一种数字城市天际线提取方法与流程

本发明属于数字城市规划领域的图形处理技术领域，涉及一种数字城市天际线提取方法。

背景技术：

天际线是城市形体轮廓的重要表现形式，也是城市景观资源的主要组成部分，虽然只是某一视角下城市的二维立面轮廓线，但反映的却是三维的空间层次特征，作为“城市意向”的要素之一，天际线是对城市空间景观最直接、最具体的展现，往往成为城市形象的名片和特色标识线，对加强城市的可识别性、展示地域风貌特色具有重要意义，因此，以城市天际线控制为核心的城市规划和设计能有效增强区域发展的空间秩序，提升城市的整体形象。目前的城市天际线大都采用人工拍照、手工绘制的方法获取，这种方法使用方便，简单易行，但手工绘制天际线既浪费时间，又耗费成本，同时对绘制人员的描图能力要求较高，因此设计高效、快捷的城市天际线自动提取方法十分必要。

在二维城市天际线的研究中，王剑锋在文献“城市空间形态量化分析研究[d].重庆:重庆大学,2004.”中进行了比较详细的阐述，在选择合适城市观景点为观察点的基础上，以遮挡物较小的视角从建筑物正对面的水平方向对城市建筑群拍照，分析照片后即可按建筑群与天空相交的外轮廓描绘出天际线。但通过照片提取的城市天际线视点单一，受拍摄者站位的限制，无法多角度、全方位表达真实世界中人们的感受。曹迎春等人在文献“基于分形理论的城市天际线量化分析[j].城市问题,2013(12):32-36.”中对于实地拍摄、网络刊载的天际线照片，基于分形理论计算了国外部分城市和我国主要城市的天际线分形维数，论述了天际线的分形特征，但分形理论的复杂数学计算方法难以被城市规划师所理解。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种数字城市天际线提取方法，该方法能够有效的避免通过照片提取城市天际线带来的视点单一、受拍摄者站位限制的问题，同时计算复杂度较低。

为达到上述目的，本发明所述的数字城市天际线提取方法包括以下步骤：

1)构建数字城市三维模型；

2)对数字建筑物的立方体角点进行空间直线插值，以形成建筑物的轮廓点集；

3)在数字城市三维模型中选取观察视点，并根据人眼视觉特性确定视线的观察距离r、水平方向的视场角及垂直方向的视场角，进而确定天际线的投影柱面及投影范围；

4)从观察视点出发，沿观察视点-建筑物-投影柱面对插值后的建筑物轮廓点进行柱面投影变换，得建筑物的天际线投影轮廓点；

5)消除被遮挡的建筑物的天际线投影轮廓点，得剩余建筑物的天际线投影轮廓点；

6)利用步骤5)得到的剩余建筑物的天际线投影轮廓点拟合天际线投影点集，以形成连续的建筑群天际线，完成数字城市天际线提取。

步骤1)的具体操作为：

1a)获取地形数据中的所有高程点，再运用delaunay三角剖分算法由所有高程点构建三角网地形表面，然后根据高程值进行地形表面颜色的渲染，得三维地形模型；

1b)获取城市建筑规划图与地形图中建筑物的空间坐标位置信息及高度信息，再以立方体为基本形状构建城市建筑群数字三维模型；

1c)将步骤1a)得到的三维地形模型与步骤1b)得到的城市建筑群数字三维模型按位置坐标进行叠加，得数字城市三维模型。

步骤2)中，利用反距离加权法对数字建筑物的立方体角点进行空间直线插值，形成建筑物的轮廓点集，其中，待插入点的估算坐标值z为：

其中，zi为第i个样本点的实际坐标值，di为第i个样本点与待插入点之间的距离，m为参与计算的实际样本点个数，n为幂指数。

步骤4)中，沿观察视点-建筑物-投影柱面对插值后的建筑物轮廓点进行柱面投影变换，得建筑物的天际线投影轮廓点，其中，透视投影柱面上的天际线投影点坐标为(x1,y1,z1)，其中，y1＝r，(x,y,z)为建筑物任一轮廓点的坐标。

步骤5)中消除被遮挡的建筑物的天际线投影轮廓点的具体操作为：

5a)将建筑物的轮廓点集在x、y、z三个坐标轴方向上进行综合排序；

5b)比较任一建筑物的轮廓点与与其相邻建筑物的轮廓点之间的相对位置关系，判断该建筑物的轮廓点是否被遮挡，当该建筑物的轮廓点被遮挡时，则删除该被遮挡的建筑物轮廓点及其天际线投影点。

步骤6)中，利用步骤5)得到的剩余建筑物的天际线投影轮廓点根据三次b样条曲线拟合天际线投影点集，以形成连续的建筑群天际线。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的数字城市天际线提取方法在具体操作时，先构建数字城市三维模型，再以该数字城市三维模型为基础进行数字城市天际线的提取，避免通过照片提取城市天际线带来的视点单一、受拍摄者站位限制的问题。具体的，先形成建筑物的轮廓点集，再确定天际线的投影柱面及投影范围，然后得到建筑物的天际线投影轮廓点，最后消除被遮挡的建筑物的天际线投影轮廓点，并利用剩余的建筑物的天际线投影轮廓点拟合天际线投影点集，以形成连续的建筑群天际线，操作简单，计算复杂度较低。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的柱面投影示意图；

图3为本发明的建筑物遮挡关系示意图；

图4a为实施例一中提取的3d天际线结果图；

图4b为实施例一中提取的3d天际线与建筑物之间的关系主视图；

图4c为实施例一中提取的3d天际线与建筑物之间的关系俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

如图1、图2及图3，本发明所述的数字城市天际线提取方法包括以下步骤：

1)构建数字城市三维模型；

步骤1)的具体操作为：

1a)获取地形数据中的所有高程点，再运用delaunay三角剖分算法由所有高程点构建三角网地形表面，然后根据高程值进行地形表面颜色的渲染，得三维地形模型；

1b)获取城市建筑规划图与地形图中建筑物的空间坐标位置信息及高度信息，再以立方体为基本形状构建城市建筑群数字三维模型；

1c)将步骤1a)得到的三维地形模型与步骤1b)得到的城市建筑群数字三维模型按位置坐标进行叠加，得数字城市三维模型。

2)对数字建筑物的立方体角点进行空间直线插值，以形成建筑物的轮廓点集；

步骤2)中，利用反距离加权法对数字建筑物的立方体角点进行空间直线插值，形成建筑物的轮廓点集，其中，待插入点的估算坐标值z为：

其中，zi为第i个样本点的实际坐标值，di为第i个样本点与待插入点之间的距离，m为参与计算的实际样本点个数，n为幂指数，n控制着权重系数随待插入点与样本点之间的距离增大而下降的程度。

3)在数字城市三维模型中选取观察视点，并根据人眼视觉特性确定视线的观察距离r、水平方向的视场角及垂直方向的视场角，进而确定天际线的投影柱面及投影范围；

4)从观察视点出发，沿观察视点-建筑物-投影柱面对插值后的建筑物轮廓点进行柱面投影变换，得建筑物的天际线投影轮廓点，其中，透视投影柱面上的天际线投影点坐标为(x1,y1,z1)，其中，y1＝r，(x,y,z)为建筑物任一轮廓点的坐标；

5)消除被遮挡的建筑物的天际线投影轮廓点，得剩余建筑物的天际线投影轮廓点；

步骤5)中消除被遮挡的建筑物的天际线投影轮廓点的具体操作为：

5a)将建筑物的轮廓点集在x、y、z三个坐标轴方向上进行综合排序；

5b)比较任一建筑物的轮廓点与与其相邻建筑物的轮廓点之间的相对位置关系，判断该建筑物的轮廓点是否被遮挡，当该建筑物的轮廓点被遮挡时，则删除该被遮挡的建筑物轮廓点及其天际线投影点。

6)利用步骤5)得到的剩余建筑物的天际线投影轮廓点拟合天际线投影点集，以形成连续的建筑群天际线，完成数字城市天际线提取。

步骤6)中，利用步骤5)得到的剩余建筑物的天际线投影轮廓点根据三次b样条曲线拟合天际线投影点集，以形成连续的建筑群天际线。

要说明的是，本发明已运用net编程语言完成了activex插件的开发，可直接加载于autocad中使用，能让规划人员在设计城市规划方案的同时，实时掌握其天际线的直观可视形态，扩展了软件功能，满足数字城市规划的设计需求。

实施例一

参考图1，以陕西省商洛市洛南县城市规划1:2000地形图为数据源，建立了洛南县的部分建筑物及其地形的复合城市三维模型，在此城市模型的坐标系中，以坐标点(1908,1126,1100)为观察视点，提取并可视化以该点为观察视点的天际线，其中，在数字城市三维模型中选取观察视点a，观察距离d为1000、水平方向视场角为120°及垂直方向视场角为70°，其中，向上视角为30°，向下视角为40°，提取的3d天际线结果如图4a所示，提取的3d天际线与建筑物之间关系的主视图如图4b所示，提取的3d天际线与建筑物之间关系的俯视图如图4c所示。