劉亞楠，丁建勛

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

基于時間動畫的城市建筑建設發(fā)展模擬研究

劉亞楠*，丁建勛

(珠海市測繪院，廣東 珠海 519015)

針對城市建設建筑發(fā)展模擬存在的問題，總結出一種基于時間動畫的模擬方法來反映出其動態(tài)發(fā)展變化過程。該模型能根據(jù)模擬過程的動態(tài)變化與相應的定性、定量、定位等因素指標，提出相應的規(guī)劃規(guī)則用于模擬城市建設過程中的某個時間點的建設情況。同時通過與地圖動畫顯示技術的結合，該模型可以較好展現(xiàn)建筑建設發(fā)展的動態(tài)情況。

建筑建設發(fā)展模擬；時態(tài)GIS；動態(tài)顯示；時間動畫

1 引 言

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

本文基于規(guī)劃的相關方案提出三個規(guī)劃準則分別為建設周期、建設速率、建設次序。擬新建建筑物的建設并不能在將來同時完成，這樣該建設過程就需要一個建設周期。由于規(guī)劃以及財政經(jīng)費等因素的限制，新建建筑物時所采用建設速率也會很大的不同，同時也可以通過限制新建建筑物的建設次序，來完成優(yōu)先建設度高的新建建筑物建設。

本文利用三個建筑建設規(guī)則并結合時間動畫地圖顯示技術來完成建設周期內某個特定時間節(jié)點的建筑建設情況模擬以及進行動態(tài)顯示建筑建設發(fā)展情況。

2 規(guī)劃準則及時間動畫地圖顯示技術研究

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

2.1 建筑建設發(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)則的結合不僅僅計算獲得了規(guī)劃區(qū)域內的合理建筑物數(shù)量，同時也完成了規(guī)劃的最終目標-顯示規(guī)劃成果。但這個規(guī)劃成果是規(guī)劃預計后的結果圖，只是反映出截止點時的建設情況，并不能實時反映出規(guī)劃過程中某個時間節(jié)點的建設情況。在建筑建設過程中，可以通過設置建設周期、建設速率以及建設次序這三個規(guī)則來完成特定時間點建設情況的數(shù)據(jù)回溯以及空間演變情況。

(1)建設周期

本文所指的建設周期并不是指開發(fā)商施工開工、竣工的時間，而是指規(guī)劃控制的建設開始、結束時間。通常在設置建設周期開始時間時是會默認為本年度的，并且建設周期開始和結束期間的最小刻度默認為1年。

(2)建設速率

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

①同時段建設，該建設速率是指同時開工，同時完工，鐵路或者公路通常可用于這類建設速率。

②線性增長速率，該線性增長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設施的建設，原因即為其每年都有固定的財政預算。計算公式如(1)，在該公式中s表示時間t內新建建筑物的總數(shù)量，k表示每年建設的建筑物的固定數(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固定速率的增長速率，這種速率用來描述每年都以固定增長率建設了多少新建建筑物。計算公式如(2)，在該公式中s表示時間t內新建建筑物的總數(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增長速率。

s=x0×(1+v)t

(2)

(3)建設次序

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

①隨機建設次序，建設區(qū)域并沒有差別性，可以在任意地點開始建設施工。

②基于“計劃屬性”的建設次序，“計劃屬性”指的是分析圖層中包含有建設施工的計劃屬性，該屬性決定了建設次序需要按照該計劃分階段實施。

③基于“距離”的建設次序，是會按照與興趣點距離的由近及遠的次序來進行建設的。此建設次序中的“距離”指的是與選定的興趣點間的距離，這些興趣點可以是商場、操場、醫(yī)院、學校、火車站，也可以是街道、居民居住小區(qū)等等。

2.2 時間動畫動態(tài)顯示技術

時間動畫是指在地圖上按照一定的時間間隔以及順序動態(tài)地顯示事物的發(fā)展變化情況[7]。動畫是有軌跡形成的，軌跡則由一系列的關鍵幀來組成，而每個關鍵幀對應著某個對象屬性在某時刻的快照[8]。

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

在建筑建設發(fā)展情況模擬中，可以通過設置關鍵幀動畫來完成建設過程的動態(tài)顯示。其算法步驟如下：

(1)設置起始時間

在本文中起始時間默認設置為當年，也可以由規(guī)劃師自主設置起始時間，同時根據(jù)建設周期獲得規(guī)劃建設截止時間，并且設置時間間隔為年。通過起始時間、終止時間以及時間間隔獲取到時間軸以此作為時間窗口來完成關鍵幀動畫的獲取。

(2)計算數(shù)據(jù)回溯模式

在建筑建設狀況回溯過程中，可以選擇不同的顯示方式來進行[7]。在建設速率選擇中提供了同時段、線性增長以及指數(shù)型增長三類，建設速率的不同會導致特定時間點上建筑物建設的數(shù)量發(fā)生不同。在建設次序中提供了隨機、基于“距離”建設次序以及基于“計劃屬性”建設次序三類，不同的建設次序會導致某個時間點建筑物的位置發(fā)生變化。在基于“距離”建設次序中需要判斷建筑物距離興趣點的遠近來完成，這里就必須進行距離分析。

(3)關鍵幀選擇

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

圖1 流程圖

3 試驗分析

為驗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發(fā)展模擬原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了動態(tài)展示城市建筑建設發(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)來完成試驗驗證。

將規(guī)劃周期設置為2015年～2030年，建設速率類型選擇線性增長速率，數(shù)值為7棟/年，建設次序類型選擇隨機次序。圖2呈現(xiàn)出的是2015、2020、2025、2030年的建設情況，2015年擬計劃建成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。

圖2 采用隨機次序以及線性增長速率的建筑建設發(fā)展模擬結果

設置建設次序為按距離次序建設，按照與道路距離遠近來選擇優(yōu)先進行建設的建筑物群，建設速率選擇指數(shù)型增長速率，增長率設置為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。圖3展示了指數(shù)型增長速率結合距離建設次序的建筑物建設發(fā)展情況。

圖3 采用距離次序以及指數(shù)型增長速率的建筑建設發(fā)展模擬結果

試驗結果顯示：結合三個規(guī)劃準則以及時間動畫時態(tài)GIS技術可以完成對于建筑建造過程的動態(tài)模擬，完成某個時間節(jié)點的建設情況模擬，同時也可以進行相關數(shù)據(jù)的歷史回溯。

4 結 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)劃周期內特定時間點的城市規(guī)劃建設情況。通過規(guī)劃模擬就可以動態(tài)的觀測到城市建筑的發(fā)展模擬，同時在模擬發(fā)展情況下也可以進行適當?shù)囊?guī)劃微調。

(1)本文所提出的三個基本規(guī)則可以對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)基于時間動畫的建筑建造過程的模擬可以完成對于建筑建造過程的數(shù)據(jù)模擬與空間演變，同時也可以完成建筑周期內的建筑情況回溯。

在模擬建筑建設未來發(fā)展情況時并沒有使用預測模型，而是按照建筑的規(guī)則進行的。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技術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的應用與管理等技術工作。

國家自然科學基金重點項目(41431178 )