三维城市模型回顾性分析课件

1、 目录1.介绍.2 1.1研究背景.2 1.2三维城市模型的应用程序.22. 基本原理.3 2.1 GIS系统.3 2.2三维城市模型的可视化研究.3 2.3基于GIS三维城市模型的建立.4 2.4 研究地域.43. 数学建模.5 3.1DEM模型构造.5 3.2分层组合模型.5 3.3回顾性数学建模.6 3.3.1回顾性分析.6 3.3.2三维空间查询.7 3.3.3剖面绘制与空间距离量算.7 3.3.4三维模型的动态显示.74. 建模结果.85. 结论.8参考文献.10附录.11摘要 现有的三维数据收集方法用于映分析以城市地区为代表的虚拟三维城市模型，可以改善包括竖直维度在内的可视化景观等

2、因素。本文中，我们提出一个回顾性城市变化时序方法，使用基于城市结构变化的时间序列，完成对特定城市的三维模型建立。关键词：三维城市模型 地理信息系统 回顾分析 数据时间序列1. 介绍1.1研究背景城市景观在过去的几百年经历了巨大变化，例如城市体系结构和城市功能等方面。用城市演变的方式几乎可以分析所有城市的变化过程。由于过去二十年的发展主要是购物中心取代旧街区，因此城市的垂直密度的改变主要取决于钢化和比例结构的提高。城市转型往往是受利益驱动或公众参与决策的城市规划，这些变化可以有效的感知和评估3D城市模型的建立。传统的城市景观时空分析方法基于二维数据和二维分析，准确度和实时性不高。3D城市模型作为

3、新型的可视化技术，相比二维综合空间信息可视化技术可以更好地获得用户组与可视化之间的动态联系。三维数据集可以提供更丰富的信息，进一步分析解释现有景观和景观发展的过程。在城市保护和设计中，虚拟三维模型构成的虚拟图像能够展示实际的城市模型，同时评估时间规划决策。1.2三维城市模型的应用程序三维城市模型应用于包括中国香港、英国伦敦、德国柏林等在内的许多城市，通常使用基于WEB的虚拟地球仪进行可视化导航。三维模型应用程序应用范围广泛，其中基于GIS模型的应用程序适用于城市管理和规划、对建筑物高度的可见性分析和噪声模型等。现有的应用程序主要分析城区的单一区域，然而城区景观形态和功能等处于不断动态变化中，新

4、型三维城市模型可以有效地进行时空分析，四维分析需要输入三维城市模型的的时间序列代表连续几个阶段的变化。有关人员提出了搜集三维数据的方法使得创建当代城市地区的时间序列成为可能。更新连续系统的三维数据可以近似得到未来阶段的城市架构。这将为对城市的动态分析提供更可靠的选择。然而，早期城市景观的数据搜集较困难。一方面可以通过重建城市景观得到早期城市数据，这样得到的数据精确度不高，不能够得到较准确的三维城市模型。另一方面，可以利用GIS和二维历史数据分析城市空间结构变化，然而当数据来自不同数据源时该方法的准确性会降低。2. 基本原理2.1 GIS系统地理信息系统（Geographic Informati

5、on System或 GeoInformation system，GIS）有时又称为“地学信息系统”，是一种特定的十分重要的空间信息系统。它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。GIS结合地理学与地图学以及遥感和计算机科学，已经广泛的应用在不同的领域，是用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。GIS是一种基于计算机的工具，它可以对空间信息进行分析和处理，简而言之，是对地球上存在的现象和发生的事件进行成图和分析。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库

6、操作（例如查询和统计分析等）集成在一起。2.2三维城市模型的可视化研究城市是GIS的运用和研究领域的一个重要方面, 3D城市模型是许多应用领域迫切需要的,已被广泛运用于城市规划、建筑设计、无线通信等领域,如城市规划中的建筑物景观模拟、地下管线的3D显示等问题。计算机辅助设计(CAD)软件在3D空间数据的处理和管理方面进行了大量的探索并取得了一定的成果,许多CAD软件增加丰富的3D功能,然而CAD软件中绝大部分图形元素是由单一边构成,它缺乏对空间实体的管理和操作能力,而GIS的目的是完成对地理现象分析和管理,它强调空间实体间的相互关系和属性信息。因此,目前的CAD系统无法完成某些应用领域的研究需

7、要。而且, GIS需要对海量空间数据和非空间数据进行管理,这在CAD系统中也是无法实现的。3D城市模型作为GIS研究的一个重要方向已引起GIS学术界和应用部门的广泛关注,同时也是近年来提出的“数字地球”的一个重要部分。在3D城市模型中所描述的主要对象是地形和建筑物。目前对于地形模型的构造有多种方法如: 规则格网法、不规则三角网(TIN)和混合法等多种方法。对于建筑物人们不仅关心其外形的描述并且要求知道其几何结构和每一层的属性特征,以便能够对其进行空间分析和不同层的属性查询。由于可视化(visualization)只是3D模型的一个不可缺少的部分而更重要的是能够对其进行空间分析和交互操作。因此,

8、采用合适的模型构造3D建筑物对于3D城市模型具有十分重要的意义。2.3基于GIS的三维城市模型建立建设三维虚拟城市模型过程中，我们始终使用三维模型进行分析。目前用于建立三维模型的软件主要有CAD、VAML等向量数据架构软件。三维建模是广泛应用于建筑、工程、建筑设备管理系统等方面的数据处理方法，而基于GIS的模型建立可以有效地利用现有的数据资源高效精确的模型城市景观，应用的领域主要有天线测量、近距离勘测、低空激光扫描和地图重建等。本文主要解决低成本三维城市建模中的时间维度附加问题，可应用于建构城市交通网络、估算人口密度、构建历史城市和模拟城市进化等。2.4 研究地域 虚拟三维城市模型的时间序列提

9、出的方法论框架由一个Sekcon区域案例研究展示。 图1.研究地域Sekcon是一个典型的缓慢扩展的中世纪小镇。19世纪中后期，城市增长加速。第二次世界大战之后的政治和经济环境发展迅速。受苏联影响，在社会主义政治制度下，该城市自20世纪50年代起经历了密集工业化过程。工业化引发了第三产业、交通基础设施和城市化的发展。人口增长刺激住房建设的增长。人口大部分生活在Sekcon河左岸的城市居住区中。这一居住区在2014年1月为超过25700居民提供了安家之所。研究区在Torysa梯田和Sekcon河流包围的冲积平原。地形高度范围为海拔240米到280米。开发之前，研究区主要是Sekcon河冲积平原的

10、沼泽地。20世纪60年代，这部分城市的开发活动主要集中于西部市内医院和南部市外小居民区的建设。除了大面积的街区，建设内容还涉及公共教育、医疗和娱乐设施，小商店、超市、餐馆等。居住区的发展涉及三个主要阶段。在南部地区始于1978年,终于1989年。大规模的建筑活动始于20世纪70年代。一些新的住宅和公寓与非住宅功能建筑（如锅炉房、购物中心和学校）一同建造。新的家庭尺寸的房屋建设仍在相邻的区域进行。20世纪90年代，包括Sekcon居住区在内的技术基础设施（如天然气,电力和供水、排水、道路）施工完成。二十一世纪，建造方式主要以公寓与非公寓结合的为主。近期，区域的发展与新的商业设施（特别是大型购物休

11、闲中心）的快速发展密不可分。如今,生活质量问题是Sekcon区域的城市规划者和居民主要关心的问题。例人们越来越重视分析多层建筑的三维分布。建筑的高密度与区域问题相关，也是许多问题(如停车位有限,缺乏绿色植物)的决定因素，而这些问题可由3D城市模型分析解决。建筑的空间布局和形状影响太阳辐射分布,从而影响热流和建筑的能源效率。分析这一现象需要虚拟城市三维模型时间序列。通过这种方式,我们能够重新评估过去的决策，并开发一种新型方法，由此制定现代Sekcon区域城市规划的规则。3.数学建模3.1 DEM模型的构造 不规则三角网( TIN )和规则格网( GRID)被广泛用于地学领域用来模拟地形表面。TI

12、N模型是由分散的地形点按照一定的规则构成的一系列不相交的三角形组成。它描述地面的真实性由地形点的密度决定,其适用于地形较为复杂的地区,具有较高的精度,而且能够插入地性线和禁区边界等,从而能够真实的模拟复杂的地形表面,但存储量较大。GRID模型是用一组大小相同格子描述地形表面其适用于地形较为平坦的地区。同TIN 模型相比, GRID模型具有较小的存储量和简单的数据结构,便于存储和管理。 图2.三维城市模型3.2分层组合模型 随着现代城市的发展,城市的建筑物在功能和结构及形状上等方面发生了很大的变化。从单一功能向多功能、从小型到大型、从简单到复杂结构发展。具体表现为同一建筑物的不同层在几何形状和功

13、能上存在很大差别。为了准确描述建筑物的不同层结构以便为进一步的空间分析与操作打下基础。作者提出了一种分层组合模型用于构造3D城市模型中的建筑物。对城市的建筑物按功能或形状进行分层(这种分层通常是物理层的组合,即一层可以是一种概念层,包含功能或形状相同的若干物理层的组合)。在2DGIS中,通常将2D目标的几何信息和属性信息用内部标识符连接起来描述2D目标,考虑到3D目标(如建筑物)的实际情况,应增加一项指针,指向每一“层”的标识。其中每一“层”是具有一定形状和属性的几何实体。分层组合模型示意图如图3所示。 图3. 分层组合模型3.3回顾性数学建模3.3.1回顾性分析 虚拟3-D城市模型可以采用回

14、顾型方法应用在虚拟3D城市的建设时序上。该方法是现在和过去数字的组合。并不是所有的数据都是数字的，许多数据都都必须从如地图、调查、规划、技术文件、照片等等不同的原始资料里获取，数据源的范围进一步缩小。回顾性的方法利用历史记录，同时在直接从历史地图上在数字化建筑平面时也有一定的优势。首先，用最新数据建造一个当代的3D城市模型，然后改进最近的3D城市模型呈现过去的地形变化。我们可以在各种历史记录追溯到城市的变化。这些变化通常包括建设的新建筑，桥梁以及城市绿化或者开阔场地的土地覆盖。从当前精确的矢量数据中消除建筑和其他人造构筑物，避免了改进的不确定性，这种不确定性和测量方法与扫描地图或技术计划的空间

15、参考准确性相关的。进而很好的定位城市模型中的建筑。这样，可以提高虚拟3D城市模型的准确性。Krecklau通过使用过程式建模追溯城市地形变化，并生成了城市模型的时间序列，但是其创新的方法是基于2维数据模拟一个简易的3D城市模型。本文中提出的回顾性分析并不用于城市发展的连续建模，它关注特定城市现实的、几何精确的的重建阶段，其主要优势在于使用GIS进行3D分析。使用不同的3D软件可以建立多种类型的虚拟对象，例如CAD和GIS工具等。但在3D数据库，它们的集合需要使用常用的GIS数据格式，这样，生成的时间序列可以用于标准的GIS程序包（如Arc GIS,草图GIS）。虚拟3D城市模型时间序列的互操作

16、性的基本原理是延伸它们在城市规划和决策方面地理分析的适用性。3.3.2 三维空间查询 与2DGIS中的查询类似, 3D空间查询可以实现从属性到图形的查询和从图形到属性的查询操作。对于由属性到图形的查询较简单,这里不再讲述。由于2D屏幕点和实地3D点不是一一对应关系。所以在由图形到属性查询时会遇到一些问题。如: 如何选取一栋建筑物或一个3D表面及3D坐标。因此,屏幕上的2D坐标所对应的属性信息( z 坐标或建筑物的ID号)必须用2. 2中的方法予以的确定。如果鼠标捕捉到的2D点对应的属性信息为建筑物的ID号, 则使用简单的SQL 语句: select (* . * , from data bas

17、e, where ID=* )获取建筑物的属性信息。如果鼠标捕捉到的2D点对应的属性信息为z 坐标,则该点对应的3D坐标为( X ,Y ,Z )= (x ,y ,z ) T从而,实现了3D环境下的由图形到属性的查询。 在3D城市模型中图形编辑包括增加或删除建筑物、改变建筑物纹理、改变建筑物高度及淹没面积的计算和显示等功能。属性编辑包括改变建筑物属性信息。所有这些都可在3D的界面下交互完成。3.3.3剖面绘制与空间距离量算 由鼠标在模型上任取两个不相同的点,得到对应的三维坐标和。根据它们的平面位置和TIN 模型存储的数据结构可知它们所在的TIN模型中的三角形号。由起点和终点的三角形位置以及它们的

18、连线,可求出与该连线相交的三角形号。从而可得到一系列点的三维坐标。根据所求点的平面位置可以判断其是否位于建筑物上,如是则求出该连线与建筑物相交的交点坐标。根据TIN模型的存储结构,作者设计了如下算法求出剖面线与3D模型的交点坐标。具体算法见附录。3.3.4三维模型的动态显示根据观察者的需要,对三维模型可以进行绕三轴的任意旋转、缩放、改变视点的位置和观察方向,或选取一定的路线进行漫游。从而对三维模型有一个全局或局部的了解。 图4.三维城市景观图4. 建模结果 经过上述方法的建模与仿真，我们根据GIS系统提供的数据以及通过其他二维地图等方式转换得到的数据生成研究地域的城市发展及演变过程，结果如下图

19、： 图5.仿真结果5. 结论我们对应用国家的回顾显示出城市景观在过去的一个世纪经历了显著的变化。对过去的城市动力学进行分析是重新评价过去决策的基础，也支持着更适合未来的城市规划建议。基于纸质地图或二维数字制图的传统方法被三维城市模型取代。新的3 D数据收集方法和GIS功能支持当前城市景观复杂性格的分析。然而,从3D的角度评估城市动力学的方法不完善，本文中,我们开发了生成虚拟三维城市模型时间序列的方法。该方法构建虚拟城市需要结合当前和过去的数据，其中大部分数据大多数必须从不同的来源转化而来。该方法基于城市的最新状态，这是通过现代映射方法（如激光扫描,摄影测量、电子视距测量法或全球导航卫星系统的微

20、分定位）完成的。这些地理数据用于生成一个城市现阶段三维模型。然后不断修正3D城市模型用以反映前阶段的状态。该方法可以使用各种记录过去阶段的城市辅助性的历史数据,如地图、调查等其他信息来源，从而生成城市前阶段的回顾性时间序列。我们应用三维城市模型时间序列的三个方面代表过去的城市景观阶段。第一，该时间序列从竖直维度和3D形态绘制了一个城市的虚拟模型，帮助人们更好地理解城市规划过程中的形态变化。第二，该序列可以在3维地理信息库注册，在多个规模水平评估城市动力学(如：使用属性、城市空间功能、城市形态、三维地籍)。第三，时间序列本身可以为其他分析工具提供三维数据来源，并支持三维现象的参数化及其过去动力学

21、分析(如：路灯、阳光和辐射热的能量分布)。回顾性方法最适用于逐步构建建筑物或强化最初的城市模式历史建模。同时，因为全部或部分被毁城市都具有一定的相关性，因此可用于这些结构的重建。对城市景观3D建模及其从过去到现在以及未来的变化的研究、城市空间的改造对城市环境的影响仍然是未知的问题。它们正在带来新的挑战，面对新挑战，探索能提高我们对城市演化的理解。例如，基于城市发展的一般规则的自动化建模方法有利于过去的城市的三维重建。在GIS分析的角度来看，软件开发可以GIS评估工具。在GIS环境中改善两个连续阶段城市景观变化的4D渲染模型将有利于与非专业人士和公众沟通研究结果。参考文献：1Urban plan

22、ning and construction regulations 50/1976 Zb. and its consequent modifications by the Slovak National Council2Batty and Longley, 1994 M. Batty, Fractal cities: A geometry of form and function 3M. Batty, D. Chapman, S. Evans, M. Haklay, S. Kueppers, N. Shiode, et al.Visualizing the city: Communi

23、cating urban design to planners and decision-makers Center for advanced spatial analysis working paper series, 26University College London (2000) Retrieved 17 January from: 2014 4Biljecki et al., 2014 F. Biljecki, H. Ledoux, J. Stoter, J. Zhao Formalisation of the level of detail in 3D city modeling

24、 Computers, Environment and Urban Systems, 48 (2014), pp. 1155Dragicevic et al., 2001S. Dragicevic, D.J. Marceau, C. Marois Space, time, and dynamics modeling in historical GIS databases: a fuzzy logic approach Environment and Planning B: Planning and Design, 28 (4) (2001), pp. 5455626Dylla et al.,

25、2008 K. Dylla, B. Frischer, P. Mueller, A. Ulmer, S. Haegler Rome reborn 2.0: A case study of virtual city reconstruction using procedural modeling techniques Computer Graphics World, 16 (2008), p. 25 7Gregory and Ell, 2007I.N. Gregory, P.S.Technologies, and scholarship Cambridge 8N.A. Haddad From g

26、round surveying to 3-D laser scanner: A review of techniques used for spatial documentation of historic sites Journal of King UniversityEngineering Sciences, 23 (2) (2011), pp. 1091189Hofierka and Kauk, 2009 J. Hofierka, J. Kauk Assessment of photovoltaic potential in urban areas using open-source s

27、olar radiation tools Renewable Energy, 34 (2009), pp.2206221410Hofierka and Zlocha, 2012 J. Hofierka, M. Zlocha A new solar radiation model for 3-D city modelTransactions in GIS, 16 (2012), pp. 68169011Ivan and Horák, 2011 I. Ivan, J. Horák Population changes caused by industrialization an

28、d deindustrializationComparison of Ostrava and Glasgow Geografický asopis, 63 (2) (2011), pp. 11313212Janssen et al., 2013 W.D. Janssen, B. Blocken, T. van Hooff Pedestrian wind comfort around buildings: Comparison of wind comfort criteria based on whole-flow field data for a complex case study

29、 Building and Environment, 59 (1) (2013), pp. 5475613Jenny and Hurni, 2011 B. Jenny, L. Hurni Studying cartographic heritage: Analysis and visualization of geometric distortions Computers & Graphics, 35 (2) (2011), pp. 40241114Jones, 1989 C.B. Jones Data structures for three-dimensional spatial information systems in geology International Journal of Geographical Information Systems, 3 (1) (1989), pp. 15315K