性----开敞空间的自身面积越大、辐射半径越大、空间使用率越高、使用者观景需求越高，越适合作为观察点的优先选址。根据特定观察点i的空间位置，在空白shp文档中添加观察点要素，得到观察点i的数据，结合前面得到的实际地表数据面，对观察点i的可视区进行分析，得到观察点i的可见地形区域。
c）现状视廊高度计算：如图5所示，设从地面某观察点到山顶的最大仰角为α，从该观察点到遮挡物（以确定高度的地块）的最大仰角为β，通过考察α和β的关系揭示山体和地形在遮挡情形下的可见性（可看到地形的情况为β<α），只有当观察点和可见目标点之间任一点的β都小于α，才能确保现状山体可见区域不被遮挡。
为确保规划后现状可见的山体景观不被遮挡，通过现状可视目标与观察点的关系逆向推出现状视廊高度。基本思路为：先计算从特定观察点到可见山体景观的视线仰角正切值（=可见目标点的高度/可见目标点到观察点的水平距离），再基于视线仰角正切值和某点距观察点的水平距离得到该点的视廊控制高度（=视线仰角正切值×某点到观察点的水平距离）。
具体步骤包括：对于特定观察点i，生成观察点i的观察距离和观察扇面，结合观察点i的观察距离和实际地表数据，生成观察点i的地表仰角，根据观察点i的可见地形区域从中抽取观察点i的可见区地表仰角；结合观察点i的观察扇面，统计出观察扇面内可见区的最大地表仰角，再结合观察点i的观察距离，计算保留山体可见的视廊高度（=最大地表仰角*观察距离），即得到观察点i的现状视廊控制高度。
③地块规划限高决策模块
a）基于现状视廊高度的地块限高计算：该研究主要基于上述现状视廊高度，以确保“只要地块低于限制高度，即不会对现状视廊产生任何影响”。基本计算思路为：将各地块空间位置和现状视廊格局进行空间关联，测量各地块边界内某观察点的现状视廊高度最小值，得到满足该观察点现状视廊高度的各地块控制高度（先在360°水平视角内进行计算）。
具体步骤包括：根据观察点i的现状视廊控制高度和建设地块数据，统计各地块内现状视廊控制高度最小值，得到基于观察点i视廊控制的地块高度。
b）地块高度控制方案编制：根据实际观察效果或其他观景价值相关因素对每个地块制定分别针对各观察点的控制高度。首先，考虑到地块某些要素难以在规划后调整高度，兼顾其他规划目标和影响因素，确定基于某个观察点的最佳或最优水平观察角度，在原来的360°水平视角内筛选观察视角（实际地块控制将仅考虑该观察视角内的基于视廊控制的地块限高）。用上述方法分别研究各观察点，对各地块控制高度输出值采用最小值算法，得到满足所有观察点观察视角内视廊控制要求的各地块控制高度。
具体步骤为：根据实际观察效果或其他和观景价值有关的影响因素以及其他规划目标的相关因素，选取观察点1的最佳或最优观察角度，构建数字化水平视角，结合基于观察点1视廊控制的地块高度，选择和水平视角无交集的地块并将其地块高度字段无效化（值改为65536），转为栅格数据，得到基于观察点1视廊控制在最佳或最优视角内的地块高度；依次得到观察点2~n的视廊控制在最佳或最优视角内的地块高度，通过所有结果的最小值计算得到满足所有控制要求的地块限高，得到满足所有观察点可视目标山体的地块控制限高。
Claims (7)
1.一种基于现状视廊的地块限高分析系统，其特征在于所述系统包括以下模块：
基础数据搜集模块，用于收集周边地形数据、建设地块数据和现状建筑数据预处理流程，将得出周边地形、现状建筑和建设地块的数据；
现状视廊高度分析模块，进行现状地块高度统计、现状视廊目标解析、现状视廊高度计算，得出观察点的现状视廊控制高度；
地块规划限高决策模块，由空间内任一点的空间位置读取该点的现状视廊高度作为限高，将地块边界内所有点的现状视廊高度最小值作为该地块的规划限高；
其中
基础数据搜集模块包括周边地形数据预处理模块、现状建筑数据预处理模块和建设地块数据预处理模块；
周边地形数据预处理模块：基于地理空间数据云的空间栅格数据；该地形数据通过空间参考点配准、校准至与路网、建设区、水系、绿地等矢量数据相一致；包含了城市周边的大尺度地理要素（，用以提取引导空间决策的山体地形要素；
现状建筑数据预处理模块：基于业主提供的CAD图纸等矢量文件整理，同时结合GOOGLEearth目视解译进行校验；该数据包括了建筑基线投影格局、建筑高度，结合了基于GOOGLEearth投影长度解译的校验过程，通过转换、筛选、关联和编辑等操作转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据；该数据拟用于城市地块高度统计和视廊现状分析，为引导后续规划提供决策支持；
建设地块数据预处理模块：根据业主提供的详细规划CAD图纸确定，同时结合OpenStreetMap网站的矢量数据进行整合，参数包括了路网和建设区内部各地块的空间属性；通过转换和编辑等操作转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据；
现状视廊高度分析模块包括现状地块高度统计、现状视廊目标解析和现状视廊高度计算模块；
现状地块高度统计，对于城区内的地块基于建筑全集数据提取高度信息，基于最不利原则、多数原则或平均原则统计出各地块的现状有效高度----对应取地块关联内建筑高度的最大值、众数值或平均值，或自定义统计规则，为后续景观可视性分析和确保景观可视的各地块控制高度确定提供基础依据；
现状视廊目标解析：规划将重视地块在遮挡条件下的周边地形景观价值，充分保留可被视线感知的山体景观，为此，基于筛选得到的特定观察点对周边山体地形进行可视性分析，从中筛查出该观察点可见的地形区域；该可见的地形区域内任一点将作为可见目标点用于后续的视廊高度计算；
现状视廊高度计算：设从地面某观察点到山顶的最大仰角为α，从该观察点到遮挡物的最大仰角为β，通过考察α和β的关系揭示山体和地形在遮挡情形下的可见性，只有当观察点和可见目标点之间任一点的β都小于α，才能确保现状山体可见区域不被遮挡；为确保规划后现状可见的山体景观不被遮挡，通过现状可视目标与观察点的关系逆向推出现状视廊高度；
地块规划限高决策模块包括基于现状视廊高度的地块限高计算和地块高度控制方案编制模块；
基于现状视廊高度的地块限高计算：将各地块空间位置和现状视廊格局进行空间关联，测量各地块边界内某观察点的现状视廊高度最小值，得到满足该观察点现状视廊高度的各地块控制高度；
地块高度控制方案编制模块，根据实际观察效果或观景价值相关因素对每个地块制定分别针对各观察点的控制高度；首先，考虑到地块某些要素难以在规划后调整高度，兼顾其他规划目标和影响因素，确定基于某个观察点的最佳或最优水平观察角度，在原来的360°水平视角内筛选观察视角；研究各观察点，对各地块控制高度输出值采用最小值算法，得到满足所有观察点观察视角内视廊控制要求的各地块控制高度。
2.如权利要求1所述的一种基于现状视廊的地块限高分析系统，其特征在于，现状视廊高度分析模块中，由建设地块边界对其内部现状建筑高度进行统计得出，取样本的最大值、众数值或平均值等得出地块现状有效高度；根据开敞空间的自身面积、辐射半径、空间使用率和使用者观景需求选取特定观察点，基于观察点对周边地形进行可视性分析，筛查出该观察点可见的地形区域，该可见的地形区域内任一点将作为可见目标点用于后续的视廊高度计算；计算观察点到可视目标的仰角正切值，由仰角正切值和任一点距观察点水平距离的乘积确定该点的现状视廊高度。
3.如权利要求1所述的一种基于现状视廊的地块限高分析系统的地块限高分析方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
基础数据收集，得到周边地形、现状建筑和建设地块的数据；
进行现状地块高度统计、现状视廊目标解析、现状视廊高度计算，得出观察点的现状视廊控制高度；
选取若干个开敞空间作为观察点，由空间内任一点的空间位置读取该点的现状视廊高度作为限高，将地块边界内所有点的现状视廊高度最小值作为该地块的规划限高；观察点选择的优先性与开敞空间的自身面积、辐射半径、空间使用率和使用者观景需求正相关。
4.如权利要求3所述的地块限高分析方法，其特征在于，步骤A中，基于地理空间数据云的空间栅格数据得到周边地形数据；该地形数据通过空间参考点配准、校准至与路网、建设区、水系、绿地矢量数据相一致；所述周边地形数据包含了城市周边的大尺度地理要素，用以提取引导空间决策的景观地形要素。
5.如权利要求3所述的地块限高分析方法，其特征在于，步骤A中，基于业主提供的矢量文件整理得到现状建筑数据，该现状建筑数据包括了建筑基线投影格局、建筑高度，结合了基于GOOGLE earth投影长度解译的校验过程；通过转换、筛选、关联和编辑转化为ESRIarcGIS平台可读取的数据。
6.如权利要求3所述的地块限高分析方法，其特征在于，步骤A中，根据业主提供的CAD图纸确定建设地块数据，同时结合OpenStreetMap网站的矢量数据进行整合，建设地块数据包括了路网和建设区内部各地块的空间属性，通过转换和编辑等操作转化为ESRI arcGIS平台可读取的数据。
7.如权利要求3所述的地块限高分析方法，其特征在于，由建设地块边界对其内部现状建筑高度进行统计，取样本的最大值、众数值或平均值等得出地块现状有效高度；根据开敞空间的自身面积、辐射半径、空间使用率和使用者观景需求选取特定观察点，基于观察点对周边地形进行可视性分析，从中筛查出该观察点可见的地形区域，该可见的地形区域内任一点将作为可见目标点用于后续的视廊高度计算；计算观察点到可视目标的仰角正切值，由仰角正切值和任一点距观察点水平距离的乘积确定该点的现状视廊高度。
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