基于arcgis的廣州市三維城市模型構(gòu)建

基于arcgis的廣州市三維城市模型構(gòu)建

3d城市模型（3dcm）的構(gòu)建和應(yīng)用是目前國(guó)際gis領(lǐng)域及其相關(guān)學(xué)科研究的熱點(diǎn)。它在交通、地質(zhì)、采礦、測(cè)量、城市規(guī)劃、建設(shè)、環(huán)境保護(hù)等方面發(fā)揮著非常重要的作用。三維城市模型自英國(guó)Bath城的三維計(jì)算機(jī)模型建立開始,20世紀(jì)90年代以來有了較大的發(fā)展,并受到越來越廣泛的關(guān)注。綜觀3DCM的研究歷史,其數(shù)據(jù)模型構(gòu)建采用的方法可分為3類,即基于DEM與影像的方法、基于規(guī)則幾何體與2DGIS的方法和基于三維數(shù)據(jù)模型的方法。這3種方法側(cè)重點(diǎn)各有不同,可適用于不同應(yīng)用需求的3DCM系統(tǒng)。其中第一種目前僅用于建立簡(jiǎn)單粗略的城市景觀模型;第二種在建立簡(jiǎn)單的三維城市電子地圖方面應(yīng)用較廣;第三種因綜合分析了三維對(duì)象本身的特點(diǎn),也考慮了對(duì)象間的空間關(guān)系的表達(dá),因而更接近3DGIS應(yīng)具備的功能,是目前3DCM建模的發(fā)展方向。從上世紀(jì)90年代起,北京、上海、廣州、深圳等城市陸續(xù)開展3DCM在城市建設(shè)相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用。應(yīng)用類型多集中于城市景觀的模擬及城市形態(tài)的研究。改革開放以來,廣州高層建筑的迅速發(fā)展,不僅改變了城市的面貌和人們的居住模式,也由于其區(qū)位、規(guī)模、體量、造型、分布密度等因素對(duì)城市景觀、城市微觀物理環(huán)境產(chǎn)生了不可忽視的影響,如高層建筑微觀物理環(huán)境日溫差變化大,室內(nèi)物理環(huán)境舒適度過分依賴人工調(diào)節(jié),易產(chǎn)生城市風(fēng)洞、熱島、污染物不易擴(kuò)散等現(xiàn)象。目前國(guó)內(nèi)研究高層建筑對(duì)城市的影響多從社會(huì)方面著手,較少涉及城市環(huán)境,而從整個(gè)城市角度來研究三維城市空間對(duì)城市大氣、熱力環(huán)境的影響更是少之又少。本研究正是從母課題“百年來廣州下墊面變化對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)影響的風(fēng)洞模擬及其與熱島的關(guān)系”的研究目的出發(fā)找出其演變規(guī)律,彌補(bǔ)相關(guān)理論的不足,以期為研究城市空間對(duì)城市環(huán)境的影響提供理論依據(jù)。據(jù)筆者在GoogleEarth上的統(tǒng)計(jì),截至2005年底,廣州100m以上超高層建筑已達(dá)369棟,而這一數(shù)字還在迅速增加,高層建筑對(duì)廣州城市的影響也日益增大。因此,研究其分布規(guī)律以及如何處理好高層建筑與城市發(fā)展的關(guān)系也就變得相當(dāng)重要。1內(nèi)部空間布局和材料本文建模的目的在于從宏觀上分析廣州市建成區(qū)建筑物的空間布局,故不像微觀三維模型需對(duì)建筑物貼面、樓層、內(nèi)部空間布局和材料等進(jìn)行詳細(xì)描繪。本文直接從GoogleEarth上獲取廣州高層建筑高度,通過經(jīng)緯坐標(biāo)將樓高直接賦予同期大比例尺土地利用圖建筑用地的對(duì)應(yīng)單元,按設(shè)定的算法求出不同方格網(wǎng)內(nèi)樓房的平均高度,再利用ArcGIS所提供的建模功能構(gòu)建廣州高層建筑的宏觀三維模型,分析高層建筑高度的空間分布特征。1.1研究區(qū)的確定本文建模使用的數(shù)據(jù)來源:(1)廣州市城市規(guī)劃局高層建筑檔案資料(1);(2)2004年1﹕2000廣州土地利用圖(本文研究范圍在23°0′3″―23°11′20″N、113°10′14″―113°30′43″E之間);(3)從GoogleEarth上獲取廣州高層建筑屬性數(shù)據(jù)。前兩項(xiàng)數(shù)據(jù)可以直接利用,樓高數(shù)據(jù)則要從GoogleEarth上進(jìn)行測(cè)量,主要工作是樓高的量測(cè)與校正。GoogleEarth上中心城區(qū)的圖像主要由3景組成,其成像日期分別是2005年10月25日、2005年10月25日、2006年1月6日,時(shí)間間隔為3個(gè)月,期間廣州城區(qū)未有大的變化,因而可視作同一時(shí)期。將每一景作為一個(gè)區(qū),分別命名為A區(qū)、B區(qū)和C區(qū)。利用廣州高層建筑檔案資料先找出該區(qū)標(biāo)志性建筑物(如中信大廈、廣東國(guó)際大酒店等)的實(shí)際高度值,再用GoogleEarth自帶的“ruler”工具測(cè)量對(duì)應(yīng)建筑物的圖上高度,得出該張照片實(shí)際高度與圖上高度的比例關(guān)系。經(jīng)測(cè)算,A、B、C3個(gè)區(qū)域的圖上高度與實(shí)際高度的關(guān)系分別為:其中,HA、HB、HC分別為A、B、C3個(gè)區(qū)域樓房的實(shí)際高度,hA、hB、hC分別為圖測(cè)樓高。使用該方法對(duì)研究區(qū)范圍內(nèi)的所有樓房進(jìn)行測(cè)量,得出的樓高數(shù)據(jù),利用以上3個(gè)關(guān)系式分別分區(qū)進(jìn)行換算,并將實(shí)際高度≥24m的樓房進(jìn)行記錄(為使數(shù)據(jù)更為精確,把目測(cè)為9層以上但測(cè)量后換算出高度在21~24m之間的樓房也進(jìn)行記錄),同時(shí)記錄下該樓的經(jīng)緯度(為精確確定樓房位置,根據(jù)照片的拍攝角度,選擇樓房基座左上角的經(jīng)緯度作為該樓房的經(jīng)緯度)。研究中組織12人分成6個(gè)小組,利用以上方法,于2006年8月3―18日期間,在研究區(qū)域內(nèi)共采集到22470幢高層建筑,其中50m以上的共5006幢,100m以上的超高層建筑共369幢。根據(jù)廣州市規(guī)劃局的高層建筑統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2005年(即GoogleEarth的成像時(shí)間)廣州共有18層以上樓房7000余座,100m以上超高層建筑約360多幢(2),從兩組數(shù)據(jù)的對(duì)比看,100m以上樓房的數(shù)量基本相同。50m以上的數(shù)據(jù)有一定差別,這是因?yàn)榇嬖谝欢ǖ臏y(cè)量誤差、圖像變形以及時(shí)差等影響因素,但該數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)數(shù)據(jù)差距不算太大,因此用這一數(shù)據(jù)建構(gòu)廣州三維城市模型仍具有實(shí)際意義。1.2處理數(shù)據(jù)1.2.1模型中高程屬性的生成為建立能反映廣州建成區(qū)建筑物空間分布規(guī)律的模型,本文將廣州建成區(qū)以方格網(wǎng)進(jìn)行劃分,每個(gè)方格作為運(yùn)算與統(tǒng)計(jì)建筑物高度、密度的基本單位。選擇方格網(wǎng)時(shí)結(jié)合建成區(qū)面積,共選用邊長(zhǎng)分別為250m、500m和1000m的3種方格。在ArcGIS軟件平臺(tái)上,將建筑物高程屬性表通過其經(jīng)度、緯度兩字段,生成以這兩個(gè)字段值為空間位置點(diǎn)構(gòu)成的shapefile格式的建筑物圖層。將前述3種不同邊長(zhǎng)方格網(wǎng)生成的面狀圖層與建筑物點(diǎn)狀圖層分別進(jìn)行關(guān)聯(lián),然后對(duì)每一方格內(nèi)建筑物平均高度和最大值及樓房密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì),并將關(guān)聯(lián)結(jié)果分別生成新的圖層。1.2.2干部密度劃分在研究高層建筑密度時(shí)未考慮多層建筑和平房等其它建筑物,故在確定建筑密度時(shí),并未采用城市建設(shè)規(guī)范的密度標(biāo)準(zhǔn),而是根據(jù)高層建筑特有的大體量及其在人們視覺中的強(qiáng)大沖擊力,結(jié)合已獲取的數(shù)據(jù),決定以方格網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)的高層建筑數(shù)量多寡作為該方格的樓房密度劃分標(biāo)準(zhǔn),具體劃分方法見表1。1.2.3樓高h(yuǎn)d的確定如果直接使用方格內(nèi)所有樓房高度的算術(shù)平均作為該方格的高度值,建出來的3DCM必然與人們對(duì)城市三維形態(tài)的感受有一定的差距?？紤]到超高層建筑對(duì)人們視覺與心理的沖擊以及對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響,即基于樓房密度與最高樓高對(duì)平均樓高的貢獻(xiàn),本文以每一方格內(nèi)所有樓房的平均高度Ha作為該方格樓高的基準(zhǔn)值,同時(shí)加上該方格內(nèi)樓高的最大值(Hmax)及由樓房密度Hd賦予的高度,得出該方格的最終樓高(H)。具體計(jì)算公式如下:其中,Hd是指根據(jù)樓房密度分區(qū)而給方格的樓高設(shè)定的加權(quán)值:當(dāng)方格屬于高、中、低密度3類時(shí),Hd分別規(guī)定為10m、5m和0m。根據(jù)建筑學(xué)對(duì)高層建筑的劃分標(biāo)準(zhǔn),以50m和100m作為兩個(gè)分界點(diǎn)將其分為3種類型,即50m以下為小高層,50~100m為高層,100m以上為超高層。但本文方格網(wǎng)的樓高并非建筑物的具體樓高,而是經(jīng)過處理的樓房平均高度,如果沿用建筑學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)則不能反映實(shí)際情況,故筆者適當(dāng)降低了分界點(diǎn)高度,將方格樓高值≥70m劃為超高層區(qū),40~70m為高層區(qū),24~40m為小高層。1.3方差分析和城市模型從2004年1﹕2000廣州土地利用圖中提取用途為建筑物的土地要素,構(gòu)建面狀的建筑用地圖層。將此圖層與前一步生成的帶樓高的方格網(wǎng)圖層進(jìn)行相交運(yùn)算,其相交結(jié)果便是具有高度值的面狀建筑用地圖層。數(shù)據(jù)處理完后,使用ArcGIS9.2完成廣州三維模型的構(gòu)建。為更好地在圖上表現(xiàn)出三維效果,將樓高統(tǒng)一提高了20倍。所建的三維城市模型如圖1所示。可以看出,250m的方格網(wǎng)表現(xiàn)了城市中比較細(xì)致的建筑物情況,方格之間高低錯(cuò)落有致,與建筑物的實(shí)際分布情況最為接近。但因高層建筑的單體體量非常大,有時(shí)一個(gè)高層建筑的長(zhǎng)寬就達(dá)到50m甚至更大,因而使用250m的方格網(wǎng)反映的情況過于微觀,對(duì)構(gòu)建三維城市模型來研究城市反而缺乏概括性。與250m相反的是1000m的方格,從圖中可以看出,1000m的方格網(wǎng)覆蓋的面積較大,但因其在構(gòu)建城市模型時(shí)概括性太強(qiáng),致使其模型缺乏高低起伏,這與實(shí)際情況不相吻合,因此對(duì)城市細(xì)致部分進(jìn)行研究時(shí)就顯得有所欠缺。500m的方格網(wǎng)則能避免以上兩方面的不足,同時(shí)又綜合了它們的優(yōu)點(diǎn)。使用500m的方格網(wǎng)所構(gòu)建的三維城市模型具有較強(qiáng)的概括性和細(xì)部的表現(xiàn)作用。筆者認(rèn)為其最能反映廣州高層建筑的分布狀況,因而選擇其作為本研究最佳的三維城市模型。2基于3dcm的廣州轟炸空間的高度2.1廣州高層建筑總體規(guī)劃對(duì)所有高層建筑的高度進(jìn)行算術(shù)平均,得出廣州樓房的平均高度為40.695m,屬于小高層的范圍。從不同樓房高度所占的比例(表2)來看,廣州22470幢高層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,僅占總數(shù)的20.63﹪;比例最小的是100m以上的,僅占總數(shù)的1.66﹪。以上數(shù)據(jù)顯示,廣州市的高層建筑以50m以下的小高層建筑為主,100m以上的超高層建筑物僅占很小一部分。為簡(jiǎn)單確定廣州城市平均高度在國(guó)內(nèi)的排名,本文依據(jù)EgbertGramsbergen和PaulKazmierczak的城市高層建筑數(shù)據(jù)(表3),選取高層建筑總量在國(guó)內(nèi)居前五名的5個(gè)城市(上海、廣州、重慶、深圳、北京),采用權(quán)重總和排序法進(jìn)行比較。假定一個(gè)城市高層建筑的平均高度主要取決于最高建筑高度、90m以上樓房數(shù)量所占比例和高層建筑密度3個(gè)因素。根據(jù)各因子對(duì)城市高度影響的顯著程度差異,本文對(duì)最高建筑高度權(quán)重取1,90m以上樓房數(shù)量所占比例和高層建筑密度的權(quán)重均取2。然后對(duì)3個(gè)因素的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理,該因子得分R定義為該城市的實(shí)際值與在5個(gè)城市中該項(xiàng)因子的最小值之比。最后將3個(gè)因子加權(quán)后得分加總,作為被評(píng)估城市的建筑物高度排序依據(jù)。計(jì)算結(jié)果顯示,上海得分位居榜首,其次是重慶,廣州、北京、深圳則分列第三、四、五位。因?yàn)樗x的5個(gè)城市是國(guó)內(nèi)高層建筑最多的城市,所以,可以依據(jù)前面的分析認(rèn)為,廣州的城市高度在國(guó)內(nèi)僅次于上海和重慶,位居第三,城市高度位于國(guó)內(nèi)城市前列。2.2基本高度分區(qū)以廣州市建成區(qū)范圍內(nèi)的老八區(qū)作為統(tǒng)計(jì)單元,得出各行政區(qū)的樓房統(tǒng)計(jì)表(表4)。表中顯示,廣州市高層建筑具有廣泛分布,但又相對(duì)集中的特點(diǎn),分布數(shù)量最多的是天河區(qū),其次是白云區(qū),數(shù)量最少的是越秀區(qū)和東山區(qū)。從平均樓高看,高度最大的是東山區(qū),其次是海珠區(qū)和越秀區(qū),最小的是番禺和白云兩區(qū)。從標(biāo)準(zhǔn)差看,樓房高度起伏最大的依然是平均高度最大的東山區(qū),與排位第二的海珠區(qū)相差7.67,與標(biāo)準(zhǔn)差最小的白云區(qū)更是相差19.63。改革開放以來,廣州城市建設(shè)的快速發(fā)展,促使城市高層建筑在整個(gè)廣州市區(qū)都有大規(guī)模的建設(shè)。但由于受不同地段的地價(jià)、交通、產(chǎn)業(yè)等因素影響,必然會(huì)要求這些地區(qū)的開發(fā)傾向于集約化利用,使得這些地區(qū)的高層建筑分布相對(duì)集中。同時(shí),隨著廣州城市平面形態(tài)的擴(kuò)大,天河區(qū)、海珠區(qū)等成為城市新中心,相對(duì)老城區(qū)而言其明顯具有后發(fā)優(yōu)勢(shì),在集約用地原則的指導(dǎo)下,大規(guī)模地建設(shè)高層建筑成為必然,從而形成相對(duì)集中分布的高層建筑區(qū)。2.3第三階段:環(huán)市路和東風(fēng)路基于廣州500m方格下的三維城市模型(圖1-b)及其平面圖(圖2),廣州城市“地形”呈現(xiàn)出明顯的“三峰四階梯”形態(tài)。第一個(gè)高峰位于天河體育中心,以中信大廈為頂點(diǎn),向北急劇下降,向南下降較為和緩,峰脊沿著廣州新中軸線,經(jīng)過珠江新城,越過珠江,一直到赤崗。該區(qū)域是廣州新的商務(wù)中心,地價(jià)昂貴,因而建設(shè)物多為高層及超高層建筑。第二個(gè)高峰位于環(huán)市路及東風(fēng)路,該區(qū)域是廣州市20世紀(jì)80年代發(fā)展的中心,沿著道路兩側(cè)建有以廣東國(guó)際大酒店、世貿(mào)大廈等為代表的超高層建筑,而該區(qū)域也是當(dāng)時(shí)新建居民樓的重點(diǎn)地區(qū),經(jīng)過20多年的發(fā)展,這里已形成了廣州高層建筑分布的第二個(gè)高峰區(qū)域。位于海印大橋與廣州大橋之間的珠江沿岸,由于臨江而擁有怡人的江景,因而成為高檔住宅樓及高級(jí)酒店建設(shè)的首選之地,90年代以來隨著廣州房地產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展,珠江兩岸已建起較多的超高層住宅,由此也形成了廣州高層建筑分布的第三個(gè)高峰區(qū)。廣州的“四級(jí)階梯”呈環(huán)形結(jié)構(gòu)。第一級(jí)階梯約占研究區(qū)內(nèi)總建筑用地的8.41﹪,主要由上述的三峰構(gòu)成,此外海珠區(qū)南部隨著近年房地產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,建成了一批超高層住宅,也擠身入一級(jí)階梯區(qū)域。第二級(jí)階梯約占研究區(qū)總建筑用地的26.59﹪,位于第一級(jí)階梯的外環(huán),主要以越秀、荔灣、海珠等老城區(qū)為主。第三級(jí)階梯又在第二級(jí)階梯的外側(cè),約占29.29﹪,主要位于白云區(qū)、芳村區(qū)、番禺區(qū)以及天河區(qū)東部、黃埔區(qū)大部。第四級(jí)階梯則是指圖中顯示的無高層建筑的區(qū)域,約占35.71﹪,主要分布在第三級(jí)階梯的外側(cè)及城市的邊緣地帶。2.4階梯狀分布分析天際線一般是指以天空為背景的一棟或一組建筑物及其它物體所構(gòu)成的輪廓線或剪影。本文所指的城市天際線與此有所差別,主要是指研究中生成的三維城市模型投射到背景中的剪影(圖3)。廣州的城市天際線起伏較大。其中東西向天際線的標(biāo)準(zhǔn)差為34.56,呈現(xiàn)西高東低的階梯狀分布:第一階梯為天河體育中心區(qū)域,第二級(jí)階梯為荔灣、越秀等