多因素约束下的建筑高度三维控制方法

ＵｒｂａｎＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＩｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ＆Ｓｕｒｖｅｙｉｎｇ

城　市　勘　测

Ｄｅｃ.２０１９Ｎｏ.６

引文格式:陈光ꎬ薛梅.多因素约束下的建筑高度三维控制方法[Ｊ].城市勘测ꎬ２０１９(６):１４－１７.文章编号:１６７２－８２６２(２０１９)０６－１４－０４

中图分类号:ＴＵ９８１ꎬＰ２０８􀆰１

文献标识码:Ａ

多因素约束下的建筑高度三维控制方法

(１􀆰重庆市勘测院ꎬ重庆　４０１１２１ꎻ　２􀆰智慧城市时空大数据重庆市工程研究中心ꎬ重庆　４０１１２１)

陈光１ꎬ２∗ꎬ薛梅１ꎬ２

摘　要:以大范围建筑高度精细化控制为目标ꎬ利用多源空间数据资源构建真实的三维空间场景ꎬ并建立了一套建筑高度三维控制技术流程ꎬ实现对地形因素、通视条件等多因素的三维叠加和分析ꎬ最终形成控制建筑高度的三维控制盒子ꎮ通过在重庆市广阳岛概念性策划和总体规划项目中提供方案论证和辅助决策支撑ꎬ验证了方法的有效性ꎬ提高了规划项目的数据支撑能力和科学性ꎮ

关键词:规划ꎻ三维ꎻ建筑高度ꎻ三维控制线ꎻ控制盒子

１　引　言

管控与落地ꎬ本文研究建立了一种多因素约束下的建筑高度三维控制方法ꎬ总体技术流程如图１所示ꎮ首先ꎬ构建管控区域三维空间场景ꎬ包括三维数字地形和三维建筑模型ꎻ其次ꎬ根据规划约束条件在三维空间场景中选择观察点、划定三维控制线ꎬ同时对规划管控区域进行格网化离散处理ꎻ最后ꎬ基于观察点和三维控制线建立三维空间管控面ꎬ按照格网单元叠加多个管控面ꎬ以最小管控面高度和地形高差为建筑控制高度ꎬ生成建筑高度综合控制三维空间ꎮ

建筑高度控制是城市空间管控的主要内容ꎮ随着城

市服务产业的快速发展和土地价值的持续提升ꎬ城市高层建筑不断累积和聚集ꎬ在形成现代都市景观的同时ꎬ也对城市整体空间风貌造成了一定程度的破坏:高层建筑布局无序、城市密度和开发强度过高ꎬ视觉景观紊乱、城市特色丧失等[１]ꎮ在城市总体层面的高度形态控制可追溯至１９世纪以来西方国家先后兴起的城市美化运动、Ｚｏｎ￣ｉｎｇ法规制度[１]ꎮ目前ꎬ城市规划领域采用较多的几种高度控制方法有高度分区控制法[２]、眺望控制法[３]和天际线界面控制法[４]等ꎬ这些方法是控规体系内建设控制指标制定的重要依据ꎮ现有方法各有优劣ꎬ高度分区控制法能控制城市的整体空间ꎬ较为宏观ꎬ但控制精度不够ꎻ眺望控制法只研究城市重要的廊道空间ꎬ控制的区域有限ꎻ天际线界面控制法基于人行视角ꎬ控制精度较为精细ꎬ但其视点处于特殊的界面位置ꎬ难以对天际线以下的特殊景观要素的控制约束ꎬ缺乏基于多视点的灵活动态控制ꎮ优势日趋凸显[５]ꎬ也越来越广泛地服务于城市规

随着测绘技术手段的变革ꎬ三维空间信息技术的

划[６ꎬ７]、建设和管理[８]等领域ꎮ因此ꎬ需要充分研究地形地貌特征和规划管控要求ꎬ建立基于高程分析、视域分析、天际线分析等多因素约束的三维空间分析技术流程ꎬ强化对山系、水系、绿系的保护和利用[９]ꎮ

图１　总体技术路线

３　关键技术实现

３􀆰１　三维空间场景构建

三维空间可精细化地表达管控区域的现状ꎬ为建

２　建筑高度三维控制技术框架

∗　收稿日期:２０１９—０４—０９

筑高度控制提供地形地貌、建构筑物、景观生态等要素的支撑ꎮ本文设计构建的三维空间场景包括三维数字地形、三维建构筑物模型、实景三维模型以及等路网、

根据以上分析ꎬ为实现对建筑高度的精细化空间

作者简介:陈光(１９８４—)ꎬ男ꎬ博士ꎬ高级工程师ꎬ主要研究方向为三维ＧＩＳ集成应用ꎮ

基金项目:２０１８年重庆市技术创新与应用示范(产业类重大主题专项)(ｃｓｔｃ２０１８ｊｓｚｘ－ｃｙｚｔｚｘＸ００１５)ꎬ国家重点研发计划项目资助(２０１８ＹＦＢ０５０５４００)ꎬ重

庆市社会事业与民生保障科技创新专项(ｃｓｔｃ２０１７ｓｈｍｓＡ１２０００８)ꎮ

第６期陈光等􀆰多因素约束下的建筑高度三维控制方法

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地块、风貌管控、高程控制、观光点多源空间数据ꎬ在数据精确配准[１０]的前提下ꎬ采用文献[１１]提出的新型三维测绘地理信息产品集成建库方案对各类数据进行集成管理ꎮ以１∶５００地形图要素为实体单元映射关联多源空间数据ꎬ实现不同尺度数据管理的一致性ꎻ采用“二维空间索引＋三维空间索引”的混合索引结构ꎬ宏观尺度采用二维索引初级筛选ꎬ微观尺度采用三维空间索引精确定位待检索数据ꎮ

考虑到多源数据存在精度差异ꎬ如三维数字地形和实景三维模型在重叠位置存在接边问题ꎬ本文采用文献[１２]的多精度ＤＥＭ融合技术方法ꎬ以像素为单位按照３􀆰２　三维控制线定义

权重系统进行数据融合ꎬ形成无缝的三维空间场景ꎮ

传统的建筑高度控制方法通常以天际线或点状对

的约束ꎮ本研究实现在三维场景中以立体化的方式灵活表达约束条件ꎬ其核心是三维控制线ꎬ即以三维空间场景为载体ꎬ根据管控要求ꎬ以通视目标为参照绘制的三维折线对象(见图４中白色线条对象)ꎮ

本文所述的三维控制线是由一系列连续的三维点串构成ꎬ其控制效果为保证三维控制线高度以上的空间为可视空间ꎮ在绘制三维控制线时需要在重要可视保护位置增加节点ꎬ可根据地物要素的分布特征适当３􀆰３　多因素联合约束方法调整三维控制线节点间隔ꎮ

研究以观察点和三维控制线的通视为控制因素ꎬ

多因素是指多个观察点与多个三维控制线组合的通视约束ꎬ同时ꎬ兼顾控制区域内不同地块的地形高度ꎮ

假设以某一地块单元为控制对象ꎬ其地形海拔高为Ｈꎻ有多条视线从该地块对应的竖向立体空间穿过ꎬ各视线对应的海拔高分别为ｈ１ꎬｈ２ꎬ􀆺ꎬｈｎ(如图２所示)ꎬ则多因素约束下的建筑高度控制结果为式(１)ꎮ

Ｈｃｏｎｔｒｏｌ＝ｍｉｎ(ｈ１ꎬｈ２ꎬ􀆺ꎬｈｎ)－Ｈ

(１)

象的通视条件作为约束[１３ꎬ１４]ꎬ但在多因素条件叠加约束下的建筑高度控制应用中存在不足ꎮ例如ꎬ以多个观察点能够观察到多条特色山腰植被带和标志性建筑为约束条件ꎬ同时ꎬ最大化不同海拔地块内建筑高度的控制值ꎬ传统的建筑高度控制方法难以兼顾多个条件

图２　多因素联合约束原理图示

３􀆰４　建筑高度三维控制过程

根据区域概念性策划和总体规划方案抽取管控要

１２

Ｌ(ｐ１ꎬｐ２Ｌ１(ｘꎬｙꎬｚ))ꎬＬ(ｐＬ１(ｘꎬｙꎬｚ)ꎬｐＬ１(ｘꎬｙꎬｚ))ꎬ所有的

三角面共同拼接构成三维空间管控面ꎻ

素和条件ꎬ并将其转换为三维空间场景中的三维控制线ꎬ根据本文多因素联合约束方法开展建筑高度三维控制实施ꎬ具体操作步骤如下:

控面:在三维空间场景中确定景观观察点的三维坐标ꎬ依次连接观察点与三维控制线上的采样点ꎮ设三维视线在三维控制线上的采样距离为ｄꎬ从三维控制线Ｌ１

１

Ｌ１

整个管控范围以ｌｇｒｉｄ为单元格边长生成规则控制格网ꎬ考虑到山地城市地形高度变化较大ꎬ单元格边长的设的边长ꎻ

置与控制精度密切相关ꎬｌｇｒｉｄ宜小于建筑底面外接矩形

(３)基于多个三维空间管控面计算控制海拔高

(２)离散化规划管控区域ꎬ生成控制格网单元:对

(１)连接观察点与三维控制线ꎬ生成三维空间管

度:统计每个网格Ｇｉｊ对应位置的三维空间管控面的平均绝对高程(海拔高)Ｈｉｊꎬ并按照绝对高程值对每个网格进行竖向拉伸形成三维控制盒子ꎬ其中ꎬｉꎬｊ是当前网格在控制格网中对应的行列号ꎮ选择不同的三维空间管控平面重复执行上述步骤ꎬ得到三维控制盒子集合ꎮ当在同一格网中对应多个三维空间管控面ꎬ即获得多个绝对海拔高的情况ꎬ以绝对高程值的最小值

的起始点ｐ(ｘꎬｙꎬｚ)开始ꎬ按照采样距离获取采样点ꎬ假设采样点数量为ｎꎬ则可分别表示为ｐ１Ｌ１(ｘꎬｙꎬｚ)ꎬｐ(ｘꎬｙꎬｚ)􀆺ｐ(ｘꎬｙꎬｚ)ꎻ依次连接观察点ｐ１与采样点ꎬ形成三维视线集合Ｌｐ１ꎬ每对相邻的三维视线与对

２Ｌ１

ｎＬ１

应采样点连线构成一个三角面ꎬ如Ｌ(ｐ１ꎬｐ１Ｌ１(ｘꎬｙꎬｚ))ꎬ

１６

城　市　勘　测２０１９年１２月

Ｈｉｊｍｉｎ作为该控制网格的绝对控制高程ꎮ

需要以高精度的三维数字地形为参考基础ꎬ统计得到上述生成每个网格Ｇｉｊ对应的平均地形高程Ｈｉｊｔｅｒｒａｉｎꎬ利用控制网格对应的绝对高程Ｈｉｊ减去平均地形高程

ｉｊＨｉｊｔｅｒｒａｉｎ得到该控制网格位置的建筑高度控制值Ｈｃｏｎｔｒｏｌꎮ

(４)计算建筑相对控制高度:三维建筑高度控制

建筑高度控制值拉伸生成三维控制柱体ꎬ柱体的底面高度为对应的平均地形高程Ｈｉｊｔｅｒｒａｉｎꎬ整个管控区域的三(５)输出三维可视化模型:根据每个控制网格的

维控制柱体共同构成了区域建筑高度三维控制盒子ꎮ

本文建筑高度三维控制分析结果可在规划建筑方案审核环节提供分析支撑ꎬ将总体设计方案中的三维建筑体块和建筑高度三维控制盒子进行叠加ꎬ通过三维可视化检查可直观发现建筑高度超限的建筑对象ꎻ也可以以建筑方案不超过三维控制盒子作为审核要求ꎬ利用三维空间拓扑分析自动检查超出控制盒子的建筑对象ꎬ从而实现对建筑高度的精细控制ꎮ

４　技术应用实践

为了验证方法的有效性ꎬ本文选择重庆市广阳岛重

５１.４点策划和规划项目为应用对象ｋｍꎬ核心规划区面积为

２础ꎬ利用本文技术方法开展了三维建筑高度控制分析和ꎬ以区域整体概念性策划和总体规划要求为基方案检验工作ꎮ规划区三维实景数据如图３所示ꎮ

图３　广阳岛三维空间管控数据场景

根据景观要素通视条件的控制要求ꎬ利用本项目多因素约束下的建筑高度控制方法ꎬ在三维空间场景中ꎬ根据控制要求手工绘制三维控制线(如图４所示)ꎬ即在三维控制线位置ꎬ应保持控制线以上空间的可视条件ꎮ选择眺望点ꎬ分别连接不同眺望点和三维控制线ꎬ形成三维视线ꎮ

图４　三维视线与三维控制线俯视图(红色为三维视线ꎬ白色为三维控制线)

通过三维视线的侧视图(图５)可以看到三维视线在三维空间中形成一张控制网ꎬ三维视线覆盖区域的建筑高度控制要求为:建筑高度不超过三维视线在对应位置的高度ꎮ结合精细的三维数字地形ꎬ即可得到每个地块的绝对建筑高度限值ꎮ

图５　三维视线侧视图

图６　建筑高度三维控制盒子示意图

对三维视线进行插值ꎬ形成三维控制面ꎬ以５ｍ为控制尺度绘制管控区域内的规则格网ꎬ叠加格网、三维控制面和三维地形ꎬ获得每个格网对应的建筑控制高度ꎮ将格网按照控制高度拉伸为体块ꎬ并与地形贴合ꎬ形成对整个区域的三维空间的高程控制模型(如图６所示)ꎬ其中ꎬ同时以颜色表达建筑高度控制值的大小ꎬ

第６期陈光等􀆰多因素约束下的建筑高度三维控制方法

１７

蓝色到红色表示高程控制值逐渐升高ꎮ

ｌｉｎｇｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇｓｉｎＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈａｎｄＧＩＳ:Ａ３ＤｔｏｏｌｆｏｒＵｒ￣ＡｐｐｌｉｅｄＧｅｏｓｐａｔｉａｌＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬ２０１７ꎬ１(２):４４~４８.设计方法[Ｊ].规划师ꎬ２０１５ꎬ３１(０５):４９~５４.

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[６]　

薛梅ꎬ邱月ꎬ唐相桢.基于地理设计的城市三维空间形态

本文以三维空间场景和规划设计中建筑高度管控

要求为基础ꎬ通过三维管控要素的划定和三维空间分析手段ꎬ计算得到管控区域内每个位置的建筑高度量化控制结果ꎬ充分顾及了地形地貌特征、天际线界面和景观眺望等控制因素ꎬ让建筑高度控制有据可依ꎬ提升建筑高度控制的科学性和系统性ꎬ为城市规划设计的指标落地提供有效支撑ꎬ同时ꎬ基于新型的三维测绘数据产品ꎬ建立了与规划设计团队的合作机制ꎬ更好地发挥了新型基础测绘的服务保障作用ꎮ

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Ｔｈｒｅｅ－ＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＣｏｎｔｒｏｌＭｅｔｈｏｄｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＨｅｉｇｈｔＵｎｄｅｒ

Ｍｕｌｔｉ－ＦａｃｔｏｒＣｏｎｓｔｒａｉｎｔ

(１􀆰ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＳｕｒｖｅｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１１２１ꎬＣｈｉｎａꎻ

ＣｈｅｎＧｕａｎｇ１ꎬ２ꎬＸｕｅＭｅｉ１ꎬ２

２􀆰ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＣｅｎｔｅｒｏｆＳｐａｔｉｏｔｅｍｐｏｒａｌＢｉｇＤａｔａｉｎＳｍａｒｔＣｉｔｙꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇ４０１１２１ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｈｅｉｇｈｔｗｉｔｈｉｎｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅｒａｎｇｅꎬａｒｅａｌｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅ

ｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｂｙｕｓｉｎｇｍｕｌｔｉ－ｓｏｕｒｃｅｓｐａｔｉａｌｄａｔａｒｅｓｏｕｒｃｅｓ.Ｔｈｅｎꎬｗｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｓｅｔｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｈｅｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｔｅｃｈ￣ｆａｃｔｏｒｓ.Ｆｉｎａｌｌｙꎬｆｏｒｍｉｎｇｍａｎｙｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｂｏｘｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｂｕｉｌｄｉｎｇｈｅｉｇｈｔ.Ｂｙｐｒｏｖｉｄｉｎｇｓｃｈｅｍｅｄｅｍｏｎ￣ｉｓｖａｌｉｄꎬａｎｄｔｈｅｄａｔａｓｕｐｐｏｒｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｉｔｙｏｆｔｈｅｐｌａｎｎｉｎｇｐｒｏｊｅｃｔａｒｅｉｍｐｒｏｖｅｄ.

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｌａｎｎｉｎｇꎻｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎꎻｂｕｉｌｄｉｎｇｈｅｉｇｈｔꎻｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｓｐａｃｅ－ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｌｉｎｅｓꎻｃｏｎｔｒｏｌｂｏｘ