多因素約束下的建筑高度三維控制方法

陳光，薛梅

(1.重慶市勘測院，重慶 401121； 2.智慧城市時空大數(shù)據(jù)重慶市工程研究中心，重慶 401121)

1 引 言

建筑高度控制是城市空間管控的主要內(nèi)容。隨著城市服務(wù)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和土地價值的持續(xù)提升，城市高層建筑不斷累積和聚集，在形成現(xiàn)代都市景觀的同時，也對城市整體空間風(fēng)貌造成了一定程度的破壞：高層建筑布局無序、城市密度和開發(fā)強度過高，視覺景觀紊亂、城市特色喪失等[1]。在城市總體層面的高度形態(tài)控制可追溯至19世紀(jì)以來西方國家先后興起的城市美化運動、Zoning法規(guī)制度[1]。目前，城市規(guī)劃領(lǐng)域采用較多的幾種高度控制方法有高度分區(qū)控制法[2]、眺望控制法[3]和天際線界面控制法[4]等，這些方法是控規(guī)體系內(nèi)建設(shè)控制指標(biāo)制定的重要依據(jù)?，F(xiàn)有方法各有優(yōu)劣，高度分區(qū)控制法能控制城市的整體空間，較為宏觀，但控制精度不夠；眺望控制法只研究城市重要的廊道空間，控制的區(qū)域有限；天際線界面控制法基于人行視角，控制精度較為精細(xì)，但其視點處于特殊的界面位置，難以對天際線以下的特殊景觀要素的控制約束，缺乏基于多視點的靈活動態(tài)控制。

隨著測繪技術(shù)手段的變革，三維空間信息技術(shù)的優(yōu)勢日趨凸顯[5]，也越來越廣泛地服務(wù)于城市規(guī)劃[6，7]、建設(shè)和管理[8]等領(lǐng)域。因此，需要充分研究地形地貌特征和規(guī)劃管控要求，建立基于高程分析、視域分析、天際線分析等多因素約束的三維空間分析技術(shù)流程，強化對山系、水系、綠系的保護和利用[9]。

2 建筑高度三維控制技術(shù)框架

根據(jù)以上分析，為實現(xiàn)對建筑高度的精細(xì)化空間管控與落地，本文研究建立了一種多因素約束下的建筑高度三維控制方法，總體技術(shù)流程如圖1所示。首先，構(gòu)建管控區(qū)域三維空間場景，包括三維數(shù)字地形和三維建筑模型；其次，根據(jù)規(guī)劃約束條件在三維空間場景中選擇觀察點、劃定三維控制線，同時對規(guī)劃管控區(qū)域進行格網(wǎng)化離散處理；最后，基于觀察點和三維控制線建立三維空間管控面，按照格網(wǎng)單元疊加多個管控面，以最小管控面高度和地形高差為建筑控制高度，生成建筑高度綜合控制三維空間。

圖1 總體技術(shù)路線

3 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

3.1 三維空間場景構(gòu)建

三維空間可精細(xì)化地表達管控區(qū)域的現(xiàn)狀，為建筑高度控制提供地形地貌、建構(gòu)筑物、景觀生態(tài)等要素的支撐。本文設(shè)計構(gòu)建的三維空間場景包括三維數(shù)字地形、三維建構(gòu)筑物模型、實景三維模型以及等路網(wǎng)、地塊、風(fēng)貌管控、高程控制、觀光點多源空間數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)精確配準(zhǔn)[10]的前提下，采用文獻[11]提出的新型三維測繪地理信息產(chǎn)品集成建庫方案對各類數(shù)據(jù)進行集成管理。以 1∶500地形圖要素為實體單元映射關(guān)聯(lián)多源空間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同尺度數(shù)據(jù)管理的一致性；采用“二維空間索引+三維空間索引”的混合索引結(jié)構(gòu)，宏觀尺度采用二維索引初級篩選，微觀尺度采用三維空間索引精確定位待檢索數(shù)據(jù)。

考慮到多源數(shù)據(jù)存在精度差異，如三維數(shù)字地形和實景三維模型在重疊位置存在接邊問題，本文采用文獻[12]的多精度DEM融合技術(shù)方法，以像素為單位按照權(quán)重系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)融合，形成無縫的三維空間場景。

3.2 三維控制線定義

傳統(tǒng)的建筑高度控制方法通常以天際線或點狀對象的通視條件作為約束[13，14]，但在多因素條件疊加約束下的建筑高度控制應(yīng)用中存在不足。例如，以多個觀察點能夠觀察到多條特色山腰植被帶和標(biāo)志性建筑為約束條件，同時，最大化不同海拔地塊內(nèi)建筑高度的控制值，傳統(tǒng)的建筑高度控制方法難以兼顧多個條件的約束。本研究實現(xiàn)在三維場景中以立體化的方式靈活表達約束條件，其核心是三維控制線，即以三維空間場景為載體，根據(jù)管控要求，以通視目標(biāo)為參照繪制的三維折線對象(見圖4中白色線條對象)。

本文所述的三維控制線是由一系列連續(xù)的三維點串構(gòu)成，其控制效果為保證三維控制線高度以上的空間為可視空間。在繪制三維控制線時需要在重要可視保護位置增加節(jié)點，可根據(jù)地物要素的分布特征適當(dāng)調(diào)整三維控制線節(jié)點間隔。

3.3 多因素聯(lián)合約束方法

研究以觀察點和三維控制線的通視為控制因素，多因素是指多個觀察點與多個三維控制線組合的通視約束，同時，兼顧控制區(qū)域內(nèi)不同地塊的地形高度。

假設(shè)以某一地塊單元為控制對象，其地形海拔高為H；有多條視線從該地塊對應(yīng)的豎向立體空間穿過，各視線對應(yīng)的海拔高分別為h1，h2，…，hn(如圖2所示)，則多因素約束下的建筑高度控制結(jié)果為式(1)。

Hcontrol=min(h1，h2，…，hn)-H

(1)

圖2 多因素聯(lián)合約束原理圖示

3.4 建筑高度三維控制過程

根據(jù)區(qū)域概念性策劃和總體規(guī)劃方案抽取管控要素和條件，并將其轉(zhuǎn)換為三維空間場景中的三維控制線，根據(jù)本文多因素聯(lián)合約束方法開展建筑高度三維控制實施，具體操作步驟如下：

(2)離散化規(guī)劃管控區(qū)域，生成控制格網(wǎng)單元：對整個管控范圍以lgrid為單元格邊長生成規(guī)則控制格網(wǎng)，考慮到山地城市地形高度變化較大，單元格邊長的設(shè)置與控制精度密切相關(guān)，lgrid宜小于建筑底面外接矩形的邊長；

本文建筑高度三維控制分析結(jié)果可在規(guī)劃建筑方案審核環(huán)節(jié)提供分析支撐，將總體設(shè)計方案中的三維建筑體塊和建筑高度三維控制盒子進行疊加，通過三維可視化檢查可直觀發(fā)現(xiàn)建筑高度超限的建筑對象；也可以以建筑方案不超過三維控制盒子作為審核要求，利用三維空間拓?fù)浞治鲎詣訖z查超出控制盒子的建筑對象，從而實現(xiàn)對建筑高度的精細(xì)控制。

4 技術(shù)應(yīng)用實踐

為了驗證方法的有效性，本文選擇重慶市廣陽島重點策劃和規(guī)劃項目為應(yīng)用對象，核心規(guī)劃區(qū)面積為 51.4 km2，以區(qū)域整體概念性策劃和總體規(guī)劃要求為基礎(chǔ)，利用本文技術(shù)方法開展了三維建筑高度控制分析和方案檢驗工作。規(guī)劃區(qū)三維實景數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 廣陽島三維空間管控數(shù)據(jù)場景

根據(jù)景觀要素通視條件的控制要求，利用本項目多因素約束下的建筑高度控制方法，在三維空間場景中，根據(jù)控制要求手工繪制三維控制線(如圖4所示)，即在三維控制線位置，應(yīng)保持控制線以上空間的可視條件。選擇眺望點，分別連接不同眺望點和三維控制線，形成三維視線。

圖4 三維視線與三維控制線俯視圖(紅色為三維視線，白色為三維控制線)

通過三維視線的側(cè)視圖(圖5)可以看到三維視線在三維空間中形成一張控制網(wǎng)，三維視線覆蓋區(qū)域的建筑高度控制要求為：建筑高度不超過三維視線在對應(yīng)位置的高度。結(jié)合精細(xì)的三維數(shù)字地形，即可得到每個地塊的絕對建筑高度限值。

圖5 三維視線側(cè)視圖

圖6 建筑高度三維控制盒子示意圖

對三維視線進行插值，形成三維控制面，以 5 m為控制尺度繪制管控區(qū)域內(nèi)的規(guī)則格網(wǎng)，疊加格網(wǎng)、三維控制面和三維地形，獲得每個格網(wǎng)對應(yīng)的建筑控制高度。將格網(wǎng)按照控制高度拉伸為體塊，并與地形貼合，形成對整個區(qū)域的三維空間的高程控制模型(如圖6所示)，其中，同時以顏色表達建筑高度控制值的大小，藍(lán)色到紅色表示高程控制值逐漸升高。

5 結(jié) 論

本文以三維空間場景和規(guī)劃設(shè)計中建筑高度管控要求為基礎(chǔ)，通過三維管控要素的劃定和三維空間分析手段，計算得到管控區(qū)域內(nèi)每個位置的建筑高度量化控制結(jié)果，充分顧及了地形地貌特征、天際線界面和景觀眺望等控制因素，讓建筑高度控制有據(jù)可依，提升建筑高度控制的科學(xué)性和系統(tǒng)性，為城市規(guī)劃設(shè)計的指標(biāo)落地提供有效支撐，同時，基于新型的三維測繪數(shù)據(jù)產(chǎn)品，建立了與規(guī)劃設(shè)計團隊的合作機制，更好地發(fā)揮了新型基礎(chǔ)測繪的服務(wù)保障作用。