CN113420460B - 基于osg数据天际线的城市建筑限高快速分析方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法及系统，根据规划区域和多个指定的观测视点，划定与各视点相应的视线通廊区域；恢复OSG数据的多细节层次关系，从OSG数据中层次化提取视线通廊区域内最精细层次的三角网数据；对每一个视线通廊区域内的三角网，进行地球曲率改正；利用改正后的三角网数据，逐边快速迭代更新视线通廊内的天际线高度角，确定该视点天际线控制下规划区域的限高值；将不同观测点的限高结果进行融合，输出规划区域在多视点天际线控制下的建筑限高值。本发明能够保留地表形态信息影响，并且考虑地球曲率影响，提高城市建筑限高值计算精度；同时借助OSG引擎多细节层次技术和层次化提取策略，提高了数据处理效率。

Description

基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法及系统
技术领域
本发明属于城市规划和计算机图形学、大地测量的交叉领域，具体涉及一种基于OSG数据天际线迭代更新的城市建筑限高值的快速分析方案。
背景技术
OSG城市数据是通过倾斜摄影测量采集大量影像后，通过空中三角测量、密集匹配等方法，得到的三角网格式的城市三维模型，具有获取速度快、自动化程度高、模型分辨率高的优点。建筑限高，是指规划部门根据建筑物所处位置的不同，以及其对城市整体空间环境的影响程度，所规定的不能超越的限制高度，是城市控制性详细规划和城市设计的一项重要指标。天际线保护控制法是高度控制技术中的常用定量方法，其核心是通视分析，即通过指定的视点和规划区域来划定视觉通廊，保证已有天际线形态不被破坏、关键视点的视觉通廊畅通，来确定城市建筑高度控制的限差值，即建筑限高值。天际线保护控制法的计算需要大范围的城市形态信息，目前地理信息系统(GIS)中采用的地形数据主要是数字高程模型(DEM/DSM)或建筑矢量模型，但是这些数据由于分辨率较低、建模耗时等原因，难以用于大范围通视分析的精确计算。随着倾斜摄影测量技术的快速发展，以OSG数据为代表的大规模三角网数据具有获取速度快、自动化程度高、模型分辨率高的优点，可以很好地满足大范围城市建筑限高的精确计算，然而大规模三角网数据的存储复杂、计算耗时，使OSG数据尚未在城市空间分析中得到广泛应用。所以，如何有效利用城市大规模OSG数据，实现城市建筑限高的大范围快速精确计算，对于促进数字化城市规划的发展，以及推进OSG数据在城市空间分析中的应用具有重要的意义。
目前，针对建筑高度控制限差的研究工作，主要集中在基于不同地形数据如DEM数据和矢量模型数据的通视分析方法研究上。例如，Teng等(1993)利用等高线提取高程矩阵，通过构造射线结构计算视点到目标区域内所有高程点的可视性。Daniel等(1996)利用坐标轴的直线性将多维转换为低维数据处理，以视点为中心，将DEM划分为8个等面积的三角形区域，从而实现由大的块状区域到小的子区域可视域分析的转换。张金芳等(2005)对基于DEM的视域分析方法进行比较，认为复用向外逐点计算法(XDraw)具有更高的准确度且CPU消耗较小。陶旸(2009)对基于DEM的地形可视分析应用进行归类总结，构建了DEM地形可视性统一分析模型以及基于该模型的模式化可视性分析方法。此外，易敏等(1999)对基于三角形格网的点到区域法、快速点到三角形法、次快速点到三角形法、消隐法四种通视性分析方法进行了比较，实验表明点到区域法具有更高的效率和更好的效果。许文强(2010)结合3DGIS平台，提出了针对地形和建筑物可视性分析的数学几何模型。叶胜发(2012)、王婧逸(2014)、杜星宇(2015)等分别利用ArcGIS的可视分析工具箱，对山区、老城区、历史名城等不同场景下进行了通视分析。翟亚婷(2016)以不规则格网表达地形，以AutoCAD软件获取建筑物轮廓模型，并将建筑物模型与地形模型结合，构建了基于混合模型的视线分析方法。
总体而言，目前用于城市高程控制限差计算的方法仍存在以下问题：①基于DEM数据的方法，模型分辨率较低，影响计算结果精度，无法用于精确估计；②基于矢量模型的方法，虽然能够较好描绘单体建筑形态，但是对地形、植被等描述较弱，而且城市范围的矢量模型重建耗时耗力，难以考虑长距离通视分析时的地球曲率影响，因此一般只用于小范围的精确计算；③OSG数据虽然具有更多的细节，但是由于大规模三角网数据的存储复杂、计算耗时，使OSG数据难以在城市空间分析中得到实际应用，缺少基于OSG数据的通视分析计算方法，没有大范围、大场景下建筑限高值快速分析的解决方案。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出一种基于大范围OSG数据的城市建筑限高的快速分析方法。本发明解决的技术问题主要包括：①大范围OSG数据基于文件名的多细节层次(LOD，Levels of Detail)关系恢复及层次化快速调用；②顾及地球曲率影响的OSG数据地形改正；③基于OSG数据天际线快速迭代更新的通视分析方法，提升建筑限高值估计的效率和精度。
本发明的技术方案提供一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法，包括以下步骤：
步骤1，根据规划区域和多个指定的观测视点，划定与各视点相应的视线通廊区域；
步骤2，利用OSG文件命名规则，直接恢复OSG数据的多细节层次关系，从OSG数据中层次化提取该视线通廊区域内最精细层次的三角网数据；
步骤3，对每一个视线通廊区域内的三角网，进行地球曲率改正；
步骤4，利用改正后的三角网数据，逐边快速迭代更新视线通廊内的天际线高度角，根据最终的高度角确定该视点天际线控制下规划区域的限高值；
步骤5，将不同观测点的限高结果进行融合，输出规划区域在多视点天际线控制下的建筑限高值。
而且，视线通廊划定过程实现方式如下，
设给定的规划区域为R，对应的凸包边界为CR，观测视点集合为V＝{v1,v2,…,vn}；对于每一个观测视点vi，其与规划区域的凸包边界CR组合，构成一个更大范围的凸多边形CV，新的凸多边形CV中视点vi与规划区域部分边界包围的部分，作为该视点对应的视线通廊区域RVi，i＝1,2,…n。
而且，步骤2中采用层次化读取方式，首先读取原始数据每个瓦片的根节点数据，判断其与视觉通廊是否相交后，再进一步提取相交瓦片的最精细尺度数据。
而且，步骤3中，计算故建筑限高值如下，
Figure BDA0003167919890000031
其中，HV、HS、HT分别为视点、遮挡点、规划区域点的高程值，DVS、DVT分别为视点到遮挡点、规划区域点的距离，CVS和CVT是从视点观测时遮挡点和规划区域点的地球曲率改正项。
而且，步骤4中，按照视线通廊的水平范围、规划区域的形状和精度要求，确定水平方向的角度分辨率及水平角个数，并初始化高度角序列集；然后，利用改正后的三角网数据，逐边计算对应的视线通廊水平范围内的天际线高度角，并添加到相应的高度角序列，遍历所有边后，再对每个高度角序列排序并保留最大值，从而实现对天际线高度角的快速迭代更新，根据最终的高度角确定视点天际线控制下规划区域的限高值。
另一方面，本发明提供一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，用于实现如上所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
而且，包括以下模块，
第一模块，用于根据规划区域和多个指定的观测视点，划定与各视点相应的视线通廊区域；
第二模块，用于利用OSG文件命名规则，直接恢复OSG数据的多细节层次关系，从OSG数据中层次化提取该视线通廊区域内最精细层次的三角网数据；
第三模块，用于对每一个视线通廊区域内的三角网，进行地球曲率改正；
第四模块，用于利用改正后的三角网数据，逐边快速迭代更新视线通廊内的天际线高度角，根据最终的高度角确定该视点天际线控制下规划区域的限高值；
第五模块，用于将不同观测点的限高结果进行融合，输出规划区域在多视点天际线控制下的建筑限高值。
或者，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
或者，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
本发明提出了基于OSG数据的城市建筑限高分析方案，相比于以往基于DEM和矢量模型的方法，所提方案能够保留植被和建筑细节等精细的地表形态信息的影响，并且考虑了长距离通视分析时的地球曲率影响，提高了城市建筑限高值计算的精度；同时借助OSG引擎的多细节层次技术和层次化提取策略，提高了数据处理效率，实现了城市大范围建筑限高值的快速准确计算。
附图说明
图1是本发明实施例的基于OSG数据天际线迭代更新的城市建筑限高值的快速分析方法的整体流程图。
图2是本发明实施例的三角网地球曲率改正原理的示意图。
图3是本发明实施例的迭代更新天际线高度角原理的示意图，其中图3a为待更新的三角形线段示意图，图3b为需要判断更新天际线高度角的区间示意图。
具体实施方式
本发明主要基于计算机图形学、大地测量的理论和技术，提出了一种基于OSG数据天际线迭代更新的城市建筑限高值的快速分析方法。本发明通过OSG文件命名规则，快速恢复OSG数据的多层次关系，提取视线通廊内的三角网数据，并结合三角高程测量误差理论，对视线通廊内的三角网数据进行地球曲率改正，减小长距离观测下地球曲率对通视分析的影响，进而利用迭代更新天际线高度角算法，快速分析出视线通廊内的天际线高度角，从而实现基于大范围OSG数据进行城市建筑限高值的快速准确计算，提升大范围城市建筑限高值计算的效率及自动化程度。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法能够用计算机软件技术实现流程，整体技术流程图参见图1，包括以下步骤：
步骤1，为了提升对大规模点云数据处理的效率，首先根据规划区域和多个指定的观测视点，划定与各视点相应的视线通廊区域。具体的视线通廊划定过程说明如下：
设给定的规划区域为R，其对应的凸包边界为CR，观测视点集合为V＝{v1,v2,…,vn}。对于每一个观测视点vi，其与规划区域的凸包边界CR组合，可以构成一个更大范围的凸多边形CV，新的凸多边形CV中视点vi与规划区域部分边界包围的部分，即为该视点对应的视线通廊区域RVi。其中，i＝1,2,…n，n为观测视点的数目。
其中，求凸包采用了Graham扫描法，该方法首先假设一个中心点，然后对所有顶点依照逆时针顺序排序，以一个点为起始点，沿着逆时针方向连接下一个顶点，如果出现某一顶点所在的前后两边夹角小于180°，则表明该顶点不在凸包多边形上，舍弃该顶点并从其前一个顶点连接至后一个顶点，重新判断是否满足夹角条件，直到多边形闭合。
步骤2，利用OSG文件命名规则，直接恢复OSG数据的多细节层次关系，从OSG数据中层次化提取该视线通廊区域内最精细层次的三角网数据。
因为OSG引擎自身读取最精细层次的三角网数据时，需要逐层读入.osg/.osgb文件，而在实际计算中，中间层的数据并不需要，另一方面OSG数据在生成时已经将LOD信息放入文件名，所以为提高数据读取效率，采用层次化读取方式，首先读取原始数据每个瓦片的根节点数据，判断其与视觉通廊是否相交后，再进一步提取相交瓦片的最精细尺度数据。其中.osg/.osgb文件的LOD命名规则，根据ContextCapture软件用户使用手册说明如下：
对于文件“Tile_+000_+003_L20_000013.osg”",“Tile_+000_+003”表示所在瓦片名，“000”与“003”分别为瓦片的行号与列号，“L20”表示与实际地面分辨率有关的标准化细节层次级别，“000013”表示四叉树或八叉树的节点路径，其中的每一位数字对应于树中的子索引(从0开始)。
步骤3，对每一个视线通廊区域内的三角网数据，进行地球曲率改正。
本发明采用天际线控高算法，首先利用通视分析求出视线通廊内遮挡物的最大遮挡高度角，再反求规划区域中相应位置的限高值。这一过程与三角高程测量的基本原理相类似。根据三角高程测量的误差理论，当观测距离较长时(>300m)，应当考虑地球曲率引起的球差改正以及大气折光引起的气差改正。在基于OSG数据的建筑限差计算中，一方面数据是由倾斜摄影测量的照片重构得到，其坐标系相当于真实地表在平面坐标系下的投影，而通视分析的目的是模拟真实地表下的遮挡情况，因此地球曲率改正与三角高程测量中的球差改正大小一致，方向相反；另一方面，因观测是直接在模拟数据中进行的，不存在大气折光影响，无需气差改正，故建筑限高值的计算公式为：
Figure BDA0003167919890000051
其中，HV、HS、HT分别为视点、遮挡点、规划区域点的高程值，DVS、DVT分别为视点到遮挡点、规划区域点的距离，CVS和CVT是从视点观测时遮挡点和规划区域点的地球曲率改正项，其计算公式为：
Figure BDA0003167919890000061
其中，R为地球半径均值，D为DVS或DVT，C为CVS或CVT。三角网地球曲率改正原理参见图2，视点、遮挡点、规划区域点相应位置即观测位置、遮挡位置和目标位置。则HT与HV相比，上部分存在遮挡改正项，下部分存在曲率改正项CVT。
步骤4，利用改正后的三角网数据，逐边快速迭代更新视线通廊内的天际线高度角，根据最终的高度角确定该视点天际线控制下规划区域的限高值；
实施例中，先按照视线通廊的水平范围、规划区域的形状和精度要求，确定水平方向的角度分辨率及水平角个数Nhorizon，并初始化高度角序列集V{Hi,i∈[1,Nhorizon]}，其中Hi为存储该水平方向上高度角的容器，即高度角序列；然后，利用改正后的三角网数据，逐边计算其对应的视线通廊水平范围内的天际线高度角，并将其添加到相应的高度角序列，遍历所有边后，再对每个高度角序列Hi排序并保留最大值，从而实现对天际线高度角的快速迭代更新，根据最终的高度角确定该视点天际线控制下规划区域的限高值。
高度角更新算法采用单位球投影方法。迭代更新天际线高度角算法原理参见图3，假设视点为O，待更新的三角形线段两端点分别为M、N，如图3a所示，则在以O为原点的局部坐标系下，由O、M、N确定一平面POMN，其与以O为球心的单位球相交，交线为单位圆CO，其在水平面上投影为椭圆EO。如图3b所示，M、N的投影分别为M’、N’，那么水平投影位于角M’ON’之间的弧即为需要判断更新天际线高度角的区间。根据上述几何关系，设过原点的POMN平面方程为
Ax+By+Cz＝0                            (3)
上式为关于变量x、y、z的方程，其中A、B、C是系数。
则某一水平角度θ对应的高度角hθ的计算公式为
Figure BDA0003167919890000062
其中，
Figure BDA0003167919890000063
为投影椭圆EO长轴的方向角。
步骤5，将不同观测视点的限高结果进行融合，输出规划区域在多视点天际线控制下的建筑限高值，融合原则为保留规划区域每个格网内的最低限高值。最终输出多视点天际线控制下的建筑限高值结果。
在步骤1和步骤2中，针对每个观测点和规划区域，划定数据中与计算相关的视线通廊区域，并根据OSG文件生成规则，直接恢复OSG数据的多细节层次关系，简化了原本数据逐层提取的处理流程，降低直接处理海量OSG的多层次瓦片数据的难度，同时增加了处理效率。
在步骤3和4中，针对三角网的每一个边，进行地球曲率的改正，保障了大范围数据计算时的精度。在此基础上，通过几何关系推导出每条边对应的天际线高度角公式，再采用天际线迭代更新的方法，逐边更新规划区域的天际线高度角，最后利用顾及地球曲率的高程反算公式，快速得到规划区域内各点的限高结果。
本发明方法借助OSG引擎的多细节层次技术和层次化提取策略，既提高了数据处理效率，也能够保留植被和建筑细节等精细的地表形态信息的影响；考虑了长距离通视分析时的地球曲率影响，相比于以往基于DEM和矢量模型的方法，保障了处理大范围数据时的建筑限高值计算精度；同时，通过迭代的天际线更新方法，实现了城市大范围建筑限高值的快速准确计算。
具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。
在一些可能的实施例中，提供一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，包括以下模块，
第一模块，用于根据规划区域和多个指定的观测视点，划定与各视点相应的视线通廊区域；
第二模块，用于利用OSG文件命名规则，直接恢复OSG数据的多细节层次关系，从OSG数据中层次化提取该视线通廊区域内最精细层次的三角网数据；
第三模块，用于对每一个视线通廊区域内的三角网，进行地球曲率改正；
第四模块，用于利用改正后的三角网数据，逐边快速迭代更新视线通廊内的天际线高度角，根据最终的高度角确定该视点天际线控制下规划区域的限高值；
第五模块，用于将不同观测点的限高结果进行融合，输出规划区域在多视点天际线控制下的建筑限高值。
在一些可能的实施例中，提供一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的存储指令执行如上所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
在一些可能的实施例中，提供一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如上所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据规划区域和多个指定的观测视点，划定与各视点相应的视线通廊区域；
步骤2，利用OSG文件命名规则，直接恢复OSG数据的多细节层次关系，从OSG数据中层次化提取该视线通廊区域内最精细层次的三角网数据，包括首先读取原始数据每个瓦片的根节点数据，判断其与视觉通廊是否相交后，再进一步提取相交瓦片的最精细尺度数据；
步骤3，对每一个视线通廊区域内的三角网，进行地球曲率改正；
步骤4，利用改正后的三角网数据，逐边快速迭代更新视线通廊内的天际线高度角，根据最终的高度角确定该视点天际线控制下规划区域的限高值；
步骤5，将不同观测点的限高结果进行融合，输出规划区域在多视点天际线控制下的建筑限高值。
2.根据权利要求1所述一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法，其特征在于：视线通廊划定过程实现方式如下，
设给定的规划区域为R，对应的凸包边界为CR，观测视点集合为V＝{v1,v2,…,vn}；对于每一个观测视点vi，其与规划区域的凸包边界CR组合，构成一个更大范围的凸多边形CV，新的凸多边形CV中视点vi与规划区域部分边界包围的部分，作为该视点对应的视线通廊区域RVi，i＝1,2,…n。
3.根据权利要求1所述一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法，其特征在于：步骤3中，计算故建筑限高值如下，
Figure FDA0003920996710000011
其中，HV、HS、HT分别为视点、遮挡点、规划区域点的高程值，DVS、DVT分别为视点到遮挡点、规划区域点的距离，CVS和CVT是从视点观测时遮挡点和规划区域点的地球曲率改正项。
4.根据权利要求1所述一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法，其特征在于：步骤4中，按照视线通廊的水平范围、规划区域的形状和精度要求，确定水平方向的角度分辨率及水平角个数，并初始化高度角序列集；然后，利用改正后的三角网数据，逐边计算对应的视线通廊水平范围内的天际线高度角，并添加到相应的高度角序列，遍历所有边后，再对每个高度角序列排序并保留最大值，从而实现对天际线高度角的快速迭代更新，根据最终的高度角确定视点天际线控制下规划区域的限高值。
5.一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，其特征在于：用于实现如权利要求1-4任一项所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
6.根据权利要求5所述基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，其特征在于：包括处理器和存储器，存储器用于存储程序指令，处理器用于调用存储器中的程序指令执行如权利要求1-4任一项所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
7.根据权利要求5所述基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析系统，其特征在于：包括可读存储介质，所述可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序执行时，实现如权利要求1-4任一项所述的一种基于OSG数据天际线的城市建筑限高快速分析方法。
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