CN109582746B - 基于4d-gis的建筑物质代谢可视化方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明首先通过实地调研，结合无人机、Google Earth获取预设区域内多个时间点的城市建筑信息，并依次对两个相邻时间点的信息数据进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据；其次，本发明基于Arc GIS建立对应时间段各建筑物不同建筑材料的地理信息3D模型，并运用Shiny开发Web形式的可视化数据展示平台。最后，本发明基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入对应的3D模型，形成基于4D‑GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统。该方法和系统可用于区域水平，演示城市建筑时空格局模式、提供建筑生命周期阶段物质的输入、废弃物产生和流向及环境影响等系列代谢信息，填补了现有技术的空白。
Description
技术领域
本发明涉及城市建筑拆迁领域，尤其涉及一种基于4D-GIS(4D GeographicInformation System，4D地理信息系统)的建筑物质代谢可视化方法和系统。
背景技术
随着城市化率和人口的增长，全球的城市化水平持续增长，特别是我国的城市扩张、临建拆除、旧城改造等建设活动持续增长，我国城镇化水平从1980年的19.4％增长到2016年的57.4％，目前建筑面积已经达到了42.2亿平方米，大约是美国的22倍。除了正常拆除建设活动外，我国每年还会有大量短命建筑被提前拆除。城市更新改造过程中持续增长的建设活动必然带来大量的建筑垃圾，我国目前的建筑垃圾来源广泛、底数不清，产生量大、成分复杂、且以露天堆放的简易填埋为主，这些城市垃圾中不仅包含砖、石、砼、砂浆等惰性成分，也含有家具、电子废弃物、塑料等装修材料在内的非惰性成分，这些成分中往往含有一定量的有机物(阻燃剂)和重金属，使得堆填的垃圾处理方式不仅占用宝贵的土地资源，而且还存有较高的生态环境风险。
随着土地资源的稀缺性和城镇化水平不断提高之间的矛盾越来越明显，我国对城市扩张的制约也在不断增强。在一线大城市的建设中，城市更新的主要手段已变成了对城中村等既有城区的规模化拆除和改造，在大规模拆除重建、城市扩张等建设活动中，会产生大量建筑废弃物，然而目前建筑垃圾资源化利用率不足10％，填堆为主的处理方法势必给周围环境介质如土壤和周围地下水体带来一定程度的环境风险，特别是沿海城市的建筑废弃物的填海处理还会给海洋生物和海水带来生态环境风险。
随着循环经济和城市的可持续发展，以及生态文明城市建设的推进，在相当长时间内，如何有效的、动态的量化城市的建筑活动，尤其是动态地量化各种建筑拆迁活动和建筑生命周期阶段相应的建筑材料的投入、产品、废弃物的产生和流向以及环境影响，是迫切需要解决的重点和难点问题，对促进建筑垃圾的资源化也有重大意义。然而，现有技术中恰恰缺失能够从时间和空间维度演示城市建筑格局演变和物质代谢的技术方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统，解决现有技术中缺失从时间和空间共四个维度定量研究城市建筑格局演变和物质代谢的技术方法问题。
为实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法，其特征在于，所述方法包括：
运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据，城市建筑数据包括建筑面积、拆除面积、建筑类型及材料、建筑废弃物的单位产废率等。
利用各个时间段的所述城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型，所述3D模型包括物质存量数据的定量估算模型、物质流量数据的定量估算模型和物质投入数据的定量估算模型；
基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入到对应的所述3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，所述4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息。
为实现上述目的，本发明第二方面提供一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化系统，其特征在于，所述系统包括：
获取叠加模块，用于运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据；
第一建立模块，用于利用各个时间段的所述城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型，所述3D模型包括物质存量数据的定量估算模型、物质流量数据的定量估算模型和物质投入数据的定量估算模型；
插入输出模块，用于基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入到对应的所述3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，所述4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息。
本发明提供一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统。通过多数据源获取城市建筑信息并处理得到城市建筑数据，利用城市建筑数据，基于Arc GIS建立各个时间段的地理信息3D模型，最后将时间段插入到对应的3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，从而形成了基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统。该方法可以用于区域水平，演示一个城市建筑时空格局变化模式、提供建筑生命周期阶段物质的输入、产品、废弃物的产生和流向及环境影响等系列代谢信息。
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，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明第一实施例所提供的一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法的流程示意图；
图2为本发明第一实施例中步骤102的细化步骤的流程示意图；
图3为本实施例中4D模型的展示示意图；
图4为本发明实施例中资源化40％与资源化95％的环境影响图；
图5为本发明第二实施例所提供的一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化系统的结构示意图；
图6为本发明第二实施例中第一建立模块202的细化模块的示意图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域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。
由于现有技术中存在缺失能够从时间和空间两个方面观察城市建筑格局演变和物质代谢的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统。通过利用无人机、Google Earth等大数据源，结合实地调研方法获取城市建筑信息并处理得到城市建筑数据，该城市建筑数据包括建筑面积、拆除面积、建筑类型及材料、单位产废率等，基于Arc GIS建立各个时间段的地理信息3D模型，将时间段插入到对应的3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，从而形成了基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统。该方法可以用于区域水平，演示一个城市建筑时空格局变化模式、提供建筑生命周期阶段物质的输入、产品、废弃物的产生和流向及环境影响等系列代谢信息。
请参阅图1，为本发明第一实施例所提供的一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法的流程示意图。具体的，该流程包括：
步骤101，运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据；
其中，步骤101之后还包括：
步骤104，将城市建筑信息和城市建筑数据进行整理分类和标准化处理，基于时域地理信息系统Temporary GIS原理，建立各时间段的建筑信息空间数据库。
优选的，本实施例中的预设区域为深圳市龙屋新村，时间段为1年。利用INSPIRE 1型号无人机和Google Earth获取城市建筑信息，并对该城市建筑信息进行校对，该城市建筑信息包括龙屋新村的历年拆建情况，通过对相邻年份的叠加处理，获得历年的拆除建筑数量，即城市建筑数据。
优选的，利用Google Earth对调研获得的数据进行信息核对，以2006年-2016年为例，对城市建筑数据进行完善，通过无人机航拍及实地调研获取2017年建筑变化情况，最后根据城市更新规划，对2018年-2022年龙屋新村拆建活动中建筑物质代谢进行预测，将研究所需要的信息，如建筑面积、层数、高度、建筑结构等数据进行整理分类、标准化处理，基于Temporary GIS原理，建立各时间段的建筑信息空间数据库。
步骤102，利用各个时间段的城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型，3D模型包括物质存量数据的定量估算模型、物质流量数据的定量估算模型和物质投入数据的定量估算模型；
其中，请参阅图2，为本发明第一实施例中步骤102的细化步骤的流程示意图。具体的，该流程包括：
步骤1021，基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质存量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质存量数据建立各个时间段的物质存量数据的定量估算模型；
其中，物质存量数据的估算公式为：
S-iy＝BA-y·P-s
其中，S-iy表示第y个时间段第i种物质存量数据，BA-y表示第y个时间段的既有建筑面积数据，P-s表示单位面积物质存量数据；
步骤1022，基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质流量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和物质流量数据建立各个时间段的物质流量数据的定量估算模型；
其中，物质流量数据的定量估算公式为：
D-iy＝DA-y·P-d
其中，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，DA-y表示第y个时间段拆除建筑面积数据，P-d表示单位面积物质流量数据；
其中，步骤1022之后还包括：
步骤1024，基于物质流量数据，利用如下公式估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的建筑废弃物的回收利用量和填埋量；
R-iy＝D-iy·α
L-iy＝D-iy·β
其中，R-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的回收利用量，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，α表示建筑废弃物的回收利用率，D-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的填埋量，β表示建筑废弃物的填埋率；
步骤1025，利用层次分析法对经济成本、环境因素、土地资源、建筑垃圾运输到垃圾场的距离及垃圾场距机场的距离进行排序，并根据建筑废弃物的回收利用量和填埋量和4D模型输出垃圾填埋场位置。
步骤1023，基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质投入数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和物质投入数据建立各个时间段的物质投入数据的定量估算模型；
其中，物质投入数据的估算公式为：
T-iy＝NA-y·P-t
其中，T-iy表示第y个时间段第i种物质投入数据，NA-y表示第y个时间段新建建筑面积数据，P-t表示单位面积物质投入数据。
需要说明的是，利用Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质存量数据、物质流量数据和物质投入数据后，根据建筑物已知坐标属性，将计算结果显示在具体位置，再利用自然间断点分级法，分别对各建筑材料存量、各建筑材料流量和各建筑材料投入进行分级显示。
进一步的，龙屋新村的3D建模所需要的各参数有：单位产废率为单位面积建筑垃圾产生量与材料投入量之比，主要通过课题组调研得到；建筑面积为建筑物(包括墙体)所形成的的楼地面面积，主要通过深圳市规划和国土资源委员会得到，容积率为建筑面积与用地面面积之比，主要通过深圳市南山06-02&08号片区[大新地区]法定图则得到；用地面积经由规划局批准的《建设用地规划许可证》(俗称用地红线)的用地范围，可用于房屋建筑以及各类配套、道路、绿化等在内的全部建设用地面积，主要通过深圳市规划和国土资源委员会得到；填埋率指建筑垃圾填埋量与产生量之比，通过文献总结得到；回收率指建筑垃圾回收量与产生量之比，通过文献总结得到。
进一步的，除以龙屋新村作为典型的案例外，还以南山区为例展示垃圾填埋场的选择与再利用处置。通常，对建筑垃圾填埋场进行规划的主要影响因素有：经济成本、环境因素(生态红线等)、土地资源、建筑垃圾运输到垃圾场的距离及垃圾场距机场的距离等。运用GIS的工具，将六种影响因素通过层次分析法进行排序，并在GIS中进行数据导入，通过插入地理数据，将各影响因素结合时空数据和物质代谢模型，将经济、环境和社会效益最佳的填埋场方案在地形图上清晰地规划出来。通过GIS科学合理的规划，演示模型中的时空数据，能有效地为资源化处理企业节约废弃物运输过程中的经济成本，同时，基于最低经济成本的标准权重，通过聚类分析的方法从输出的若干个垃圾填埋场位置中选择需要的填埋场址。
步骤103，基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入到对应的3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息。
其中，步骤103之后还包括：
步骤105，利用Shiny中的ui.R脚本定义用户界面，利用Shiny中的server.R脚本定义输入输出关系，建立具有交互性的可视化数据展示平台，可视化数据展示平台用于展示包括时间轴、材料类型及物质代谢的模型图像和图表信息。
需要说明的是，请参阅图3，为本实施例中4D模型的展示示意图。时空建筑格局演变及物质代谢4D模型是将时间段插入对应的物质存量数据的定量估算模型中、将时间段插入对应的物质流量数据的定量估算模型中，及将时间段插入对应的物质投入数据的定量估算模型中得到的，最终是可以单独展示物质存量的模型，或者单独展示物质流量的模型，或者单独展示物质投入的模型，或者同时展示物质存量、物质流量与物质投入的模型。具体是将Arc Map的成果导入到Arc Scene中，在时间序列上对目标区域建筑的空格局演变进行分析，并对各时间段的物质代谢情况进行估算，建立动态变化的4D模型。
进一步的，Shiny主要是由ui.R脚本和server.R脚本构成，基于这两个脚本，完成网页APP制作，建立具有交互性的可视化数据展示平台，设置时间轴、材料类型及物质代谢控件来控制网页展示的模型图像和图表信息。并在此基础上，构建交互性极强的数据获取和数据挖掘的渠道，即建立城市物质代谢动态数据库，通过筛选功能从数据库中快速获取对应的数据信息。网页APP作为数据共享载体及可视化展示平台，能实现数据与模型同时展示的功能，清晰的演示城市物质的存量、流量和投入的量，以及输出垃圾填埋场位置。
进一步的，基于该4D模型，以城市碳排放量为环境影响定量度量指标，评价拆除垃圾的环境影响，该环境影响包括拆迁废弃物的产生，即建筑材料的生产和运输，建筑废弃物的处理、处置过程中的环境影响。废弃物资源化利用不仅节约用地，还能带来经济效益，减少废物的碳排放，从而产生环境效益，而填埋和任意堆填的处理方式则导致一些负面的环境影响如产生大量的温室气体。为了分析这些环境影响，基于4D-GIS的这个建筑物质代谢的可视化模型做了两种情景假设，第一种是现实情况的情景，即以目前深圳市村以村的拆迁垃圾为例，该拆除垃圾的资源化率大概为40％左右，因此，第一种情况是假设目前深圳市循环率继续保持在目前状态的40％；第二种情况是参照发达情况的乐观情景，即按发达国家的95％考虑，两种情况得到的碳排放量环境影响请参阅图4，为本发明实施例中资源化40％与资源化95％的环境影响图，其中，颜色由浅到深的过度表示碳排放量的由少到多。
在本发明实施例中，通过利用城市建筑数据，基于Arc GIS建立各个时间段的地理信息3D模型，将时间段插入到对应的3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，该4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息，能够从时间和空间上直观的观察到一个区域内建筑的格局变化，并获取建筑生命周期阶段物质的代谢信息。
请参阅图5，为本发明第二实施例所提供的一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化系统的结构示意图。
获取叠加模块201，用于运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据；
进一步的，获取叠加模块201之后还包括：
第二建立模块204，用于将城市建筑信息和城市建筑数据进行整理分类和标准化处理，基于时域地理信息系统Temporary GIS原理，建立各时间段的建筑信息空间数据库。
第一建立模块202，用于利用各个时间段的城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型，3D模型包括物质存量数据的定量估算模型、物质流量数据的定量估算模型和物质投入数据的定量估算模型；
进一步的，请参阅图6，为本发明第二实施例中第一建立模块202的细化模块的示意图。具体的该细化模块包括：
第一建立模块202具体包括：
第三建立模块2021，用于基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，按照如下公式估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质存量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和物质存量数据建立各个时间段的物质存量数据的定量估算模型；
S-iy＝BA-y·P-s
其中，S-iy表示第y个时间段第i种物质存量数据，BA-y表示第y个时间段的既有建筑面积数据，P-s表示单位面积物质存量数据；
第四建立模块2022，用于基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，按照如下公式估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质流量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和物质流量数据建立各个时间段的物质流量数据的定量估算模型；
D-iy＝DA-y·P-d
其中，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，DA-y表示第y个时间段拆除建筑面积数据，P-d表示单位面积物质流量数据；
进一步的，第四建立模块2022之后还包括：
估算模块2024，用于基于物质流量数据，利用如下公式估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的建筑废弃物的回收利用量和填埋量；
R-iy＝D-iy·α
L-iy＝D-iy·β
其中，R-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的回收利用量，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，α表示建筑废弃物的回收利用率，D-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的填埋量，β表示建筑废弃物的填埋率；
排序输出模块2025，用于利用层次分析法对经济成本、环境因素、土地资源、建筑垃圾运输到垃圾场的距离及垃圾场距机场的距离进行排序，并根据建筑废弃物的回收利用量和填埋量和4D模型输出垃圾填埋场位置。
第五建立模块2023，用于基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用城市建筑数据，按照如下公式估算区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质投入数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和物质投入数据建立各个时间段的物质投入数据的定量估算模型；
T-iy＝NA-y·P-t
其中，T-iy表示第y个时间段第i种物质投入数据，NA-y表示第y个时间段新建建筑面积数据，P-t表示单位面积物质投入数据。
插入输出模块203，用于基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入到对应的3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息。
进一步的，插入输出模块203之后还包括：
定义建立模块205，用于利用Shiny中的ui.R脚本定义用户界面，利用Shiny中的server.R脚本定义输入输出关系，建立具有交互性的可视化数据展示平台，可视化数据展示平台用于展示包括时间轴、材料类型及物质代谢的模型图像和图表信息。
需要说明的是，有关本发明实施例的说明，请参阅有关本发明第一实施例的相关说明，这里不再赘述。
在本发明实施例中，通过利用城市建筑数据，基于Arc GIS建立各个时间段的地理信息3D模型，将时间段插入到对应的3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，该4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息，能够从时间和空间上直观的观察到一个区域内建筑的格局变化和物质的代谢信息。
需要说明的是，本发明从以下三个方面体现了本发明的优点：
(1)本发明为实现拆迁垃圾的精准管控提供了动态数据库和共享平台。本发明中有基于不同时期建筑材料代谢信息的空间数据库和城市物质代谢数据的共享平台，可以为科研工作者，建筑公司和管理部门等相关相关利益方提供建筑拆迁活动的定时、动态的物质代谢的数据信息，为解决各类型建筑垃圾底数不清，资源化利用率低下等问题提供基础数据支持和方法，也为垃圾乱排、乱倒等现象带来的占地和环境影响提供定量的评价方法。
(2)定量、实时、动态、有效分析了拆迁垃圾资源化处理的环境效益。本发明基于不同时期建筑材料代谢信息的空间数据库和环境效益分析模型，可以定量、实时、动态、有效地分析拆迁活动产生的建筑垃圾堆埋，资源化利用等各种处理方式的环境影响，以及资源化利用相应于堆埋的环境效益(如减少碳排放量的效益)，从而促进和提高建筑垃圾的资源化。
(3)垃圾填埋场的选择体现了经济效益、生态效益和社会效益的统一。本模型可以结合GIS的工具和UAV，精确定位各类建筑拆迁活动的场地，填埋场距离拆迁垃圾场地的最佳运输距离，能有效地节约物质运输过程中的经济成本。另外，南山区填埋场规划也考虑了距离机场的距离和生态红线，充分体现了社会效益、经济效益和生态效益的统一。
本发明未来的发展可以从建筑能源行业和建筑全生命周期全过程管理方向进行拓展，至少可以应用在以下两个方面：
(1)建筑能耗行业，本发明中的模型不仅可以用来演示基于4D-GIS的物质代谢时空分布模式，还可以扩展到建筑能耗的时空分布。政府部门可以依据本发明定量评价所选区域，以至整个城市水平的建筑能源消耗量和环境影响分析。
(2)结合BIM的建筑全生命周期阶段管理，建筑信息模型(Building InformationModel，BIM)缺乏拆除垃圾的信息。因此，本发明结合BIM，导入一个插件单元到本发明的模型中，能够实现建筑的全生命周期全过程管理。
需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本发明所必须的。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上为对本发明所提供的一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法和系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化方法，其特征在于，所述方法包括：
运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据；
利用各个时间段的所述城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型，所述3D模型包括物质存量数据的定量估算模型、物质流量数据的定量估算模型和物质投入数据的定量估算模型；
基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入到对应的所述3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，所述4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息；
其中，所述运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据的步骤之后还包括：
将所述城市建筑信息和所述城市建筑数据进行整理分类和标准化处理，基于时域地理信息系统Temporary GIS原理，建立各时间段的建筑信息空间数据库。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用各个时间段的所述城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型的步骤具体包括：
基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质存量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质存量数据建立各个时间段的物质存量数据的定量估算模型；
S-iy＝BA-y·P-s
其中，S-iy表示第y个时间段第i种物质存量数据，BA-y表示第y个时间段的既有建筑面积数据，P-s表示单位面积物质存量数据；
基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质流量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质流量数据建立各个时间段的物质流量数据的定量估算模型；
D-iy＝DA-y·P-d
其中，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，DA-y表示第y个时间段拆除建筑面积数据，P-d表示单位面积物质流量数据；
基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质投入数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质投入数据建立各个时间段的物质投入数据的定量估算模型；
T-iy＝NA-y·P-t
其中，T-iy表示第y个时间段第i种物质投入数据，NA-y表示第y个时间段新建建筑面积数据，P-t表示单位面积物质投入数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各建筑物的不同建筑材料的物质流量数据的步骤之后还包括：
基于所述物质流量数据，利用如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的建筑废弃物的回收利用量和填埋量；
R-iy＝D-iy·α
L-iy＝D-iy·β
其中，R-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的回收利用量，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，α表示建筑废弃物的回收利用率，D-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的填埋量，β表示建筑废弃物的填埋率；
利用层次分析法对经济成本、环境因素、土地资源、建筑垃圾运输到垃圾场的距离及垃圾场距机场的距离进行排序，并根据所述建筑废弃物的回收利用量和填埋量和所述4D模型输出垃圾填埋场位置。
4.根据权利要求1至3任意一项所述的方法，其特征在于，所述基于Arc GIS中的ArcScene将时间段插入到对应的所述3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型的步骤之后还包括：
利用Shiny中的ui.R脚本定义用户界面，利用Shiny中的server.R脚本定义输入输出关系，建立具有交互性的可视化数据展示平台，所述可视化数据展示平台用于展示包括时间轴、材料类型及物质代谢的模型图像和图表信息。
5.一种基于4D-GIS的建筑物质代谢可视化系统，其特征在于，所述系统包括：
获取叠加模块，用于运用包括无人机、Google Earth在内的大数据源，并结合实地调研的方法获取预设区域内的多个时间点的城市建筑信息，按照多个时间点的时间顺序，依次对两个相邻时间点的城市建筑信息进行叠加处理，得到多个时间段的城市建筑数据；
第一建立模块，用于利用各个时间段的所述城市建筑数据，基于Arc GIS建立与时间段对应的各建筑物的不同建筑材料的地理信息3D模型，所述3D模型包括物质存量数据的定量估算模型、物质流量数据的定量估算模型和物质投入数据的定量估算模型；
插入输出模块，用于基于Arc GIS中的Arc Scene将时间段插入到对应的所述3D模型中，输出时空建筑格局演变及物质代谢4D模型，所述4D模型包含各个时间段的建筑格局和物质信息，其中，
所述获取叠加模块之后还包括：
第二建立模块，用于将所述城市建筑信息和所述城市建筑数据进行整理分类和标准化处理，基于时域地理信息系统Temporary GIS原理，建立各时间段的建筑信息空间数据库。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述第一建立模块具体包括：
第三建立模块，用于基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质存量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质存量数据建立各个时间段的物质存量数据的定量估算模型；
S-iy＝BA-y·P-s
其中，S-iy表示第y个时间段第i种物质存量数据，BA-y表示第y个时间段的既有建筑面积数据，P-s表示单位面积物质存量数据；
第四建立模块，用于基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质流量数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质流量数据建立各个时间段的物质流量数据的定量估算模型；
D-iy＝DA-y·P-d
其中，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，DA-y表示第y个时间段拆除建筑面积数据，P-d表示单位面积物质流量数据；
第五建立模块，用于基于Arc GIS中的Arc Map的空间属性统计计算功能，利用所述城市建筑数据，按照如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的物质投入数据，并利用Arc Map的属性分级功能，根据自然间断点分级法和所述物质投入数据建立各个时间段的物质投入数据的定量估算模型；
T-iy＝NA-y·P-t
其中，T-iy表示第y个时间段第i种物质投入数据，NA-y表示第y个时间段新建建筑面积数据，P-t表示单位面积物质投入数据。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第四建立模块之后还包括：
估算模块，用于基于所述物质流量数据，利用如下公式估算所述区域内各个时间段的各建筑物的不同建筑材料的建筑废弃物的回收利用量和填埋量；
R-iy＝D-iy·α
L-iy＝D-iy·β
其中，R-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的回收利用量，D-iy表示第y个时间段第i种物质流量数据，α表示建筑废弃物的回收利用率，D-iy表示第y个时间段第i种建筑废弃物的填埋量，β表示建筑废弃物的填埋率；
排序输出模块，用于利用层次分析法对经济成本、环境因素、土地资源、建筑垃圾运输到垃圾场的距离及垃圾场距机场的距离进行排序，并根据所述建筑废弃物的回收利用量和填埋量和所述4D模型输出垃圾填埋场位置。
8.根据权利要求6至7任意一项所述的系统，其特征在于，所述插入输出模块之后还包括：
定义建立模块，用于利用Shiny中的ui.R脚本定义用户界面，利用Shiny中的server.R脚本定义输入输出关系，建立具有交互性的可视化数据展示平台，所述可视化数据展示平台用于展示包括时间轴、材料类型及物质代谢的模型图像和图表信息。
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