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劃提出 “一核一主一副、兩軸多點一區”的城市空間結構,構建北京新的城市發展格局。密云分區規劃中也明確了城市功能定位,作為國家生態文明示范區,要嚴格控制開發強度,保持適宜的建設規模和密度,嚴格控制城市基準高度,形成望山見水、綠城共融、舒朗有致的城市風貌。對于新城集中建設區即密云城區,構建望水廊道和觀山廊道,形成城市功能組團與自然山水環境相融合的城市空間形態。

為了研究城市三維空間形態關系[1-2]、構建密云區自然生態環境新格局,本研究對密云區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,也是城市設計的重點之一,由山體、植被等自然要素及建筑輪廓共同構成[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的范圍,通過三維高度分析方法,定量計算建構筑物的控制高度,用于城市更新和發展進程中提供準確的定量數據支撐。

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域的影像數據,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而被破壞,對城市建設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。將控制區域劃分為均勻的正方形單元格網,基于準確的地面和山體的三維地形數據、現狀建構筑物的三維模型數據,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,在三維場景中計算每個單元格網的臨界高度控制值,如圖1中h1、h2、h3分別代表不同格網的高度控制值，以保證視線望山且留白的目標。

圖1 視覺分析法計算原理圖

1.3 研究對象

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

2 技術路線

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

圖2 總體技術路線

2.1 數據準備工作

2.1.1基礎數據準備

收集和整理研究區域內三維地形模型地形圖、影像圖、建筑邊框等數據。

2.1.2規劃數據準備

收集和整理新城規劃圖、規劃實施情況等規劃數據。

2.2 觀測點設計

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、重要城市節點等位置進行選擇。在研究區域內選定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、飛鴻世紀園、順密路、左堤路、密三路等區域。重要城市節點3個,主要分布在長城環島、水庫賓館。

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

2.3 街景數據采集

通過移動掃描車采集觀測點位置的街景數據,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,根據相機曝光時間、行車軌跡、相機標定參數計算每一張照片的曝光位置和姿態。結合圖像匹配算法,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。

根據觀測點的空間定位與街景數據進行位置匹配,對于掃描車無法行駛的區域,則使用手持設備補充采集多角度影像后,與觀測點位置進行關聯。

2.4 天際線現狀分析

采用基于深度學習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性。為了建立多層次的、自然環境與人工環境相協調發展的天際線形象,根據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。

目標為以生態景觀與前景建筑緊密結合,作為前景天際線;以城市建設主體作為中景天際線,重點塑造標志性空間形象;以腹地建筑作為后景(遠景)天際線,塑造連續平緩的背景輪廓。對于嚴重偏離或者高度契合目標的天際線部分,重點篩選,并在水平空間上與相應的范圍內的建構筑物進行關聯[8-10]。

2.5 三維場景整合

基于數字高程模型數據、數字正射影像數據制作三維基礎地形,用于獲取地面觀測點高程和三維空間的山脊線。

基于激光點云數據生成的數字表面模型,自動生成現狀建構筑物三維灰體模型,用于三維高度分析中遮擋建筑的數據基礎。

將三維地形模型、三維山脊線、建構筑物三維模型、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,根據觀測點與密云周邊山脈的位置關系勾繪,并下調山體高度的1/3作為留白區域。通過對觀測點的現場踏勘進行核查,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了三維高度控制軟件,將密云區域內700 km2的高度控制區劃分成30 m×30 m的格網,以觀測點可觀測到山脊線并有一定留白為目標,基于三維場景數據計算每一個格網的高度限制。在計算過程中考慮建成區建構筑物對于目標格網單元空間位置上的視線遮擋。

2.8.2高度綜合分析

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

2.9 高度控制應用

2.9.1主要景觀區域通視現狀

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

2.9.2規劃地塊高度限制

通過觀測點的高度綜合分析,得到密云規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的網格,細化地塊內網格控制高度,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

針對具體建設項目,將高度控制區的30 m×30 m的計算格格網,細化到1 m×1 m的計算格網,便于在地塊層面實現更細顆粒度的規劃和城市設計管控。

2.9.4顯山露水

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

3 分析案例

3.1 飛鴻世紀園天際線分析

從飛鴻世紀園的北側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,前景天際線緊密結合了自然生態景觀,整體構圖以水平擴展為主,中景天際線主要以建筑為主,由中層、高層建筑混合構成,缺乏地標性建筑,后景天際線由山體和植被構成,形成了自然連續的背景輪廓;在縱向方向上,前景、中景、后景各個層次天際線高度相近、難以區分,缺乏層次感。

圖3 飛鴻世紀園北-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聯,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良好的銜接,天際線曲線變化缺乏連續性和平緩的協調性。前景建筑在縱向上高度變化明顯,表現出鮮明的層次感。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成,天際線整體的豐富度較低,且顯山度較低。可通過適當降低前景的建筑高度或者適當提升中景和后景的建筑高度,來增強天際線的豐富度;通過控制現狀可視山體視線范圍內的建筑高度,來維持顯山度現狀。

圖4 飛鴻世紀園南-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,對飛鴻世紀園周邊自然風貌具有很重要的作用,因此需要對后景山體風貌進行重點保護,保持景觀視廊的暢通和后景的通透性,嚴格控制視廊上建筑群體的高度,防止過度建設造成的自然景觀和視覺通廊的破壞。

圖5 飛鴻世紀園重點天際線

如圖6所示,扇形陰影區域為對應南向天際線中山體的重點保護控制區,應對該區域范圍內建筑物的建設高度進行嚴格控制,保護“留白”區域。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園,越靠近觀測點的區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 飛鴻世紀園重點天際線保護區

4 結束語

通過定量科學的計算方法,實現了基于三維高度控制方法對重點天際線景觀保護的技術路線。在城市更新進程中,能夠有效地輔助城市未來發展規劃,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。塑造連續而有節奏的、優美的輪廓曲線。強調曲線變化的連續性、虛實相間的韻律感、視覺中心的標志性,充分保護好自然景觀,將密云城市建設與保障首都可持續發展重要任務協調共生。