CN109284918B - 一种城市立体空间紧凑性测度方法及系统 - Google Patents

一种城市立体空间紧凑性测度方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种城市立体空间紧凑性测度方法及系统，所述方法包括：选取立体紧凑性测度指标；将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格；根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在单位网格的质心距离；根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑。本发明能更加全面、科学地研究城市立体空间形态，实现对城市立体空间形态的紧凑性的定量测量。

Description

一种城市立体空间紧凑性测度方法及系统
技术领域
本发明涉及城市生态学、地理信息技术、遥感技术交叉的技术领域，特别是涉及一种城市立体空间紧凑性测度方法及系统。
背景技术
紧凑城市形态及其调控是城市实现可持续发展的有效手段之一，能够形成节约土地资源、改善交通出行、提高基础设施使用效率、减少环境污染以及维持生态系统服务等诸多正面环境效应，因此，构建紧凑性测度模型，定量化的对紧凑城市进行研究具有重要意义。目前已有的定量化紧凑性测度模型主要包括：城市空间形态特征测度方法和多指标综合计量测度方法，但这些测度方法仅从二维平面角度对城市紧凑性进行分析，难以针对现实城市的立体空间形态进行更为精确的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市立体空间紧凑性测度方法及系统，以更加全面、科学地研究城市立体空间形态，实现对城市立体空间形态的紧凑性的定量测量。
为实现上述目的，本发明提供了一种城市立体空间紧凑性测度方法，包括：
选取立体紧凑性测度指标，所述立体紧凑性测度指标包括城市建筑体积和城市建筑之间的距离；
将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格；
根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；
分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在单位网格的质心距离；
根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑。
可选的，所述城市立体紧凑性模型为
Figure BDA0001795392170000021
G为万有引力常量，Vi和Vj分别代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，r为城市建筑所在的两个单位网格i和j的质心距离。
可选的，所述将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格，具体包括：
将城市空间按照长宽高均为设定长度划分，得到边长为设定长度的正方体的单位网格；所述设定长度依照研究尺度进行设定；
拼接多个单位网格组成城市立体空间网格。
可选的，所述根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑，具体包括：
根据任意两个单位网格内城市建筑体积，计算城市立体空间网格中所有建筑的总体积；
根据任意两个单位网格的质心距离，计算城市立体空间网格中城市建筑所在的两两单位网格的质心距离；
获取城市立体空间网格中所述单位网格的数量；
按照公式
Figure BDA0001795392170000022
计算城市立体空间紧凑性指数；其中，VCI为城市立体空间紧凑性指数，G为万有引力常量，Vi和Vj代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，d(i,j)为城市建筑所在的单位网格i和j的质心距离，c为常量，N为城市立体空间网格中所述单位网格的数量。
与上述方法对应的，本发明还提供了一种城市立体空间紧凑性测度系统，包括：
测度指标选取单元，用于选取立体紧凑性测度指标，所述立体紧凑性测度指标包括城市建筑体积、城市建筑之间的距离；
网格划分单元，用于将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格；
建模单元，用于根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；
体积和距离计算单元，用于分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在单位网格的质心距离；
紧凑性指数计算单元，用于根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑。
可选的，所述城市立体紧凑性模型为
Figure BDA0001795392170000031
G为万有引力常量，Vi和Vj分别代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，r为城市建筑所在的两个单位网格i和j的质心距离。
可选的，所述网格划分单元包括：
单位网格划分子单元，用于将城市空间按照长宽高均为设定长度划分，得到边长为设定长度的正方体的单位网格；所述设定长度依照研究尺度进行设定；
拼接子单元，用于拼接多个单位网格组成城市立体空间网格。
可选的，所述紧凑性指数计算单元包括：
总体积计算子单元，用于根据任意两个单位网格内城市建筑体积，计算城市立体空间网格中所有建筑的总体积；
总质心距离计算子单元，用于根据任意两个单位网格的质心距离，计算城市立体空间网格中城市建筑所在的两两单位网格的质心距离；
网格数量获取子单元，用于获取城市立体空间网格中所述单位网格的数量；
计算子单元，用于按照公式
Figure BDA0001795392170000032
计算城市立体空间紧凑性指数；其中，VCI为城市立体空间紧凑性指数，G为万有引力常量，Vi和Vj代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，d(i,j)为城市建筑所在的单位网格i和j的质心距离，c为常量，N为城市立体空间网格中所述单位网格的数量。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的城市立体空间紧凑性测度方法及系统，将城市空间划分为城市立体空间网格，将计算得到的每一单位网格中城市建筑的体积，以及任意两城市建筑所在的单位网格的质心距离作为立体紧凑性测度指标，与城市立体空间网格结合，构建城市立体紧凑性模型，再利用该城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，实现了城市立体空间紧凑性的定量研究，城市立体空间紧凑性指数是表征城市实际紧凑程度以及城市空间布局的重要指标。通过本发明得到的城市立体空间紧凑性指数更准确，更全面。又因有研究表明城市紧凑程度能够影响城市能耗以及城市环境质量，因此本发明还可以在城市生态环境建设中发挥积极作用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的城市立体空间紧凑性测度方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的网格划分结构示意图；
图3为本发明实施例提供的城市立体空间紧凑性测度系统的系统框图；
图4为厦门岛立体空间示意图；
图5为中华街道(VCI最大)立体空间示意图；
图6为滨海街道(VCI最小)立体空间示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明是基于牛顿万有引力定律原理，构建的城市立体紧凑性模型，从而实现了对城市立体空间形态的紧凑性的定量研究。
牛顿万有引力定律表明：任意两个质点有通过连心线方向上的相互吸引力，该引力大小与它们质量的乘积成正比，与它们距离的平方成反比，与两物体的化学组成和其间介质种类无关，其表达式如下：
Figure BDA0001795392170000051
F为万有引力，G为万有引力常量，为6.67×10-11N·m2/kg2，M为i物体的质量，m为j物体的质量，r为i物体与j物体之间的距离，ρi为i物体密度，Vi为i物体的体积，ρj为j物体的密度，Vj为j物体的体积。
本发明所构建的城市立体紧凑性模型，依据牛顿万有引力定律而构建，并补充了仅从二维平面研究城市紧凑性的不足。本发明对城市立体空间紧凑性进行研究，有助于城市空间布局的优化以及城市环境质量的改善。
如图1和2所示，本实施例提供的城市立体空间紧凑性测度方法，具体步骤如下：
步骤101：选取立体紧凑性测度指标，所述立体紧凑性测度指标包括城市建筑体积和城市建筑之间的距离；
步骤102：将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格。
步骤102具体包括：
将城市空间按照长宽高均为设定长度划分，得到边长为设定长度的正方体的单位网格；所述设定长度依照研究尺度进行设定；
拼接多个单位网格组成城市立体空间网格。
本实施例中设定长度为100m，当然也不排除以其他边长为标准进行划分的实施例，如边长为500m、1000m或其他数值，当然边长选取的越小得到的城市立体空间紧凑性指数越精确。但本实施例并不限制本发明的保护范围。
步骤103：根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；所述城市立体紧凑性模型为
Figure BDA0001795392170000061
G为万有引力常量，Vi和Vj分别代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，r为城市建筑所在的两个单位网格i和j的质心距离。
步骤104：分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在单位网格的质心距离；
步骤105：根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑。
步骤105具体包括：
根据任意两个单位网格内城市建筑体积，计算城市立体空间网格中所有建筑的总体积；
根据任意两个单位网格的质心距离，计算城市立体空间网格中城市建筑所在的两两单位网格的质心距离；
获取城市立体空间网格中所述单位网格的数量；
按照公式计算城市立体空间紧凑性指数；其中，VCI为城市立体空间紧凑性指数，G为万有引力常量，Vi和Vj代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，d(i,j)为城市建筑所在的单位网格i和j的质心距离，c为常量，N为城市立体空间网格中所述单位网格的数量。
与上述方法对应的，本实施例提供的城市立体空间紧凑性测度系统，包括：
测度指标选取单元301，用于选取立体紧凑性测度指标，所述立体紧凑性测度指标包括城市建筑体积、城市建筑之间的距离；
网格划分单元302，用于将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格；
建模单元303，用于根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；
体积和距离计算单元304，用于分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在单位网格的质心距离；
紧凑性指数计算单元305，用于根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑。
该测度系统与上述测度方法相对应，因此与上述方法具有相同的技术效果，在此不再赘述。下面以厦门岛为例，依照本发明的方法计算厦门岛各个区域的城市立体空间紧凑性指数。
a、选取立体紧凑性测度指标
识别并提取厦门岛及岛内各街道的建筑基底矢量信息及建筑高度信息，厦门岛立体空间示意图如图4所示。厦门岛及岛内各街道的建筑基底面积见表1。基于建筑基底矢量信息及建筑高度信息，计算得到建筑体积。
表1厦门岛及岛内各街道建筑情况统计(面积单位：km2)
Figure BDA0001795392170000071
Figure BDA0001795392170000081
b、基于空间网格的城市立体紧凑性模型构建
1.空间网格划分。按100m×100m×100m的正方体的单位网格来分割城市三维空间(立体网格的边长按照研究尺度进行设定，本例中以厦门岛内各街道作为研究尺度进行设定，厦门岛内共14个街道，其中面积最小的中华街道，其南北方向长度仅为1488.272m，东西方向长度为1856.873m，为确保计算精度，选用100m作为网格边长)。计算每个单位网格内的建筑所占体积，以及两个单位网格的质心之间的距离。
2.依据城市立体紧凑性模型，将每个网格内的建筑所占体积以及对应的不同网格的质心之间的距离带入城市立体紧凑性模型，计算厦门市岛内各街道的城市立体空间紧凑性指数(VCI)，计算结果如表2所示。VCI值越大，城市立体空间紧凑性越高。
表2城市立体空间紧凑度指数
Figure BDA0001795392170000082
Figure BDA0001795392170000091
通过以厦门岛为例建立的城市立体紧凑性指数模型计算出的各街道立体紧凑度(VCI)可知：中华街道VCI最大，中华街道立体空间示意图如图5所示，为7.505×103；鹭江、嘉莲街道VCI次之，分别为6.922×103、4.918×103；厦港、梧村街道VCI相近，分别为2.385×103、3.002×103；滨海街道VCI最小，滨海街道立体空间示意图如图6所示，为0.387×102。导致滨海街道与中华街道立体紧凑性程度差异较大的原因有两点：第一，滨海街道面积大(为16.112km2，是中华街道(1.538km2)的10.5倍；第二，滨海街道的建筑密度为41.66％，中华街道的建筑密度为7.45％，两者差异明显，因此中华街道与滨海街道的VCI存在较大差异。厦门岛整体的空间紧凑性指数为2.69×102，低于各街道的平均空间紧凑性指数(平均值为2.194×103)。为便于比较，采用离差标准化方法，对VCI进行标准化处理，处理后值的范围为[0,1]，越接近1，说明立体紧凑性越高。可知中华街道紧凑程度最高(1.000)，滨海街道紧凑程度最低(0.005)。采用Z-score标准化方法，对VCI进行标准化处理，处理后若值为正且越大，则说明立体紧凑性越高，值为负且越小，则说明立体紧凑性越低，可知中华街道紧凑程度最高(2.198)，滨海街道紧凑程度最低(-0.819)。
通过城市立体紧凑性模型得到的城市立体空间紧凑性指数是表征城市实际紧凑程度以及城市空间布局的重要指标。有研究表明城市紧凑程度能够影响城市能耗以及城市环境质量，因此本发明可以在城市生态环境建设中发挥作用。厦门岛作为滨海城市，具有城市化起步早、程度高等社会条件，本发明以厦门岛为例，对滨海发达城市的紧凑形态研究具有指导作用。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (2)

1.一种城市立体空间紧凑性测度方法，其特征在于，包括：
选取立体紧凑性测度指标，所述立体紧凑性测度指标包括城市建筑体积和城市建筑之间的距离；
将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格；
具体包括：
将城市空间按照长宽高均为设定长度划分，得到边长为设定长度的正方体的单位网格；所述设定长度依照研究尺度进行设定；
拼接多个单位网格组成城市立体空间网格；
根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；
分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在的单位网格的质心距离；
根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑；
按照公式
Figure FDA0002736773440000011
计算城市立体空间紧凑性指数；其中，VCI为城市立体空间紧凑性指数，G为万有引力常量，Vi和Vj代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，r为城市建筑所在的两个单位网格i和j之间的质心距离，d(i，j)为城市建筑所在的单位网格i和j的质心距离，c为常量，N为城市立体空间网格中所述单位网格的数量。
2.一种城市立体空间紧凑性测度系统，其特征在于，包括：
测度指标选取单元，用于选取立体紧凑性测度指标，所述立体紧凑性测度指标包括城市建筑体积和城市建筑之间的距离；
网格划分单元，用于将城市空间进行网格划分，得到单位网格为正方体的城市立体空间网格；
所述网格划分单元包括：
单位网格划分子单元，用于将城市空间按照长宽高均为设定长度划分，得到边长为设定长度的正方体的单位网格；所述设定长度依照研究尺度进行设定；
拼接子单元，用于拼接多个单位网格组成城市立体空间网格；
建模单元，用于根据所述立体紧凑性测度指标和城市立体空间网格，构建城市立体紧凑性模型；
体积和距离计算单元，用于分别计算任意两个单位网格内城市建筑体积，以及相对应的城市建筑所在单位网格的质心距离；
紧凑性指数计算单元，用于根据所述城市建筑体积和所述质心距离，利用所述城市立体紧凑性模型计算城市立体空间紧凑性指数，所述城市立体空间紧凑性指数越大表明城市立体空间越紧凑；
计算子单元，用于按照公式
Figure FDA0002736773440000021
计算城市立体空间紧凑性指数，其中，G为万有引力常量，VCI为城市立体空间紧凑性指数，Vi和Vj代表任意两个单位网格i和j内的城市建筑的体积，r为城市建筑所在的两个单位网格i和j之间的质心距离，d(i，j)为城市建筑所在的单位网格i和j的质心距离，c为常量，N为城市立体空间网格中所述单位网格的数量。
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