CN112084916A - 基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，利用Supermap GIS城市模型平台与增强现实技术与设备，以城市现状三维建筑形态与地形高程数据为基础，通过输入城市设计方案矢量模型，构建三维天际轮廓线设计方案模型，并自动生成设计方案与城市现状的天际轮廓线正射影像图；然后对正射影像图进行栅格化处理后，计算现状天际轮廓线和生成天际轮廓线对背景山体的遮挡率；通过使用绘图设备和虚拟影像全息交互设备，输出自动生成的城市三维天际轮廓线方案图纸与虚拟影像。本发明通过实时三维天际轮廓线模拟以及背景山体遮挡率自动诊断的方式，为规划管理者、实施者提供客观、高效的城市天际线诊断与评估方法。

Description

基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法

技术领域

本发明属于城市设计的天际轮廓线研究与设计技术领域，具体涉及一种基于遮挡率的城市三维天际线轮廓线自动生成与诊断方法。

背景技术

城市天际轮廓线是由城市中的高层建筑与背景山体共同构成的整体或局部形象，是城市规划建设成果的直观反映。在品质化的城镇空间建设过程中，城市天际轮廓形态不仅作为城市重要的视觉美学景观而备受关注，同时其作为城市经济社会发展的空间表征，日益受到城市规划者与管理者的重视与广泛讨论。目前，城市三维天际轮廓线的观测与评估研究已成为高品质城市空间建设进程中的一个关键议题，但在具体的观测与评估方法上仍有待更多科学性的探索与更深入的实践研究。结合相关文献与案例研究，既有的城市天际轮廓线的观测与评估方法如下所示：

1、拍照与绘图观测评估法

在传统城市规划研究与设计中，多采用拍照图像处理或者辅助绘图的方式提取城市天际轮廓线并基于主观的美学视角对天际轮廓线进行评估与优化设计。这一过程往往需要大量的人工测量工作，研究精度较低，且多基于主观感性和传统美学，在天际线的诊断与评估中缺乏客观、精确的量化指标。

具体而言，这种拍照或绘图进行研究的方法主要依赖个别研究人员以自己为观察者，选择特殊的拍摄地点，通过配备长焦距镜头的单反数码相机来进行图像数据获取。然后利用相关图像处理软件绘制天际线和建筑立面图，依据立面图对天际线进行分析。这种方法所处的观察点不固定、拍摄角度不特定、拍摄参数不特定，其天际线提取的结果很难具有客观性、公正性和可重复性。

此外，还有更多相关研究是利用来自网络、杂志等媒介刊载的照片进行评估，如曹迎春和张玉坤等学者从媒体照片中选出公认的且出现最多的天际线照片作为评估对象而展开研究。其最终的天际线定量化评估结果也因人而异，因照片而异。

2、基于二维图景的机器识别与分割方法

随着数字技术的进步，有愈多研究者基于边缘检测、机器学习等数字图像识别与分割技术来观测城市天际轮廓线并展开评估。例如，有国外学者采用基于亮度梯度的区域增长算法，对相机拍摄的城市全景照片的每列像素由上到下检测亮度值，与阈值比较提取天际线像素点，并展开评估。Saurer等学者则采用支持向量机(Support Vector Machine,SVM)算法对颜色、纹理等特征训练分类器，分割天空和地形。

但这种基于二维图像的观测与评估方法无法表达三维真实世界中的复杂实体对象之间的关系，也无法动态获取不同观察角度下的天际线，同时，在评估方法上依然以主观美学评价为主，缺乏科学性与可重复性。

3、三维模型观测与评估方法

此外，更多研究者开始使用三维仿真技术进行城市天际线保护评价，通过对城市级地形、地貌、建构筑物、山川、河流进行精细化三维建模，使用三维引擎加载海量的三维模型数据，再叠加规划模型数据，依据观察点、观察方向、观察俯仰角等参数从特定方向上评价规划模型，实际天际轮廓线保护评价。例如吕亚霓使用ESRI公司研发的ArcGIS平台的天际线工具，导入三维模型，计算选定视野面上的虚拟阻挡点并连接成线，投影在圆柱上展开成二维平面以展示天际轮廓线，进而对其进行深度评估。

这种方法虽然可以较便捷的生成与观测城市天际轮廓线，但在天际轮廓线的评估方面，仍缺乏一套具有科学性、客观性与可重复性的诊断方法作为支撑。

总体而言，当前的城市天际轮廓线生成与评估方法仍存在以下不足：首先，当前的城市天际轮廓线分析只考虑了城市整体的正立面形象，对天际线的视觉层次性、实际环境视角的观测差异性等问题考虑不足；其次，在生成天际轮廓线之后，缺乏对天际轮廓线的客观评估与诊断过程，过于依赖研究者的主观感性与美学评价，而缺乏一套具有科学性、客观性与可重复性的诊断方法作为支撑；最后，天际线方案生成后，规划设计人员以及规划管理人员无法对新的天际轮廓进行实时的编辑和查看，缺乏对实际城市建设空间的交互检测与管控。

目前，在追求以人为本的高品质城市空间规划发展中，亟需一种快速获取基于不同观测点的天际轮廓线实时生成与标准化诊断的方法，以帮助城市规划者与管理者对天际轮廓线设计方案进行效果模拟与科学评估。

因此，为克服现有技术方法存在的问题和不足，辅助城市规划者与管理者管控天际轮廓线的规划设计与建设，本发明提供了基于背景山体遮挡率计算的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断的方法，为相关人员提供了客观、高效的城市天际线诊断与评估方法。

发明内容

发明目的：为克服现有技术方法存在的问题和不足，辅助城市规划者与管理者管控天际轮廓线的规划设计与建设，本发明提供一种基于遮挡率的城市三维天际线轮廓线自动生成与诊断方法，为规划管理者、实施者提供了客观、高效的城市天际线诊断与评估方法。

技术方案：本发明提供的一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，具体包括以下步骤：

(1)采集城市现状三维空间形态基础数据；

(2)构建城市现状三维形态基底模型，生成城市现状三维天际轮廓线的正射影像图；

(3)生成三维天际轮廓线设计方案模型，并生成相应天际线的正射影像图；

(4)计算现状天际轮廓线和生成天际轮廓线与背景山体的遮挡率；

(5)输出自动生成的城市三维天际轮廓线方案图纸与虚拟影像并进行交互。

进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)通过对目标范围进行现场踏勘，并使用内置GPS坐标记录模块的地面三维激光扫描仪对城市三维建筑形态进行高分辨率的扫描,获取目标范围内带经纬度坐标的城市三维空间形态矢量数据；

(12)使用搭载移动测量系统的四旋翼无人机对目标范围的地势地形进行测量，获取城市现状带经纬度坐标的地形矢量DEM数据。

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)数据格式规整与坐标统一：对步骤(1)获取的城市空间矢量数据进行数据格式规整，统一转化为“.udb”格式数据集，并将各项数据的坐标统一转换为WGS84坐标系，并将规整和转换完成的数据按类别存储到1TB容量以上的移动硬盘中；

(22)城市现状三维形态基底模型的构建：基于SuperMap GIS提供的矢量数据接口，将规整和统一坐标后的步骤(1)所获取的城市基础数据按类别分层输入到计算机中，并在SuperMap GIS平台中将城市三维建筑形态数据落位于地形表面上，进而构建城市现状三维形态基底模型；

(23)选取观测点，生成现状三维天际轮廓线正射影像图：在现状三维形态基底模型中设置若干人眼高度的观测点，确定观测点的视线方向与视角，进而生成城市现状三维天际轮廓线的正射影像图。

进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)城市设计方案矢量模型的标准化处理：输入目标范围内的城市设计方案矢量模型，并将其数据格式转换为“.udb”数据集，坐标转换为WGS84坐标系；

(32)三维天际轮廓线设计方案模型的构建：基于SuperMap GIS提供的矢量数据接口，将城市设计方案矢量模型导入平台中，并将其置换至现状三维形态基底模型中的相应地块上，并将更新的模型另存为三维天际轮廓线设计方案模型；

(33)天际轮廓线设计方案正射影像图的生成：基于步骤(23)所设置的观测点位置、视线方向与视角，根据三维天际轮廓线设计方案模型，自动生成天际轮廓线设计方案正射影像图。

进一步地，所述步骤(4)包括以下步骤：

(41)城市现状三维天际轮廓线正射影像图的栅格化处理：在SuperMap GIS数字化平台中对现状三维天际轮廓线正射影像图进行识别，对三维天际轮廓线覆盖范围和背景山体的覆盖范围进行栅格化处理；

(42)按照(41)所述步骤将自动生成的城市三维天际轮廓线正射影像图进行栅格化处理；

(43)计算现状和设计方案的城市三维天际轮廓线遮挡率：分别对现状和方案生成的城市三维天际轮廓线遮挡率进行计算，并将计算结果实时显示在Supermap GIS平台中。

进一步地，所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)生成方案图纸文件制作：将最终生成的城市三维天际轮廓线按照鸟瞰图，正视图，左右侧视图，斜视图角度，以及基于城市实际观览的视点生成天际轮廓线设计方案视图，并将城市设计方案中的城市三维天际轮廓线遮挡率等指标形成“.pdf”格式的技术文档；

(52)生成方案图纸文件输出：将所生成的天际轮廓线设计方案视图和指标文字技术文档，通过高分辨率激光绘图仪打印并生成相应的图纸和文件；

(53)生成方案数字化显示与交互：通过链接SuperMap GIS数字化平台与全息沙盘影像设备，将步骤(32)所生成的三维天际轮廓线设计方案模型导入至全息沙盘影像设备中，使规划设计人员和地方主管人员可以在实际工作中对生成的三维天际轮廓线进行即时的编辑和查看，同时也可以通过后台参数编辑，或通过监测传感器与实际建设进度实时链接，观察所生成天际轮廓线的在实际城市空间中的建设情况。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明克服了传统城市天际轮廓线设计与评估过于依赖专业人员主观性、美学性判断的不足，通过实时三维天际轮廓线模拟以及背景山体遮挡率自动诊断的方式，为规划管理者、实施者提供了客观、高效的城市天际线诊断与评估方法；

2、实时模拟性与层次性：本发明通过计算机对现状与城市设计方案的空间形态模型进行实时演算，可以实现多视角下对城市三维天际轮廓线的即时模拟与观测，帮助城市规划者与管理者对天际线轮廓线设计方案与现状进行实时的对比与诊断，极大地提升城市空间形态的研究与管控效率；此外，本发明可基于任一观测点进行天际线模拟，帮助相关人员模拟感知与诊断城市天际轮廓线设计效果，克服了传统天际线研究仅针对城市天际轮廓线正立面的局限性；

3、诊断客观性与科学性：本发明的技术方案是基于现状建筑与城市设计方案对背景山体的遮挡率而进行三维天际轮廓线生成与诊断的方法，聚焦了城市天际线研究中的核心问题——城市建筑空间形态与背景山体的空间关系，并为城市规划研究者与管理者提供了高效、科学、客观的数值诊断方法，克服了传统研究往往基于主观感性与美学进行诊断的局限性；

4、交互性：本发明通过增强现实设备可对城市三维天际轮廓线的生成图像与数值计算结果进行交互显示，帮助城市规划者与管理者即时调用与查看天际轮廓线的生成情况，并基于现状与设计方案的对比，对其设计方案进行诊断与编辑。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为城市三维天际轮廓线正射影像图；

图3为城市三维天际轮廓线栅格化图斑。

具体实施方式

下面结合附图和具体城市实施应用案例，进一步阐明本发明，应理解这些实施案例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明是基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，由以下步骤组成：首先利用Supermap GIS城市模型平台与增强现实技术与设备，以城市现状三维建筑形态与地形高程数据为基础，通过输入城市设计方案矢量模型，构建三维天际轮廓线设计方案模型，并自动生成设计方案与城市现状的天际轮廓线正射影像图；然后对正射影像图进行栅格化处理后，Supermap GIS平台将自动根据栅格图计算现状天际轮廓线和生成天际轮廓线对背景山体的遮挡率。之后，通过使用绘图设备和虚拟影像全息交互设备，输出自动生成的城市三维天际轮廓线方案图纸与虚拟影像。如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤1：采集城市现状三维空间形态基础数据。

1.1现状三维建筑空间形态数据获取：规划师通过对城市中心区进行现场踏勘，并使用内置GPS坐标记录模块的地面三维激光扫描仪对该中心区三维建筑形态进行高分辨率的扫描,获取目标范围内带经纬度坐标的城市三维空间形态矢量数据。

1.2现状地形矢量数据的获取：规划师使用搭载移动测量系统的四旋翼无人机对中心区的地势地形进行逐地块的测量扫描，并进行数据拼接，最终获取城市现状带经纬度坐标的地形矢量DEM数据。

步骤2：搭建现状三维形态基底模型，并生成现状三维天际轮廓线的正射影像图。

2.1数据格式规整与坐标统一：在高性能计算机中对步骤1所获取的城市空间矢量数据进行数据格式规整，统一转化为“.udb”格式数据集，并将各项数据的坐标统一转换为WGS84地理坐标系，并将规整和转换完成的数据按类别存储到1TB容量以上的移动硬盘中。

2.2现状三维形态基底模型的构建：基于SuperMap GIS提供的矢量数据接口，将规整和统一坐标后的步骤1所获取的城市基础数据按类别分层输入到高性能计算机中，并在SuperMap GIS平台中使用“基于表面位置”命令将每个建筑矢量图形的基底重心落位于地形表面上，进而构建现状三维形态基底模型。

2.3选取观测点，生成现状三维天际轮廓线正射影像图：在现状三维形态基底模型中设置若干人眼高度(离地高度1.7m)的观测点，确定观测点的视线方向与视角，进而在Supermap GIS平台中自动生成现状三维天际轮廓线的正射影像图。

步骤3：生成三维天际轮廓线设计方案模型，并生成天际轮廓线设计方案正射影像图。

3.1城市设计方案矢量模型的标准化处理：输入目标范围内的城市设计方案矢量模型，并将其数据格式转换为“.udb”数据集，坐标转换为WGS84坐标系。

3.2三维天际轮廓线设计方案模型的构建：基于SuperMap GIS提供的矢量数据接口，将城市设计方案的建筑三维形态数据导入平台中，并将城市设计方案置入或置换至现状三维形态基底模型中的相应地块上，最后将更新的模型另存为三维天际轮廓线设计方案模型。

3.3天际轮廓线设计方案正射影像图的生成：基于步骤2.3所设置的观测点位置、视线方向与视角，根据三维天际轮廓线设计方案模型，自动生成天际轮廓线设计方案正射影像图，如图2所示。

步骤4：计算现状与设计方案的三维天际轮廓线对城市背景山体的遮挡率。

4.1现状三维天际轮廓线正射影像图的栅格化处理：在SuperMap GIS数字化平台中对现状三维天际轮廓线正射影像图进行识别，对三维天际轮廓线覆盖范围和背景山体的覆盖范围进行栅格化处理，栅格尺度为0.1km×0.1km，通过栅格化处理将图像转化为0.01km²单元大小的覆盖图斑，如图3所示。

4.2城市三维天际轮廓线正射影像图的栅格化处理：按照4.1所述步骤将自动生成的城市三维天际轮廓线正射影像图通过栅格化处理将图像转化为0.01km²单元大小的覆盖图斑。

4.3计算城市现状和设计方案的城市三维天际轮廓线遮挡率：分别对现状和方案生成的城市三维天际轮廓线遮挡率进行计算，计算公式如下：

式中，Sa为遮挡率，Ta为三维天际轮廓线图斑覆盖面积，Btotal为包含三维天际轮廓线覆盖范围在内的背景山体的图斑覆盖总面积。

步骤5：输出自动生成的城市三维天际轮廓线方案图纸与虚拟影像并进行交互。

5.1生成方案图纸文件制作：将最终生成的城市三维天际轮廓线按照鸟瞰图，正视图，左右侧视图，斜视图角度，以及基于城市实际观览的视点生成天际轮廓线设计方案视图，并将城市设计方案中的城市三维天际轮廓线遮挡率等指标形成”.pdf”格式的技术文档。

5.2生成方案图纸文件输出：将所生成的天际轮廓线设计方案视图和指标文字技术文档，通过高分辨率激光绘图仪打印并生成相应的图纸和文件。

5.3生成方案数字化显示与交互：通过链接SuperMap GIS数字化平台与全息沙盘影像设备，将步骤3.2所生成的三维天际轮廓线设计方案模型导入至全息沙盘影像设备中，使规划设计人员和地方主管人员可以在实际工作中对生成的三维天际轮廓线进行即时的编辑和查看，同时也可以通过后台参数编辑，或通过监测传感器与实际建设进度实时链接，观察所生成天际轮廓线的在实际城市空间中的建设情况。

Claims (6)

1.一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采集城市现状三维空间形态基础数据；

(2)构建城市现状三维形态基底模型，生成城市现状三维天际轮廓线的正射影像图；

(3)生成三维天际轮廓线设计方案模型，并生成相应天际线的正射影像图；

(4)计算现状天际轮廓线和生成天际轮廓线与背景山体的遮挡率；

(5)输出自动生成的城市三维天际轮廓线方案图纸与虚拟影像并进行交互。

2.根据权利要求1所述的一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)通过对目标范围进行现场踏勘，并使用内置GPS坐标记录模块的地面三维激光扫描仪对城市三维建筑形态进行高分辨率的扫描,获取目标范围内带经纬度坐标的城市三维空间形态矢量数据；

(12)使用搭载移动测量系统的四旋翼无人机对目标范围的地势地形进行测量，获取城市现状带经纬度坐标的地形矢量DEM数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，其特征在于，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)数据格式规整与坐标统一：对步骤(1)获取的城市空间矢量数据进行数据格式规整，统一转化为“.udb”格式数据集，并将各项数据的坐标统一转换为WGS84坐标系，并将规整和转换完成的数据按类别存储到1TB容量以上的移动硬盘中；

(22)城市现状三维形态基底模型的构建：基于SuperMap GIS提供的矢量数据接口，将规整和统一坐标后的步骤(1)所获取的城市基础数据按类别分层输入到计算机中，并在SuperMap GIS平台中将城市三维建筑形态数据落位于地形表面上，进而构建城市现状三维形态基底模型；

(23)选取观测点，生成现状三维天际轮廓线正射影像图：在现状三维形态基底模型中设置若干人眼高度的观测点，确定观测点的视线方向与视角，进而生成城市现状三维天际轮廓线的正射影像图。

4.根据权利要求1所述的一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，其特征在于，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)城市设计方案矢量模型的标准化处理：输入目标范围内的城市设计方案矢量模型，并将其数据格式转换为“.udb”数据集，坐标转换为WGS84坐标系；

(32)三维天际轮廓线设计方案模型的构建：基于SuperMap GIS提供的矢量数据接口，将城市设计方案矢量模型导入平台中，并将其置换至现状三维形态基底模型中的相应地块上，并将更新的模型另存为三维天际轮廓线设计方案模型；

(33)天际轮廓线设计方案正射影像图的生成：基于步骤(23)所设置的观测点位置、视线方向与视角，根据三维天际轮廓线设计方案模型，自动生成天际轮廓线设计方案正射影像图。

5.根据权利要求1所述的一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：

(41)城市现状三维天际轮廓线正射影像图的栅格化处理：在SuperMap GIS数字化平台中对现状三维天际轮廓线正射影像图进行识别，对三维天际轮廓线覆盖范围和背景山体的覆盖范围进行栅格化处理；

(42)按照(41)所述步骤将自动生成的城市三维天际轮廓线正射影像图进行栅格化处理；

(43)计算现状和设计方案的城市三维天际轮廓线遮挡率：分别对现状和方案生成的城市三维天际轮廓线遮挡率进行计算，并将计算结果实时显示在Supermap GIS平台中。

6.根据权利要求1所述的一种基于遮挡率的城市三维天际轮廓线自动化生成与诊断方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)生成方案图纸文件制作：将最终生成的城市三维天际轮廓线按照鸟瞰图，正视图，左右侧视图，斜视图角度，以及基于城市实际观览的视点生成天际轮廓线设计方案视图，并将城市设计方案中的城市三维天际轮廓线遮挡率等指标形成“.pdf”格式的技术文档；

(52)生成方案图纸文件输出：将所生成的天际轮廓线设计方案视图和指标文字技术文档，通过高分辨率激光绘图仪打印并生成相应的图纸和文件；

(53)生成方案数字化显示与交互：通过链接SuperMap GIS数字化平台与全息沙盘影像设备，将步骤(32)所生成的三维天际轮廓线设计方案模型导入至全息沙盘影像设备中，使规划设计人员和地方主管人员可以在实际工作中对生成的三维天际轮廓线进行即时的编辑和查看，同时也可以通过后台参数编辑，或通过监测传感器与实际建设进度实时链接，观察所生成天际轮廓线的在实际城市空间中的建设情况。

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