顾及天际线保护的三维高度控制方法研究

王 红

(1. 北京市测绘设计研究院, 北京 100038; 2. 城市空间信息工程北京市重点实验室, 北京 100038)

0 引言

北京市新版城市总体规划提出 “一核一主一副、两轴多点一区”的城市空间结构,构建北京新的城市发展格局。密云分区规划中也明确了城市功能定位,作为国家生态文明示范区,要严格控制开发强度,保持适宜的建设规模和密度,严格控制城市基准高度,形成望山见水、绿城共融、舒朗有致的城市风貌。对于新城集中建设区即密云城区,构建望水廊道和观山廊道,形成城市功能组团与自然山水环境相融合的城市空间形态。

为了研究城市三维空间形态关系[1-2]、构建密云区自然生态环境新格局,本研究对密云区重点景观的天际线进行分析。天际线作为重要的城市特色空间要素,也是城市设计的重点之一,由山体、植被等自然要素及建筑轮廓共同构成[3-5]。通过天际线的分析,确定景观视廊上需要保护或者恢复的范围,通过三维高度分析方法,定量计算建构筑物的控制高度,用于城市更新和发展进程中提供准确的定量数据支撑。

1 研究方法

1.1 城市天际线

天际线是指图像中天空与非天空的分界线,把以天空为背景的图像分割成天空与非天空(如山脉、建筑、江河、大地等)区域[6]。采用移动扫描车或者便携式相机采集密云主要景观区域的影像数据,通过智能化识别影像中的天际线并进行三维空间实体化处理。

为了保护天际线不因为过度建设而被破坏,对城市建设高度控制使用视觉分析法进行高度计算。

1.2 控制计算原理

采用视觉分析法进行计算，计算原理如图1所示。将控制区域划分为均匀的正方形单元格网,基于准确的地面和山体的三维地形数据、现状建构筑物的三维模型数据,采用通视视线分析方法,以山脊线的1/3为竖向的观测目标,在三维场景中计算每个单元格网的临界高度控制值,如图1中h1、h2、h3分别代表不同格网的高度控制值，以保证视线望山且留白的目标。

图1 视觉分析法计算原理图

1.3 研究对象

考虑密云区城市功能定位,从公众的视角,重点研究分析密云区的主要交通干道、居民日常居住点、重要城市节点等位置,对天际线进行现状分析,以景观保护和恢复为目标,采用三维高度分析的方法定量研究对应景观视廊上的建构筑物高度控制。

2 技术路线

本研究基于三维地形数据和观测点，确定山脊线和景观视廊的位置及范围，根据地形图和现状建筑三维数据确定控制区域范围，采用视觉分析方法进行控制高度计算，确定格网和地块尺度的控制高度，总体技术路线如图2所示。

图2 总体技术路线

2.1 数据准备工作

2.1.1基础数据准备

收集和整理研究区域内三维地形模型地形图、影像图、建筑边框等数据。

2.1.2规划数据准备

收集和整理新城规划图、规划实施情况等规划数据。

2.2 观测点设计

基于人类视觉感知的视觉分析方法[7],从主要交通干道、居民日常居住点、重要城市节点等位置进行选择。在研究区域内选定47个观测点。主要交通干道沿线10个,主要分布在101国道、京承高速、密关路沿线。居民日常驻足点18个,主要分布在潮汇大桥、白河、奥体公园、鱼街、飞鸿世纪园、顺密路、左堤路、密三路等区域。重要城市节点3个,主要分布在长城环岛、水库宾馆。

通过对观测点的现场踏勘进行核查,同时实地观察观测点周边景观空间形态及天际线现状。

2.3 街景数据采集

通过移动扫描车采集观测点位置的街景数据,其中移动扫描车上搭载的全景相机是由水平分布的4台相机集成,通过4台相机同时拍摄多视角的影像,对影像进行畸变改正后,根据相机曝光时间、行车轨迹、相机标定参数计算每一张照片的曝光位置和姿态。结合图像匹配算法,自动生成拼接效果好、色彩丰富均匀、几何定位精度高的全景影像。

根据观测点的空间定位与街景数据进行位置匹配,对于扫描车无法行驶的区域,则使用手持设备补充采集多角度影像后,与观测点位置进行关联。

2.4 天际线现状分析

采用基于深度学习的图像识别方法对街景影像进行分类、检测、分割生成初步天际线,后进一步完善平滑度和连续性。为了建立多层次的、自然环境与人工环境相协调发展的天际线形象,根据要素与观测点的距离,在水平方向上将天际线场景从近至远依次分为前景、中景、后景三个层次,并对每个层次进行更细粒度的划分以求更精确定位。

目标为以生态景观与前景建筑紧密结合,作为前景天际线;以城市建设主体作为中景天际线,重点塑造标志性空间形象;以腹地建筑作为后景(远景)天际线,塑造连续平缓的背景轮廓。对于严重偏离或者高度契合目标的天际线部分,重点筛选,并在水平空间上与相应的范围内的建构筑物进行关联[8-10]。

2.5 三维场景整合

基于数字高程模型数据、数字正射影像数据制作三维基础地形,用于获取地面观测点高程和三维空间的山脊线。

基于激光点云数据生成的数字表面模型,自动生成现状建构筑物三维灰体模型,用于三维高度分析中遮挡建筑的数据基础。

将三维地形模型、三维山脊线、建构筑物三维模型、三维观测点以及各观测点与山体形成的观山视廊,进行整合,形成空间位置和高度准确的三维场景。

2.6 山脊线选择

在三维场景下,对每一选定观测点的视野角度进行山脊线勾取,根据观测点与密云周边山脉的位置关系勾绘,并下调山体高度的1/3作为留白区域。通过对观测点的现场踏勘进行核查,到观测点与实际观测山脊线进行对比,验证山脊线的合理性。

2.7 景观视廊筛选

通过天际线现状分析，筛选出重点分析的天际线分段部分，从而定量化地确定从观测点到重点天际线的景观视廊的角度、方位和范围，制作形成需要研究的景观保护视廊。

2.8 三维高度分析软件

2.8.1各观测点高度分析

基于视觉分析法研发了三维高度控制软件,将密云区域内700 km2的高度控制区划分成30 m×30 m的格网,以观测点可观测到山脊线并有一定留白为目标,基于三维场景数据计算每一个格网的高度限制。在计算过程中考虑建成区建构筑物对于目标格网单元空间位置上的视线遮挡。

2.8.2高度综合分析

叠加所有观测点网格图,综合统计并选取同一格网在不同观测点上控制高度的最小值作为该格网单元的控制高度值,以保证各个观测点上均形成保护或者恢复的视廊。

2.9 高度控制应用

2.9.1主要景观区域通视现状

通过密云高度分析,得到密云主要交通干道、重要城市节点等景观的区域通视现状,如两河交汇处、潮汇大桥、京承高速路口、水景街等景观的区域通视范围,为密云区主要景观的城市设计做辅助决策支撑。

2.9.2规划地块高度限制

通过观测点的高度综合分析,得到密云规划地块高度限制的最高值和最低值,将地块分割成30 m×30 m的网格,细化地块内网格控制高度,辅助用地的精细化管理。

2.9.3将高度控制精细到建筑物尺度

针对具体建设项目,将高度控制区的30 m×30 m的计算格格网,细化到1 m×1 m的计算格网,便于在地块层面实现更细颗粒度的规划和城市设计管控。

2.9.4显山露水

研究河道、道路两侧的退线高度,并将其高度控制与要素一起进行综合分析,为山水景观展现提供依据,更好地展示密云区的自然景观格局。

3 分析案例

3.1 飞鸿世纪园天际线分析

从飞鸿世纪园的北侧的白河西大桥拍摄全景照片生成天际线,天际线主要由山体、植被、建筑等要素构成。

如图3所示,在北-东-南方向上的天际线,植被占比较大,约占二分之一;建筑在天际线占比约为三分之一;而山体占比不到天际线的四分之一。其中,前景天际线紧密结合了自然生态景观,整体构图以水平扩展为主,中景天际线主要以建筑为主,由中层、高层建筑混合构成,缺乏地标性建筑,后景天际线由山体和植被构成,形成了自然连续的背景轮廓;在纵向方向上,前景、中景、后景各个层次天际线高度相近、难以区分,缺乏层次感。

图3 飞鸿世纪园北-东-南方向天际线

在南-西-北方向上,前景、中景建筑的轮廓线构成了天际线主要组成部分。从图4中可见,天际线整体上看建筑、开敞空间及城市道路之间相互关联,形成了高低错落、虚实相间的韵律感,但建筑间高度差异未实现良好的衔接,天际线曲线变化缺乏连续性和平缓的协调性。前景建筑在纵向上高度变化明显,表现出鲜明的层次感。后景天际线主要由植被和山体组成,天际线的中景由高度较低的建筑构成,天际线整体的丰富度较低,且显山度较低。可通过适当降低前景的建筑高度或者适当提升中景和后景的建筑高度,来增强天际线的丰富度;通过控制现状可视山体视线范围内的建筑高度,来维持显山度现状。

图4 飞鸿世纪园南-西-北方向天际线

3.2 观测点控制高度

图5中矩形框内的山体是该观测点天际线的重要组成部分,位于观测点南偏东方向,对飞鸿世纪园周边自然风貌具有很重要的作用,因此需要对后景山体风貌进行重点保护,保持景观视廊的畅通和后景的通透性,严格控制视廊上建筑群体的高度,防止过度建设造成的自然景观和视觉通廊的破坏。

图5 飞鸿世纪园重点天际线

如图6所示,扇形阴影区域为对应南向天际线中山体的重点保护控制区,应对该区域范围内建筑物的建设高度进行严格控制,保护“留白”区域。潮河北岸附近,建筑高度最高不超过100 m。从潮河北岸到飞鸿世纪园,越靠近观测点的区域建筑高度控制值越小,白河附近可建高度不超过40 m。

图6 飞鸿世纪园重点天际线保护区

4 结束语

通过定量科学的计算方法,实现了基于三维高度控制方法对重点天际线景观保护的技术路线。在城市更新进程中,能够有效地辅助城市未来发展规划,在城市主要的开敞空间沿线建筑景观界面上,形成错落有致的城市天际线。塑造连续而有节奏的、优美的轮廓曲线。强调曲线变化的连续性、虚实相间的韵律感、视觉中心的标志性,充分保护好自然景观,将密云城市建设与保障首都可持续发展重要任务协调共生。