城市建筑三維形態(tài)分析系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

王俊夫 侯英姿 王方雄

摘? 要： 城市三維形態(tài)分析系統(tǒng)使用.Net框架為基礎(chǔ)，基于C/S的程序設(shè)計架構(gòu)，結(jié)合Supermap提供的二次開發(fā)接口iObjects .NET 8C來實現(xiàn)相關(guān)量化分析計算功能，同時結(jié)合supermap SDX+空間數(shù)據(jù)庫引擎實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存儲與調(diào)用，在界面方面使用DevComponents提供的DotNetBar 對界面進行優(yōu)化，實現(xiàn)了對城市建筑物三維形態(tài)進行量化分析可視化分析結(jié)果的Windows桌面端GIS分析系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： .Net;Supermap;GIS;建筑物三維形態(tài)

【Abstract】： Based on the. Net framework and C/S programming framework， the urban three-dimensional morpho logical analysis system combines iObjects. NET 8C， a secondary development interface provided by Supermap， to realize the function of quantitative analysis and calculation. Meanwhile， it combines Supermap SDX+ spatial data base engine to realize high-speed storage and invocation of data and uses DotNetBar provided by DevComponents to optimize the interface. A Windows desktop GIS analysis system for quantitative analysis and visualization of three-dimensional shape of urban buildings is realized.

【Key words】： .Net; Supermap; GIS; Three-dimensional morphology of buildings

0? 引言

近些年來隨著我國城市化進程的加速推進，相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截至2017年底我國的城鎮(zhèn)化率已達57.35%，建筑物作為承載城市發(fā)展的重要部分，人們建造出多種形態(tài)大小的建筑物，以滿足在工作、學(xué)習(xí)、生活、娛樂、休閑等各方面的需求，與此同時一些在城市空間上相互影響的問題也隨之產(chǎn)生，例如：建筑物過于密集造成互相的采光透風(fēng)性下降，建筑物互相過于孤立造成使用者的步行成本上升等問題。為了能夠有效的解決這類問題，并從宏觀的角度來分析城市建筑物形態(tài)在相應(yīng)量化參數(shù)具體表

現(xiàn)出什么樣的差異性、人口宜居的閾值是多少等。本文使用計算機技術(shù)與城市三維形態(tài)分析參數(shù)相結(jié)合的方法開發(fā)出一套專用的分析軟件，本軟件通過從建筑物基本屬性、建筑物起伏特征、組成特征三個維度來量化分析城市建筑物的三維形態(tài)特征。其中核心功能三維形態(tài)分析模塊操作直觀、分析速度穩(wěn)定快速、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠，整體上實現(xiàn)了一款界面友好、操作便捷、結(jié)果清晰明了的軟件系統(tǒng)。

1? 系統(tǒng)設(shè)計

1.1? 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

城市三維形態(tài)分析系統(tǒng)基于Supermap提供的二次開發(fā)接口iObjects .NET 8C進行設(shè)計及開發(fā)，通過這套二次開發(fā)接口可以高效率、低成本的開發(fā)出具有多種復(fù)合地理分析功能的桌面端地理信息系統(tǒng)應(yīng)用。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)采用層次化設(shè)計思想，便于實現(xiàn)系統(tǒng)中各層次之間的邏輯獨立性以及系統(tǒng)的可擴展性。同時在設(shè)計模式方面本系統(tǒng)采用組件式與C/S架構(gòu)相結(jié)合的模式。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖一所示。1. 表現(xiàn)層：是用戶與系統(tǒng)交互的前端圖形界面，使用DotNetBar提供的用戶功能組件進行開發(fā)，采用Ribbon界面風(fēng)格使得界面更為美觀實用;2. 業(yè)務(wù)邏輯層：是進行可視化當(dāng)前待分析地理數(shù)據(jù)以及進行分析計算再可視化結(jié)果輸出數(shù)據(jù)的重要結(jié)構(gòu)，通過調(diào)度各個相關(guān)分析接口，諸如：SpatialAnalyst、Analyst傳入分析數(shù)據(jù)，得到結(jié)果數(shù)據(jù)來實現(xiàn)該系統(tǒng)的各類分析功能，同時完成本系統(tǒng)分析內(nèi)容中特有的一些計算功能。它與表現(xiàn)層共同構(gòu)成了用戶使用的前端客戶端部分;3. 數(shù)據(jù)層：由supermap的空間數(shù)據(jù)庫引擎SDX+與文件型數(shù)據(jù)源來構(gòu)成了本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)層，將建筑物位置、平面形狀、UDEM、DEM等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)統(tǒng)一的組織起來進行存儲以及集成化的管理，其中空間數(shù)據(jù)庫的讀寫訪問過程全部由數(shù)據(jù)訪問組件（SuperMap.Data）中的各個相關(guān)函數(shù)負(fù)責(zé)完成。

1.2? 系統(tǒng)功能設(shè)計

城市建筑物三維形態(tài)分析系統(tǒng)可以為用戶提供快速便捷準(zhǔn)確的城市建筑物三維形態(tài)參數(shù)的計算包括：平均高度、錯落度、起伏度、占空度、規(guī)模指數(shù)、密度指數(shù)六大類，同時將計算的結(jié)果通過分層設(shè)色的方式生成相應(yīng)的專題地圖，可視化的表達分析的結(jié)果，便于用戶直觀的比較、分析特定研究城市的建筑物三維形態(tài)特征，為城市新增建筑物的規(guī)劃建設(shè)、城市空間形態(tài)的設(shè)計、城市人居環(huán)境的優(yōu)化等相關(guān)決策的制定提供重要準(zhǔn)確的支持，具體功能模塊如圖2所示。

（1）基礎(chǔ)功能模塊：包括加載已有的工作空間、導(dǎo)出當(dāng)前的工作空間、可視化操作工作空間中指定的數(shù)據(jù)、放大縮小平移地圖;（2）形態(tài)分析模塊：一鍵分析六大形態(tài)指標(biāo)，可視化顯示各指標(biāo)分析結(jié)果。

2? 系統(tǒng)功能開發(fā)

城市建筑物三維形態(tài)分析系統(tǒng)基于Supermap iObjects.Net 8C二次開發(fā)接口使用C#編程語言采用.Net框架進行設(shè)計開發(fā)，同時使用了DEVC omponents的DotNetBar來優(yōu)化軟件交互界面，通過Microsoft VS2010作為集成開發(fā)環(huán)境來完成整個系統(tǒng)的開發(fā)工作。核心功能部分實現(xiàn)城市建筑三維形態(tài)參數(shù)分析（具體參數(shù)定義見表1），其它功能部分實現(xiàn)專題地圖生成及輸出與城市三維地理空間數(shù)據(jù)管理。

2.1? 數(shù)據(jù)管理

此功能模塊的開發(fā)過程中主要采用了Supermap.data接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的加載、選擇、導(dǎo)出等管理功能，同時使用由Supermap SDX+空間數(shù)據(jù)庫引擎驅(qū)動的文件型數(shù)據(jù)庫，來驅(qū)動數(shù)據(jù)的存儲與調(diào)用。具體為：首先使用Supermap.data接口中的Dataset（）函數(shù)來實現(xiàn)工作空間中指向各類數(shù)據(jù)的連接功能，其次使用Supermap.UI接口中的 mapControl.Map.Layers.Add（）函數(shù)實現(xiàn)將工作空間中的數(shù)據(jù)加載到當(dāng)前地圖顯示窗口中來的功能，這樣就

2.2? 三維形態(tài)分析

通過使用Supermap iObjects.Net 8C中的空間分析接口Spatial Analyst結(jié)合目前最認(rèn)可用于刻畫城市建筑物三維形態(tài)六大參數(shù)[3]的定義，使用C#為編程語言通過編碼的方式使得城市建筑物三維形態(tài)量化分析可以一鍵完成，并自動生成相應(yīng)的專題地圖。具體為：在數(shù)據(jù)的加載與處理上，先使用工作空間文件的方式將進行，將城市建筑物三維形態(tài)分析的相關(guān)矢量柵格數(shù)據(jù)一并讀取到軟件中來，然后以UDEM柵格數(shù)據(jù)作為城市三維形態(tài)分析的基礎(chǔ)數(shù)

據(jù)，街區(qū)的矢量面數(shù)據(jù)作為分析中的局部單位范圍數(shù)據(jù)，通過Supermap.Analyst.SpatialAnalyst接口中的RasterClip.Clip（）函數(shù)裁剪研究區(qū)的UDEM數(shù)據(jù)，以匹配相應(yīng)的單位研究區(qū)，為下一步三維形態(tài)分析公式的帶入運算鋪墊。接下來本系統(tǒng)根據(jù)不同的公式定義與Supermap.Analyst接口中對應(yīng)的分析函數(shù)以及上一步處理好的UDEM數(shù)據(jù)計算出各個參數(shù)的值，最后通過Supermap.Mapping接口中的Layer SettingGrid（）函數(shù)對計算出的結(jié)果進行分層設(shè)色，通過不同的色彩清晰地將計算結(jié)果可視化到當(dāng)前地圖上，形成相應(yīng)的城市建筑物三維形態(tài)分析專題地圖。分析效果圖見下圖4（以密度指數(shù)分析結(jié)果為例）。

3? 結(jié)論

城市三維形態(tài)分析系統(tǒng)基于Supermap提供的地理分析功能接口加上城市三維形態(tài)刻畫主要參數(shù)的計算方法使用C#為開發(fā)語言設(shè)計開發(fā)而成。本系統(tǒng)采用組件式與C/S架構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計模式，由表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)層構(gòu)成。城市三維形態(tài)分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)由UDEM柵格數(shù)據(jù)與建筑物面狀矢量數(shù)據(jù)構(gòu)成。使用Supermap相關(guān)分析接口中提供的各類地理分析函數(shù)與DotNetBar來實現(xiàn)客戶端界面的搭建與優(yōu)化顯示。總的來說本系統(tǒng)具有以下三大特點：（1）城市宏觀三維形態(tài)量化：使用UDEM柵格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來對城市的三維形態(tài)進行分析，通過對柵格數(shù)據(jù)進行分割歸納為不同的分析街區(qū)，然后對各個區(qū)的柵格數(shù)據(jù)進行提取運算來得出該區(qū)域此研究指標(biāo)的值，并且通過對其進行統(tǒng)一作色，分級設(shè)色來直觀的展示這個區(qū)域的值在整個城市中是屬于怎樣的一個水平，從而為軟件使用者提供一個直觀的城市建筑物三維形態(tài)發(fā)展?fàn)顟B(tài)的參考。（2）分析迅速：通過使用并行多線程計算來實現(xiàn)快速分析以及統(tǒng)一分層設(shè)色，提高了軟件的運行效率。（3）功能簡便實用化：在打開相應(yīng)的工作空間并且設(shè)置好要進行分析的城市的UDEM柵格數(shù)據(jù)以及用于確定城市分析區(qū)域的分區(qū)矢量數(shù)據(jù)后只需一鍵即可快速分析得出結(jié)果無需過多的繁瑣設(shè) 置，且結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

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