CN115423935B - 一种历史文化街区的可视域分析方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种历史文化街区的可视域分析方法及系统，该方法包括：基于获取到的历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据，在历史文化街区的保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；在道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；基于若干观测点，对现状三维模型和控高三维模型进行视线分析，得到每个观测点的实际可视域面积和控高可视域面积，以计算每个观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；对每个观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到可视域分析结果。本发明能够以人眼视线为出发点，对人眼视角下的历史文化街区建筑高度进行有效、精准地分析。
Description
技术领域
本发明涉及可视域分析技术领域，尤其涉及一种历史文化街区的可视域分析方法及系统。
背景技术
历史文化街区是指经省、自治区、直辖市人民政府核定公布的保存文物特别丰富、历史建筑集中成片、能够较完整和真实地体现传统格局和历史风貌，并具有一定规模的区域。历史文化街区重在对整体空间形态和风貌的保护，其中建筑高度是影响历史风貌的重要因素，对于行人等体验者来说，遵循历史建筑高度的建筑界面可以最大限度保留历史文化街区的原汁原味。而街区内超过控高要求的建筑会对该街区的历史风貌带来负面效应，对行人的视觉体验造成直接影响。因此，各城市的历史文化名城保护、历史文化街区保护规划均对街区范围内的高度提出控高要求。
目前，历史文化街区保护对于建筑的高度管控采用划定核心保护范围、建设控制地带、环境协调区三个范围控高层次，核心保护范围内新建建筑高度控制在12米以下，建设控制地带范围内控制在18米以下，环境协调区范围内控制在30米以下。这种一刀切的方式虽然为管理和实施上带来了便利，但是忽视了人眼视点的空间感受，无法对人眼视角下的历史文化街区建筑高度进行有效、精准地分析。
发明内容
本发明提供一种历史文化街区的可视域分析方法及系统，能够以人眼视线为出发点，对人眼视角下的历史文化街区建筑高度进行有效、精准地分析。
本发明实施例提供了一种历史文化街区的可视域分析方法，包括：
获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；
基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；
基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；
基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；
根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；
通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果。
作为上述方案的改进，所述建筑轮廓矢量数据包括历史文化街区每个建筑物的轮廓平面坐标数据和建筑层数，则所述基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型，包括：
根据每个所述建筑物的轮廓平面坐标数据、建筑层数和预设层高，构建每个所述建筑物的建筑模型；
基于每个所述建筑物的建筑模型和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型；
根据预设控高层数和所述预设层高，对所述现状三维模型中超过预设控高阈值的建筑模型的高度进行调整，得到历史文化街区的控高三维模型。
作为上述方案的改进，所述基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，包括：
基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线和在所述控高三维模型中的第二天际线；
计算每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，以及，每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角；
以每个所述观测点为圆心，构建半径为预设半径长度的若干圆柱体；
基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积；
基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积。
作为上述方案的改进，所述基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积，具体为：
根据以下公式计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积：
；
其中，为所述现状三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，n为第m个观测点对应的第一天际线上建筑折点的总数，i为正整数，第i个建筑折点与i+1个建筑折点为第一天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
作为上述方案的改进，所述基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积，具体为：
根据以下公式计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积：
；
其中，为所述控高三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，p为第m个观测点对应的第二天际线上建筑折点的总数，j为正整数，第j个建筑折点与j+1个建筑折点为第二天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
作为上述方案的改进，所述根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例，包括：
计算每个所述观测点对应的实际可视域面积与控高可视域面积的差值，得到每个所述观测点对应的可视域面积差值；
计算每个所述观测点对应的可视域面积差值与实际可视域面积的比值，得到每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例。
作为上述方案的改进，所述预设间隔距离的取值范围为50米-100米。
作为上述方案的改进，所述预设视点高度为1.6米。
相应地，本发明另一实施例提供一种历史文化街区的可视域分析系统，包括：
数据获取模块，用于获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；
场景建构模块，用于基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；
观测点设置模块，用于基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；
视线分析模块，用于基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；
超高建筑分析模块，用于根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；
可视域评估模块，用于通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果。
作为上述方案的改进，所述场景建构模块，具体用于：
根据每个所述建筑物的轮廓平面坐标数据、建筑层数和预设层高，构建每个所述建筑物的建筑模型；
基于每个所述建筑物的建筑模型和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型；
根据预设控高层数和所述预设层高，对所述现状三维模型中超过预设控高阈值的建筑模型的高度进行调整，得到历史文化街区的控高三维模型。
与现有技术相比，本发明实施例公开的历史文化街区的可视域分析方法及系统，首先获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；其次，基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；然后，基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点，并基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；最后，根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例，通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果。本发明通过若干观测点模拟行人的人眼视点，以人眼视线为出发点，对人眼视角下的历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型的建筑高度进行视线分析，并以每个观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例作为评判标准，从而对人眼视角下的历史文化街区建筑高度进行有效、精准地分析。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种历史文化街区的可视域分析方法的流程示意图。
图2是本发明实施例提供的一种历史文化街区的现状三维模型的示意图。
图3是本发明实施例提供的一种历史文化街区的控高三维模型的示意图。
图4是本发明实施例提供的一种历史文化街区的观测点的示意图。
图5是本发明实施例提供的一种观测点和观测点对应的天际线的示意图。
图6是本发明实施例提供的一种天际线折点角度和天际线范围数据的示意图。
图7是本发明实施例提供的一种单个建筑模型投影到以观测点为圆心的圆柱形上的投影示意图。
图8是本发明实施例提供的一种单个建筑模型投影到圆柱体的投影面的示意图；
图9是本发明实施例提供的一种历史文化街区的可视域评估示意图；
图10是本发明实施例提供的一种历史文化街区的可视域分析系统的结构示意图。
具体实施方式
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，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
参见图1，图1是本发明实施例提供的一种历史文化街区的可视域分析方法的流程示意图。
本发明实施例提供的历史文化街区的可视域分析方法，适用于ArcGIS平台，所述方法包括步骤：
S11、获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；
S12、基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；
S13、基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；
S14、基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；
S15、根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；
S16、通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果。
可以理解地，在理想的高度控制下，历史文化街区内的建筑物在行人可视域范围内的比例应该保持在一个合理取值区间，而超出控高要求的建筑物会使建筑物在行人可视域范围内的比例增加，比例越高则越不符合控高要求、对历史文化街区的传统风貌的负面影响越大。目前，历史文化街区保护对于建筑的高度管控采用划定核心保护范围、建设控制地带、环境协调区三个范围控高层次，核心保护范围内新建建筑高度控制在12米以下，建设控制地带范围内控制在18米以下，环境协调区范围内控制在30米以下的方式，虽然为管理和实施上带来了便利，但是忽视了人眼视点的空间感受，缺乏对具体复杂空间环境的精细化管控，造成历史文化街区内部分地区的建筑高度管控过于严格，部分地区的建筑高度的管控力度又不够，导致管控下的空间环境不符合公众视觉心理预期。而本实施例以人眼视线为出发点，对整个历史文化街区内的建筑高度进行评估，选择超出预设控高阈值的建筑物在人眼可视域（观测点的观测范围）中的比例作为评判标准，对历史文化街区各街巷的观测点进行测算，综合评估历史文化街区的建筑高度对行人可视域的影响，有助于对历史文化街区的建筑高度进行更精细化的管控。
需要说明，在步骤S11中，历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围以相关职能部门授权使用的为主，若缺少官方数据可通过OpenStreetMap官网获取各个历史文化街区的建筑、道路等矢量数据，若存在部分地区的数据不全、缺省的情况，则需对获取到的数据进行补充和修正。
作为其中一个具体的实施例，所述建筑轮廓矢量数据包括历史文化街区每个建筑物的轮廓平面坐标数据和建筑层数，则所述基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型，包括：
根据每个所述建筑物的轮廓平面坐标数据、建筑层数和预设层高，构建每个所述建筑物的建筑模型；
基于每个所述建筑物的建筑模型和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型；
根据预设控高层数和所述预设层高，对所述现状三维模型中超过预设控高阈值的建筑模型的高度进行调整，得到历史文化街区的控高三维模型。
示例性地，在实际操作过程中可将历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围导入ArcGIS平台中，在建筑数据的图层属性中，通过“拉伸”工具，对历史文化街区的每个建筑物进行拉伸，得到每个建筑物的建筑模型，并通过gis系统工具箱中的“3D Analyst Tools”-“转换”-“3D图层转要素类”工具，将建筑模型转换为3D要素，得到如图2所示的历史文化街区的现状三维模型。在建筑数据的图层属性中，筛选建筑层数大于预设控高层数（如：6米）的数据，将其层数修改为6；在图层属性中选择“拉伸”工具，将建筑层数大于预设控高层数的建筑物进行拉伸调整，得到的调整后的建筑模型，使用gis系统工具箱中的“3D Analyst Tools”-“转换”-“3D图层转要素类”工具，将调整后的建筑模型转换为3D要素，得到如图3所示的历史文化街区的控高三维模型。
优选地，所述预设层高为3米，所述预设控高层数为6层，所述预设控高阈值为18米。
参见图4，示例性地，在实际操作过程中，具体通过以下步骤设置观测点：以历史文化街区的街区建设控制地带内的主干路和次干路作为道路观测区，在ArcGIS平台内结合道路矢量数据绘制所选道路观测区的道路中心线，采用分割工具在道路中心线上按照预设间隔距离划分等距离的线段，使用系统工具箱内的要素转点工具将线段转为等距离的观测点。然后，将观测点转为3D数据，在ArcGIS平台内选取观测点数据，在属性表中添加标签height，以人的视点高度（如：1.6米）给观测点进行高度赋值，选择系统工具箱内的3DAnalyst Tools-3D要素-依据属性实现要素转3D，将观测点数据转为高度为1.6米的3D数据（即，步骤S13中的观测点），以进行视线分析。
在一些更优的实施例中，所述基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，包括：
基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线和在所述控高三维模型中的第二天际线；
计算每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，以及，每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角；
以每个所述观测点为圆心，构建半径为预设半径长度的若干圆柱体；
基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积；
基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积。
具体地，所述基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线和在所述控高三维模型中的第二天际线，包括：
基于若干所述观测点和预设虚拟表面半径，对所述现状三维模型进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线；
基于若干所述观测点和预设虚拟表面半径，对所述控高三维模型进行视线分析，得到每个所述观测点在所述控高三维模型中的第二天际线。
优选地，所述预设虚拟表面半径为500米。
可以理解，视线分析即天际线分析，以现状三维模型为例，所述基于若干所述观测点和预设虚拟表面半径，对所述现状三维模型进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线，具体包括：将若干观测点的数据和现状三维模型的数据导入ArcGIS平台的ArcScene软件，针对每个观测点数据，选择3D Analyst Tools-可见性-天际线工具，以预设虚拟表面半径（如：500米）为虚拟表面半径，分别生成如图5所示的每个观测点的第一天际线。
具体地，所述计算每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，以及，每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，具体为：
采用天际线图工具计算每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，以及，每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角。
需要说明的是，建筑折点即天际线中位于建筑模型上的折点。
参见图6，是ArcGIS平台的天际线图工具输出的天际线每个折点的水平角、天顶角、垂直角和天际线图。需要说明，水平角为将折点垂直投影至观测点所在水平面后连线与正东方向形成的角度，天顶角为折点和观测点之间连线与水平面法线所形成的角度，为方便计算，用90度减去折点的天顶角即可得到垂直角。
需要说明，每个圆柱体的高度大于历史文化街区内所有建筑物的建筑高度。
参见图7，是本发明实施例提供的一种建筑物投影到以观测点为圆心的圆柱形上的投影示意图。如图7所示，以每个所述观测点为圆心，构建半径为预设半径长度的若干圆柱体，用于模拟人的视域，将三维模型内可视的建筑模型投影到这个圆柱体表面上，所围合的面积即为投影的可视域面积。参加图8，将单个建筑模型投影到圆柱体侧面为例，将圆柱体侧面展开为平面，原投影的展开线k为正弦函数曲线，为方便计算可将其简化为直线，则单个建筑模型的投影可视为一个直角梯形，根据以下公式计算单个建筑模型投影到圆柱体侧面的投影面积：
；
其中，，/>，/>，/>；/>为单个建筑模型投影到圆柱体侧面的第一高度，/>为单个建筑模型投影到圆柱体侧面的第二高度，/>为单个建筑模型投影到圆柱体侧面的底边边长，/>为折点1和折点2对应的水平角之差，/>为折点1对应的垂直角，/>为折点2对应的垂直角，/>为折点1对应的水平角，/>为折点2对应的水平角，r为圆柱体的半径，折点1和折点2为单个建筑模型投影到圆柱体侧面的两个折点。
则，推导得到单个建筑模型（建筑物）投影到圆柱体侧面的投影面积。此外，本实施例采用以观测点为圆心的圆柱体作为投影对象，相比球体的投影计算方式简化了可视域面积的计算量，也更加贴合建筑类的被观测物。
进一步地，所述基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积，具体为：
根据以下公式计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积：
；
其中，为所述现状三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，n为第m个观测点对应的第一天际线上建筑折点的总数，i为正整数，第i个建筑折点与i+1个建筑折点为第一天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
进一步地，所述基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积，具体为：
根据以下公式计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积：
；
其中，为所述控高三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，p为第m个观测点对应的第二天际线上建筑折点的总数，j为正整数，第j个建筑折点与j+1个建筑折点为第二天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
具体地，所述根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例，包括：
计算每个所述观测点对应的实际可视域面积与控高可视域面积的差值，得到每个所述观测点对应的可视域面积差值；
计算每个所述观测点对应的可视域面积差值与实际可视域面积的比值，得到每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例。
可以理解，第m个观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例的计算公式为：/>；其中，/>为第m个观测点对应的实际可视域面积，/>为第m个观测点对应的控高可视域面积。
可选地，所述预设间隔距离的取值范围为50米-100米。
优选地，所述预设视点高度为1.6米。
参见图9，以历史文化街区的一条街道上的观测点进行示例，观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例越高，则该观测点的可视域效果越差。
下面以一个具体实施例对本实施例所提供的历史文化街区的可视域分析方法进行说明：
步骤1、获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围。
步骤2、将建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围导入ArcGIS平台，并根据建筑数据的层数标签建立现状三维模型。
具体操作为：在建筑数据的图层属性中，选择“拉伸”，拉伸表达式为“3*F”，按3米层高乘以层数即为建筑模型的高度；将初步拉伸得到的块体（建筑模型）使用gis系统工具箱中的“3D Analyst Tools”-“转换”-“3D图层转要素类”工具，转换为3D要素，得到历史文化街区的现状三维模型。
步骤3、筛选建筑高度大于预设控高阈值（18米）的建筑数据，将其建筑层数修改为预设控高要求下的层数（6层），然后，根据建筑数据的层数标签建立控高三维模型。
具体操作为：在建筑数据的图层属性中，筛选建筑层数大于6层的数据，将其建筑层数修改为6；在图层属性中选择“拉伸”，拉伸表达式为“3*F”，按3米层高乘以建筑层数即为建筑模型的高度；将初步拉伸得到的块体（建筑模型）使用gis系统工具箱中的“3DAnalyst Tools”-“转换”-“3D图层转要素类”工具，转换为3D要素，得到历史文化街区的控高三维模型。
步骤4、结合历史文化街区保护规划中对历史街巷的分类梳理和空间分布分析，主要选取街区建设控制地带内的主干路和次干路作为观测区，在这些街巷的道路中心线上按预设间隔距离等距离设置观测点。
具体操作为：在ArcGIS平台内结合道路矢量数据绘制所选观测区的道路中心线，编辑要素采用分割工具并结合实际需求设定间隔距离，得到等距离的线段。使用系统工具箱内的要素转点工具，将线段转为等距离的观测点。
步骤5、将观测点的数据转为3D数据，在ArcGIS平台内选取观测点数据，在属性表中添加标签height，以人的视点高度1.6米赋值。选择系统工具箱内的3D Analyst Tools-3D要素-依据属性实现要素转3D，将观测点数据转为高度为1.6米的3D数据。此时，观测点数据是m个点的集合，将m个点分别导出为观测点数据（P1、P2……Pm）进行下一步的视线分析。
步骤6、将m个观测点数据和现状三维模型数据导入ArcGIS平台的ArcScene软件，针对每个观测点数据，选择3D Analyst Tools-可见性-天际线工具，以500米为虚拟表面半径，分别生成m个天际线（SK1、SK2……SKm），针对每个观测点数据及其对应的天际线数据，采用天际线图工具，生成输出天际线的角度表和极线图。其中，天际线的角度表记录了天际线每个折点的水平角、天顶角和垂直角，天际线每个折点的水平角和垂直角可用于后续计算可视域的投影面积。
步骤7、以观测点为圆心，构建半径为r的圆柱体（高度大于历史文化街区内所有建筑物的建筑高度），用于模拟人的视域。将现状三维模型内可视的建筑模型投影到这个圆柱体表面上，所围合的面积即为投影的可视域面积。将圆柱体侧面展开为平面，根据对现状三维模型和控高三维模型下所有建筑模型的可视域面积分别进行计算，统计现状三维模型和控高三维模型下每个观测点的可视域面积之和S现状、S控高。其中，如图8所示，S为单个建筑模型投影到圆柱体侧面的可视域面积，/>为折点1对应的垂直角，/>为折点2对应的垂直角，/>为折点1对应的水平角，/>为折点2对应的水平角，r为圆柱体的半径，折点1和折点2为单个建筑模型投影到圆柱体侧面的两个折点。
步骤8、计算每个观测点超过预设控高要求的建筑物的可视域面积所占比例Fm，计算公式为：
，/>；
将每个观测点超过预设控高要求的建筑物的可视域面积所占比例使用反距离权重法进行插值分析，生成如图9所示的街区可视域评估地图。每个观测点超过预设控高要求的建筑物的可视域面积所占比例越高，则该观测点的可视域效果越差。
参见图10，是本发明实施例提供的一种历史文化街区的可视域分析系统的结构示意图。
本发明实施例提供的历史文化街区的可视域分析系统，包括：
数据获取模块21，用于获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；
场景建构模块22，用于基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；
观测点设置模块23，用于基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；
视线分析模块24，用于基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；
超高建筑分析模块25，用于根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；
可视域评估模块26，用于通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果。
作为上述方案的改进，所述场景建构模块22，具体用于：
根据每个所述建筑物的轮廓平面坐标数据、建筑层数和预设层高，构建每个所述建筑物的建筑模型；
基于每个所述建筑物的建筑模型和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型；
根据预设控高层数和所述预设层高，对所述现状三维模型中超过预设控高阈值的建筑模型的高度进行调整，得到历史文化街区的控高三维模型。
作为其中一个具体的实施方式，所述视线分析模块24，包括：
天际线分析单元，用于基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线和在所述控高三维模型中的第二天际线；
折点角度计算单元，用于计算每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，以及，每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角；
圆柱体构建单元，用于以每个所述观测点为圆心，构建半径为预设半径长度的若干圆柱体；
实际可视域分析单元，用于基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积；
控高可视域分析单元，用于基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积。
具体地，所述实际可视域分析单元，具体用于：
根据以下公式计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积：
；
其中，为所述现状三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，n为第m个观测点对应的第一天际线上建筑折点的总数，i为正整数，第i个建筑折点与i+1个建筑折点为第一天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
进一步地，所述控高可视域分析单元，具体用于：
根据以下公式计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积：
；
其中，为所述控高三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，p为第m个观测点对应的第二天际线上建筑折点的总数，j为正整数，第j个建筑折点与j+1个建筑折点为第二天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
需要说明的是，本实施例的历史文化街区的可视域分析系统的各实施例的相关具体描述和有益效果可以参考上述的历史文化街区的可视域分析方法的各实施例的相关具体描述和有益效果，在此不再赘述。
需说明的是，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的系统实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
综上，本发明实施例所提供的一种历史文化街区的可视域分析方法及系统，通过若干观测点模拟行人的人眼视点，以人眼视线为出发点，对人眼视角下的历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型的建筑高度进行视线分析，并以每个观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例作为评判标准，从而能够对人眼视角下的历史文化街区建筑高度进行有效、精准地分析，有助于对历史文化街区的建筑高度进行更精细化的管控，以提高行人的视觉体验。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，包括：
获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；
基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；
基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；
基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；
根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；
通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果；
所述建筑轮廓矢量数据包括历史文化街区每个建筑物的轮廓平面坐标数据和建筑层数，则所述基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型，包括：
根据每个所述建筑物的轮廓平面坐标数据、建筑层数和预设层高，构建每个所述建筑物的建筑模型；
基于每个所述建筑物的建筑模型和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型；
根据预设控高层数和所述预设层高，对所述现状三维模型中超过预设控高阈值的建筑模型的高度进行调整，得到历史文化街区的控高三维模型；
所述基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，包括：
基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点在所述现状三维模型中的第一天际线和在所述控高三维模型中的第二天际线；
计算每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角，以及，每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角和垂直角；
以每个所述观测点为圆心，构建半径为预设半径长度的若干圆柱体；
基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积；
基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积。
2.如权利要求1所述的历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，所述基于每个所述观测点到对应的第一天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积，具体为：
根据以下公式计算所述现状三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积：
；
其中，为所述现状三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第一天际线上第i+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，n为第m个观测点对应的第一天际线上建筑折点的总数，i为正整数，第i个建筑折点与i+1个建筑折点为第一天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
3.如权利要求1所述的历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，所述基于每个所述观测点到对应的第二天际线上每个建筑折点的水平角、垂直角和所述预设半径长度，计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积，具体为：
根据以下公式计算所述控高三维模型投影到每个所述观测点的圆柱体上的投影面积，得到每个所述观测点对应的控高可视域面积：
；
其中，为所述控高三维模型投影到第m个观测点的圆柱体上的投影面积，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的垂直角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j个建筑折点的水平角，/>为第m个观测点到对应的第二天际线上第j+1个建筑折点的水平角，/>为预设半径长度，p为第m个观测点对应的第二天际线上建筑折点的总数，j为正整数，第j个建筑折点与j+1个建筑折点为第二天际线上位于同一建筑模型的两个建筑折点。
4.如权利要求1所述的历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，所述根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例，包括：
计算每个所述观测点对应的实际可视域面积与控高可视域面积的差值，得到每个所述观测点对应的可视域面积差值；
计算每个所述观测点对应的可视域面积差值与实际可视域面积的比值，得到每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例。
5.如权利要求1所述的历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，所述预设间隔距离的取值范围为50米-100米。
6.如权利要求1所述的历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，所述预设视点高度为1.6米。
7.一种历史文化街区的可视域分析系统，运用了如权利要求1所述的历史文化街区的可视域分析方法，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取历史文化街区的建筑轮廓矢量数据、道路矢量数据和保护范围；
场景建构模块，用于基于所述建筑轮廓矢量数据和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型和控高三维模型；
观测点设置模块，用于基于所述道路矢量数据确定道路观测区，在所述道路观测区的道路中心线上按照预设间隔距离和预设视点高度设置若干观测点；
视线分析模块，用于基于若干所述观测点，对所述现状三维模型和控高三维模型分别进行视线分析，得到每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积；
超高建筑分析模块，用于根据每个所述观测点对应的实际可视域面积和控高可视域面积，计算每个所述观测点的观测范围内超过预设控高阈值的建筑物所占的可视域面积比例；
可视域评估模块，用于通过反距离权重法对每个所述观测点对应的可视域面积比例进行插值分析，得到所述历史文化街区的可视域分析结果。
8.如权利要求7所述的历史文化街区的可视域分析系统，其特征在于，所述场景建构模块，具体用于：
根据每个所述建筑物的轮廓平面坐标数据、建筑层数和预设层高，构建每个所述建筑物的建筑模型；
基于每个所述建筑物的建筑模型和所述道路矢量数据，在所述保护范围内构建历史文化街区的现状三维模型；
根据预设控高层数和所述预设层高，对所述现状三维模型中超过预设控高阈值的建筑模型的高度进行调整，得到历史文化街区的控高三维模型。
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