CN112002012B - 城市区域的可视性分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市区域的可视性分析方法，包括获取待分析区域的DEM数据；对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正；采用视线扫描法对待分析区域内目标点的视域进行分析；计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值；计算得到待分析区域内目标点的视域值并完成目标点的可视性分析。本发明采用DEM数据和建筑物轮廓数据进行可视性分析和可视域计算，顾及了矢量数据的精细特点和规则格网高程数据的细粒度对可视分析结果的影响；因此本发明方法能够对城市区域的可视性进行分析，而且分析过程简单快捷、精度较高且可靠性高。

Description

城市区域的可视性分析方法

技术领域

本发明属于地理空间技术领域，具体涉及一种城市区域的可视性分析方法。

背景技术

可视性分析是空间分析的重要组成部分，又称为视域分析或通视分析。可视域分析是指从一个或多个地理空间位置所可见的视域范围或与其他空间位置的可见程度。可视性分析是地形分析中不可或缺的一个部分，在众多领域，如军事分析、景观评估、城市规划、古迹考察等领域，均被广泛运用。

数字高程模型(Digital Elevation Model，简称DEM)是对局部地表形态特征的数字化表示，可以表示为规则格网(Regular Square Grid，简称RSG)或基于矢量的不规则三角网(Triangulated Irregular Network，简称TIN)，其所蕴含的地形地貌信息常用于可视性分析。

目前，可视性分析的方法主要有如下三种：

(1)基于数字高程模型的方法：该方法使用的数字高程数据，数据通过高程值矩阵来表现地表的形态，在众多领域被广泛应用；该方法的本质是判断视点与目标点之间的可通视性，视线与物体之间是否存在交点是基于光线沿直线传播的基本原则，进而判断点与点之间的通视情况。但是，本方法主要是针对规则格网进行计算，已经不再适用于现今的不规则格网的计算要求。

(2)基于不规则三角网地形模型的算法：该算法主要包括判断视线与三角形相交的方法，判断视线与边相交的方法和投影覆盖检测的方法。判断视线与三角形相交的方法，其主要思想是判断视点与目标点之间的连线是否与三角形平面相交，如果交点在该三角形内则视为不可见，如果视线与所有三角形均无交点则表示为通视。视线与边相交的方法，其主要思想是计算视线与目标点的连线在xy平面的投影与每一条边的交点，判断该视线是否在交点上面，如果均在上方的话，则视为通视。投影覆盖检测的算法，其主要是将三角网的所有三角形和视线连线投影到水平面，定位视点和目标点的三角形位置，根据邻接关系提取所有视线穿过的三角形，并依次判断视线与三角形是否相交。虽然这些方法的通用性较好，但是存在效率太低，现实复杂的场景中难以使用的问题。

(3)基于三维建模的方法：该方法的主要思想为构建建筑物的结构模型，基于三维空间的计算方法对视点和目标点之间的视线与建筑物是否相交进行判断。该类方法虽然可视分析的结果非常精确，但是构建建筑物结构的过程非常复杂，计算的时间成本过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分析过程简单快捷、精度较高且可靠性高的城市区域的可视性分析方法。

本发明提供的这种城市区域的可视性分析方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析区域的DEM数据；

S2.根据步骤S1获取的DEM数据，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正；

S3.根据步骤S2得到的修正后的待分析区域内的建筑物轮廓数据，采用视线扫描法，对待分析区域内目标点的视域进行分析；

S4.根据步骤S3的分析结果，计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值；

S5.根据步骤S4得到的待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值，计算得到待分析区域内目标点的视域值，从而完成待分析区域内目标点的可视性分析。

步骤S2所述的根据步骤S1获取的DEM数据，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正，具体为采用如下步骤进行修正：

A.采用如下算式，对获取的DEM数据进行相对高度处理：

D_i＝D′_i-min(D)

式中D_i为处理后的DEM数值；D′_i为处理签的DEM数值；min(D)为DEM格网矩阵中的最小值；

B.采用如下原则，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正：

若某个建筑物完全包含在单个DEM格网单元内，则采用如下算式对该建筑物的轮廓数据进行修正：h_id＝height_id+D_id；式中h_id为修正后的建筑物的轮廓数据，height_id为修正前的建筑物的轮廓数据，D_id为该DEM格网单元所对应的处理后的DEM数值；

若某个建筑物与若干个DEM格网单元相交，则计算该建筑物与各个相交的DEM格网单元的重叠值，并采用如下算式对该建筑物的轮廓数据进行修正：h_id＝height_id+D″_id；式中h_id为修正后的建筑物的轮廓数据，height_id为修正前的建筑物的轮廓数据，D″_id为重叠值最大的DEM格网单元所对应的处理后的DEM数值。

步骤S3所述的根据步骤S2得到的修正后的待分析区域内的建筑物轮廓数据，采用视线扫描法，对待分析区域内目标点的视域进行分析，具体为采用如下步骤进行分析：

a.选定待分析区域内的目标点，并对待分析区域内的所有建筑物进行标号；

b.采用均匀的角度划分方法，将360°视线范围均匀划分为n个扇形视角区域，并将每个扇形视角区域的中心射线作为该扇形视角区域的视线方向；

c.采用如下算式作为每一个扇形视角区域内中心射线的极坐标公式：

式中n为扇形视角区域的总数；L为视线最大范围；ρ为视线距离；

d.判断步骤c得到的每一条射线与待分析区域内的各个建筑物是否存在交点，并计算每一条射线与待分析区域内的各个建筑物的第一个相交点坐标(id,x,y,ρ)，从而得到每条射线与待分析区域内的建筑物的交点列表θ_i＝[(id₀,x₀,y₀,ρ₀),(id₁,x₁,y₁,ρ₁),...]；

e.采用如下规则对待分析区域内目标点的视域进行分析：

若射线未与任何建筑物相交，则不计算；

若射线与建筑物相交，则采用算式y＝ax+b作为该射线的视线函数；式中b为被视对象的高度，a为斜率且

式中

为修正后的建筑物的轮廓数据，

为建筑物与目标点的距离；

若射线与多个建筑物相交，则逐个对相交的建筑物的修正后的轮廓数据进行判断：若轮廓数据在视线函数以下，则更新视线函数；若轮廓数据在视线函数以上，则重新计算视线函数并进行更新；

同时记录相交建筑物i的可视高度范围值rh_i。

步骤S4所述的根据步骤S3的分析结果，计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值，具体为采用如下步骤计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值：

(1)根据步骤S3的分析结果，保留各个建筑物的最低可视高度；

(2)采用如下算式计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值：

式中w_i为第i个建筑物的视域值；rh_i为建筑物i的可视高度；area_i为建筑物的单层面积；angle_j为角度参数；dist_j为建筑物的单层高度；m为建筑物的总数。

步骤S5所述的根据步骤S4得到的待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值，计算得到待分析区域内目标点的视域值，具体为采用如下算式计算待分析区域内目标点的视域值：

式中k为目标点A处所有可视的建筑物的总数。

本发明提供的这种城市区域的可视性分析方法，采用DEM数据和建筑物轮廓数据进行可视性分析和可视域计算，顾及了矢量数据的精细特点和规则格网高程数据的细粒度对可视分析结果的影响；因此本发明方法能够对城市区域的可视性进行分析，而且分析过程简单快捷、精度较高且可靠性高。

附图说明

图1为本发明方法的方法流程示意图。

图2为本发明方法的环形视线示意图。

图3为本发明方法的视线与建筑物相交的示意图。

图4为本发明方法的实施例的数据概况示意图。

图5为本发明方法的实施例的单点视域结果第一示意图。

图6为本发明方法的实施例的单点视域结果第二示意图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种城市区域的可视性分析方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析区域的DEM数据；

S2.根据步骤S1获取的DEM数据，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正；具体为采用如下步骤进行修正：

A.采用如下算式，对获取的DEM数据进行相对高度处理：

D_i＝D′_i-min(D)

式中D_i为处理后的DEM数值；D′_i为处理签的DEM数值；min(D)为DEM格网矩阵中的最小值；

B.采用如下原则，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正：

若某个建筑物完全包含在单个DEM格网单元内，则采用如下算式对该建筑物的轮廓数据进行修正：h_id＝height_id+D_id；式中h_id为修正后的建筑物的轮廓数据，height_id为修正前的建筑物的轮廓数据，D_id为该DEM格网单元所对应的处理后的DEM数值；

若某个建筑物与若干个DEM格网单元相交，则计算该建筑物与各个相交的DEM格网单元的重叠值，并采用如下算式对该建筑物的轮廓数据进行修正：h_id＝height_id+D″_id；式中h_id为修正后的建筑物的轮廓数据，height_id为修正前的建筑物的轮廓数据，D″_id为重叠值最大的DEM格网单元所对应的处理后的DEM数值；

S3.根据步骤S2得到的修正后的待分析区域内的建筑物轮廓数据，采用视线扫描法，对待分析区域内目标点的视域进行分析；具体为采用如下步骤进行分析：

a.选定待分析区域内的目标点，并对待分析区域内的所有建筑物进行标号；

b.采用均匀的角度划分方法，将360°视线范围均匀划分为n个扇形视角区域，并将每个扇形视角区域的中心射线作为该扇形视角区域的视线方向(如图2所示)；

c.采用如下算式作为每一个扇形视角区域内中心射线的极坐标公式：

式中n为扇形视角区域的总数；L为视线最大范围；ρ为视线距离；

d.判断步骤c得到的每一条射线与待分析区域内的各个建筑物是否存在交点，并计算每一条射线与待分析区域内的各个建筑物的第一个相交点坐标(id,x,y,ρ)，从而得到每条射线与待分析区域内的建筑物的交点列表θ_i＝[(id₀,x₀,y₀,ρ₀),(id₁,x₁,y₁,ρ₁),...]；

e.采用如下规则对待分析区域内目标点的视域进行分析：

若射线未与任何建筑物相交，则不计算；

若射线与建筑物相交，则采用算式y＝ax+b作为该射线的视线函数；式中b为被视对象的高度，a为斜率且

式中

为修正后的建筑物的轮廓数据，

为建筑物与目标点的距离；

若射线与多个建筑物相交，则逐个对相交的建筑物的修正后的轮廓数据进行判断：若轮廓数据在视线函数以下，则更新视线函数；若轮廓数据在视线函数以上，则重新计算视线函数并进行更新(如图3所示)；

同时记录相交建筑物i的可视高度范围值rh_i；

S4.根据步骤S3的分析结果，计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值；具体为采用如下步骤计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值：

(1)根据步骤S3的分析结果，保留各个建筑物的最低可视高度；

(2)采用如下算式计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值：

式中w_i为第i个建筑物的视域值；rh_i为建筑物i的可视高度；area_i为建筑物的单层面积；angle_j为角度参数；dist_j为建筑物的单层高度；m为建筑物的总数；

S5.根据步骤S4得到的待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值，计算得到待分析区域内目标点的视域值，从而完成待分析区域内目标点的可视性分析；具体为采用如下算式计算待分析区域内目标点的视域值：

式中k为目标点A处所有可视的建筑物的总数。

以下结合一个实施例，对本发明方法进行进一步说明：

对建筑物轮廓数据进行处理，按照读取顺序进行排序标记id，设置最低高度为0，最高高度为建筑物的高度；对道路进行分段获取节点，采用均匀间隔的方法，每隔5m取一个节点，不足5m长度的路段为一个节点，同样为节点标记id，如图4所示；图4(a)为该地区的建筑物轮廓数据示意图；图4(b)为该地区的DEM高程数据示意图。

选择一个节点A进行可视性分析，考虑到狙击的有效距离，设置视域范围为1500m，被视目标设置为1.5m。

以该点作为坐标中心点，计算从该点的每一条中心视线的极坐标公式，取分割数n＝360，视线最大范围L＝1500，每个分割出的扇形角度为：

对建筑物轮廓数据进行处理，按照读取顺序进行排序并赋予其id，计算每条射线与每个建筑物是否相交并计算其第一个相交点的坐标(id,x,y,ρ)，每条射线与建筑物的交点为列表θ_i＝[(id₀,x₀,y₀,ρ₀),(id₁,x₁,y₁,ρ₁),...]；

分别对单条射线进行可视分析，理想化的视线为直线且无偏折，故使用函数y＝ax+b表达，b表示的是被视对象的高度，目标高度为1.5m，即b＝1.5，如果视线上无建筑物与其相交则不计算，id_i指的是与视线相交的建筑物id，

表示的是建筑物与视线的交点到点A的距离，对于该射线视线函数为

对所有的射线进行上述分析之后，对所有建筑物的结果根据id进行合并，保留每个id的最低可视高度，最低可视高度到建筑物总高度即为该建筑物对道路上点A的可视高度范围。单个建筑物的视域值为：

最后得到A的视域值

计算结果如图5和图6所示。

Claims (3)

1.一种城市区域的可视性分析方法，包括如下步骤：

S1.获取待分析区域的DEM数据；

S2.根据步骤S1获取的DEM数据，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正；

S3.根据步骤S2得到的修正后的待分析区域内的建筑物轮廓数据，采用视线扫描法，对待分析区域内目标点的视域进行分析；具体为采用如下步骤进行分析：

a.选定待分析区域内的目标点，并对待分析区域内的所有建筑物进行标号；

b.采用均匀的角度划分方法，将360°视线范围均匀划分为n个扇形视角区域，并将每个扇形视角区域的中心射线作为该扇形视角区域的视线方向；

c.采用如下算式作为每一个扇形视角区域内中心射线的极坐标公式：

式中n为扇形视角区域的总数；L为视线最大范围；ρ为视线距离；

d.判断步骤c得到的每一条射线与待分析区域内的各个建筑物是否存在交点，并计算每一条射线与待分析区域内的各个建筑物的第一个相交点坐标(id,x,y,ρ)，从而得到每条射线与待分析区域内的建筑物的交点列表θ_i＝[(id₀,x₀,y₀,ρ₀),(id₁,x₁,y₁,ρ₁),...]；

e.采用如下规则对待分析区域内目标点的视域进行分析：

若射线未与任何建筑物相交，则不计算；

若射线与建筑物相交，则采用算式y＝ax+b作为该射线的视线函数；式中b为被视对象的高度，a为斜率且

式中

为修正后的建筑物的轮廓数据，

为建筑物与目标点的距离；

若射线与多个建筑物相交，则逐个对相交的建筑物的修正后的轮廓数据进行判断：若轮廓数据在视线函数以下，则更新视线函数；若轮廓数据在视线函数以上，则重新计算视线函数并进行更新；

同时记录相交建筑物i的可视高度范围值rh_i；

S4.根据步骤S3的分析结果，计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值；具体为采用如下步骤计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值：

(1)根据步骤S3的分析结果，保留各个建筑物的最低可视高度；

(2)采用如下算式计算待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值：

式中w_i为第i个建筑物的视域值；rh_i为建筑物i的可视高度；area_i为建筑物的单层面积；angle_j为角度参数；dist_j为建筑物的单层高度；m为建筑物的总数；

S5.根据步骤S4得到的待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值，计算得到待分析区域内目标点的视域值，从而完成待分析区域内目标点的可视性分析。

2.根据权利要求1所述的城市区域的可视性分析方法，其特征在于步骤S2所述的根据步骤S1获取的DEM数据，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正，具体为采用如下步骤进行修正：

A.采用如下算式，对获取的DEM数据进行相对高度处理：

D_i＝D_i'-min(D)

式中D_i为处理后的DEM数值；D_i'为处理前的DEM数值；min(D)为DEM格网矩阵中的最小值；

B.采用如下原则，对待分析区域内的建筑物轮廓数据进行修正：

若某个建筑物完全包含在单个DEM格网单元内，则采用如下算式对该建筑物的轮廓数据进行修正：h_id＝height_id+D_id；式中h_id为修正后的建筑物的轮廓数据，height_id为修正前的建筑物的轮廓数据，D_id为该DEM格网单元所对应的处理后的DEM数值；

若某个建筑物与若干个DEM格网单元相交，则计算该建筑物与各个相交的DEM格网单元的重叠值，并采用如下算式对该建筑物的轮廓数据进行修正：h_id＝height_id+D″_id；式中h_id为修正后的建筑物的轮廓数据，height_id为修正前的建筑物的轮廓数据，D″_id为重叠值最大的DEM格网单元所对应的处理后的DEM数值。

3.根据权利要求2所述的城市区域的可视性分析方法，其特征在于步骤S5所述的根据步骤S4得到的待分析区域内目标点处的各个建筑物的视域值，计算得到待分析区域内目标点的视域值，具体为采用如下算式计算待分析区域内目标点的视域值：

式中k为目标点A处所有可视的建筑物的总数。

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