基于arcgis的广州市三维城市模型构建

基于arcgis的广州市三维城市模型构建

3d城市模型（3dcm）的构建和应用是目前国际gis领域及其相关学科研究的热点。它在交通、地质、采矿、测量、城市规划、建设、环境保护等方面发挥着非常重要的作用。三维城市模型自英国Bath城的三维计算机模型建立开始,20世纪90年代以来有了较大的发展,并受到越来越广泛的关注。综观3DCM的研究历史,其数据模型构建采用的方法可分为3类,即基于DEM与影像的方法、基于规则几何体与2DGIS的方法和基于三维数据模型的方法。这3种方法侧重点各有不同,可适用于不同应用需求的3DCM系统。其中第一种目前仅用于建立简单粗略的城市景观模型;第二种在建立简单的三维城市电子地图方面应用较广;第三种因综合分析了三维对象本身的特点,也考虑了对象间的空间关系的表达,因而更接近3DGIS应具备的功能,是目前3DCM建模的发展方向。从上世纪90年代起,北京、上海、广州、深圳等城市陆续开展3DCM在城市建设相关领域中的应用。应用类型多集中于城市景观的模拟及城市形态的研究。改革开放以来,广州高层建筑的迅速发展,不仅改变了城市的面貌和人们的居住模式,也由于其区位、规模、体量、造型、分布密度等因素对城市景观、城市微观物理环境产生了不可忽视的影响,如高层建筑微观物理环境日温差变化大,室内物理环境舒适度过分依赖人工调节,易产生城市风洞、热岛、污染物不易扩散等现象。目前国内研究高层建筑对城市的影响多从社会方面着手,较少涉及城市环境,而从整个城市角度来研究三维城市空间对城市大气、热力环境的影响更是少之又少。本研究正是从母课题“百年来广州下垫面变化对地面风场影响的风洞模拟及其与热岛的关系”的研究目的出发找出其演变规律,弥补相关理论的不足,以期为研究城市空间对城市环境的影响提供理论依据。据笔者在GoogleEarth上的统计,截至2005年底,广州100m以上超高层建筑已达369栋,而这一数字还在迅速增加,高层建筑对广州城市的影响也日益增大。因此,研究其分布规律以及如何处理好高层建筑与城市发展的关系也就变得相当重要。1内部空间布局和材料本文建模的目的在于从宏观上分析广州市建成区建筑物的空间布局,故不像微观三维模型需对建筑物贴面、楼层、内部空间布局和材料等进行详细描绘。本文直接从GoogleEarth上获取广州高层建筑高度,通过经纬坐标将楼高直接赋予同期大比例尺土地利用图建筑用地的对应单元,按设定的算法求出不同方格网内楼房的平均高度,再利用ArcGIS所提供的建模功能构建广州高层建筑的宏观三维模型,分析高层建筑高度的空间分布特征。1.1研究区的确定本文建模使用的数据来源:(1)广州市城市规划局高层建筑档案资料(1);(2)2004年1﹕2000广州土地利用图(本文研究范围在23°0′3″―23°11′20″N、113°10′14″―113°30′43″E之间);(3)从GoogleEarth上获取广州高层建筑属性数据。前两项数据可以直接利用,楼高数据则要从GoogleEarth上进行测量,主要工作是楼高的量测与校正。GoogleEarth上中心城区的图像主要由3景组成,其成像日期分别是2005年10月25日、2005年10月25日、2006年1月6日,时间间隔为3个月,期间广州城区未有大的变化,因而可视作同一时期。将每一景作为一个区,分别命名为A区、B区和C区。利用广州高层建筑档案资料先找出该区标志性建筑物(如中信大厦、广东国际大酒店等)的实际高度值,再用GoogleEarth自带的“ruler”工具测量对应建筑物的图上高度,得出该张照片实际高度与图上高度的比例关系。经测算,A、B、C3个区域的图上高度与实际高度的关系分别为:其中,HA、HB、HC分别为A、B、C3个区域楼房的实际高度,hA、hB、hC分别为图测楼高。使用该方法对研究区范围内的所有楼房进行测量,得出的楼高数据,利用以上3个关系式分别分区进行换算,并将实际高度≥24m的楼房进行记录(为使数据更为精确,把目测为9层以上但测量后换算出高度在21~24m之间的楼房也进行记录),同时记录下该楼的经纬度(为精确确定楼房位置,根据照片的拍摄角度,选择楼房基座左上角的经纬度作为该楼房的经纬度)。研究中组织12人分成6个小组,利用以上方法,于2006年8月3―18日期间,在研究区域内共采集到22470幢高层建筑,其中50m以上的共5006幢,100m以上的超高层建筑共369幢。根据广州市规划局的高层建筑统计数据,2005年(即GoogleEarth的成像时间)广州共有18层以上楼房7000余座,100m以上超高层建筑约360多幢(2),从两组数据的对比看,100m以上楼房的数量基本相同。50m以上的数据有一定差别,这是因为存在一定的测量误差、图像变形以及时差等影响因素,但该数据与现实数据差距不算太大,因此用这一数据建构广州三维城市模型仍具有实际意义。1.2处理数据1.2.1模型中高程属性的生成为建立能反映广州建成区建筑物空间分布规律的模型,本文将广州建成区以方格网进行划分,每个方格作为运算与统计建筑物高度、密度的基本单位。选择方格网时结合建成区面积,共选用边长分别为250m、500m和1000m的3种方格。在ArcGIS软件平台上,将建筑物高程属性表通过其经度、纬度两字段,生成以这两个字段值为空间位置点构成的shapefile格式的建筑物图层。将前述3种不同边长方格网生成的面状图层与建筑物点状图层分别进行关联,然后对每一方格内建筑物平均高度和最大值及楼房密度进行统计,并将关联结果分别生成新的图层。1.2.2干部密度划分在研究高层建筑密度时未考虑多层建筑和平房等其它建筑物,故在确定建筑密度时,并未采用城市建设规范的密度标准,而是根据高层建筑特有的大体量及其在人们视觉中的强大冲击力,结合已获取的数据,决定以方格网内出现的高层建筑数量多寡作为该方格的楼房密度划分标准,具体划分方法见表1。1.2.3楼高hd的确定如果直接使用方格内所有楼房高度的算术平均作为该方格的高度值,建出来的3DCM必然与人们对城市三维形态的感受有一定的差距。考虑到超高层建筑对人们视觉与心理的冲击以及对生态环境的影响,即基于楼房密度与最高楼高对平均楼高的贡献,本文以每一方格内所有楼房的平均高度Ha作为该方格楼高的基准值,同时加上该方格内楼高的最大值(Hmax)及由楼房密度Hd赋予的高度,得出该方格的最终楼高(H)。具体计算公式如下:其中,Hd是指根据楼房密度分区而给方格的楼高设定的加权值:当方格属于高、中、低密度3类时,Hd分别规定为10m、5m和0m。根据建筑学对高层建筑的划分标准,以50m和100m作为两个分界点将其分为3种类型,即50m以下为小高层,50~100m为高层,100m以上为超高层。但本文方格网的楼高并非建筑物的具体楼高,而是经过处理的楼房平均高度,如果沿用建筑学的标准则不能反映实际情况,故笔者适当降低了分界点高度,将方格楼高值≥70m划为超高层区,40~70m为高层区,24~40m为小高层。1.3方差分析和城市模型从2004年1﹕2000广州土地利用图中提取用途为建筑物的土地要素,构建面状的建筑用地图层。将此图层与前一步生成的带楼高的方格网图层进行相交运算,其相交结果便是具有高度值的面状建筑用地图层。数据处理完后,使用ArcGIS9.2完成广州三维模型的构建。为更好地在图上表现出三维效果,将楼高统一提高了20倍。所建的三维城市模型如图1所示。可以看出,250m的方格网表现了城市中比较细致的建筑物情况,方格之间高低错落有致,与建筑物的实际分布情况最为接近。但因高层建筑的单体体量非常大,有时一个高层建筑的长宽就达到50m甚至更大,因而使用250m的方格网反映的情况过于微观,对构建三维城市模型来研究城市反而缺乏概括性。与250m相反的是1000m的方格,从图中可以看出,1000m的方格网覆盖的面积较大,但因其在构建城市模型时概括性太强,致使其模型缺乏高低起伏,这与实际情况不相吻合,因此对城市细致部分进行研究时就显得有所欠缺。500m的方格网则能避免以上两方面的不足,同时又综合了它们的优点。使用500m的方格网所构建的三维城市模型具有较强的概括性和细部的表现作用。笔者认为其最能反映广州高层建筑的分布状况,因而选择其作为本研究最佳的三维城市模型。2基于3dcm的广州轰炸空间的高度2.1广州高层建筑总体规划对所有高层建筑的高度进行算术平均,得出广州楼房的平均高度为40.695m,属于小高层的范围。从不同楼房高度所占的比例(表2)来看,广州22470幢高层建筑中比例最大的是20~30m;其次是30~40m和40~50m。而高度在50~100m的一共只有4629幢,仅占总数的20.63﹪;比例最小的是100m以上的,仅占总数的1.66﹪。以上数据显示,广州市的高层建筑以50m以下的小高层建筑为主,100m以上的超高层建筑物仅占很小一部分。为简单确定广州城市平均高度在国内的排名,本文依据EgbertGramsbergen和PaulKazmierczak的城市高层建筑数据(表3),选取高层建筑总量在国内居前五名的5个城市(上海、广州、重庆、深圳、北京),采用权重总和排序法进行比较。假定一个城市高层建筑的平均高度主要取决于最高建筑高度、90m以上楼房数量所占比例和高层建筑密度3个因素。根据各因子对城市高度影响的显著程度差异,本文对最高建筑高度权重取1,90m以上楼房数量所占比例和高层建筑密度的权重均取2。然后对3个因素的实际数据进行标准化处理,该因子得分R定义为该城市的实际值与在5个城市中该项因子的最小值之比。最后将3个因子加权后得分加总,作为被评估城市的建筑物高度排序依据。计算结果显示,上海得分位居榜首,其次是重庆,广州、北京、深圳则分列第三、四、五位。因为所选的5个城市是国内高层建筑最多的城市,所以,可以依据前面的分析认为,广州的城市高度在国内仅次于上海和重庆,位居第三,城市高度位于国内城市前列。2.2基本高度分区以广州市建成区范围内的老八区作为统计单元,得出各行政区的楼房统计表(表4)。表中显示,广州市高层建筑具有广泛分布,但又相对集中的特点,分布数量最多的是天河区,其次是白云区,数量最少的是越秀区和东山区。从平均楼高看,高度最大的是东山区,其次是海珠区和越秀区,最小的是番禺和白云两区。从标准差看,楼房高度起伏最大的依然是平均高度最大的东山区,与排位第二的海珠区相差7.67,与标准差最小的白云区更是相差19.63。改革开放以来,广州城市建设的快速发展,促使城市高层建筑在整个广州市区都有大规模的建设。但由于受不同地段的地价、交通、产业等因素影响,必然会要求这些地区的开发倾向于集约化利用,使得这些地区的高层建筑分布相对集中。同时,随着广州城市平面形态的扩大,天河区、海珠区等成为城市新中心,相对老城区而言其明显具有后发优势,在集约用地原则的指导下,大规模地建设高层建筑成为必然,从而形成相对集中分布的高层建筑区。2.3第三阶段:环市路和东风路基于广州500m方格下的三维城市模型(图1-b)及其平面图(图2),广州城市“地形”呈现出明显的“三峰四阶梯”形态。第一个高峰位于天河体育中心,以中信大厦为顶点,向北急剧下降,向南下降较为和缓,峰脊沿着广州新中轴线,经过珠江新城,越过珠江,一直到赤岗。该区域是广州新的商务中心,地价昂贵,因而建设物多为高层及超高层建筑。第二个高峰位于环市路及东风路,该区域是广州市20世纪80年代发展的中心,沿着道路两侧建有以广东国际大酒店、世贸大厦等为代表的超高层建筑,而该区域也是当时新建居民楼的重点地区,经过20多年的发展,这里已形成了广州高层建筑分布的第二个高峰区域。位于海印大桥与广州大桥之间的珠江沿岸,由于临江而拥有怡人的江景,因而成为高档住宅楼及高级酒店建设的首选之地,90年代以来随着广州房地产业的蓬勃发展,珠江两岸已建起较多的超高层住宅,由此也形成了广州高层建筑分布的第三个高峰区。广州的“四级阶梯”呈环形结构。第一级阶梯约占研究区内总建筑用地的8.41﹪,主要由上述的三峰构成,此外海珠区南部随着近年房地产业的发展,建成了一批超高层住宅,也挤身入一级阶梯区域。第二级阶梯约占研究区总建筑用地的26.59﹪,位于第一级阶梯的外环,主要以越秀、荔湾、海珠等老城区为主。第三级阶梯又在第二级阶梯的外侧,约占29.29﹪,主要位于白云区、芳村区、番禺区以及天河区东部、黄埔区大部。第四级阶梯则是指图中显示的无高层建筑的区域,约占35.71﹪,主要分布在第三级阶梯的外侧及城市的边缘地带。2.4阶梯状分布分析天际线一般是指以天空为背景的一栋或一组建筑物及其它物体所构成的轮廓线或剪影。本文所指的城市天际线与此有所差别,主要是指研究中生成的三维城市模型投射到背景中的剪影(图3)。广州的城市天际线起伏较大。其中东西向天际线的标准差为34.56,呈现西高东低的阶梯状分布:第一阶梯为天河体育中心区域,第二级阶梯为荔湾、越秀等