一种城市观山可视域的测量方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种城市观山可视域的测量方法及系统，该系统包括如下模块：整体数据库场景建构模块，通过倾斜摄影实测获取包含山体及城市区域的数字化模型；观测区域全表面栅格化模块，用于提取观测区域并对模型表面进行栅格化；观察点球面坐标系创建模块，设定观察点并根据视线夹角创建球体坐标系；山体有效投影面切割模块，在球体坐标系中切割出山体有效投影面；观山视线遮挡计算模块，用于生成观山视线并对视线是否被遮挡进行计算；数据输出及成像模块，输出观山可视域数据并成像并生成观山可视域地图。

【技术实现步骤摘要】
一种城市观山可视域的测量方法及系统
本专利技术属于城市规划领域，尤其涉及一种城市观山可视域的测量方法及系统。
技术介绍
观山可视域，又称观山可视域范围、观山可视度、观山可视率、观山可视因子等，是指山体地形在建成环境中为单个观测者视线所及可看到的地域范围。反映了在建成环境中公众对山体自然景观要素的可视程度，关乎到城市公共生活中的空间感受与舒适程度。在城市规划与设计中，将观山可视域的量化结果作为指标有助于城市规划设计决策，同时也可以作为城市空间布局控制与优化的重要依据。通过优化现状城市空间环境中的观山可视域，可以有效地强化山体景观感知，提升城市空间品质，使得公众在城市中可以“看得见山，望得见水”，在整体上达到城市与自然相和谐的状态。根据城市建成环境中反映某视点视觉感知山体的标准图像，分析测算观山可视域的准确数值是城市规划建设部门进行观山可视域调控的首要和重要技术环节。现有的观山可视域的测度技术包括现场实地测量技术、街景图片可视域测量技术。现场实地测量技术是指采用带有鱼眼镜头的数码相机，在确定的视点对于开放空间拍摄数码照片作为测算的图像来源，并进一步通过photoshop软件中的通道及色阶调整工具，抠取照片中的山体部分，并通过计算山体部分和图像中其他部分的比例关系，得到观山可视域；街景图片可视域测算技术是指通过在百度街景、腾讯街景等地图网站上进行街景图片采样，基于人工智能图像识别技术，进一步由计算机自动识别出图片中的山体要素，并通过计算机计算单张街景图片中山体要素及除山体要素以外的其他要素的比例关系，得到观山可视域数值。上述方法在其本质上，都属于对场景图像的分析测算，其优点在于其操作简及效率高，可以通过现状照片及街景图像直观地划分出山体要素，并计算山体要素同其他城市要素间的比例得出观山可视域，在单张图像的实际操作上体现出易处理的特点，并可以高效率地进行分析测算。然而目前三种主要的测算方法同本专利技术提出的一种城市观山可视域的测量方法相比较，在可进行测算的视点区域上存在局限。在选取测算观山可视域的视点时，对于实地测量技术，实测者选取位置具有一定的主观性，往往会根据现场判断选取合适的点位及视角；而对于街景图片可视域测算技术，街景图片只包含城市街道空间的视觉图像，其数据量不能覆盖城市中等级较低的道路，同时也忽略了城市空间中诸如其他地面、建筑立面及屋顶等潜在可能的观山视点。
技术实现思路
专利技术目的：针对以上问题，本专利技术提出一种城市观山可视域的测量方法及系统，能够在既定城市范围内对包括城市道路、城市街区以内、建筑外立面、建筑屋顶等在内的全域表面作为观察点进行城市观山可视域的测量，避免现有测量技术在观察点选择上的局限性；通过观察点视野边界创建球体坐标系，在球体坐标系中切割出山体有效投影面，并生成观山视线，并对视线是否被遮挡进行计算，有效地提高了观山可视域地测量精度，避免了传统测量方法精度不高、工作效率低下等问题；输出观山可视域数据并成像，最终生成观山可视域地图，效果较为直观，为城市规划设计地进一步分析和决策提供了基础的理性支撑。技术方案：为实现本专利技术的目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种城市观山可视域的测量方法，包括如下步骤：(1)采集并建构包含山体及城市区域的实景三维模型场景；(2)提取观测区域，并对模型表面进行栅格化；(3)设定观察点并根据视线夹角创建球体坐标系；(4)在球体坐标系中切割出山体有效投影面；(5)生成观山视线，并对视线是否被遮挡进行计算；(6)输出观山可视域数据并成像，生成观山可视域地图。进一步的，步骤(1)采集并建构包含山体及城市区域的数据库场景，具体方法如下：(1.1)通过实测获取包含山体及城市区域的倾斜摄影数据倾斜摄影测量通过在飞行平台上搭载多镜头相机组同时采集1个垂直角度及4个倾斜角度的影像，飞行平台比如多旋翼无人机、固定翼无人机、垂直起降无人机等。(1.2)根据获取的倾斜摄影数据生成基于真实影像纹理的实景三维模型倾斜摄影自动化建模软件几何校正、联合平差、多视影像匹配等一系列处理获得地物全方位信息的数据以生成实景三维模型；自动化建模软件可以是法国DIGINEXT公司研发VirtualGeo软件、美国Pictometry公司的EFSElectronicFieldStudy软件等。(1.3)通过SuperMap平台加载根据倾斜摄影数据获得的实景三维模型SuperMap平台运用LOD(LevelofDetail)优化调度，仅占用较少硬件资源，保障稳定的海量数据承载能力，并同时支持直接加载任意剖分类型的倾斜摄影模型，包括.osg/.osgb、.x、.dae、.obj等格式，平台通过生成配置文件功能可将存放在多个文件夹的多个＊.osgb格式的倾斜摄影模型数据生成为＊.scp格式文件，该文件记录了倾斜摄影模型文件的相对路径、名称、插入点位置及坐标系信息等模型配置内容，平台通过加载＊.scp格式的三维模型缓存文件的方式，实现了OSGB模型数据的直接批量加载与浏览。进一步的，步骤(2)提取观测区域，并对模型表面进行栅格化，具体方法如下：(2.1)观测区域提取，在SuperMap平台加载倾斜摄影获得的实景三维模型中提取观测区域，此处是从大区域中选择所要观测的区域，从观测区域观测山体。(2.2)对实景三维模型中的观测区域表面整体栅格化，栅格的方法是对实景三维模型中的三维城市模型的包括地面、建筑立面、屋顶以单位平方米进行栅格化，在栅格转化的过程中，栅格单元的尺寸选择是非常关键的：栅格单元尺寸过大，则分析精度下降；反之，栅格单元尺寸过小，则后续的可视域分析时间消耗代价将上升。因此，需要根据收集到的数据体量、数据精度及目标分析精度来综合确定栅格基本单元的大小。实际操作中，比如可以选择单位平方米为基本单元精度。进一步的，步骤(3)设定观察点并根据视线夹角创建球体坐标系，具体方法如下：(3.1)设定观察点坐标，选取每个栅格的几何中心点，作为代表该栅格观察点；(3.2)创建球体坐标系。将城市空间中的观察者转化为三维空间中的观察点Ο(xo,yo,zo)，也即栅格观察点。其中，(xo,yo)为观察者所在的平面坐标值，zo为观察点的水平面高度。以观察点所在高度的水平面Vh为平面，以当前环境下的最大可视距离Rvmax为半径，作可视半球面，将该半球面定义为标准投影面Ps。以观察点Ο(xo,yo,zo)为球心，分别以地理坐标系中的正北方向和水平面Vh的垂直方向为矢基，建立球体坐标系所述当前环境可以是当前空气、阳光等环境。(3.3)确定视野边界。设定观察点Ο的观察范围受到障碍物或者其他客观原因的限制，造成在该观察点的观察者只能观察到某个角度范围内的景观。这个角度范围被定义为视野边界。记该视野边界与球体坐标系正北方向矢基的夹角值αo和βo。例如，某观察点的视野范围为正北方到正南方之间，那么该观察点的属性值为(0,π)。进一步的，步骤(4)在球体坐标系中切割出山体有效投影面，具体方法如下：在该球面坐标系下，过点(Rvmax,0,αo)和(0,0,0)作与水平面Vh垂直的平面同理，过点(Rvmax,0,βo)和(0,0,0)作与水平面Vh的平面将标准投影面PS被平面和平面切割出的区域定义为标准有效投影区域Pe。作山体在标准有效投影区域Pe上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种城市观山可视域的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采集并建构包含山体及城市区域的实景三维模型场景；(2)提取观测区域，并对模型表面进行栅格化；(3)设定观察点并根据视野边界创建球体坐标系；(4)在球体坐标系中切割出山体有效投影面；(5)生成观山视线，并对视线是否被遮挡进行计算；(6)输出观山可视域数据并成像，生成观山可视域地图。

【技术特征摘要】
1.一种城市观山可视域的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)采集并建构包含山体及城市区域的实景三维模型场景；(2)提取观测区域，并对模型表面进行栅格化；(3)设定观察点并根据视野边界创建球体坐标系；(4)在球体坐标系中切割出山体有效投影面；(5)生成观山视线，并对视线是否被遮挡进行计算；(6)输出观山可视域数据并成像，生成观山可视域地图。2.根据权利要求1所述的一种城市观山可视域的测量方法，其特征在于，步骤(1)中，采集并建构包含山体及城市区域的实景三维模型场景的方法如下：(1.1)通过实测获取包含山体及城市区域的倾斜摄影数据；(1.2)根据获取的倾斜摄影数据生成基于真实影像纹理的实景三维模型；(1.3)通过SuperMap平台加载根据倾斜摄影数据获得的实景三维模型。3.根据权利要求1或2所述的一种城市观山可视域的高精度测度方法，其特征在于，步骤(2)中，提取观测区域，并对模型表面进行栅格化的方法如下：(2.1)在实景三维模型中提取观测区域；(2.2)对实景三维模型中的观测区域表面整体栅格化。4.根据权利要求3所述的一种城市观山可视域的测量方法，其特征在于，步骤(3)中，设定观察点并根据视线夹角创建球体坐标系的方法如下：(3.1)设定观察点坐标，选取每个栅格的几何中心点，作为代表该栅格的观察点；(3.2)创建球体坐标系，将城市空间中的观察者转化为三维空间中的观察点Ο(xo,yo,zo)，也即栅格观察点，其中，(xo,yo)为观察者所在的平面坐标值，zo为观察点的水平面高度，以观察点所在高度的水平面Vh为平面，以当前环境下的最大可视距离Rvmax为半径，作可视半球面，将该半球面定义为标准投影面Ps，以观察点Ο(xo,yo,zo)为球心，分别以地理坐标系中的正北方向和水平面Vh的垂直方向为矢基，建立球体坐标系(3.3)记该观察点的视野边界与球体坐标系正北方向矢基的夹角值αo和βo。5.根据权利要求4所述的一种城市观山可视域的测量方法，其特征在于，步骤(4)中，在球体坐标系中切割出山体有效投影面方法如下：在球面坐标系中作山体在水平面Vh上的投影Ph，取投影Ph中与观察点距离最大的点，记该点坐标为其中同时rt为该点到观察点的距离，该点与观察点连线与正北方方向坐标轴的夹角，取观察点在水平面Vh上的视野边界的角平分线，该角平分线与标准投影面Ps相交于点(Rvmax,0,0.5(αo+βo))，若rt≥Rvmax，则过点(Rvmax,0,0.5(αo+βo))作与标准投影面Ps相切的平面Pa，则Pa为近似投影平面；若rt<Rvmax，则以观察点所在高度的水平面Vh为平面，以rt为半径，作参考半球面Cv，然后过点作与参考半球面Cv相切的平面Pa，则Pa为近似投影平面，在近似投影平面Pa上，分别过(min(Rvmax,rt),0,αo)和(min(Rvmax,rt),0,βo)作垂直于水平面Vh的直线，则近似投影平面Pa被两条直线切割出的区域为近似有效投影区域Pea，对山体高度2/3以上区域，作其在近似有效投影区域Pea上的投影，该投影为近似有效山体投影。6.根据权利要求5所述的一种城市观山可视域的高精度测度方法，其特征在于，步骤(5)生成观山视线，并对视线是否被遮挡进行计算，具体方法如下：(5.1)生成观山视线，将有效山体投影栅格化在m×n个矩形栅格区域中，以左下角的栅格中心点为原点，在近似有效投影区域Pea上建立正交坐标系ζ，将栅格化后的有效山体投影简化为由这些栅格的中心点构成的点集{N1(x1,y1),N2(x2,y2),…,Ns(xs,ys)}，其中，(x1,y1),(x2,y2),…,(xs,ys)为山体投影栅格化为点集后的点在二维正交坐标系ζ上的离散坐标，0≤xi≤m,0≤yi≤n，1<i<S，S为栅格的中心点的总数量，观察点Ο到点N1,N2,…,Ns的连线，记为视线L1,L2,…,Ls，每个栅格的中心点拥有权重wi，其中，0≤wi≤1；(5.2)视线遮挡计算步骤一，对于点集{N1(x1,y1),N2(x2,y2),…,Ns(xs,ys)}中横坐标为0的点进行检索，记检索出的点构成的子集为{N1(0,y1),…,Nj(0,y0max)}，其中，j为横坐标为0的点的总数，记横坐标为0的纵坐标最大的点为N0max，y0max为N0max纵坐标的值；步骤二，判断点N0max对应的视线L0max否被遮挡，若视线L0max被遮挡，则将点集{N1(x1,y1),N2(x2,y2),…,Ns(xs,ys)}中所有横坐标为0的点对应的视线记为被遮挡；若视线L0max未被遮挡，则执行步骤三；步骤三，以集合{N1(0,y1),…,Nj(0,y0max)}中的点建立平衡二叉搜索树，平衡二叉搜索树的中每个结点的值为集合中每个点的纵坐标的值，对该平衡二叉搜索树中的结点进行遍历；步骤四，每遍历一个结点，计算该结点对应的视线是否被遮挡，并将该结点对应的视线是否被遮挡这一属性记录在一个列表中；若该结点对应的视线未被遮挡，则继续遍历其左子树，并将该结点和该结点的右子树上的全部点对应的视线定义为未被遮挡；若该结点对应的视线已被遮挡，则将该结点和该结点的左子树上的全部点对应的视线定义为已被遮挡，并计算该结点的右子结点对应的视线是否被遮挡：若该结点的右子结点对应的视线未被遮挡，则将其余未被标记的结点对应的视线定义为未被遮挡，并停止遍历；若该结点的右子结点对应的视线已被遮挡，则继续遍历其右子树；在遍历结点的过程中，若遇到已标记过对应的视线是否被遮挡的结点，则直接从列表中读取它对应的视线是否被遮挡的结果，当所有结点对应的视线是否被遮挡都以被标记时，停止遍历；步骤五，对于点集{N1(x1,y1),N2(x2,y2),…,Ns(xs,ys)}中横坐标为k的点进行检索，其中，0<k≤m，记检索出的点构成的子集为{N1(k,y1),…,Nj(k,ykmax)}，其中，j为横坐标为k的点的总数，记纵坐标最大的点为Nkmax，ykmax为Nkmax纵坐标的值，判断点Nkmax对应的视线Lkmax是否被遮挡，若视线Lkmax被遮挡，则将点集{N1(x1,y1),N2(x2,y2),…,Ns(xs,ys)}中所有横坐标为k的点对应的视线记为被遮挡；若视线Lkmax未被遮挡，则以集合{N1(k,y1),…,Nj(k,ykmax)}中的点建立平衡二叉搜索树，平衡二叉搜索树的中每个结点的值为集合中每个点的纵坐标的值，对该平衡二叉搜索树中的结点进行遍历，执行步骤四；步骤六，分别取k＝1,k＝2,…,k＝m,重复步骤五，完成全部视线L1,L2,…,Ls是否被遮挡的计算。7.根据权利要求6所述的一种城市观山可视域的测量方法，其特征在于，步骤(6)输出观山可视域数据并成像，生成观山可视域地图，具体方法如下：(6.1)计算观山可视域数值，对于视线Li∈{L1,L2,…,Ls}，若Li被标记为被遮挡，则赋予Li属性值μi＝0，Li被标记为未被遮挡，则赋予Li属性值μi＝1，定义一个MVF值，MVF的取值范围为[0,1]，它代表观察者在一定大气能见度约束下，在某一观察点的观山可视率；(6.2)通过颜色成像，将三维地图上的一点设置为观察点，输入最大可视距离和观察观察者的视野角度范围，可以实时计算观山可视率的值，根据MVF值的大小设置观测点对应栅格的颜色；(6.3)生成观山可视域地图，即将上述着色...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨俊宴，曹俊，刘映辰，张庆尧，刘志成，王桥，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32