一种城市楼层可视绿地面积快速估算及三维展示的方法与流程

本发明涉及地理信息科学虚拟现实领域，尤其是城市景观测量和三维模拟显示的一种城市楼层可视绿地面积快速估算及三维展示方法。

背景技术：

当前，城市化背景下中国开始采取垂向发展策略，城市绿地面积所占比例下降的同时城市绿地的可视性也受到了阻挡。城市绿地对于城市生态发展及居民舒适度来说都具有重要价值。其主要功能除了生态功能(净化空气等)、社会功能(减少犯罪、烘托城市文化氛围等)以外，还具有视觉功能。即城市绿地具有观赏价值，且科学研究表明观赏绿地可以减轻城市居民的负面心理症状。因此，对城市绿地视觉功能的分析研究具有十分重大的意义。

目前，分析视觉功能的现有方法主要分为两类：第一类是使用面向城市居民的主观评价系统收集和分析绿地的视觉评价。通过展示照片、影像模拟城市景观内部第一人称视角的观赏状态，分析居民评分及回馈的语义数据，最后得出视觉评价结论。这类方法的优点是充分收集了居民舒适度的主观评价数据，缺点在于个体差异以及简陋的分析手段对于结果影响极大。第二类是使用Viewsphere、Green View Index等方法定量地衡量了绿地的视觉功能。这类方法的优点在于，通过二维可达性分析或是三维视域分析一定程度上实现了视觉功能的定性描述。其缺点在于耗时耗力且数据量非常庞大，诸如需要在数个城市街道交叉口拍摄照片并提取照片中绿色像素所占百分比来加权相加得到结果。此外，一些三维视域分析的方法在建模过程中效率也往往十分低下。可见，现有方法通常不能完整、全面、定量、自动地分析城市绿地的视觉功能。综上，当前分析城市绿地视觉功能的技术主要存在以下几个方面的问题：

(1)止于定性模拟以及二维平面的定量估算，缺乏垂直尺度上定量化的衡量。

(2)缺少具象地表达城市绿地景观视觉质量的技术。

(3)依靠传统调查、人工测量或是人工建模的方式，工作量极大，数据更新速度极慢。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述当前技术存在的问题而提供的一种城市楼层可视绿地面积快速估算及三维展示方法，该方法可以实现城市建筑物各楼层可观赏绿地面积的快速估算、自动建模以及统一储存，大大提高了城市绿地景观视觉职能的分析能力及效率，降低了人力成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种城市楼层可视绿地面积快速估算及三维展示方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：用建筑物分层建模算法，对建筑物数字表面模型数据进行基底轮廓提取以及自动化三维建模，生成相应的Shp图层以及Multipatch模型；

步骤2：用楼层可视绿地快速估算算法，结合植被分布数据对提取的建筑物各楼层进行可观赏绿地面积的自动估算；

步骤3：更新建筑物三维模型的属性字段，并进行分层设色展示。

所述建筑物分层建模算法，具体包括：

i)基底轮廓提取：设定3.5-3.8米高程阈值T＝3.5-3.8m，使用阈值分割方法，根据公式得到二值栅格图；再将二值栅格图矢量化，即通过边界线追踪，去除多余结点(Node)将栅格数据整理为记录各个结点坐标的多个多边形(Polygon)；遍历该轮廓矢量数据，记录各个多边形的边界(Extent)并赋予建筑物编号(FID)及类别(Building Type)属性；

ii)楼层截面轮廓提取：根据建筑物类别及城市规划方案设定层高h，使用同样的阈值分割和矢量化方法，得到建筑物各楼层的截面轮廓，此处j层楼的阈值T＝j*h；遍历各个楼层轮廓矢量数据，记录各个多边形的中心点坐标G＝(x₁+x₂+…+x_n/n，y₁+y₂+…+y_n/n)及楼层数，n为多边形边数，x、y为横、纵坐标；通过判定中心点坐标归属的基底轮廓多边形范围(Extent)赋予相应建筑物编号属性；

iii)层间楼层外壁模型构建：创建各楼层高度上的不规则三角网(TIN)，将各楼层轮廓做缓冲区分析生成一定厚度的环状矢量图层作为壁，将环壁投影到相应楼层的不规则三角网(TIN)上，通过获取多边形边线与TIN三角边交点高程值进行线性内插并用环壁轮廓做边界约束生成新的TIN，连接层间各结点组成三角形面片并最后生成层间楼层外壁模型；

iv)模型组合：依据建筑物编号进行将三角片进行组合归并，最终以单个Multipatch类型存储。

所述的建筑物数字表面模型数据是指象元值表征高程且土地利用类型归属建筑用地的栅格数据。

所述楼层可视绿地快速估算算法，具体包括：

i)创建观测点及观测平台：将楼层轮廓进行1个栅格单元边长大小的缓冲区分析，通过修改楼层截面轮廓覆盖栅格的值为该楼层的高度创建“观测平台”；在观测平台内，沿截面轮廓线每间隔距离d＝1-5m创建一个观测点，则观测点总数Pj代表j层楼的周长，代表的向上取整值，即大于等于的最小整数；

ii)绿地视域分析：使用LOS方法(Line of sight)对各个观测点进行视域分析，通过比较观察点高程、目标绿地栅格高程以及观察点与目标绿地连线上栅格的高程值。若存在高于目标绿地的地物，则该绿地图斑标记为不可见，否则为可视绿地，所有可视绿地栅格组成一个可视绿地结果集合，N_j个观测点共可得到N_j个集合；

iii)汇总计算可视绿地总面积：

(1)计算楼层可视绿地面积为GV_j(n)指j层楼能够看到的第n个绿地图斑，S(·)指该图斑的大小，N_j是指该层楼可视的绿地图斑总数，指该层楼所有观测点可视的绿地图斑的并集；

(2)计算方向楼层可视绿地面积为t(α，β)指该层楼观察角θ在α至β范围内可视的绿地图斑总数，正北作为0°顺时针测量至360°；

(3)计算总楼层可视绿地面积以及平均楼层可视绿地面积k是指总楼层数；

上述步骤1-3得到的值录入追踪楼层轮廓的矢量文件相应属性字段内。

所述更新建筑物三维模型的属性字段，并进行分层设色展示，具体包括：

i)根据各楼层观测点坐标查询对应模型外壁面片及水平两侧±d/2距离内的面片，更新可视绿地面积属性；

(2)更新该楼层所有外壁面片的楼层可视绿地面积属性；

(3)使用分层设色的方法，将目标属性字段的值划分等级，依据级别高低赋予Multipatch模型的外壁面片以及Shp图层的多边形以深浅不同的颜色并进行最终展示。

本发明不仅创新性地提出了垂直方向上的城市可视绿地分析概念，同时实现了自动化估算和快速建模展示，减少了实测的人力成本。满足了城市居民、城市规划者、决策制定者及楼盘经销者等各人群在绿地景观相关方面的部分需求，具有社会效益和经济价值。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)在垂直尺度上定量化地衡量了城市建筑物的绿地景观水平。

(2)具象地用三维建模及着色标记的方法展示了城市绿地景观的视觉质量。

(3)整个估算和建模过程自动处理，人力成本极低。

本发明具有社会效益和经济意义，包括：

(1)可用作现有建筑物可观赏绿地价值的评估，作为居民舒适度评价的一个组成部分。

(2)可用于城市改造项目中预估新建筑物的建造对于周边建筑绿色视野的影响，辅佐城市规划者和决策制定者。

(3)可用作楼盘经销商展示楼盘各层楼各个角度的绿色景观水平。可将“绿色楼层”作为新房定价的参考因素。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明实施例原始的建筑物数字表面模型数据以及绿地分布数据图；

图3为本发明实施例提取的建筑物基底图层；

图4为本发明实施例中实施例中世界经融大厦第四层楼层截面轮廓及建模结果图；

图5为本发明实施例观测平台、观测点的创建以及绿地视域分析结果图；

图6为本发明实施例展示楼层可视绿地面积属性的单栋建模结果图；

图7为本发明实施例三维模型展示结果图；

图8为本发明实施例生成的展示总/平均楼层可视绿地面积属性字段的shp结果图层。

具体实施方式

实施例

参阅图1，以上海市陆家嘴区域为研究对象，图2为本实施例使用的建筑物数字表面模型以及植被分布数据。所述的建筑物数字表面模型数据是指象元值表征高程且土地利用类型归属建筑用地的栅格数据。

步骤1：调用建筑物分层建模算法，对建筑物数字表面模型数据进行基底轮廓提取以及自动化三维建模，生成相应的Shp图层以及Multipatch模型。

具体操作包括：

i)基底轮廓提取：根据市政规划设定3.5米高程阈值T＝3.5m，使用阈值分割方法，根据公式得到二值栅格图；再将二值栅格图矢量化，即通过边界线追踪，去除多余结点(Node)将栅格数据整理为记录各个结点坐标的多个多边形(Polygon)；遍历该轮廓矢量数据，记录各个多边形的边界(Extent)并赋予建筑物编号(FID)及类别(Building Type)属性；如图3，陆家嘴区域共提取了618栋建筑物(574栋居民楼与44栋商用楼)。

ii)楼层截面轮廓提取：根据建筑物类别及城市规划方案设置层高h为居民楼3m、商用楼3.6m，使用同样的阈值分割和矢量化方法，得到建筑物各楼层的截面轮廓。以商用楼世界经融大厦第四层为例，设定阈值T＝j*h＝4*3.6＝14.4m，得到第四层的矢量数据，记录各个建筑物多边形的中心点坐标G＝(x₁+x₂+…+x_n/n，y₁+y₂+…+y_n/n)及楼层数，n为多边形边数，x、y为横、纵坐标；通过判定中心点坐标归属的基底轮廓多边形范围(Extent)赋予相应建筑物编号属性；如图4b，世界经融大厦第四层的中心点坐标为(3527，549)，归属建筑物编号21的基底多边形范围x∈(3500，3560)，y∈(500，597)。

iii)层间楼层外壁模型构建：创建各楼层高度上的不规则三角网(TIN)，将各楼层轮廓做缓冲区分析生成一定厚度的环状矢量图层作为壁，将环壁投影到相应楼层的不规则三角网(TIN)上，通过获取多边形边线与TIN三角边交点高程值进行线性内插并用环壁轮廓做边界约束生成新的TIN，连接层间各结点组成三角形面片并最后生成层间楼层外壁模型；如图4c为世界经融大厦第四层生成的模型。

iv)模型组合：依据建筑物编号进行将三角片进行组合归并，最终以单个Multipatch类型存储。

步骤2：调用楼层可视绿地快速估算算法，结合植被分布数据对提取的建筑物各楼层进行可观赏绿地面积的自动估算。

具体操作包括：

i)创建观测点及观测平台：如图5a，将楼层轮廓进行1个栅格单元边长大小的缓冲区分析，修改楼层截面轮廓覆盖栅格的值为该楼层的高度。将世界金融大厦第四层轮廓截面覆盖的栅格值修改为3.6*4＝14.4m创建该层的“观测平台”；在观测平台内，沿截面轮廓线每间隔距离d＝1m创建一个观测点，则观测点总数Pj代表j层楼的周长，代表的向上取整值，即大于等于的最小整数；图5b中为世界金融大厦第四层创建的49个观测点。

ii)绿地视域分析：使用LOS方法(Line of sight)对各个观测点进行视域分析，通过比较观察点高程、目标绿地栅格高程以及观察点与目标绿地连线上栅格的高程值。若存在高于目标绿地的地物，则该绿地图斑标记为不可见，否则为可视绿地，所有可视绿地栅格组成一个可视绿地结果集合，N_j个观测点共可得到N_j个集合；如图5c为第17个观测点得到的第17个可视绿地结果集合。

iii)汇总计算可视绿地总面积：

(1)计算楼层可视绿地面积为GV_j(n)指j层楼能够看到的第n个绿地图斑，S(·)指该图斑的大小，N_j是指该层楼可视的绿地图斑总数，指该层楼所有观测点可视的绿地图斑的并集；

(2)计算方向楼层可视绿地面积为t(α，β)指该层楼观察角θ在α至β范围内可视的绿地图斑总数，正北作为0°顺时针测量至360°；

(3)计算总楼层可视绿地面积以及平均楼层可视绿地面积k是指总楼层数；

上述步骤1-3得到的值录入追踪楼层轮廓的矢量文件相应属性字段内。

步骤3：更新建筑物三维模型的属性字段，并进行分层设色展示。

主要操作包括：

(1)根据各楼层观测点坐标查询对应模型外壁面片及水平两侧±d/2距离内的面片，更新可视绿地面积属性；

(2)更新该楼层所有外壁面片的楼层可视绿地面积属性；

(3)使用分层设色的方法，将目标属性字段的值划分等级，依据级别高低赋予Multipatch模型的外壁面片以及Shp图层的多边形以深浅不同的颜色并进行最终展示。图6为世界金融大厦单栋建模结果，6a、6b为不同方向，其外壁面片展示的是对应观测点可视绿地面积的字段值，6c展示的是楼层可视绿地面积属性字段。图7为陆家嘴区域618栋建筑的整体建模结果。图8是用提取的建筑物基座轮廓shp图层展示总/平均楼层可视绿地面积指数属性字段的结果。