劉亞楠，丁建勛

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015)

基于時(shí)間動(dòng)畫的城市建筑建設(shè)發(fā)展模擬研究

劉亞楠*，丁建勛

(珠海市測(cè)繪院，廣東 珠海 519015)

針對(duì)城市建設(shè)建筑發(fā)展模擬存在的問題，總結(jié)出一種基于時(shí)間動(dòng)畫的模擬方法來反映出其動(dòng)態(tài)發(fā)展變化過程。該模型能根據(jù)模擬過程的動(dòng)態(tài)變化與相應(yīng)的定性、定量、定位等因素指標(biāo)，提出相應(yīng)的規(guī)劃規(guī)則用于模擬城市建設(shè)過程中的某個(gè)時(shí)間點(diǎn)的建設(shè)情況。同時(shí)通過與地圖動(dòng)畫顯示技術(shù)的結(jié)合，該模型可以較好展現(xiàn)建筑建設(shè)發(fā)展的動(dòng)態(tài)情況。

建筑建設(shè)發(fā)展模擬；時(shí)態(tài)GIS；動(dòng)態(tài)顯示；時(shí)間動(dòng)畫

1 引 言

城市建筑建設(shè)發(fā)展模擬是指所有意圖描述城市建筑建設(shè)發(fā)展情況的交互以及動(dòng)態(tài)發(fā)展過程的可操作化的模擬[1]。在城市建筑過程中，通常模擬結(jié)果只是按照規(guī)劃方案生成完成時(shí)的建設(shè)情況，而依據(jù)規(guī)劃策略建設(shè)城市是一個(gè)長(zhǎng)期的過程，該過程會(huì)按照規(guī)劃策略中所規(guī)定的定性、定量、定位三方面進(jìn)行[2]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于城市建筑建設(shè)發(fā)展模擬進(jìn)行了一些研究。王海鷹、張新長(zhǎng)等將CA模型與三維虛擬相結(jié)合來模擬城市的發(fā)展[3]；王春波，張軍等基于事件構(gòu)建時(shí)空數(shù)據(jù)模型來完成時(shí)序、空間和時(shí)空等數(shù)據(jù)間的分析以及歷史數(shù)據(jù)的回溯分析[4]。林丹將時(shí)間維與地圖動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)相結(jié)合完成了時(shí)空模型建立進(jìn)而進(jìn)行地理對(duì)象的狀態(tài)變化的追蹤[5]。

本文基于規(guī)劃的相關(guān)方案提出三個(gè)規(guī)劃準(zhǔn)則分別為建設(shè)周期、建設(shè)速率、建設(shè)次序。擬新建建筑物的建設(shè)并不能在將來同時(shí)完成，這樣該建設(shè)過程就需要一個(gè)建設(shè)周期。由于規(guī)劃以及財(cái)政經(jīng)費(fèi)等因素的限制，新建建筑物時(shí)所采用建設(shè)速率也會(huì)很大的不同，同時(shí)也可以通過限制新建建筑物的建設(shè)次序，來完成優(yōu)先建設(shè)度高的新建建筑物建設(shè)。

本文利用三個(gè)建筑建設(shè)規(guī)則并結(jié)合時(shí)間動(dòng)畫地圖顯示技術(shù)來完成建設(shè)周期內(nèi)某個(gè)特定時(shí)間節(jié)點(diǎn)的建筑建設(shè)情況模擬以及進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示建筑建設(shè)發(fā)展情況。

2 規(guī)劃準(zhǔn)則及時(shí)間動(dòng)畫地圖顯示技術(shù)研究

傳統(tǒng)GIS中的數(shù)據(jù)通常只是反映了現(xiàn)實(shí)世界中的某個(gè)時(shí)刻“快照”，并且多數(shù)GIS系統(tǒng)是采用靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行表示的[6]。由于現(xiàn)實(shí)世界是會(huì)伴隨著時(shí)間發(fā)展變化，在諸如環(huán)境監(jiān)測(cè)、地震救援等等領(lǐng)域中所描述的空間對(duì)象是必然會(huì)隨著時(shí)間發(fā)生變化的，這就要求在對(duì)傳統(tǒng)意義上的GIS空間數(shù)據(jù)進(jìn)行組織管理時(shí)，還必須可以對(duì)其進(jìn)行空間數(shù)據(jù)的歷史演變過程的模擬或者回溯。本文結(jié)合規(guī)劃師的交流意見以及建筑建造若干規(guī)則，利用時(shí)態(tài)GIS中的時(shí)間動(dòng)畫來完成整個(gè)建筑建造過程中的數(shù)據(jù)模擬與空間演變過程，使建設(shè)情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)的展示并提高對(duì)建筑過程的掌控性。

2.1 建筑建設(shè)發(fā)展模擬規(guī)則

在建筑建造控制中，容積率、建筑密度以及建筑排列規(guī)則的結(jié)合不僅僅計(jì)算獲得了規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的合理建筑物數(shù)量，同時(shí)也完成了規(guī)劃的最終目標(biāo)-顯示規(guī)劃成果。但這個(gè)規(guī)劃成果是規(guī)劃預(yù)計(jì)后的結(jié)果圖，只是反映出截止點(diǎn)時(shí)的建設(shè)情況，并不能實(shí)時(shí)反映出規(guī)劃過程中某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的建設(shè)情況。在建筑建設(shè)過程中，可以通過設(shè)置建設(shè)周期、建設(shè)速率以及建設(shè)次序這三個(gè)規(guī)則來完成特定時(shí)間點(diǎn)建設(shè)情況的數(shù)據(jù)回溯以及空間演變情況。

(1)建設(shè)周期

本文所指的建設(shè)周期并不是指開發(fā)商施工開工、竣工的時(shí)間，而是指規(guī)劃控制的建設(shè)開始、結(jié)束時(shí)間。通常在設(shè)置建設(shè)周期開始時(shí)間時(shí)是會(huì)默認(rèn)為本年度的，并且建設(shè)周期開始和結(jié)束期間的最小刻度默認(rèn)為1年。

(2)建設(shè)速率

建設(shè)速率是指每年會(huì)新建設(shè)產(chǎn)生多少建筑物。在建設(shè)過程中可根據(jù)不同的建筑物類型來選擇不同的建設(shè)速率。在這里提供三種建設(shè)速率：

①同時(shí)段建設(shè)，該建設(shè)速率是指同時(shí)開工，同時(shí)完工，鐵路或者公路通?？捎糜谶@類建設(shè)速率。

②線性增長(zhǎng)速率，該線性增長(zhǎng)速率就是指每年都以固定數(shù)量來完成建筑物數(shù)量的新增，它比較適合于市政基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，原因即為其每年都有固定的財(cái)政預(yù)算。計(jì)算公式如(1)，在該公式中s表示時(shí)間t內(nèi)新建建筑物的總數(shù)量，k表示每年建設(shè)的建筑物的固定數(shù)量，x0表示規(guī)劃的起始年建成的建筑物數(shù)量。

s=x0+k×t

(1)

③固定速率的增長(zhǎng)速率，這種速率用來描述每年都以固定增長(zhǎng)率建設(shè)了多少新建建筑物。計(jì)算公式如(2)，在該公式中s表示時(shí)間t內(nèi)新建建筑物的總數(shù)量，x0表示規(guī)劃的起始年建成的建筑物數(shù)量，v表示每年的固定建設(shè)增長(zhǎng)速率。

s=x0×(1+v)t

(2)

(3)建設(shè)次序

建設(shè)次序是指哪些規(guī)劃建設(shè)區(qū)域具有優(yōu)先性，例如道路的兩側(cè)或者規(guī)定的區(qū)域。在這里提出三類建設(shè)次序方法以供選擇：

①隨機(jī)建設(shè)次序，建設(shè)區(qū)域并沒有差別性，可以在任意地點(diǎn)開始建設(shè)施工。

②基于“計(jì)劃屬性”的建設(shè)次序，“計(jì)劃屬性”指的是分析圖層中包含有建設(shè)施工的計(jì)劃屬性，該屬性決定了建設(shè)次序需要按照該計(jì)劃分階段實(shí)施。

③基于“距離”的建設(shè)次序，是會(huì)按照與興趣點(diǎn)距離的由近及遠(yuǎn)的次序來進(jìn)行建設(shè)的。此建設(shè)次序中的“距離”指的是與選定的興趣點(diǎn)間的距離，這些興趣點(diǎn)可以是商場(chǎng)、操場(chǎng)、醫(yī)院、學(xué)校、火車站，也可以是街道、居民居住小區(qū)等等。

2.2 時(shí)間動(dòng)畫動(dòng)態(tài)顯示技術(shù)

時(shí)間動(dòng)畫是指在地圖上按照一定的時(shí)間間隔以及順序動(dòng)態(tài)地顯示事物的發(fā)展變化情況[7]。動(dòng)畫是有軌跡形成的，軌跡則由一系列的關(guān)鍵幀來組成，而每個(gè)關(guān)鍵幀對(duì)應(yīng)著某個(gè)對(duì)象屬性在某時(shí)刻的快照[8]。

GIS提供了較多的動(dòng)畫顯示方式，其中包括地圖視圖動(dòng)畫(Map View)、地圖圖層動(dòng)畫(Map Layer)以及時(shí)間圖層動(dòng)畫(Time Layer)。與其相對(duì)應(yīng)的三種動(dòng)畫類型分別為AnimationTypeTimeLayer，AnimationTypeMapView以及AnimationTypeMapLayer[9]。在GIS中每種動(dòng)畫類型都對(duì)應(yīng)著某種類型的關(guān)鍵幀，即TimeLayerKeyframe，MapViewkeyframe和MapLayerKeyframe。

在建筑建設(shè)發(fā)展情況模擬中，可以通過設(shè)置關(guān)鍵幀動(dòng)畫來完成建設(shè)過程的動(dòng)態(tài)顯示。其算法步驟如下：

(1)設(shè)置起始時(shí)間

在本文中起始時(shí)間默認(rèn)設(shè)置為當(dāng)年，也可以由規(guī)劃師自主設(shè)置起始時(shí)間，同時(shí)根據(jù)建設(shè)周期獲得規(guī)劃建設(shè)截止時(shí)間，并且設(shè)置時(shí)間間隔為年。通過起始時(shí)間、終止時(shí)間以及時(shí)間間隔獲取到時(shí)間軸以此作為時(shí)間窗口來完成關(guān)鍵幀動(dòng)畫的獲取。

(2)計(jì)算數(shù)據(jù)回溯模式

在建筑建設(shè)狀況回溯過程中，可以選擇不同的顯示方式來進(jìn)行[7]。在建設(shè)速率選擇中提供了同時(shí)段、線性增長(zhǎng)以及指數(shù)型增長(zhǎng)三類，建設(shè)速率的不同會(huì)導(dǎo)致特定時(shí)間點(diǎn)上建筑物建設(shè)的數(shù)量發(fā)生不同。在建設(shè)次序中提供了隨機(jī)、基于“距離”建設(shè)次序以及基于“計(jì)劃屬性”建設(shè)次序三類，不同的建設(shè)次序會(huì)導(dǎo)致某個(gè)時(shí)間點(diǎn)建筑物的位置發(fā)生變化。在基于“距離”建設(shè)次序中需要判斷建筑物距離興趣點(diǎn)的遠(yuǎn)近來完成，這里就必須進(jìn)行距離分析。

(3)關(guān)鍵幀選擇

在本文中是通過離散型時(shí)間來完成動(dòng)態(tài)顯示的，因而在設(shè)置好時(shí)間窗口以及數(shù)據(jù)回溯模式后就可以得到關(guān)鍵幀集合，在通過時(shí)間軸來選定需要顯示出的特定時(shí)間點(diǎn)建筑建設(shè)發(fā)展情況，如圖1所示。

圖1 流程圖

3 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證本文所提出的更新模型與方法，本文在Windows環(huán)境下，以Visual Studio 2008為開發(fā)工具，集成ArcGIS Engine開發(fā)包研制了城市建筑建設(shè)發(fā)展模擬原型系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)展示城市建筑建設(shè)發(fā)展過程。本文利用土規(guī)數(shù)據(jù)以及道路圖層數(shù)據(jù)來完成試驗(yàn)驗(yàn)證。

將規(guī)劃周期設(shè)置為2015年～2030年，建設(shè)速率類型選擇線性增長(zhǎng)速率，數(shù)值為7棟/年，建設(shè)次序類型選擇隨機(jī)次序。圖2呈現(xiàn)出的是2015、2020、2025、2030年的建設(shè)情況，2015年擬計(jì)劃建成7棟建筑物，2020年為35棟，2025年為70棟，2030年完成95棟建筑物的建設(shè)。

圖2 采用隨機(jī)次序以及線性增長(zhǎng)速率的建筑建設(shè)發(fā)展模擬結(jié)果

設(shè)置建設(shè)次序?yàn)榘淳嚯x次序建設(shè)，按照與道路距離遠(yuǎn)近來選擇優(yōu)先進(jìn)行建設(shè)的建筑物群，建設(shè)速率選擇指數(shù)型增長(zhǎng)速率，增長(zhǎng)率設(shè)置為20%，2015年擬建成建筑物數(shù)量為7棟，繼而求出2020年為17棟，2025年為43棟，2030年完成95棟的建設(shè)。圖3展示了指數(shù)型增長(zhǎng)速率結(jié)合距離建設(shè)次序的建筑物建設(shè)發(fā)展情況。

圖3 采用距離次序以及指數(shù)型增長(zhǎng)速率的建筑建設(shè)發(fā)展模擬結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果顯示：結(jié)合三個(gè)規(guī)劃準(zhǔn)則以及時(shí)間動(dòng)畫時(shí)態(tài)GIS技術(shù)可以完成對(duì)于建筑建造過程的動(dòng)態(tài)模擬，完成某個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的建設(shè)情況模擬，同時(shí)也可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的歷史回溯。

4 結(jié) 語

在獲取到新建建筑物群的規(guī)劃布置情況后，可以通過設(shè)定建筑周期、建筑速率以及建筑次序來模擬出規(guī)劃周期內(nèi)特定時(shí)間點(diǎn)的城市規(guī)劃建設(shè)情況。通過規(guī)劃模擬就可以動(dòng)態(tài)的觀測(cè)到城市建筑的發(fā)展模擬，同時(shí)在模擬發(fā)展情況下也可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)囊?guī)劃微調(diào)。

(1)本文所提出的三個(gè)基本規(guī)則可以對(duì)于建筑建造過程中所涉及定性、定量、定位因素完成一定的控制，可以對(duì)于建造過程的模擬過程提供一定的規(guī)劃依據(jù)。

(2)基于時(shí)間動(dòng)畫的建筑建造過程的模擬可以完成對(duì)于建筑建造過程的數(shù)據(jù)模擬與空間演變，同時(shí)也可以完成建筑周期內(nèi)的建筑情況回溯。

在模擬建筑建設(shè)未來發(fā)展情況時(shí)并沒有使用預(yù)測(cè)模型，而是按照建筑的規(guī)則進(jìn)行的。隨著人工智能的迅猛發(fā)展，其在模擬城市發(fā)展中的優(yōu)勢(shì)也逐漸顯現(xiàn)出來。因而可以嘗試將多智能體等人工智能方面的先進(jìn)技術(shù)手段融入之后的研究中。

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Research on Simulating Construction and Development of Urban Architecture Based on Time animation

Liu Yanan，Ding Jianxun

(Zhuhai Surveying and Mapping Institute，Zhuhai 519015，China)

To solve the problems that exist in the simulation of the construction and development of urban architectures. This article proposed an animation-based model to simulate the dynamic development processes of the urban buildings. The model is able to proposed corresponding planning rules at any given time for simulating the development of the urban buildings by taking relative dynamic factors into account such as the qualitative indicators，quantitative indicators and positioning indicators. Moreover，by combining with an animated map display technology，this model is capable of showing the dynamic situations in the construction and development of urban architectures.

simulating construction and development of urban architecture；temporal geographic informationsystem；dynamic display；time animation

1672-8262(2017)03-52-04

P208.2

A

2017—01—17

劉亞楠(1989—)，男，助理工程師，碩士，主要從事地理信息技術(shù)的應(yīng)用與管理等技術(shù)工作。

國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(41431178 )