城市空间年轮地图制作和分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种城市空间年轮地图制作和分析方法，包括：将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统，形成地图底图模块；分别对不同建筑年代的建筑进行建筑分布的地理信息分析，并在此基础上进行城市空间年轮历史切片自相关性分析，叠加分析结果后转换为等高线，以等高线为基础建立城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块；针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息的不同对象建立不同属性的图层，根据地理坐标进行信息数据叠合，显示城市空间年轮地图。本发明将城市空间年轮分析结果和地理信息关联，实现城市空间年轮分析的地理化空间展示，能高效便捷地制作出专题地图，可广泛用于城市规划设计工程实践现行需求。
【专利说明】
城市空间年轮地图制作和分析方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种地图制作和分析方法，更具体涉及一种城市空间年轮地图制作和分析方法。
【背景技术】
[0002]城市是人类集聚的主要空间形式，在快速城市化时期，如何把握城市未来发展方向、预测和控制城市空间形态已成为目前我国城市发展面临的重要问题。这就需要从空间形态和历史演替角度对城市产生和发展的客观规律、城市化进程与机理进行深入探索分析。城市空间年轮是对城市空间形态在历史视角下的进一步解读，与城市空间形态和布局密切相关，城市呈现出历史断层切片特征、形似年轮的空间发展拓张规律，通过城市空间年轮结合城市空间形态进行耦合分析，基于地理信息系统制作成专题地图，可以有效揭示城市空间年轮这一客观规律，实现对城市空间年轮的可视化分析。
[0003]目前国内外城市空间形态主要研究内容多为城市内部空间和城市外部形态，比较少运用信息技术研究城市形态演变及发展趋势，基于信息技术的研究以静态研究居多，而比较缺乏动态的基于时间序列的研究，尤其还无对城市空间年轮的相关分析研究，更无基于地理信息系统的城市空间年轮分析地图技术和发明。本发明首次关注城市空间年轮地图制作和分析方法，结合城市空间形态三维矢量数据将城市空间年轮分析结果进行可视化显示;本发明基于城市地理空间坐标体系，是一种大尺度城市全覆盖特征的地图数据系统;本发明利用计算机信息技术，以数据分析结合地图显示的方法将城市空间形态研究成果进行共享和对标，实现城市空间年轮的可视化分析;本发明结合地图制作运用可视化分析方法，将城市空间年轮分析结果和空间地理信息关联，实现城市空间年轮分析的地理化空间展示，简化了城市空间形态分析的复杂软件操作过程，能高效便捷地制作出专题地图；本发明可以精准定位到城市坐标，辅助城市空间形态的定量耦合分析，可广泛用于城市规划设计工程实践现行需求，并能为其他行业数据可视化分析和制作专题地图提供参考。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明的目的是:提供一种城市空间年轮地图制作和分析方法，将城市空间形态信息与城市空间历史切片信息通过不同图层映射到地图数据库，进行城市空间年轮分析，将分析结果以可视化的地图形式显示。
[0005]为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是:一种城市空间年轮地图制作和分析方法，包括以下步骤:
[0006]I)建立城市空间年轮的地图底图模块:将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统，形成制作城市空间年轮地图的底图模块;所述三维矢量信息数据至少包括道路路网、建筑轮廓、建筑层数、建筑年代、用地轮廓和用地属性；
[0007]2)建立城市空间年轮分析信息模块;分别对不同建筑年代的建筑进行建筑分布的地理信息分析，并在此基础上进行城市空间年轮历史切片自相关性分析，叠加自相关分析结果后转换为等高线即城市空间年轮，以等高线为基础建立城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块；
[0008]3)建立城市空间年轮地图显示模块:连接地图底图模块和年轮信息分析模块，针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息的不同对象建立不同属性的地图图层，根据地理坐标进行信息数据叠合，显示城市空间年轮地图。
[0009]进一步地，步骤I)中城市三维矢量信息数据从市售的地图矢量数据中获取或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后提取获得。
[0010]进一步地，从卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据中获取城市三维矢量信息数据的方法具体包括:
[0011]1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据;对矢量图形进行简化与格式的转换，以及信息的筛选，建立与所需数据类型相对应的图元，得到城市空间形态三维矢量数据；
[0012]1.2)将所有矢量数据转为多段线格式，再从三维矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓、建筑层数、建筑年代、用地轮廓、用地属性这七种基础数据，并建立新图层，其中道路路网、水系、建筑轮廓、用地轮廓图层均为多段线形式，建筑层数图层为标注了层数值的点形式，建筑年代图层为标注了年代属性的点形式，用地属性图层为标注了属性名称的点形式。
[0013]进一步地，步骤2)建立城市空间年轮分析信息模块，具体为:
[0014]2.1)在地理信息系统软件中根据建筑年代不同属性单独提取出新图层，使得每一个新图层对应一类建筑年代；
[0015]2.2)分别对步骤2.1)的每个新图层中的建筑点要素进行克里金插值处理，生成表面栅格数据，得到以城市建筑年代为要素的地理分布的分析结果；
[0016]2.3)每个新图层以城市建筑年代为要素的地理信息分析结果为基础，进行热点聚类分析，得到城市空间年轮的自相关性分析结果；
[0017]2.4)将各个新图层的自相关性分析结果进行叠加，转换为等高线后得到城市空间年轮分析结果；
[0018]2.5)以等高线为基础通过3D分析工具创建TIN表面，得到城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块。
[0019]进一步地，步骤3)建立城市空间年轮地图显示模块，具体为:
[0020]3.1)基于地理信息系统建立地图显示模块，将城市空间年轮的地图底图模块与城市空间年轮分析信息模块连接，实现数据输入和输出显示；
[0021]3.2)针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的地图图层，将空间年轮分析结果和城市矢量信息导入，根据地理坐标进行数据叠合;建立的图层包括城市空间年轮分析图层、城市空间形态底图两个一级图层，所述城市空间年轮分析图层包含地理信息分析、自相关性分析、城市空间年轮等高线、城市空间年轮三维分析模型四个二级图层;所述城市空间形态底图图层包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、用地轮廓四个二级图层；
[0022]3.3)根据要显示的地图内容有选择地进行图层的开和关，叠加不同图层后导出生成相应的专题地图。
[0023]进一步地，城市空间年轮地图显示模块包含二维和三维两种查看模式，其中二维地图包含空间年轮地理信息分析、空间年轮自相关性分析、空间年轮等高线三个二级图层和城市空间形态底图一级图层;三维地图包含城市空间年轮三维分析模型二级图层。
[0024]有益效果:与现有技术相比，本发明有如下优点:
[0025]1.本发明首次关注城市空间年轮地图制作和分析方法，结合城市空间形态三维矢量数据将城市空间年轮分析结果进行可视化显示；
[0026]2.本发明基于城市地理空间坐标体系，是一种大尺度城市全覆盖特征的地图数据系统；
[0027]3.本发明利用计算机信息技术，以数据分析结合地图显示的方法将城市空间形态研究成果进行共享和对标，实现城市空间年轮的可视化分析；
[0028]4.本发明结合地图制作运用可视化分析方法，将城市空间年轮分析结果和空间地理信息关联，实现城市空间年轮分析的地理化空间展示，简化了城市空间形态分析的复杂软件操作过程，能高效便捷地制作出专题地图；
[0029]5.本发明可以精准定位到城市坐标，辅助城市空间形态的定量耦合分析，可广泛用于城市规划设计工程实践现行需求，并能为其他行业数据可视化分析和制作专题地图提供参考。
【附图说明】
[0030]图1是本发明城市空间年轮地图制作和分析方法的流程图；
[0031]图2是本发明基于某城市三维矢量信息建立的城市空间年轮地图底图示意图；
[0032]图3是某城市三维矢量数据按建筑年代不同属性划分为五个图层示意图；
[0033]图4是以某城市建筑年代为要素的地理分布分析结果示意图；
[0034]图5是某城市空间年轮自相关性叠合分析示意图；
[0035]图6是某城市空间年轮等高线分析示意图；
[0036]图7是某城市空间年轮三维分析模型示意图。
【具体实施方式】
[0037]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，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0038]如图1所示，本发明实施例公开的一种城市空间年轮地图制作和分析方法，主要包括如下步骤:
[0039]I)基于城市三维矢量信息建立城市空间年轮的地图底图模块；
[0040]对城市空间形态三维数据进行数据简化，建立与所需数据类型相对应的图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统，形成制作城市空间年轮地图的底图模块。城市三维矢量信息数据也可以来源于市场上已加工好的地图矢量数据或者对卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行处理后获取。本例中采用从原始地图数据进行加工方式获取，主要步骤包括:
[0041]1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据。对城市全覆盖的现状矢量图形进行简化与格式的转换，完成对矢量数据信息的筛选，建立与所需数据类型相对应的图元，得到城市空间形态三维数据，以DWG格式存储；
[0042]1.2)运用AUTOCAD软件打开上述城市空间形态DWG文件，用格式转换命令将所有矢量数据转为多段线格式。再将三维矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓、建筑层数、建筑年代、用地轮廓、用地属性这七种基础数据，并建立新图层；其中道路路网、水系、建筑轮廓、用地轮廓图层均为多段线形式，建筑层数图层为标注了层数值的点形式，建筑年代图层为标注了年代属性的点形式，均位于建筑轮廓的几何中心位置，用地属性图层为标注了属性名称的点形式；
[0043]1.3)将步骤1.2)中简化与处理后的矢量数据DWG文件以DXF格式进行存储，导入ArcGIS地理信息系统，构成制作城市空间年轮地图的底图信息模块，如图2所示。
[0044]2)建立城市空间年轮分析信息模块；
[0045]在城市建筑年代要素的地理信息分析结果的基础上，进行城市空间年轮历史切片自相关性分析，叠加分析结果后转换为等高线即城市空间年轮，以等高线为基础建立城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块。主要步骤包括:
[0046]2.1)将步骤1.2)三维矢量数据中的包含建筑年代的建筑点形式的数据信息以DXF格式存储后导入ArcGIS软件。根据示例城市重大历史事件将建筑年代划分为五档，分别是1950年以前、1950年-1980年、1980年-2000年、2000年-2010年、2010年以后。再根据建筑年代不同属性单独提取出新图层，使得每一个新图层对应一类建筑年代，图层名称以建筑年代命名；显示效果如图3所示。
[0047]2.2)分别对步骤2.1)的每个新图层进行建筑分布的地理信息分析。具体做法为:利用ArcGIS软件在ArcToolbox中执行Kriging命令(克里金插值算法)，设置输入点要素类型为Feature set(要素类)，对输入的一类图层内的建筑点要素进行克里金插值处理后，生成表面栅格数据，得到以城市建筑年代为要素的地理分布的分析结果；
[0048]2.3)以城市建筑年代为要素的地理信息分析结果为基础，进行城市空间年轮的自相关性分析。具体地，在ArcTooIbox中选择Spatial Statistics Tools(空间统计工具)执行热点聚类分析命令(即Getis-Ord Gi分析)，输入要素图层为步骤2.2)得到的表面栅格数据，选择克里金插值属性为输入要素，其他选项用系统默认，确定后得到聚类分析表面栅格数据，即城市空间不同建筑年代的自相关性分析结果。
[0049]2.4)将五个建筑年代的自相关性分析的栅格数据进行合并叠加，具体地，在ArcTooIbox中选择Spatial Analyst Tools，执行Local工具组中的Combine命令，生成棚.格数据新图层。再将叠加结果转换为等高线，如图6所示，叠加后的结果颜色越深表示建筑年代越早，同时建筑的空间聚集程度越高。等高线表达的是建筑空间分布位置的聚集程度，其结果与建筑年份分布具有一致性，等高线可以直观的显示城市时空增长的情况，像树的年轮一样由中心向周边一圈一圈发展的情况。具体地，在ArcToolbox中选择Spatial AnalystTool s执行Contour命令，在对话框中选择要输入的栅格数据，设定等高距，确定后生成等高线即城市空间年轮分析结果；
[0050]2.5)在3D Analyst中执行从要素创建TIN表面，选择等高线图层，高程来源设为contour字段，确定输出TIN表面图层后即得到城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块。
[0051]3)建立城市空间年轮地图显示模块。
[0052]连接地图底图模块和城市年轮信息分析模块，针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息的不同对象建立不同属性的地图图层，根据地理坐标进行信息数据叠合导出地图，实现城市空间年轮分析地图的二维和三维可视化。主要步骤包括:
[0053]3.1)基于ArcGIS地理信息系统建立地图显示模块，将城市空间年轮的地图底图模块与城市空间年轮分析信息模块连接，实现数据输入和输出显示，地图显示模块提供二维地图查看和三维地图查看；
[0054]3.2)针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的地图图层，通过数据输入单元将空间年轮分析结果和城市矢量信息导入，根据地理坐标进行数据叠合。建立的图层包括城市空间年轮分析图层、城市空间形态底图两个一级图层。其中城市空间年轮分析图层包含地理信息分析、自相关性分析、城市空间年轮等高线、城市空间年轮三维分析模型四个二级图层，数据信息由城市空间年轮分析信息模块导入，分别对应步骤2.2)、步骤2.3)、步骤2.4)和步骤2.5)得到的分析结果。城市空间形态底图图层包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、用地轮廓四个二级图层，数据信息由城市空间年轮地图的底图信息模块导入；
[0055]3.3)根据要显示的地图内容有选择地进行图层的开和关，叠加不同图层后导出生成相应的专题地图。城市空间年轮地图显示模块包含二维和三维两种查看模式。二维地图包含空间年轮地理信息分析、空间年轮自相关性分析、空间年轮等高线三个二级图层和城市空间形态底图一级图层。三维地图包含城市空间年轮三维分析模型二级图层；
[0056]通过勾选空间年轮地理信息分析图层和城市空间形态底图图层，制图导出生成城市空间年轮地理信息分析专题地图，如图4所示;通过勾选空间年轮自相关性分析图层和城市空间形态底图图层，制图导出生成城市空间年轮自相关性分析专题地图，如图5所示;通过勾选空间年轮等高线图层和城市空间形态底图图层，制图导出生成城市空间年轮等高线分析专题地图，如图6所示;通过勾选城市空间年轮三维分析模型图层，制图导出生成城市空间年轮3D地图，如图7所示。
【主权项】
1.一种城市空间年轮地图制作和分析方法，其特征是，包括以下步骤: I)建立城市空间年轮的地图底图模块:将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统，形成制作城市空间年轮地图的底图模块;所述三维矢量信息数据至少包括道路路网、建筑轮廓、建筑层数、建筑年代、用地轮廓和用地属性； 2 )建立城市空间年轮分析信息模块;分别对不同建筑年代的建筑进行建筑分布的地理信息分析，并在此基础上进行城市空间年轮历史切片自相关性分析，叠加自相关分析结果后转换为等高线即城市空间年轮，以等高线为基础建立城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块； 3)建立城市空间年轮地图显示模块:连接地图底图模块和年轮信息分析模块，针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息的不同对象建立不同属性的地图图层，根据地理坐标进行信息数据叠合，显示城市空间年轮地图。2.根据权利要求1所述的一种城市空间年轮地图制作和分析方法，其特征是，步骤I)中城市三维矢量信息数据从市售的地图矢量数据中获取或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后提取获得。3.根据权利要求2所述的一种城市空间年轮地图制作和分析方法，其特征是，从卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据中获取城市三维矢量信息数据的方法具体包括: 1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据;对矢量图形进行简化与格式的转换，以及信息的筛选，建立与所需数据类型相对应的图元，得到城市空间形态三维矢量数据； 1.2)将所有矢量数据转为多段线格式，再从三维矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓、建筑层数、建筑年代、用地轮廓、用地属性这七种基础数据，并建立新图层，其中道路路网、水系、建筑轮廓、用地轮廓图层均为多段线形式，建筑层数图层为标注了层数值的点形式，建筑年代图层为标注了年代属性的点形式，用地属性图层为标注了属性名称的点形式。4.根据权利要求1所述的一种城市空间年轮地图制作和分析方法，其特征是，步骤2)建立城市空间年轮分析信息模块，具体为: 2.1)在地理信息系统软件中根据建筑年代不同属性单独提取出新图层，使得每一个新图层对应一类建筑年代； 2.2)分别对步骤2.1)的每个新图层中的建筑点要素进行克里金插值处理，生成表面栅格数据，得到以城市建筑年代为要素的地理分布的分析结果； 2.3)每个新图层以城市建筑年代为要素的地理信息分析结果为基础，进行热点聚类分析，得到城市空间年轮的自相关性分析结果； 2.4)将各个新图层的自相关性分析结果进行叠加，转换为等高线后得到城市空间年轮分析结果； 2.5)以等高线为基础通过3D分析工具创建TIN表面，得到城市空间年轮三维分析模型，构成城市空间年轮分析信息模块。5.根据权利要求1所述的一种城市空间年轮地图制作和分析方法，其特征是，步骤3)建立城市空间年轮地图显示模块，具体为: 3.1)基于地理信息系统建立地图显示模块，将城市空间年轮的地图底图模块与城市空间年轮分析信息模块连接，实现数据输入和输出显示； 3.2)针对城市空间年轮分析信息和城市矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的地图图层，将空间年轮分析结果和城市矢量信息导入，根据地理坐标进行数据叠合;建立的图层包括城市空间年轮分析图层、城市空间形态底图两个一级图层，所述城市空间年轮分析图层包含地理信息分析、自相关性分析、城市空间年轮等高线、城市空间年轮三维分析模型四个二级图层;所述城市空间形态底图图层包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、用地轮廓四个二级图层； 3.3)根据要显示的地图内容有选择地进行图层的开和关，叠加不同图层后导出生成相应的专题地图。6.根据权利要求5所述的一种城市空间年轮地图制作和分析方法，其特征是，城市空间年轮地图显示模块包含二维和三维两种查看模式，其中二维地图包含空间年轮地理信息分析、空间年轮自相关性分析、空间年轮等高线三个二级图层和城市空间形态底图一级图层；三维地图包含城市空间年轮三维分析模型二级图层。
【文档编号】G06F17/30GK106021342SQ201610301835
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】杨俊宴, 陆小波
【申请人】东南大学