[发明专利]一种城市三维空间圈层结构计算方法

说明书

一种城市三维空间圈层结构计算方法，包括：获取城市要素数据中的建筑物数据；利用建筑物数据，通过改进径向分布函数，构建城市三维空间圈层结构模型；根据城市三维空间圈层结构模型，提取模型的纹理指标；根据三维空间圈层结构模型提取的纹理指标，对城市三维空间形态进行量化描述。本发明构建的模型能够获取任意点周围的城市要素的纹理分布曲线，通过提取曲线的量化指标能够研究各类要素的三维空间分布。并能够将其应用到不同的城市研究中。本发明的模型弥补了传统模型中无法量化城市中要素的三维分布形态的这一缺陷，本发明构建的模型能够为分析城市的空间感知、热环境、生态环境、建筑空间规划等提供更为准确的工具。

技术领域

本发明属于地理空间信息系统技术领域，特别是一种城市三维空间圈层结构计算方法。

背景技术

城市内部空间结构的变化复杂，从微观角度出发，研究城市构成要素在空间上的分布形式与相互作用，包括城市人口、城市社会经济、城市建筑、城市生态环境组成等要素的空间分布形式与组合特征。探索城市内要素的分布结构是分析城市空间形态的基本内容之一。由于土地的需求量日益加大，导致城市的发展空间逐步向城市上空的延伸，城市形态具有显著的三维特征，这些特征使得城市三维立体空间中的环境也随着建筑物的延伸而发生变化。这些三维要素的产生和变化影响到了城市的环境、功能等方面。及时高效地了解城市三维空间形态，能够为城市建筑规划及生态环境管理提供依据。

随着时空大数据的出现，城市形态的研究层出不穷，然而目前的这些研究均忽略了对三维局部空间中各类城市要素的分布形态的关注。这种分布形态包括要素的具体的数量特征和抽象的空间特征，即为要素空间分布的纹理特征。以建筑物要素为例，目前针对城市内建筑物要素的研究主要分为两部分：(1)通过分析城市中建筑物的分布结构特征分析城市物理结构和景观形态特征；(2)通过提取建筑物的特征信息，分析城市热岛效应等与大气、温度等能源和环境相关的问题。但是就目前的研究来看，大多的研究集中于从单个建筑物的具体形态特征出发来分析建筑物的空间分布，和从城市整体空间出发探究城市建筑面积的变化。这些研究的尺度均集中于单个建筑物和整个城区，忽略了在建筑物群体尺度上，其自身的分布规律和特征。近年来，尽管一些研究已经开始关注建筑群体的形态特征，这些研究大多只能量化出建筑物的数量特征(例如建筑物的平均高度、区域密度等)，而忽略了建筑物群体的分布形态(即建筑物纹理特征)。城市内的建筑物以群体和组团的形式存在，每个建筑物群体的分布形态各不相同，这是形成城市内局部气候差异的主要因素之一。已有研究在建筑物群体尺度设计实验证明了，城市内的二维建筑纹理特征与城市热岛效益之间具有显著的相关性。然而，随着城市越来越多的高层建筑涌现，三维空间上的分布特征能更真实准确的反映建筑物群体分布的现状。受限于建筑物的三维纹理形态复杂且抽象，难以准确量化，目前还没有研究提出有效的提取三维建筑群体分布特征的模型，对城市三维空间圈层结构进行计算。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种城市三维空间圈层结构计算方法。

一种城市三维空间圈层结构计算方法，包括：

S100.获取城市要素数据，例如建筑物；

S200.基于建筑物数据，通过改进径向分布函数，构建城市三维空间圈层结构模型；

S300.根据城市三维空间圈层结构模型，提取出建筑物在三维空间上的纹理特征；

S400.根据三维空间圈层结构模型提取的纹理特征，对建筑物在城市三维空间的分布形态进行量化描述。

进一步地，S200具体方法为：选定球心C，并且为建筑物与地平面的交点，由球心向外每隔δr的距离形成一个三维半球体圈层，并在每个圈层中计算一次g(ri)，其中，g(ri)表示的是建筑物在距离球心C距离为r处的球面上出现的概率密度。

进一步地，g(ri)计算公式如下：