基于城市数字高程模型的三维开阔度研究

摘要

城市开敞空间形态与城市物理环境、城市景观特征密切相关。“开阔度(Openness)”是通过对某一点可视空间特征的描述，反映其周围地形地物对该点物理辐射及视线的遮蔽影响，是对开敞空间开阔程度的定量描述。针对原有开阔度模型单一、无法有效表达开敞空间的多种形态特征以及忽视视点下方空间等局限性，本文提出了三维开阔度模型，通过对三维可视空间形态分析，构建了相关分析指标，并对基于城市数字高程模型三维开阔度模型的实现方法、参数设置以及模型有效性等进行了相关研究，最后以南京老城区部分区域为例进行分析验证。本研究旨在有效刻画开敞空间的三维形态特征，进一步完善了开阔度的理论模型，为城市设计、城市景观、城市规划等方面应用提供可量化的参考依据。论文的主要内容如下：
　　1.提出了三维开阔度的概念模型
　　开敞空间的开阔程度量化分析是通过空间中某一点的可视空间形态特征来反映的。本文在分析原有开阔度模型局限性的基础上，提出了改进的三维开阔度模型，明确了包括视点、视线、障碍物和人眼最大可视距离等模型要素，以及模型适用范围。
　　通过对三维可视空间的形态解析与综合，分别从可视空间的层次性、错落性、方向性以及综合分析四个角度构建了量化分析指标：(1)从单一立面角度构建了障碍点阶梯数、阶梯高宽比两个量化指标，分别从层次数量、层次变化明显程度反映了开敞空间在单一水平方向呈现的阶梯式层次性特征。(2)从多个立面的最大障碍点垂直变化角度，借助天际轮廓线构建了起伏频率和起伏频度两个量化指标，分别从可视空间在不同水平方向上的高差变化频繁程度和变化剧烈程度两个方面反映了开敞空间高低起伏的错落性特征。(3)从多个立面的最大障碍点对视点遮蔽效应角度，利用球面投影将障碍点信息投影至二维平面，借助景观生态学的相关理论，构建了形状指数、开阔偏度、开阔连通度和开阔廊道方向四个指标，分别从可视空间平面投影的复杂性、可视空间在各个方向的均匀程度、可视空间在某一方向上的通达程度以及最大开阔角度四个方面反映三维开阔度的方向性特征。(4)从综合角度，将可视空间与最大视域球体的体积之比作为综合分析指标，直观反映三维开阔度的总体特征。
　　2.提出了基于UDEM三维开阔度模型实现方法及参数研究
　　研究基于城市数字高程模型(UDEM)的三维开阔度模型的实现算法，对模型重要参数进行分析，选取适合南京老城区的三维开阔度模型参数，并通过模拟数据验证了基于城市数字高程模型的三维开阔度模型的精度及其有效性。
　　3.南京市老城区三维开阔度例证分析
　　选取南京市老城区多种用地类型样区内的单一视点、主干道线状分布的多视点以及典型街区面状分布的多视点对三维开阔度模型进行例证分析。结果表明，三维开阔度模型能够反映城市开敞空间的开阔程度，分别从层次性、错落性、方向性和综合性角度量化其开阔度特征，符合人们的直观认识。
　　本研究将原有的单一量化值扩展为一组量化指标，将原有的单一计算模型扩展为混合计算模型，更精确地量化开敞空间的开阔度特征；将原有的半球模型扩展为全球模型，使计算范围扩展到最大角度，从而完善了开阔度的理论研究，为城市三维开敞空间的研究提供可以借鉴的理论与方法，其指标计算结果为城市设计、景观评价、建筑物理环境评价等实际应用提供了客观依据。

目录

文摘

英文文摘

基金项目

图目录

表目录

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

1.1.2 研究意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 城市开敞空间相关研究

1.2.2 城市开阔度理论研究

1.2.3 城市开阔度算法研究

1.2.4 开阔度模型应用研究

1.2.5 UDEM相关研究

1.2.6 讨论

1.3 研究内容与论文组织

1.3.1 研究目标

1.3.2 研究内容

1.3.3 研究方法与技术路线

1.3.4 论文组织

第2章 研究区与数据

2.1 研究样区

2.1.1 研究区域选择

2.1.2 研究区域概况

2.2 研究数据

2.3 小结

第3章 三维开阔度概念模型及实现

3.1 城市三维开阔度的概念

3.1.1 原有概念及其局限性

3.1.2 三维开阔度的概念

3.1.3 三维开阔度的要素

3.1.4 三维开阔度模型的适用范围

3.2 三维开阔度量化指标

3.2.1 三维开阔度量化指标选取原则

3.2.2 三维视域空间形态解析

3.2.3 三维开阔度量化指标构建

3.3 基于UDEM的三维开阔度模型实现

3.3.1 基于UDEM的三维开阔度模型实现

3.3.2 基于UDEM模型实现的参数选择

3.3.3 基于UDEM模型实现验证

3.4 小结

第4章 基于UDEM的南京三维开阔度例证分析

4.1 城市不同用地类型三维开阔度分析

4.2 城市主干道三维开阔度分析

4.3 典型住宅街区的开阔度

4.3.1 三维开阔度水平分异特征分析

4.3.2 三维开阔度垂直分异特征分析

4.3.3 三维开阔度综合变化特征分析

4.4 小结

第5章 结论与展望

5.1 主要工作及结论

5.2 存在的不足与研究展望

参考文献

在读期间发表的学术论文及研究成果

致谢