基于三维gis的城市天际线模拟技术

基于三维gis的城市天际线模拟技术

长期以来，城市天线一直是城市设计的重要因素（见埃德蒙n培根，2003）。随着高层建筑出现,高层建筑和超高层建筑已经成为了影响城市天际线的决定在当前滨水地区城市设计中,天际线设计和控制是其中重要环节。一般方法是绘制滨水建筑立面图,依据立面图进行天际线的设计和控制这就存在两大不足:第一,这种立面图上的城市天际线不是基于观测者的真实视野,会与真实环境中的实际观察效果不同;第二,规划师和建筑师只能依据直观感受来判断天际线是否达到既定设计目标。由于缺乏描述天际线形态的定量化指标,直观感受难免会受到多种因素干扰,影响对规划设计方案的评价。目前,规划设计中已有了许多计算机辅助设计工具,通过虚拟三维城市模型,生成不同角度的三维透视场景模拟城市天际线。但这些计算机辅助设计技术尚不能模拟基于真实视野中的城市天际线,也不能产生天际线定量描述指标。笔者首先应用视觉影响分析方法,讨论城市天际线的定量化描述指标,随后讨论模拟观测者真实视野天际线的计算机技术。结合滨水地区城市设计案例,提出一种基于视觉影响的城市天际线定量比较和评估方法。1城市天线分析的对象1.1天际线的感知、体验和人工学认知环境心理学的研究表明,对城市天际线的认知是由两个变量控制的(Heat,etal,2000)。第一个变量是城市天际线的轮廓曲折度。城市天际线的轮廓是由观测者视野中建筑顶端的外轮廓线连接组成,是城市建筑群和与天空相遇的界线。一般认为,天际轮廓线的曲折度高,对观测者的认知愉悦感也较高。相关实验也证实了这一感受(Stamps,etal,2005)。第二个变量是天际线的层次感。天际线的层次感是指观测者视野中,相对于观测者视线方向的建筑界面所形成的不同层次。建筑群距观测者的距离不同,会形成不同层次的建筑界面。相关实验也表明,视野中不同距离的建筑物形成界面层次较多,对天际线的认知愉悦感也较高(Stamps,etal,2005)。城市天际线两个认知变量在城市设计和规划控制中已经得到认同。在规划设计中,一般应用这两个变量评判城市天际线。类似规定也纳入了一些城市规划技术标准。例如,在《香港规划标准和准则》的城市设计指引章节中,为控制和优化滨海城市天际线,就明确提出需要保证从海面看城市时,空间具有较丰富的层次感;天际线上需要保留山脊线起伏并确保20%-30%山景不被建筑物遮挡(香港规划署,2006)。1.2特征特性分析从视觉影响角度分析,天际线轮廓是观测者视野中的一条连续折线。一方面,数学上有多种方法来定量描述折线的曲折程度。曲折度可以用天际线轮廓折线线形来衡量;另一方面,天际线的层次感是由建筑物对视线的遮挡距离不同形成。天际线的层次感可用不同视线遮挡距离来区分表达。上述分析是基于视觉影响对城市天际线进行定量描述的基础。以下将结合上海市北外滩地区城市设计案例,讨论基于视觉影响的城市天际线定量分析的原理和实现技术途径。2城市天线评价要素和定量分析2.1北外滩城市设计现状北外滩地区位于上海市中心,南临黄浦江,与浦东小陆家嘴地区隔江相望,是上海中心商务区的重要组成部分。北外滩地区的黄浦江滨水岸线有2.1km。北外滩地区滨江城市天际线是该地区城市设计中非常重要的要素。习惯上,将北外滩地区自黄浦江滨江岸线起,以东西向道路为界,自南向北的第一排街坊为滨江第一层面,第二排街坊为滨江第二层面,第三排街坊为滨江第三层面。其中,第一层面各个街坊都已建成或已在建,第二层面是目前规划的重点(图1)。现有北外滩城市设计方案对第二层面的土地使用、建筑高度、空间形态做出了详细设计,在第二层面规划了多处高层和超高层建筑。由于滨江第一层面已经基本形成,第二层面的建筑形态和建筑高度对最终形成北外滩的未来滨江天际线有决定性影响。按现有的城市设计方案,北外滩的城市天际线轮廓将形成曲折起伏的折线,第二层面两处超高层建筑是形成天际线轮廓的关键元素。A街坊主楼建筑高度是320m,规划为北外滩地区的主地标建筑,该项目已经在建。B街坊主楼建筑高度是200m,规划为北外滩地区的副地标建筑。这两处建筑将形成北外滩天际线轮廓上最重要的曲折点。在第一层面已经建成的前提下,现有城市设计方案重点对规划中的第二层面、第三层面各个街坊建筑高度进行了设计控制,目的是为了在天际线上展示出更多层面的建筑界面,起到丰富城市天际线的作用。与通行方法一样,北外滩地区现有城市设计方案采用了滨江建筑立面图方法展示了设计中的城市天际线。该城市设计方案中的天际线设计得到了参与规划各方人士认可。2.2蜿蜒的分析2.2.1折线特征在天际线轮廓天际线轮廓是非常曲折变化的折线。对天际线轮廓曲折度定量分析,国际上已有不少研究,提出过多种数学方法描述天际线轮廓的线形。许多研究都采用了分形几何方法(Cooper,etal,2010;Stamps,2002;Stephan,etal,2009)。一方面,这些定量方法使用了较复杂的数学方法,难以为普通规划师、建筑师所理解和应用;另一方面,这些方法关注定量描述天际线轮廓上每一处细小的变化,也与规划设计中关注的对象不符。规划设计关注天际线轮廓大体上走向趋势,并不关注线形上细小曲折变化。规划设计中往往采用将天际线简化为连续曲线的手法,用简化曲线表达设计中的天际线轮廓。简化后的曲线忽略了细小的曲折变化,突出显示了天际线轮廓主导走向变化。天际线上局部制高点、局部低点及其相互位置关系是天际线轮廓曲折度的关键控制点。关键控制点的对应建筑是构成天际线轮廓的关键建筑。对天际线轮廓曲折度定量描述的核心是如何表达局部制高点、局部低点及其相互关系。为此,曲折度变量需要建立在对天际线概括简化的基础上。对天际线轮廓曲折度进行定量化描述,首先需要对天际线轮廓进行概括和简化。概括简化应是在保持局部制高点、局部低点及其相互位置关系不变的前提下,移除无关紧要细小折弯和小凹凸曲折,保留折线的基本走向不变并将其平滑成连续曲线。指数多项式(PAEK)平滑线方法是地图学中用于制图综合的一种概括简化复杂折线方法。指数多项式(PAEK)平滑线方法能够在保持复杂折线线形基本走向不变前提下,提取出曲折走向的关键点,保留关键点之间的相互关系,将复杂折线平滑简化处理成连续曲线。指数多项式(PAEK)平滑线方法是符合规划设计中对天际线概括简化要求的工具(图2)。目前,ESRI公司的ArcGIS软件已经提供了制图综合的指数多项式(PAEK)平滑工具,简单易用,可用来简化天际线轮廓。2.2.2特征点的定量描述在简化后的天际线轮廓曲线上,极大值点(曲线的局部制高点)和极小值点(曲线的局部低点)是轮廓线曲折度变化的关键控制点。简化后轮廓线上极大值点是由较高的建筑形成,一般是该区域的标志性建筑。极小值点是避免天际线过于平直单调,必须对该处的建筑高度进行必要的控制。天际线曲折程度是否符合设计意图,可以由简化后曲线上极大值点、极小值点及其两者之间的相对关系进行定量化描述。以简化曲线上的极大值点、极小值点的显著性作为描述曲折度的定量指标。将天际线轮廓上形成局部制高点的标志性建筑作为主要研究对象,提出两条定量描述天际线曲折度的规则。(1)规则一,天际线上的标志性建筑必须在简化曲线上能形成高度上的极大值(图2)。规则一是判断天际线上哪些点是确保天际线曲折总体走向的关键点。如不能在简化曲线上形成高度上的极大值,就不能算作是天际线上的标志性建筑。(2)规则二,以概括简化的天际线轮廓为计算标准。根据简化曲线上极大值点,确定其左右相邻的极小值点。计算极大值点分别于两侧极小值点之间水平距离△L左、△L右,将这两个距离值之和作为该制高点的影响区间(图2)。区间值越大,说明在视觉影响上,该标志性建筑越显著;反之,区间值越小,该标志性建筑越不显著。此外,分别计算左右极小值点与该极大值点的天际线上高度的差值△H左、△H右。△H值越大,说明在视觉影响上,该标志性建筑越显著;反之,该建筑越不显著。△H/△L值更加直接反映出标志性建筑的显著程度。规则二是计算标志性建筑在天际线上显著程度的指标。2.3建筑可视面感官特征按前述讨论,视野中至观测者不同距离建筑可视面所占面积不同,由此产生了天际线的层次感。在北外滩案例中,在人眼正常观察高度的条件下,未来天际线上可视建筑物包括了滨江第一层面、第二层面、第三层面建筑群。天际线层次感按滨江第一、第二、第三层面划分层次,采用滨江第一、第二、第三层面建筑群的建筑可视面各自在观测者视野中占据比例来定量描述。视野中不同层次的建筑可视面较多,层次感较丰富;反之,视野中建筑可视面均属于同一层面,层次感较单调。如3个层次建筑可视面面积分别是S1、S2、S3,则层次感指标表达为S1:S2:S3。2.4天际线的显著性和层次采用以上两个定量描述指标,对现有北外滩城市设计方案滨江立面图上天际线进行了定量计算。采用ArcGIS的指数多项式(PAEK)平滑工具,对滨江立面图的天际线轮廓进行了平滑简化。平滑简化后的天际线轮廓呈现多次起伏的曲线(图3)。计算曲折度指标,第二层面的两处超高层地标建筑在平滑简化后天际线轮廓上均处于曲线极大值点上,符合天际线上标志性建筑定义。其中,A街坊主地标建筑的△L、△H左、△H右值分别为0.15W、0.392H、0.458H。B街坊副地标建筑的△L、△H左、△H右值分别为0.098W、0.196H、0.164H。A街坊主地标建筑的显著性更大,B街坊副地标建筑的显著性相对不显著。计算层次感指标,第一层面、第二层面、第三层面建筑可视面的面积比值为65:29.7:5.3。滨江立面图上天际线并不是基于观测者真实视野。观测者在黄浦江对岸观察北外滩,真实视野中天际线会与立面图上展示的效果有差异。选择黄浦江对岸不同位置的观测点,观测者视野中天际线也会不同。真实视野中未来城市天际线的曲折度、层次感究竟如何,尚难以描述。这就需要一种能模拟观测者真实视野中天际线的工具。在这一工具的基础上,再次应用以上两个定量描述指标来分析天际线形态。3基于未来城市天际线的方法基于数字高程模型的可视性分析是GIS基本分析功能之一。国内外均已有研究基于三维GIS,运用可视性分析工具定量研究城市空间的视觉影响,探索对城市设计方案进行定量化评价(FIisher-Gewirtzman,etc.,2003;Mak,etc.,2005;Yang,etc.,2007;Rod,2008;钮心毅、徐方,2011)。这些研究均基于人眼实际观测视野,对现有可视性分析方法进行了改进。现有的GIS可视性分析工具还不足以支持城市天际线定量分析。笔者结合应用曲折度、层次感两个指标,对现有GIS可视性分析工具进行二次开发,实现基于真实视野的天际线定量分析。3.1虚拟视野面天际线轮廓按一般观测者的正常平视视野范围,观测者的水平视角为120°、向上视角30°、向下视角40°。人眼正常视野范围可以抽象成一个垂直于地面的虚拟视野面(钮心毅,徐方,2011)。视野面的宽度W、垂直方向高度H的计算公式分别为:当L≤tan40°·D时,H=tan30°·D+L在以上公式中,L是观测点与视野面所在位置地表的高程差。D为观测者视野的能见度距离。在有特定观测对象的前提下,只需将视野面设置在观测对象后方(图4)。由于建筑物等对视线的遮挡。观测者视线实际阻挡点在虚拟视野面上的投影形成了天际线轮廓。各个层面建筑对视线的遮挡,形成了视野面上的建筑可视面。视线实际阻挡点可由可视性分析工具计算得到。根据观测者、视线实际阻挡点、虚拟视野面之间的几何关系,能够计算出虚拟视野面上天际线轮廓,也能计算得到虚拟视野面上的建筑可视面。依据以上模型,曲折度指标通过对虚拟视野面上天际线轮廓平滑简化,计算标志性建筑的显著性程度实现。层次感指标通过计算虚拟视野面上的第一、二、三层面建筑可视面的面积比值实现(图4)。3.2天际线的定量化基于以上模型,选用ESRI公司的ArcGIS10及3DAnalyst模块,采用ArcObjects进行二次开发,实现了以上真实视野内天际线定量化分析。具体包括以下四个步骤。3.2.1多面体要素类的类型采用TIN构建了北外滩地区及其周边的地表模型。采用多面体(multipatch)要素类构建了现有、在建及规划中的建筑群模型。TIN地表模型和多面体建筑模型形成了统一的3D虚拟环境,用于后续的视觉影响分析。3.2.2滨江岸线观测黄浦江对岸滨江地区是观察北外滩景观的最佳区域。该段黄浦江宽度为500-800m之间。在黄浦江对岸选择的三个典型观测点,分别是一号观测点(其昌栈渡口)、二号观测点(泰同栈渡口)、三号观测点(东方明珠游船码头)。一、二、三号观测点分别正对北外滩滨江岸线东端、中点、西端(图5)。在黄浦江对岸,从一号到三号观测点之间的滨江段是观察北外滩滨江景观适宜的区域。此外,这三个观测点均紧靠水上游船或过江轮渡的码头,本身也是人流较为集中区域。在3个观测点上,分别输入相对于地表的观测高度、视野能见度距离、水平方向观测角度。以正常人眼观测高度相对所在位置地表高度为1.65m,视野能见度距离D为3km。依据观测点和规划建筑群之间方位,确定一、二、三号观测点的水平方向观测角度分别为150°、105°、60°。根据观测点的XY坐标值,计算对应TIN模型上地表高程,折算成观测点Z坐标。依据观测点的X、Y、Z坐标、能见度距离数值D、水平方向观测角度数值,计算得到视野面位置、并计算得出观测点与视野面所在位置地表的高程差L。使用视野面计算公式,计算得到该观测点的对应视野面高度H、宽度W。3.2.3观测点出发ArcGIS10的3DAnalyst模块提供了天际线(Skyline)工具,可以计算出自特定观测点出发,构成天际线的建筑上视线实际阻挡点。这一阻挡点并不位于视野面上(图4)。根据观测点、视线实际阻挡点和虚拟视野面的几何关系,运用观测点到每一个视线实际阻挡点的水平角和垂直角数值进行计算,得出视野面上的虚拟阻挡点。虚拟遮挡点相互连接形成视野面上天际线轮廓(图6)。3.2.4指数方面平等虚拟视野面是一个垂直于地表的垂直面。依据视野面的高度H、宽度W、天际线轮廓的位置,将其转换生成一个水平平面上,便于曲折度、层次感指标计算。采用指数多项式(PAEK)平滑工具对天际线轮廓进行平滑简化,依据简化曲线计算标志性建筑及其显著程度。依次计算三个层面建筑群在视野面上的建筑可视面,得出第一、二、三层面建筑可视面的面积比值,由此得出层次感指标。3.3观测点建筑视觉影响的差异3个观测点基于视野的天际线模拟结果如图7、图8、图9所示。从模拟结果看,3个观测点天际线与设计立面图上表达的天际线显然不同。3个观测点曲折度、层次感指标如表1所示。在二号观测点和三号观测点的简化曲线上,第二层面的主、副地标建筑均仍处于曲线的极大值处,在视觉影响上均属于标志性建筑。其中,二号观测点上的主副地标建筑显著程度与立面设计图比较接近。三号观测点上的副地标建筑显著程度明显下降。在一号观测点上,主地标建筑仍处于曲线极大值处;副地标建筑被第一层面建筑遮挡而不可见,在视觉影响上不能再成为天际线上的标志性建筑。从层次感指标计算来看,3个观测点指标各有不同。虽然二号观测点指标与立面图比较接近,但第二、三层面建筑可视面所占的比例有明显下降。尤其在东端的一号观测点上,层次感指标与立面图有非常明显的差距。现有城市设计方案的立面图天际线在设计竞标中得到了认可。基于真实视野的模拟结果显示,实际观测中的天际线形态会有较大不同。曲折度、层次感两个指标定量描述了其中的差距。在曲折度指标上,城市设计方案中是天际线轮廓关键控制点的副地标建筑,在真实视野中显著程度会明显下降,甚至无法成为天际线轮廓上的局部制高点。在层次感上,第一层面建筑可视面所占比例明显上升,3个观测点的层次感与立面图上的指标均有差距。如果还需要继续维持立面图上两个指标数值,就需要对现有城市设计方案进行适当调整。3.4基于真实愿景的天际线定量优化3.4.1第二、三层面建筑高度的提升依据对现有城市设计方案分析,北外滩滨江天际线有两个优化方向:第一,曲折度指标优化。在一、二、三号观测点上,确保副地标建筑能处于天际线轮廓的局部制高点上,并尽可能提高其显著性指标。第二,层次感指标优化。增加一、二、三号观测点的视野中第二、三层面建筑群建筑可视面的比例。适当提高第二层面部分建筑的高度是可行的优化对策。在实际规划实施中,出于对开发经济成本等其他因素考虑,已经讨论了对第二层面部分建筑进行调整的方案。有调整方案提出将副地标建筑的建筑高度提升40m。为此,以下从天际线优化的角度出发,模拟分析三种情况。优化方案一,提升北外滩副地标建筑高度40m,第二层面其余建筑维持现有规划高度不变。优化方案二,提升北外滩副地标建筑高度40m,第二层面其余3个街坊的主楼建筑高度提升20m。优化方案三,提升北外滩副地标建筑高度40m、第二层面其余3个街坊的主楼建筑高度提升40m。3.4.2提升副标识建筑高度,优化北外滩滨江城市天际线继续在一、二、三号观测点上,观测点相对于地表的高度、视野能见度、水平方向观测角均不变,对3个优化方案进行模拟计算结果如表2。计算结果显示,优化方案一适当提升副地标建筑高度后,3个观测点上均能确保处其处于天际线轮廓的局部制高点上,对应的显著性指标也有提高。尤其在一号观测点上使得副地标建筑能够出现在天际线轮廓上,并保持一定的曲折显著程度(图10)。3个观测点上的层次感指标也有变化。其中二号点的层次感指标为77.4:21.6:1,接近现有城市设计方案立面图层次感指标(图11)。优化方案二、三同时提升第二层面其余3个街坊建筑高度,3个观测点上的