CN116561842A - 一种城市地标感知度三维地图构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种城市地标感知度三维地图构建方法，包括以下步骤：获取即定范围内的城市三维建筑属性及矢量数据；加载矢量数据生成城市模型，对全域模型空间表面栅格化并编号；根据建筑高度阈值遴选出城市地标并编号，抽象地标对象为轴线点集；基于点光源模型逐个计算栅格地标感知度数值并标记，形成地标编号‑栅格编号的标记矩阵；设定感知目标为单个或多个地标，输出标记矩阵统计结果并成像，生成地标感知度三维地图。本发明可以直观地展现现状城市地标感知度高低，为城市地标选址及地标体系构建工作提供了基础的理性支撑，可以极大提高城市规划设计和管理工作的效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种城市规划方法，尤其是涉及一种城市地标感知度三维地图构建方法。
背景技术
城市地标是城市空间中具有一定标识作用的建筑或构筑物，是城市中融合了科技文化、经济社会、精神意义等多种层面内涵的人为杰作。城市地标具有两大必要特性：人造性，城市地标必须为人工建造且符合建筑的特征；标志性，城市地标需处于城市中的关键性区位，并具备高度可感知的特征。正是由于这两大特性的存在，在精神层面上，由于其独特的建筑形式，它是城市的象征，是城市特色的展示窗口，甚至作为独一无二的城市品牌而出现；在物质空间层面，由于其区位的独特性，城市地标承担着城市中的视觉导向作用，是城市意象的重要组成部分，引领着城市整体的空间形态。
当今的城市缺乏合理组织的高感知度的城市地标体系来引领城市整体空间发展，如何通过塑造高感知度的城市地标体系以引领城市空间发展、塑造良好的城市形象、提升城市形态特色，无疑是未来城市建设中的重大议题。
在目前的城市规划领域当中，构建高感知度的城市地标体系的方法主要聚焦于“形式”和“选址”两个维度的研究。首先是在建筑形式上对城市中重要地标的个案设计，其中包括结合新增地标所处环境、社会等内涵，对其单体的功能类型、体量规模、外观形式等多个维度上的设计原则方法的探讨；也包含针对某些现存地标的现状问题，提出相应的改善建议与措施。通过城市地标的个案设计，可以通过单个城市地标的空间特色塑造，在形式美学上提升其在城市空间中的感知度。其次是对城市地标的选址研究，现有的城市地标多选址在城市空间中关键的结构性区域及视觉眺望效果好的地段，包括城市出入口、城市中心区、城市节点、城市自然景观区等位置，在方法上多从设计者的经验判断出发，融入个人的设计意图，具有较强的主观性。通过地标的合理选址，可以保证地标布置在城市中易被市民感知的地点，更加凸显城市的空间结构形态。目前在城市地标的建设中呈现出“重形式而轻选址”的问题。为达到各方利益的最大化，多方都希望单体地标可以在形式上能够与众不同。这导致了地标建筑盲目追求高度和夸张的造型，各类地标争奇斗艳，这往往适得其反，给城市整体风貌与形象造成了负面的影响。同时，对地标选址的忽视无法保证形式特殊的地标建筑落位在感知度高的城市空间中，带来了城市空间感知混乱、资源配置不合理等问题。
而在地标选址的方法上，缺乏对现状城市地标感知度进行分析作为支撑，这潜在地也加剧了“重形式轻选址”的问题，带来了传统方法的欠缺。具体体现在其一，在选址依据上，对现有的城市地标感知度高低缺少定量测算，较为脱离现状地由经验主义出发来进行新增地标的选址，带有一定的主观性，无法保证城市地标被布局在城市中最关键的地段上；其二，在适用情况上，对于建成度高的城市环境，城市设计多采用渐进式微更新的模式，由于无法测度复杂建成空间中地标感知度高低，传统方法已然不能适用于现今城市建设容错率低的情况；其三，在操作效率上，现有选址多关注单个地标在城市中的布局方法，未充分考虑现存的多地标构成的地标体系，新增地标如何融入其中并且统领城市整体空间形态的问题，造成了工作效率上的低下。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种城市地标感知度三维地图构建方法，增强城市地标规划的合理性与准确度，提高规划效率。
技术方案：一种城市地标感知度三维地图构建方法，包括以下步骤：
步骤1：获取给定范围内的城市三维建筑矢量数据，设定建筑的轮廓为闭合的多边形空间，并且具备层数和/或高度信息；
步骤2：将三维建筑矢量数据载入GIS软件平台，形成城市模型，对全域模型空间表面栅格化，包括地面、建筑立面、建筑屋顶，并对所有栅格进行编号；
步骤3：根据建筑高度阈值遴选出城市地标并编号，将每个地标对象均抽象为轴线点集；
步骤4：基于点光源模型对地标进行逐个计算，对所有编号栅格进行标记，形成地标编号-栅格编号的标记矩阵；
步骤5：设定感知目标为至少一个地标，通过标记矩阵的结果统计对各栅格进行着色，生成地图。
进一步的，在步骤1中，三维建筑矢量数据的获取包括以下步骤：
S1.1：在AutoCAD软件中插入既定范围地块的光栅图像，并通过Scale命令进行图像缩放，调整为实际尺寸大小；
S1.2：新建图层Block及Building，分别在两个图层中用Polyline命令勾勒出所有街区及每个街区内部所有建筑的轮廓线；新建图层Floor，在Floor图层中将每幢建筑的层数数字标注在该建筑轮廓线的内部，并保存cad为dwg格式；
S1.3：将保存得到的dwg文件分三个图层依次导入ArcMap平台中，对Floor图层类的层数信息进行要素转点运算操作，对Building图层内的建筑矢量数据要素转面运算操作；然后打开Floor图层转换而成的点要素的属性表，新建字段number以写入层数信息，类型选择双精度，采用计算器复制原层数数字；
S1.4：在内容列表览右击Building图层转换而成的面要素，选择连接选项，选取包含在建筑轮廓内的数字最大值进行连接；连接结束后，打开连接后的面要素的属性表，找到max_number字段，运用字段计算器，将max_number字段乘以建筑平均层高，并将所得数值赋予到Elevation字段，导出文件并以shp.格式保存。
最佳的，在步骤S1.4中，max_number字段为连接后单个建筑的层数信息，Elevation字段为建筑高度数值，建筑平均层高为2.8～3m或4.2～5.0m。
进一步的，在步骤2中，栅格化处理包括以下步骤：
S2.1：通过SuperMap软件平台加载步骤1中得到的建筑矢量数据文件；
S2.2：添加与倾斜摄影三维模型一致的坐标系，将城市设计三维模数据源加载到场景中；
S2.3：根据收集到的数据体量、数据精度及目标分析精度确定栅格基本单元的大小，对建筑在三维空间中的每个面均进行栅格化。
最佳的，在步骤S2.2中，所述坐标系为2000国家大地坐标系，在步骤S2.3中，栅格基本单元为单位平方米。
进一步的，在步骤3中，轴线点集的建立包括以下步骤：
S3.1：对建筑矢量数据依照高度特征进行过滤，筛选出高度大于等于HC的建筑对象，作为地标，其中，HC为定义的城市地标的高度特征阈值；
S3.2：对高层地标对象集合中任意一个地标对象采取如下操作：首先，记某一地标A，记其高度为HA，选择其底面积图形的重心，该重心记为CA，以CA沿z轴生成高度为HA的轴线，然后，选取该轴线上部2/3高度的线段，按设定的点距d取得点集，得到该高层地标对象抽象的轴线点集，该点集共包括NA个点元素，其中：
NA＝|2HA/3d|+1。。
进一步的，在步骤4中，通过计算机渲染对栅格进行点光源计算，包括以下步骤：
S4.1：分别在轴线点集中的每个点元素处建立光强随距离衰减的点光源，则与该点光源距离为distance处的光强的计算方法为：
其中，L0为点光源与栅格中心点之间的直线距离，Attenuationconstant为常数因子，Attenuationlinear为线性因子，Attenuationexp为指数因子；
S4.2：取任一点光源Ni，计算出城市模型空间表面其中一个栅格单元Ms到该点光源的光方向该光方向定义为该城市模型空间表面某个栅格单元中心点到点光源的矢量，假定所有的光方向都没有受到其他障碍物的遮挡，根据步骤S4.1中光强的计算公式，根据光方向的矢量长度，计算出理想状况下，在某一点光源的照射下，该栅格单元的接受的光强，将该光强存储在着色值Vi中；
S4.3：对步骤S4.2中的光方向，计算每个光方向与城市三维栅格模型是否存在除去光方向顶点外的其他交点，若存在，则将该栅格单元的着色值Vi置为0，若不存在其他交点，则保留栅格单元的着色值Vi；
S4.4：对轴线点集中的点元素建立的每一个点光源，重复步骤S4.2～步骤S4.3，对某栅格单元，根据公式计算出该栅格单元着色器的最终光强，其中，A为轴线点集中的点元素的个数；对每一个栅格单元，借助图形处理器完成步骤S4.1～步骤S4.4的并行计算。
最佳的，在步骤S4.1中，常数因子的值为1，线性因子和指数因子的值均小于1。
进一步的，在步骤5中，对各栅格的着色包括以下步骤：
S5.1：设定感知目标为至少一个地标，通过标记矩阵的结果统计对各栅格进行步骤4的计算，得到每个栅格对应的着色器的值；
S5.2：将着色器的值离散化至四位二进制空间中,得到离散后的值m，每个栅格最终对应的渲染颜色的RGB值为(256-m，m，0)；
S5.3：根据RGB值对每个栅格进行渲染，生成地图，导出图像。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：本方法可以为城市地标选址提供有力的支撑，本发明能够对现状城市中既定的城市地标感知度进行测度，避免目前地标选址在选址依据上较主观的局限性；通过建立城市三维模型以仿真城市复杂的建成环境，进而栅格化以提取其中的高感知地段，避免了地标选址对旧城空间适用性不足等问题；通过标记矩阵的方法统计单个或多个地标对象的感知度测算结果并成像，最终生成地标感知度地图，展现现状城市地标感知度高低，效果较为直观，为地标选址及城市地标体系构建工作提供了基础的理性支撑，可以极大提高城市规划设计和管理工作的效率。
附图说明
图1为本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种城市地标感知度三维地图构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：获取给定范围内的城市三维建筑矢量数据，所述建筑的轮廓为闭合的多边形空间，所述建筑具备层数和/或高度信息：
S1.1：在AutoCAD软件中插入既定范围地块的光栅图像，并通过“Scale”命令进行图像缩放，调整为实际尺寸大小。
S1.2：新建图层“Block”及“Building”，分别在两个图层中用“Polyline”命令勾勒出所有街区及每个街区内部所有建筑的轮廓线；新建图层“Floor”，在此图层中将每幢建筑的层数数字标注在该建筑轮廓线的内部，并保存cad为dwg格式。
S1.3：将保存得到的dwg文件分三个图层依次导入ArcMap平台中，对“Floor”图层类的层数信息进行要素转点运算操作，对“Building”图层内的建筑矢量数据要素转面运算操作；然后打开“Floor”转换而成的点要素的属性表，新建字段“number”以写入层数信息，类型选择双精度，采用计算器复制原层数数字。
S1.4：在内容列表览右击“Building”图层转换而成的面要素，选择连接选项。选取包含在建筑轮廓内的数字最大值进行连接。连接结束后，打开连接后的面要素的属性表，找到max_number字段(即连接后单个建筑的层数信息)，运用字段计算器，将max_number字段乘以平均建筑层高(平均建筑层高为2.8～3m或4.2～5.0m)，并将所得数值赋予到Elevation字段(即建筑高度数值)，导出文件并以shp.为保存格式。
步骤2：将三维建筑矢量数据加载进SuperMap平台，形成城市模型，对全域模型空间表面栅格化，包括地面、建筑立面、建筑屋顶，对所有栅格进行编号：
S2.1：通过SuperMap平台加载步骤1中得到的建筑矢量数据文件，SuperMap平台支持主流模型数据的导入，包括*.osg、*.osgb、*.dae、*.obj、*.ifc、*.3ds、*.dxf、*.fbx、*.x、*.flt等格式，通过直接导入模型数据集，进而转换为系统所支持的UDB格式数据。
S2.2：添加与倾斜摄影三维模型一致的坐标系，通常为2000国家大地坐标系，将城市设计三维模数据源加载到场景中。
S2.3：在栅格转化的过程中，栅格单元的尺寸选择是非常关键的：栅格单元尺寸过大，则分析精度下降；反之，栅格单元尺寸过小，则后续的地标感知度分析时间消耗代价将上升。因此，需要根据收集到的数据体量、数据精度及目标分析精度来综合确定栅格基本单元的大小。实际操作中，比如可以选择单位平方米为基本单元精度。
步骤3：根据建筑高度阈值遴选出城市地标并编号，将每个地标对象均抽象为轴线点集：
S3.1：对建筑矢量数据依照高度特征进行过滤，筛选出高度大于等于HC的建筑对象，作为地标。其中，HC为定义的城市地标的高度特征阈值。
S3.2：对高层地标对象集合中任意一个地标对象采取如下操作：首先，记某一地标A，记其高度为HA，选择其底面积图形的重心，该重心记为CA，以CA沿z轴生成高度为HA的轴线。然后，选取该轴线上部2/3高度的线段，按设定的点距d取得点集，得到该高层地标对象抽象的轴线点集，该点集共包括NA个点元素，其中:
NA＝|2HA/3d|+1
(|a|的含义为取不超过实数x的最大整数)。
步骤4：基于点光源模型对地标进行逐个计算，对所有编号栅格进行标记，形成地标编号-栅格编号的标记矩阵；
光具有可逆性，由于光的这种性质，对可以看到高层地标对象区域的计算可以转化为在高层地标对象上的点对城市其他区域的可视域的计算。更进一步地，我们将可以看到高层地标对象区域的计算，转化为该高层地标对象抽象的轴线点集中点元素对城市其他区域的可视域的计算。
使用计算机渲染技术，对城市模型空间表面栅格进行点光源计算：
S4.1：分别在轴线点集中的点元素处建立点光源。由于大气能见度等因素的影响，人类视线在介质中呈现衰减的现象。因此在计算机渲染时，我们建立光强随距离衰减的点光源。该与该点光源距离为distance处的光强的计算方法为：
在上述公式中，三个光衰减因子被添加，其中，Attenuationconstant为常数因子，Attenutionlinear为线性因子，Attenuationexp为指数因子，L0为点光源与栅格中心点之间的直线距离。实践证明，将常数因子设置为1，并将线性因子和指数因子设置为更小的值时，可以模拟人类视线在空气中的衰减。可以根据当下城市的大气状况和天气情况微调线性和指数因子，达到合适的衰减公示，随着距离的增加，控制视线迅速或缓慢地消失。
S4.2：对某个点光源Ni，计算出城市模型空间表面某个栅格单元Ms到该点光源的光方向该光方向定义为该城市模型空间表面某个栅格单元中心点到点光源的矢量。对于城市模型空间表面每个栅格单元，都拥有一个着色器，该着色器中存放该栅格单元的着色值Vi。假定所有的光方向都没有受到其他障碍物的遮挡，根据步骤S4.1中光强的计算公式，根据光方向的矢量长度，计算出理想状况下，在某一点光源的照射下，该栅格单元的接受的光强，将该光强存储在着色值Vi中。
S4.3：对步骤S4.2中的光方向，计算每个光方向与城市三维栅格模型是否存在除去光方向顶点外的其他交点。若存在，则说明该光方向被障碍物遮挡，即光线无法到达我们研究的目标栅格单元中心，即人类视线被遮挡。那么，将该栅格单元的着色值Vi置为0。若不存在其他交点，则保留栅格单元的着色值Vi。
S4.4：对轴线点集中的点元素建立的每一个点光源重复步骤S4.2和步骤S4.3。对某栅格单元，根据公式计算出该栅格单元着色器的最终光强，其中，A为轴线点集中的点元素的个数，A等同于NA。对每一个栅格单元，借助图形处理器(GPU)完成步骤S4.1～步骤S4.4的并行计算。
步骤5：设定感知目标为一个地标，或多个地标，通过标记矩阵的结果统计对各栅格进行步骤4的计算，得到每个栅格对应的着色器的的值。将着色器的的值离散化至四位二进制空间中,得到离散后的值m。每个栅格最终对应的渲染颜色的RGB值为(256-m，m，0)。即越能够清晰地看到城市地标的位置被渲染后越接近绿色，越不能够清晰地看到城市地标的位置被渲染后越接近红色。最后，根据RGB值对每个栅格进行渲染，生成地图，导出图像。
Claims (9)
1.一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：获取给定范围内的城市三维建筑矢量数据，设定建筑的轮廓为闭合的多边形空间，并且具备层数和/或高度信息；
步骤2：将三维建筑矢量数据载入GIS软件平台，形成城市模型，对全域模型空间表面栅格化，包括地面、建筑立面、建筑屋顶，并对所有栅格进行编号；
步骤3：根据建筑高度阈值遴选出城市地标并编号，将每个地标对象均抽象为轴线点集；
步骤4：基于点光源模型对地标进行逐个计算，对所有编号栅格进行标记，形成地标编号-栅格编号的标记矩阵；
步骤5：设定感知目标为至少一个地标，通过标记矩阵的结果统计对各栅格进行着色，生成地图。
2.根据权利要求1所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于，在步骤1中，三维建筑矢量数据的获取包括以下步骤：
S1.1：在AutoCAD软件中插入既定范围地块的光栅图像，并通过Scale命令进行图像缩放，调整为实际尺寸大小；
S1.2：新建图层Block及Building，分别在两个图层中用Polyline命令勾勒出所有街区及每个街区内部所有建筑的轮廓线；新建图层Floor，在Floor图层中将每幢建筑的层数数字标注在该建筑轮廓线的内部，并保存cad为dwg格式；
S1.3：将保存得到的dwg文件分三个图层依次导入ArcMap平台中，对Floor图层类的层数信息进行要素转点运算操作，对Building图层内的建筑矢量数据要素转面运算操作；然后打开Floor图层转换而成的点要素的属性表，新建字段number以写入层数信息，类型选择双精度，采用计算器复制原层数数字；
S1.4：在内容列表览右击Building图层转换而成的面要素，选择连接选项，选取包含在建筑轮廓内的数字最大值进行连接；连接结束后，打开连接后的面要素的属性表，找到max_number字段，运用字段计算器，将max_number字段乘以建筑平均层高，并将所得数值赋予到Elevation字段，导出文件并以shp.格式保存。
3.根据权利要求2所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于：在步骤S1.4中，max_number字段为连接后单个建筑的层数信息，Elevation字段为建筑高度数值，建筑平均层高为2.8～3m或4.2～5.0m。
4.根据权利要求1所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于，在步骤2中，栅格化处理包括以下步骤：
S2.1：通过SuperMap软件平台加载步骤1中得到的建筑矢量数据文件；
S2.2：添加与倾斜摄影三维模型一致的坐标系，将城市设计三维模数据源加载到场景中；
S2.3：根据收集到的数据体量、数据精度及目标分析精度确定栅格基本单元的大小，对建筑在三维空间中的每个面均进行栅格化。
5.根据权利要求4所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于：在步骤S2.2中，所述坐标系为2000国家大地坐标系，在步骤S2.3中，栅格基本单元为单位平方米。
6.根据权利要求1所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于，在步骤3中，轴线点集的建立包括以下步骤：
S3.1：对建筑矢量数据依照高度特征进行过滤，筛选出高度大于等于HC的建筑对象，作为地标，其中，HC为定义的城市地标的高度特征阈值；
S3.2：对高层地标对象集合中任意一个地标对象采取如下操作：首先，记某一地标A，记其高度为HA，选择其底面积图形的重心，该重心记为CA，以CA沿z轴生成高度为HA的轴线，然后，选取该轴线上部2/3高度的线段，按设定的点距d取得点集，得到该高层地标对象抽象的轴线点集，该点集共包括NA个点元素，其中：
NA＝|2HA/3d|+1。
7.根据权利要求1所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于，在步骤4中，通过计算机渲染对栅格进行点光源计算，包括以下步骤：
S4.1：分别在轴线点集中的每个点元素处建立光强随距离衰减的点光源，则与该点光源距离为distance处的光强的计算方法为：
其中，L0为点光源与栅格中心点之间的直线距离，Attenuationconstant为常数因子，Attenuationlinear为线性因子，Attenuationexp为指数因子；
S4.2：取任一点光源Ni，计算出城市模型空间表面其中一个栅格单元Ms到该点光源的光方向该光方向定义为该城市模型空间表面某个栅格单元中心点到点光源的矢量，假定所有的光方向都没有受到其他障碍物的遮挡，根据步骤S4.1中光强的计算公式，根据光方向的矢量长度，计算出理想状况下，在某一点光源的照射下，该栅格单元的接受的光强，将该光强存储在着色值Vi中；
S4.3：对步骤S4.2中的光方向，计算每个光方向与城市三维栅格模型是否存在除去光方向顶点外的其他交点，若存在，则将该栅格单元的着色值Vi置为0，若不存在其他交点，则保留栅格单元的着色值Vi；
S4.4：对轴线点集中的点元素建立的每一个点光源，重复步骤S4.2～步骤S4.3，对某栅格单元，根据公式计算出该栅格单元着色器的最终光强，其中，A为轴线点集中的点元素的个数；对每一个栅格单元，借助图形处理器完成步骤S4.1～步骤S4.4的并行计算。
8.根据权利要求7所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于：在步骤S4.1中，常数因子的值为1，线性因子和指数因子的值均小于1。
9.根据权利要求1所述的一种城市地标感知度三维地图构建方法，其特征在于，在步骤5中，对各栅格的着色包括以下步骤：
S5.1：设定感知目标为至少一个地标，通过标记矩阵的结果统计对各栅格进行步骤4的计算，得到每个栅格对应的着色器的值；
S5.2：将着色器的值离散化至四位二进制空间中,得到离散后的值m，每个栅格最终对应的渲染颜色的RGB值为(256-m，m，0)；
S5.3：根据RGB值对每个栅格进行渲染，生成地图，导出图像。
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