CN112230759B - 一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，首先，构建城市景观点周边的城市空间形态数据沙盘；创建可视球体，计算阻碍点集并获取景观点三维通视域，获得景观点视线有效投影面；其次，提取可视的道路三维模型，等距取点计算道路中心线的投影弯曲度，进一步筛选识别观景视廊；并进行实景采集，录入三维交互展示平台；然后，将新增规划方案置入三维交互展示平台，对叠合规划方案后的城市观景视廊进行模拟；最后，通过增强现实眼镜，输出叠加城市规划方案后的可动态交互的城市观景视廊空间VR场景。本发明结合了真实的动态观景过程，并以三维交互展示平台进行规划模拟与交互输出，为城市规划设计的进一步优化和决策提供了基础的理性支撑。

Description

一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法

技术领域

本发明属于城市规划领域，具体涉及一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法。

背景技术

城市观景视廊，反映了在建成环境中公众对城市景观要素的可视程度，关乎到城市公共生活中的空间感受与舒适程度。在城市规划与设计中，将城市观景视廊的量化结果作为指标有助于城市规划设计决策，同时也可以作为城市空间布局控制与优化的重要依据。通过优化现状城市空间环境中的观景可视域，可以有效地强化城市景观感知，提升城市空间品质，使得公众在城市中可以“看得见山，望得见水”，在整体上达到城市与自然相和谐的状态。分析城市既有观景视廊中某视点的视觉场景，在此基础上进一步测算、模拟结合规划方案后的景观可视域态势，是城市规划建设部门进行城市观景视廊调控的首要和重要技术环节。

现有的城市观景视廊的分析技术主要有基于人工实地调查的景观评价法、基于街景图片的计算机观景图像分析法、基于数字建模的GIS可视域分析等。基于人工实地调查的景观评价法一般是指根据现状实地调查的结果，运用适当的简单量化评价方法对城市观景视廊进行简单的描述与评价。基于街景图片的计算机观景图像分析是指通过在百度街景、腾讯街景等地图网站上进行城市景观视廊空间的街景图片采样，基于人工智能图像识别技术，进一步由计算机自动识别出图片中的景观点(如山体、建筑)要素，并通过计算机计算单张街景图片中景观要素及除景观要素以外的其他要素的比例关系，得到观景可视域数值。基于数字建模的GIS可视域分析指的是在既有数字高程模型中识别出三维空间中某一点的可视范围，多个点的可视范围可进行叠加，从而得出该地形的可视性分级图。

但以上几种主要城市观景视廊分析技术在准确性、真实性、交互性上，存在着一定局限。对于基于人工实地调查的景观评价法，该方法缺乏一定的准确性，其往往以人工方法对城市观景视廊进行识别和评价，视廊的识别与评价较为主观、缺乏精度，难以得到定量化、模式化的结论，由此带来的结果低准确性使其应用范围受到极大的限制；对于基于街景图片的计算机观景图像分析技术，该方法则在交互性上有所欠缺，其应用的街景图片数据只包含城市现状街道空间的视觉图像，一方面由于数据自身局限，未能对城市中所有的景观视廊、可能的观景视点实现全覆盖，同时也无法兼顾规划后的城市空间，对于规划方案如何影响观景视廊无法进行交互，并做出优化回应；而对于基于数字建模的GIS可视域分析技术，该方法则缺少真实性，在进行分析时，基本不考虑既有建成区建筑的分布情况，以及人视点的高度情况，同时也无法反映连续动态的景观感知情况，因而缺少视线分析应有的真实性和适用性。

发明内容

发明目的：本发明针对以上问题，提出一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，能够在建构城市既有建成环境基础上，基于景观点通视域计算，识别现状观景视廊，以定量的方法保障了现状视廊识别分析的准确性；进而对规划后视廊空间中连续动态视点的城市景观感知情况进行模拟与分析，以动态交互的方式，结合了真实的动态观景过程，并以三维交互展示平台进行规划模拟与交互输出，为城市规划设计的进一步优化和决策提供了基础的理性支撑。

技术方案：本发明所述的一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，包括以下步骤，

(1)基于包含地形、建筑、道路的矢量数据，建构城市景观点周边的城市空间形态数据沙盘；

(2)根据景观点与最大可视距离创建可视球体，计算阻碍点集并获取景观点三维通视域，获得景观点视线有效投影面；

(3)提取可视的道路三维模型，等距取点计算道路中心线的投影弯曲度，进一步筛选识别观景视廊；

(4)通过背包三维激光扫描仪，对识别出的现状城市景观视廊空间场景进行实景采集，录入三维交互展示平台；

(5)将新增规划方案置入三维交互展示平台，对叠合规划方案后的城市观景视廊进行模拟；

(6)通过增强现实眼镜，输出叠加城市规划方案后的可动态交互的城市观景视廊空间VR场景。

进一步地，所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)获取景观点坐标0(x,y,z),其中，(x，y)为景观点所在的平面坐标值，z为景观点所在的景观对象最高处所在的平面高度；获取观察点周边一定范围内的包含城市地形、建筑、道路等信息的矢量二维数据，所述建筑数据为闭合的多边形，包含建筑层数信息；所属道路数据包括各道路的中心线、道路宽度、道路高程信息；

(12)统一矢量数据坐标，将之加载入SuperMap平台，基于建筑层数信息以3m为层高进行拉伸，得到建筑三维模型；基于道路中心线及道路高程点信息，依据道路宽度数值，生成道路三维模型，以此建立城市空间形态数据基础沙盘；

(13)基于获得的城市空间形态数据基础沙盘，将除去建筑三维模型的表面视为地平面，对其进行栅格化处理。

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)根据景观点坐标O(x,y,z)，创建可视球体：以当前环境下的最大可视距离R为半径，做可视球体，以方位角α为间隔，从球心向球面做垂线，视为观测景观点的视线；

(22)对于生成的每条方位线，获取其与球体内覆盖到的建筑三维模型的交点O₁(x₁,y₁,z₁)，视为视线的阻碍点，形成阻碍点集N{O₁,O₂,O₃…O_n}；连接点集中的所有点，即可获取景观点的景观点三维通视域；

(23)基于空间形态沙盘的地平面栅格，以1.6m为单位进行向上抬升，所得到的平面栅格视为观察点所在的人视平面；根据景观点三维通视域，以y轴所在方向向人视平面进行投影，所得到的投影面记为景观点视线有效投影面。

进一步地，所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)基于获取的景观点视线有效投影面，计算其与道路三维模型的交点，截取有效视线内的道路单元模型；

(32)根据截取的道路单元模型，提取其中心线，以2m为间距在中心线上等距打点，获得点集n{P₁,P₂,P₃…P_n}，其中点P_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i),连接点集上相邻点，形成连续的折线；计算中心线在水平面上的投影弯曲度K_p，其计算公式如下：

其中，n为点集{P1,P2,P3…Pn}的总数；i＝0，1，…，n，按中点Pi(Xi,Yi,Zi)的z坐标从小到大排列；ri为相邻点连线向量，

(33)根据计算出的道路投影弯曲度，将K_p>4/km的道路三维模型剔除，余下的道路三维模型则视为景观点现状视廊。

进一步地，所述步骤(4)包括以下步骤：

(41)根据步骤(3)自动识别出的观景视廊，将其录入二维平面数据库，在数据库中置入5m*5m的平面网格，并根据规划方案中的视廊空间确定实景采集路线，确保通过最短路径将所有观景视廊所在的街道和公共空间串联；

(42)在采集路线起点组装好穿戴式高精度三维扫描仪，扫描仪需具备激光雷达和全景相机两个采集功能，激光雷达的扫描精度需达到每秒30万点，全景相机分辨率需达到2000万像素；在组装好设备的基础上，对设备进行调试以及参数设置；

(43)辅助人员协助测试人员穿戴好设备，将设备背在身后，调整好设备系带纽扣等连接处，确保正常行走时设备不会摇晃，将镜头高度调整为人眼高度的1.6m；

(44)测试人员按照规划的实景采集路线，以1.0-1.5m/s的速度匀速行走，进行数据采集；

(45)通过计算机将收集好的数据录入SuperMap三维数据平台。

进一步地，所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)整理规划方案，将方案中的地形、建筑、树木、道路、特色景观等具有较大体量以及可以影响视廊景观面的物体提取出来，分到各个图层并依次命名，命名方式为地形-terrain、建筑-arch、树木-tree、道路-road、景观-landscape、其他-others，将数据导入进SuperMap三维数据平台；

(52)将(51)中提取的规划方案数据与步骤(4)得到的现状三维实景数据在三维数据平台中结合，调试坐标，使两者在同一坐标系；

(53)检查合成之后的模型错误，对规划方案中错误的地方进行修改；规划的保留建筑和景观数据与现状有出入时，需以实景数据为准；规划的新建建筑数据出现越过红线等情况时需要调整其位置；规划后不保留的现状道路和建筑，需要在现状数据中进行清除；最终得到规划后的三维模型数据；

(54)根据步骤(3)生成的观景视廊，在新的三维模型数据库中设置多个观景视廊点，在SuperMap数据库中生成规划模拟后新的城市观景视廊并导出。

进一步地，所述步骤(6)实现过程如下：

通过外接专用绘图设备输出城市动态视廊可视域影像，将每个指定测点的城市动态视廊与其对应的编号输入EXCEl表格，得到标准测量面板数据；所述辅助设备包含测量设备，测量设备内置的GPS定位设备，云台式脚架的固定设备，天窗式或敞篷式交通移动设备，可进行图像传输共享的计算机分析设备，计算机外接专用绘图设备。

有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、准确性：本发明采用的景观点通视域计算与现状视廊识别方法，通过建立可视球体获取阻碍点集，进行三维通视域的定量计算与提取，并基于弯曲度数值运算，对观景视廊进行严格筛选，最终获得准确的城市现状观景视廊；极大提高了视觉感知评价的精度，避免了传统人工方法对城市观景视廊识别和评价的主观性，最大程度上减小了造成视廊评估与识别计算的误差；

2、真实性：本发明利用穿戴式高精度三维扫描仪，具备高精度的激光雷达，及高分辨率的全景相机，采集者以人视高度与匀速行进进行实景的录入采集，克服了传统GIS可视域分析方法中忽略人视、静态评判的缺点，确保了规划模拟与视廊分析的真实性；

3、交互性：以往对于城市观景视廊的分析多关注现状城市空间的研究判定，无法有效判断在城市现状视廊空间中置入规划方案后对于观景者的影响，也无法有效指导规划设计的优化调整；本发明基于动态实景录入，使用三维交互展示平台与增强现实技术，有效地保障了规划模拟的落地与使用者需求的满足，具备交互性特征，为城市规划设计的进一步优化和决策提供了基础的理性支撑。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述，如图1所示，本发明提供的一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，具体包括以下步骤：

步骤1：基于包含地形、建筑、道路的矢量数据，建构城市景观点周边的城市空间形态数据沙盘。

1.1)获取景观点坐标0(x,y,z),其中，(x，y)为景观点所在的平面坐标值，z为景观点所在的景观对象最高处所在的平面高度。获取观察点(观看景观点的具体位置)周边一定范围内的包含城市地形、建筑、道路等信息的矢量二维数据，所述建筑数据为闭合的多边形，包含建筑层数信息；所属道路数据包括各道路的中心线、道路宽度、道路高程信息。

1.2)统一矢量数据坐标，将之加载入SuperMap平台，基于建筑层数信息以3m为层高进行拉伸，得到建筑三维模型；基于道路中心线及道路高程点信息，依据道路宽度数值，生成道路三维模型，以此建立城市空间形态数据基础沙盘。

1.3)基于获得的城市空间形态数据基础沙盘，将除去建筑三维模型的表面视为地平面，对其进行栅格化处理。

步骤2：根据景观点与最大可视距离创建可视球体，计算阻碍点集并获取景观点三维通视域，获得景观点视线有效投影面。

2.1)根据景观点坐标O(x,y,z)，创建可视球体。以当前环境下的最大可视距离R为半径，做可视球体。以方位角α为间隔，从球心向球面做垂线，视为观测景观点的视线。

2.2)对于生成的每条方位线，获取其与球体内覆盖到的建筑三维模型的交点O1(x1,y1,z1)，视为视线的阻碍点，形成阻碍点集N{O1,O2,O3…On}。连接点集中的所有点，即可获取景观点的景观点三维通视域。

2.3)基于空间形态沙盘的地平面栅格，以1.6m为单位进行向上抬升，所得到的平面栅格视为观察点所在的人视平面。根据景观点三维通视域，以y轴所在方向向人视平面进行投影，所得到的投影面记为景观点视线有效投影面。

步骤3：提取可视的道路三维模型，等距取点计算道路中心线的投影弯曲度，进一步筛选识别观景视廊。

3.1)基于获取的景观点视线有效投影面，计算其与道路三维模型的交点，截取有效视线内的道路单元模型；

3.2)根据截取的道路单元模型，提取其中心线，以2m为间距在中心线上等距打点，获得点集n{P1,P2,P3…Pn}，其中点Pi的坐标为(Xi,Yi,Zi),连接点集上相邻点，形成连续的折线。在此基础上，计算中心线在水平面上的投影弯曲度Kp，其计算公式如下：

其中，n为点集{P1,P2,P3…Pn}的总数；i＝0，1，…，n，按中点Pi(Xi,Yi,Zi)的z坐标从小到大排列；ri为相邻点连线向量，

3.3)根据计算出的道路投影弯曲度，将Kp>4/km的道路三维模型剔除；余下的道路三维模型则视为景观点现状视廊。

步骤4：通过背包三维激光扫描仪-ZEB，对识别出的现状城市景观视廊空间场景进行实景采集，录入三维交互展示平台；

4.1)根据步骤3自动识别出的观景视廊，将其录入二维平面数据库，在数据库中置入5m*5m的平面网格，并根据规划方案中的视廊空间确定实景采集路线，确保通过最短路径将所有观景视廊所在的街道和公共空间串联。

4.2)在采集路线起点组装好穿戴式高精度三维扫描仪，扫描仪需具备激光雷达和全景相机两个采集功能，激光雷达的扫描精度需达到每秒30万点，全景相机分辨率需达到2000万像素。在组装好设备的基础上，还需要对设备进行调试以及参数设置，具体包括电量检测、GPS校准、相机设置，相机拍摄频率需设定为每秒拍摄7张实景照片

4.3)辅助人员协助测试人员穿戴好设备，将设备背在身后，调整好设备系带纽扣等连接处，确保正常行走时设备不会摇晃，将镜头高度调整为人眼高度的1.6m。

4.4)测试人员按照规划的实景采集路线，以1.0-1.5m/s的速度匀速行走，进行数据采集。测试过程中测试人员不得摇晃身体或者大幅变速，测试全程辅助人员应在测试人员身后跟进，以便随时给予语言协助。

4.5)行走完毕后，脱下设备，通过计算机将收集好的数据录入SuperMap三维数据平台。

步骤5：将新增规划方案置入三维交互展示平台，对叠合规划方案后的城市观景视廊进行模拟。

5.1)整理规划方案，将方案中的地形、建筑、树木、道路、特色景观等具有较大体量以及可以影响视廊景观面的物体提取出来，分到各个图层并依次命名，命名方式为地形-terrain、建筑-arch、树木-tree、道路-road、景观-landscape、其他-others，将数据导入进SuperMap三维数据平台。

5.2)将5.1中提取的规划方案数据与步骤4得到的现状三维实景数据在三维数据平台中结合，调试坐标，使两者在同一坐标系。

5.3)检查合成之后的模型错误，对规划方案中错误的地方进行修改。规划的保留建筑和景观数据与现状有出入时，需以实景数据为准；规划的新建建筑数据出现越过红线等情况时需要调整其位置；规划后不保留的现状道路和建筑，需要在现状数据中进行清除。最终得到规划后的三维模型数据。

5.4)根据步骤3生成的观景视廊，在新的三维模型数据库中设置多个观景视廊点，在SuperMap数据库中生成规划模拟后新的城市观景视廊并导出。

步骤6：通过Hololens增强现实眼镜，输出叠加城市规划方案后的可动态交互的城市观景视廊空间VR场景。

6.1)通过外接专用绘图设备输出城市动态视廊可视域影像，将每个指定测点的城市动态视廊与其对应的编号输入EXCEl表格，得到标准测量面板数据。

6.2)所述辅助设备包含测量设备，测量设备内置的GPS定位设备，云台式脚架的固定设备，天窗式或敞篷式交通移动设备，可进行图像传输共享的计算机分析设备，计算机外接专用绘图设备。其中，测量设备需要安装拍摄专用镜头，其特征为夹带式广角微距鱼眼镜头，其拍摄像素至少需要达到800万像素。

Claims (3)

1.一种动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)基于包含地形、建筑、道路的矢量数据，建构城市景观点周边的城市空间形态数据沙盘；

步骤(2)根据景观点与最大可视距离创建可视球体，计算阻碍点集并获取景观点三维通视域，获得景观点视线有效投影面；

步骤(3)提取可视的道路三维模型，等距取点计算道路中心线的投影弯曲度，进一步筛选识别观景视廊；

步骤(4)通过背包三维激光扫描仪，对识别出的现状城市景观视廊空间场景进行实景采集，录入三维交互展示平台；

步骤(5)将新增规划方案置入三维交互展示平台，对叠合规划方案后的城市观景视廊进行模拟；

步骤(6)通过增强现实眼镜，输出叠加城市规划方案后的可动态交互的城市观景视廊空间VR场景；

所述步骤(1)包括以下步骤：

(11)获取景观点坐标0(x，y,z),其中，(x，y)为景观点所在的平面坐标值，z为景观点所在的景观对象最高处所在的平面高度；获取观察点周边一定范围内的包含城市地形、建筑、道路信息的矢量二维数据，所述建筑数据为闭合的多边形，包含建筑层数信息；所属道路数据包括各道路的中心线、道路宽度、道路高程信息；

(12)统一矢量数据坐标，将之加载入SuperMap平台，基于建筑层数信息以3m为层高进行拉伸，得到建筑三维模型；基于道路中心线及道路高程点信息，依据道路宽度数值，生成道路三维模型，以此建立城市空间形态数据基础沙盘；

(13)基于获得的城市空间形态数据基础沙盘，将除去建筑三维模型的表面视为地平面，对其进行栅格化处理；

所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)根据景观点坐标O(x,y,z)，创建可视球体：以当前环境下的最大可视距离R为半径，做可视球体，以方位角α为间隔，从球心向球面做垂线，视为观测景观点的视线；

(22)对于生成的每条方位线，获取其与球体内覆盖到的建筑三维模型的交点O₁(x₁,y₁,z₁)，视为视线的阻碍点，形成阻碍点集N{O₁,O₂,O₃…O_n}；连接点集中的所有点，即可获取景观点的景观点三维通视域；

(23)基于空间形态沙盘的地平面栅格，以1.6m为单位进行向上抬升，所得到的平面栅格视为观察点所在的人视平面；根据景观点三维通视域，以y轴所在方向向人视平面进行投影，所得到的投影面记为景观点视线有效投影面；所述步骤(3)包括以下步骤：

(31)基于获取的景观点视线有效投影面，计算其与道路三维模型的交点，截取有效视线内的道路单元模型；

(32)根据截取的道路单元模型，提取其中心线，以2m为间距在中心线上等距打点，获得点集n{P₁,P₂,P₃…P_n}，其中点P_i的坐标为(X_i,Y_i,Z_i)，连接点集上相邻点，形成连续的折线；计算中心线在水平面上的投影弯曲度K_p，其计算公式如下：

其中，n为点集{P1，P2，P3…Pn}的总数；i＝0，1，…，n，按中点Pi(Xi,Yi，Zi)的z坐标从小到大排列；ri为相邻点连线向量，

(33)根据计算出的道路投影弯曲度，将K_p＞4/km的道路三维模型剔除，余下的道路三维模型则视为景观点现状视廊。

2.根据权利要求1所述的动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，其特征在于，所述步骤(4)包括以下步骤：

(41)根据步骤(3)自动识别出的观景视廊，将其录入二维平面数据库，在数据库中置入5m*5m的平面网格，并根据规划方案中的视廊空间确定实景采集路线，确保通过最短路径将所有观景视廊所在的街道和公共空间串联；

(42)在采集路线起点组装好穿戴式高精度三维扫描仪，扫描仪需具备激光雷达和全景相机两个采集功能，激光雷达的扫描精度需达到每秒30万点，全景相机分辨率需达到2000万像素；在组装好设备的基础上，对设备进行调试以及参数设置；

(43)辅助人员协助测试人员穿戴好设备，将设备背在身后，调整好设备系带纽扣连接处，确保正常行走时设备不会摇晃，将镜头高度调整为人眼高度的1.6m；

(44)测试人员按照规划的实景采集路线，以1.0-1.5m/s的速度匀速行走，进行数据采集；

(45)通过计算机将收集好的数据录入SuperMap三维数据平台。

3.根据权利要求1所述的动态交互的城市观景视廊识别与规划模拟方法，其特征在于，所述步骤(5)包括以下步骤：

(51)整理规划方案，将方案中的地形、建筑、树木、道路、特色景观具有较大体量以及可以影响视廊景观面的物体提取出来，分到各个图层并依次命名，命名方式为地形-terrain、建筑-arch、树木-tree、道路-road、景观-landscape、其他-others，将数据导入进SuperMap三维数据平台；

(52)将(51)中提取的规划方案数据与步骤(4)得到的现状三维实景数据在三维数据平台中结合，调试坐标，使两者在同一坐标系；

(53)检查合成之后的模型错误，对规划方案中错误的地方进行修改；规划的保留建筑和景观数据与现状有出入时，需以实景数据为准；规划的新建建筑数据出现越过红线情况时需要调整其位置；规划后不保留的现状道路和建筑，需要在现状数据中进行清除；最终得到规划后的三维模型数据；

(54)根据步骤(3)生成的观景视廊，在新的三维模型数据库中设置多个观景视廊点，在SuperMap数据库中生成规划模拟后新的城市观景视廊并导出。

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