顧及天際線保護的三維高度控制方法研究

王 紅

(1. 北京市測繪設(shè)計研究院, 北京 100038; 2. 城市空間信息工程北京市重點實驗室, 北京 100038)

0 引言

北京市新版城市總體規(guī)劃提出 “一核一主一副、兩軸多點一區(qū)”的城市空間結(jié)構(gòu),構(gòu)建北京新的城市發(fā)展格局。密云分區(qū)規(guī)劃中也明確了城市功能定位,作為國家生態(tài)文明示范區(qū),要嚴(yán)格控制開發(fā)強度,保持適宜的建設(shè)規(guī)模和密度,嚴(yán)格控制城市基準(zhǔn)高度,形成望山見水、綠城共融、舒朗有致的城市風(fēng)貌。對于新城集中建設(shè)區(qū)即密云城區(qū),構(gòu)建望水廊道和觀山廊道,形成城市功能組團與自然山水環(huán)境相融合的城市空間形態(tài)。

為了研究城市三維空間形態(tài)關(guān)系[1-2]、構(gòu)建密云區(qū)自然生態(tài)環(huán)境新格局,本研究對密云區(qū)重點景觀的天際線進行分析。天際線作為重要的城市特色空間要素,也是城市設(shè)計的重點之一,由山體、植被等自然要素及建筑輪廓共同構(gòu)成[3-5]。通過天際線的分析,確定景觀視廊上需要保護或者恢復(fù)的范圍,通過三維高度分析方法,定量計算建構(gòu)筑物的控制高度,用于城市更新和發(fā)展進程中提供準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法

1.1 城市天際線

天際線是指圖像中天空與非天空的分界線,把以天空為背景的圖像分割成天空與非天空(如山脈、建筑、江河、大地等)區(qū)域[6]。采用移動掃描車或者便攜式相機采集密云主要景觀區(qū)域的影像數(shù)據(jù),通過智能化識別影像中的天際線并進行三維空間實體化處理。

為了保護天際線不因為過度建設(shè)而被破壞,對城市建設(shè)高度控制使用視覺分析法進行高度計算。

1.2 控制計算原理

采用視覺分析法進行計算，計算原理如圖1所示。將控制區(qū)域劃分為均勻的正方形單元格網(wǎng),基于準(zhǔn)確的地面和山體的三維地形數(shù)據(jù)、現(xiàn)狀建構(gòu)筑物的三維模型數(shù)據(jù),采用通視視線分析方法,以山脊線的1/3為豎向的觀測目標(biāo),在三維場景中計算每個單元格網(wǎng)的臨界高度控制值,如圖1中h1、h2、h3分別代表不同格網(wǎng)的高度控制值，以保證視線望山且留白的目標(biāo)。

圖1 視覺分析法計算原理圖

1.3 研究對象

考慮密云區(qū)城市功能定位,從公眾的視角,重點研究分析密云區(qū)的主要交通干道、居民日常居住點、重要城市節(jié)點等位置,對天際線進行現(xiàn)狀分析,以景觀保護和恢復(fù)為目標(biāo),采用三維高度分析的方法定量研究對應(yīng)景觀視廊上的建構(gòu)筑物高度控制。

2 技術(shù)路線

本研究基于三維地形數(shù)據(jù)和觀測點，確定山脊線和景觀視廊的位置及范圍，根據(jù)地形圖和現(xiàn)狀建筑三維數(shù)據(jù)確定控制區(qū)域范圍，采用視覺分析方法進行控制高度計算，確定格網(wǎng)和地塊尺度的控制高度，總體技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 總體技術(shù)路線

2.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作

2.1.1基礎(chǔ)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

收集和整理研究區(qū)域內(nèi)三維地形模型地形圖、影像圖、建筑邊框等數(shù)據(jù)。

2.1.2規(guī)劃數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

收集和整理新城規(guī)劃圖、規(guī)劃實施情況等規(guī)劃數(shù)據(jù)。

2.2 觀測點設(shè)計

基于人類視覺感知的視覺分析方法[7],從主要交通干道、居民日常居住點、重要城市節(jié)點等位置進行選擇。在研究區(qū)域內(nèi)選定47個觀測點。主要交通干道沿線10個,主要分布在101國道、京承高速、密關(guān)路沿線。居民日常駐足點18個,主要分布在潮匯大橋、白河、奧體公園、魚街、飛鴻世紀(jì)園、順密路、左堤路、密三路等區(qū)域。重要城市節(jié)點3個,主要分布在長城環(huán)島、水庫賓館。

通過對觀測點的現(xiàn)場踏勘進行核查,同時實地觀察觀測點周邊景觀空間形態(tài)及天際線現(xiàn)狀。

2.3 街景數(shù)據(jù)采集

通過移動掃描車采集觀測點位置的街景數(shù)據(jù),其中移動掃描車上搭載的全景相機是由水平分布的4臺相機集成,通過4臺相機同時拍攝多視角的影像,對影像進行畸變改正后,根據(jù)相機曝光時間、行車軌跡、相機標(biāo)定參數(shù)計算每一張照片的曝光位置和姿態(tài)。結(jié)合圖像匹配算法,自動生成拼接效果好、色彩豐富均勻、幾何定位精度高的全景影像。

根據(jù)觀測點的空間定位與街景數(shù)據(jù)進行位置匹配,對于掃描車無法行駛的區(qū)域,則使用手持設(shè)備補充采集多角度影像后,與觀測點位置進行關(guān)聯(lián)。

2.4 天際線現(xiàn)狀分析

采用基于深度學(xué)習(xí)的圖像識別方法對街景影像進行分類、檢測、分割生成初步天際線,后進一步完善平滑度和連續(xù)性。為了建立多層次的、自然環(huán)境與人工環(huán)境相協(xié)調(diào)發(fā)展的天際線形象,根據(jù)要素與觀測點的距離,在水平方向上將天際線場景從近至遠依次分為前景、中景、后景三個層次,并對每個層次進行更細粒度的劃分以求更精確定位。

目標(biāo)為以生態(tài)景觀與前景建筑緊密結(jié)合,作為前景天際線;以城市建設(shè)主體作為中景天際線,重點塑造標(biāo)志性空間形象;以腹地建筑作為后景(遠景)天際線,塑造連續(xù)平緩的背景輪廓。對于嚴(yán)重偏離或者高度契合目標(biāo)的天際線部分,重點篩選,并在水平空間上與相應(yīng)的范圍內(nèi)的建構(gòu)筑物進行關(guān)聯(lián)[8-10]。

2.5 三維場景整合

基于數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)、數(shù)字正射影像數(shù)據(jù)制作三維基礎(chǔ)地形,用于獲取地面觀測點高程和三維空間的山脊線。

基于激光點云數(shù)據(jù)生成的數(shù)字表面模型,自動生成現(xiàn)狀建構(gòu)筑物三維灰體模型,用于三維高度分析中遮擋建筑的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

將三維地形模型、三維山脊線、建構(gòu)筑物三維模型、三維觀測點以及各觀測點與山體形成的觀山視廊,進行整合,形成空間位置和高度準(zhǔn)確的三維場景。

2.6 山脊線選擇

在三維場景下,對每一選定觀測點的視野角度進行山脊線勾取,根據(jù)觀測點與密云周邊山脈的位置關(guān)系勾繪,并下調(diào)山體高度的1/3作為留白區(qū)域。通過對觀測點的現(xiàn)場踏勘進行核查,到觀測點與實際觀測山脊線進行對比,驗證山脊線的合理性。

2.7 景觀視廊篩選

通過天際線現(xiàn)狀分析，篩選出重點分析的天際線分段部分，從而定量化地確定從觀測點到重點天際線的景觀視廊的角度、方位和范圍，制作形成需要研究的景觀保護視廊。

2.8 三維高度分析軟件

2.8.1各觀測點高度分析

基于視覺分析法研發(fā)了三維高度控制軟件,將密云區(qū)域內(nèi)700 km2的高度控制區(qū)劃分成30 m×30 m的格網(wǎng),以觀測點可觀測到山脊線并有一定留白為目標(biāo),基于三維場景數(shù)據(jù)計算每一個格網(wǎng)的高度限制。在計算過程中考慮建成區(qū)建構(gòu)筑物對于目標(biāo)格網(wǎng)單元空間位置上的視線遮擋。

2.8.2高度綜合分析

疊加所有觀測點網(wǎng)格圖,綜合統(tǒng)計并選取同一格網(wǎng)在不同觀測點上控制高度的最小值作為該格網(wǎng)單元的控制高度值,以保證各個觀測點上均形成保護或者恢復(fù)的視廊。

2.9 高度控制應(yīng)用

2.9.1主要景觀區(qū)域通視現(xiàn)狀

通過密云高度分析,得到密云主要交通干道、重要城市節(jié)點等景觀的區(qū)域通視現(xiàn)狀,如兩河交匯處、潮匯大橋、京承高速路口、水景街等景觀的區(qū)域通視范圍,為密云區(qū)主要景觀的城市設(shè)計做輔助決策支撐。

2.9.2規(guī)劃地塊高度限制

通過觀測點的高度綜合分析,得到密云規(guī)劃地塊高度限制的最高值和最低值,將地塊分割成30 m×30 m的網(wǎng)格,細化地塊內(nèi)網(wǎng)格控制高度,輔助用地的精細化管理。

2.9.3將高度控制精細到建筑物尺度

針對具體建設(shè)項目,將高度控制區(qū)的30 m×30 m的計算格格網(wǎng),細化到1 m×1 m的計算格網(wǎng),便于在地塊層面實現(xiàn)更細顆粒度的規(guī)劃和城市設(shè)計管控。

2.9.4顯山露水

研究河道、道路兩側(cè)的退線高度,并將其高度控制與要素一起進行綜合分析,為山水景觀展現(xiàn)提供依據(jù),更好地展示密云區(qū)的自然景觀格局。

3 分析案例

3.1 飛鴻世紀(jì)園天際線分析

從飛鴻世紀(jì)園的北側(cè)的白河西大橋拍攝全景照片生成天際線,天際線主要由山體、植被、建筑等要素構(gòu)成。

如圖3所示,在北-東-南方向上的天際線,植被占比較大,約占二分之一;建筑在天際線占比約為三分之一;而山體占比不到天際線的四分之一。其中,前景天際線緊密結(jié)合了自然生態(tài)景觀,整體構(gòu)圖以水平擴展為主,中景天際線主要以建筑為主,由中層、高層建筑混合構(gòu)成,缺乏地標(biāo)性建筑,后景天際線由山體和植被構(gòu)成,形成了自然連續(xù)的背景輪廓;在縱向方向上,前景、中景、后景各個層次天際線高度相近、難以區(qū)分,缺乏層次感。

圖3 飛鴻世紀(jì)園北-東-南方向天際線

在南-西-北方向上,前景、中景建筑的輪廓線構(gòu)成了天際線主要組成部分。從圖4中可見,天際線整體上看建筑、開敞空間及城市道路之間相互關(guān)聯(lián),形成了高低錯落、虛實相間的韻律感,但建筑間高度差異未實現(xiàn)良好的銜接,天際線曲線變化缺乏連續(xù)性和平緩的協(xié)調(diào)性。前景建筑在縱向上高度變化明顯,表現(xiàn)出鮮明的層次感。后景天際線主要由植被和山體組成,天際線的中景由高度較低的建筑構(gòu)成,天際線整體的豐富度較低,且顯山度較低?？赏ㄟ^適當(dāng)降低前景的建筑高度或者適當(dāng)提升中景和后景的建筑高度,來增強天際線的豐富度;通過控制現(xiàn)狀可視山體視線范圍內(nèi)的建筑高度,來維持顯山度現(xiàn)狀。

圖4 飛鴻世紀(jì)園南-西-北方向天際線

3.2 觀測點控制高度

圖5中矩形框內(nèi)的山體是該觀測點天際線的重要組成部分,位于觀測點南偏東方向,對飛鴻世紀(jì)園周邊自然風(fēng)貌具有很重要的作用,因此需要對后景山體風(fēng)貌進行重點保護,保持景觀視廊的暢通和后景的通透性,嚴(yán)格控制視廊上建筑群體的高度,防止過度建設(shè)造成的自然景觀和視覺通廊的破壞。

圖5 飛鴻世紀(jì)園重點天際線

如圖6所示,扇形陰影區(qū)域為對應(yīng)南向天際線中山體的重點保護控制區(qū),應(yīng)對該區(qū)域范圍內(nèi)建筑物的建設(shè)高度進行嚴(yán)格控制,保護“留白”區(qū)域。潮河北岸附近,建筑高度最高不超過100 m。從潮河北岸到飛鴻世紀(jì)園,越靠近觀測點的區(qū)域建筑高度控制值越小,白河附近可建高度不超過40 m。

圖6 飛鴻世紀(jì)園重點天際線保護區(qū)

4 結(jié)束語

通過定量科學(xué)的計算方法,實現(xiàn)了基于三維高度控制方法對重點天際線景觀保護的技術(shù)路線。在城市更新進程中,能夠有效地輔助城市未來發(fā)展規(guī)劃,在城市主要的開敞空間沿線建筑景觀界面上,形成錯落有致的城市天際線。塑造連續(xù)而有節(jié)奏的、優(yōu)美的輪廓曲線。強調(diào)曲線變化的連續(xù)性、虛實相間的韻律感、視覺中心的標(biāo)志性,充分保護好自然景觀,將密云城市建設(shè)與保障首都可持續(xù)發(fā)展重要任務(wù)協(xié)調(diào)共生。