浅层地下空间三维地质结构建模关键技术探讨 ——以柳州市为例

随着城市地质调查的开展,三维地质结构建模研究得到迅速发展。三维地质结构建模为城市地下空间的开发利用提供了直观立体空间形态展示和基础数据。文章介绍基于柳州市大量工程钻孔及调查数据,通过对工作区内钻孔数据筛选和标准化,制定北部区域南北向21条剖面线,南部区域东西向35条剖面线,绘制标准化地层剖面,采用"钻孔+平行地质剖面"建模方法和传统的钻孔验证法进行验证,完成了柳州市浅层地下空间三维地质结构模型创建,为其他类似条件区域的三维地质结构建模工作提供借鉴。     

基于数字摄影测量的城市建筑三维快速建模方法

数字城市的基础地理数据库正在由传统的二维形式向三维形式转变,建设城市三维模型已成为数字城市工程的重要基础工作。作为城市三维模型的核心构成部分,建筑模型的数量巨大,生产成本高。数字摄影测量技术为建筑矢量数据的采集提供了有效途径,但要进一步缩减三维建模的工作量,需要对基于矢量线条的建筑结构识别、建筑体面构造以及各种复杂建筑构型等方法和算法进行研究,并开发辅助人工的建筑三维建模软件系统。该文以数字城市测量提取的建筑结构线为基础,对计算机三维建模中涉及的关键算法进行研究,提出了一种城市建筑三维快速建模的方法。     

虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法

在三维地质体模型构建过程中所采用的数据多为钻孔数据,而研究区域内原始钻孔数据通常数量有限且分布不均,难以构建出既能够准确地反映研究区域地质构造,又具有良好可视化效果的三维地质体模型。针对此问题,本文对虚拟钻孔概念进行延伸,提出了用于三维地质体建模不同阶段的三种虚拟钻孔概念,并基于此设计了一种虚拟钻孔控制的三维地质体模型构建方法。首先,根据原始钻孔数据空间分布特征,自适应地确定插值点位,并采用克里金插值算法构建插值加密虚拟钻孔;其次,根据尖灭规则构建尖灭处理虚拟钻孔,采用改进的自适应蝴蝶细分算法构建细分光滑虚拟钻孔;最后,利用原始钻孔、插值加密虚拟钻孔、尖灭处理虚拟钻孔,以及细分光滑虚拟钻孔构建研究区域内符合地统计学规律且具有C¹几何连续性,可视化效果良好的三维地质体模型。与将虚拟钻孔作为专家知识补充手段的传统建模方法不同,该建模方法将虚拟钻孔引入三维地质体构建的各个环节中作为核心的算法中间单元,有效简化了建模算法的实现过程,确保了算法的稳定性与高效性。     

城市建筑迎风面积密度矢量/栅格计算模型对比研究

城市建筑迎风面积密度（Frontal Area Density,FAD）作为重要的城市形态学参数之一,对其定量分析与制图,对城市微气候研究有着重要意义。为了找出高效可靠的方法分析城市建筑FAD的分布情况,本文以福建省晋江市为例,选取了矢量计算模型和栅格计算模型对FAD进行模拟,从计算效率、不同尺度和不同土地利用类型上,对结果进行对比分析。研究表明:计算效率上,矢量模型比栅格模型高。在城市尺度上,栅格模型与矢量模型模拟结果与宏观建筑分布特征一致,二者皆适用;在街区尺度上,栅格模型模拟结果比矢量模型更符合建筑分布规律。栅格模型的计算结果较矢量模型稳定,受分辨率影响小。在不同土地利用类型上,对于建筑分布稀疏区域2种模型皆适用;而对于建筑密集区,如商业区、城市住宅区等,栅格模型计算结果更优。     

三维城市模型数据划分及分布式存储方法

随着信息获取技术的快速发展,地理信息数据每天以TB级的数量增加。三维城市模型数据作为三维GIS的重要内容,在数字城市和智慧城市建设过程中发挥重要作用。由于三维城市模型数据结构复杂,其数据量具有海量性,因此,高效地对三维城市模型进行划分及存储,以满足数据的长效管理及三维GIS系统的快速可视化数据调度和空间辅助决策需求,成为近年的研究热点。以往的数据划分方法导致划分区域在数据调度中变化频繁,使数据更新和管理变得困难,需寻找一种更为稳定且具有普适性的数据划分方法。本文分析了现有三维城市模型数据划分方法的不足,提出了基于拓扑关系模型的大比例尺图幅划分方法,并对划分后三维模型数据进行统一命名编码;借助非关系数据库MongoDB强大的海量数据组织及高效的多并发访问功能,构建了MongoDB分片集群服务器;对三维城市模型数据进行了单元划分,并采用规则建模软件City Engine进行建模,得到三维城市模型,借助非关系数据库软件MongoDB进行数据存储实验。结果表明,基于拓扑关系模型的大比例尺图幅划分方法适用于三维城市模型数据划分,划分后数据的存储效率明显提高,MongoDB数据库的多并发访问效率具有良好的稳定性。     

四川盆地油气勘探三维地理信息系统与应用

本文在三维可视化系统构建流程和数据组织管理模式分析的基础上,以ArcSDE作为空间数据引擎,利用Oracle 10g建立四川盆地油气勘探海量空间数据库,基于三维可视化软件平台Skyline TerraDeveloper设计、开发了全球三维模型的四川盆地油气勘探三维地理信息系统。同时集成基础地理数据、区域地质数据、油气勘探空间数据、多尺度遥感影像、勘探数据库,这不仅提供了强大的油气勘探基础数据管理、三维地形建模以及模型的可视化功能,还为专业技术人员提供了一个可视化的设计、分析平台。     

“分形-视距”（FVD）多分辨率纹理生成及组织方法

纹理数据是三维建筑模型中的重要组成部分,通常会消耗大量的内存,导致模型较难实现流畅稳定的动态可视化。针对这个问题,本文提出了一种面向三维模型可视化的“分形-视距”（FVD）多分辨率纹理生成及纹理组织方法。该方法首先利用分形对纹理进行压缩并将其存入纹理数据库,然后按照视距及目标立面的可见性情况创建和组织对应纹理：当视距符合纹理调用条件且目标立面可见时,根据不同视距,执行多分辨率纹理创建,按照各类三维模型数据间的属性关系建立索引,存入关系数据库;当视距不符合纹理调用条件但该立面又可见时,利用纹理分割算法创建颜色纹理树,将节点合并表示立面纹理。最后根据变化的视角和距离调用相应纹理,实现三维模型的动态流畅可视化。本文选择山东省济南市历下区作为研究区域,使用的纹理数据共5290幅。实验结果表明,与3ds Max、SketchUp Pro相比,本文提出的方法减少内存占用分别约为36.5%和49.1%,帧速率提高约7%和10.9%,极大地提高了大场景三维模型可视化的渲染效率和速率。本文提出的方法在三维建筑模型渲染效率和视觉质量之间取得了很好的平衡,这一问题的改善将为建立智慧城市提供快速有效的科学支撑。     

CALPUFF模型模拟结果的时空多维可视化表达

大气污染扩散模型数值模拟结果的时空多维可视化表达,能有效展示大气污染扩散空间分布,为快速高效辅助后期污染分析与应急决策提供重要的参考。CALPUFF模型能高效模拟污染物在大气环境中时空变化的扩散过程,而现有大气污染扩散模型模拟结果可视化表达普遍存在不能有效集成地理信息、缺失部分重要维度特征等问题。论文首先分析了CALPUFF模型,及其与组件式GIS紧密集成的技术方案,为模型模拟结果与地理信息集成提供了技术支持。然后,基于CALPUFF模型的数值计算模拟结果,详细研究了风场数据预处理及其矢量绘制方法,浓度场的数据预处理及其栅格渲染方法。在三维地形场景下,探究了大气污染物的时空扩散模拟可视化表达方法,给出了CALPUFF模型模拟结果与三维地形场景的集成表达策略。最后,通过组件式GIS,构建了福州市三维地形场景,以大气污染CALPUFF扩散模拟结果为例,在WPF系统框架下,实现了风场和浓度场的时空动态模拟和空间层级多维可视化表达。实验结果表明,本文所采用的时空可视化技术方案能将CALPUFF模型模拟结果,有效集成三维地形场景,实现模型模拟结果在时间维度上动态扩散和在空间维度上的层级分布,可为大气污染模拟结果的时空多维可视化提供参考。     

地质断层三维建模的表达式方法

针对地质断层三维建模及可视化领域中现有技术存在的模拟断层局限性、插值困境等问题,本文提出了断层表达式方法建模方法。首先,以地质断层构造的形成机制为理论依据,分析构造断层表达式所需要运算对象和算子,构建表达式规则,并运用上下文无关文法对表达式规则进行形式化描述;然后,对断层原始勘探数据进行规范化,形成构建断层表达式所需要的断层二维数据表,从中提取构建断层表达式的运算对象集合和算子集合,形成断层表达式;最后,对断层表达式进行计算,形成断层地质体抽象模型,并结合相关勘探数据运用相关算法及图形库等工具进行三维地质建模及可视化。实验以包含多条断层的达连河地质体数据为基础进行实验验证,建模结果与真实地质情况符合。实验结果表明,断层表达式建模方法解决了现有技术的局限性问题,避免了对地层断裂区域的插值运算,从而解决了插值困境等问题。     

面向山地地区的区域地质三维模型构建

针对山地地区地质构造复杂的特点,研究现有三维地质模型构建方法。结合已有地质资料,设计从构建剖面框架、绘制剖面到构建地质模型等流程,构建山地地区的区域地质三维模型,实现区域地质三维模型在三维数字城市平台的可视化集成模拟,以及三维场景中对区域地质的管理查询。     

基于生态空间胁迫的大都市区增长情景模拟

大都市区增长是当前中国城镇化发展的一种主要模式,如何确定其最佳空间增长形态是新型城镇化关注的重要内容之一。本研究立足于未来“生态城市”建设理念,从自然资源生态敏感性和城市发展适宜性角度构建双重约束条件,利用元胞自动机模型构建了生态空间胁迫下的城市增长过程模拟框架,探讨了边缘性增长、生态性增长与协调性增长3种发展模式,并从建设适宜性、生态安全性与斑块紧凑性等角度构建评价指标对模拟方案进行定量化对比。最后,以长江中游城市群的南昌大都市区进行实例应用,结果表明,协调性空间增长模式能最大程度降低城市建设对生态安全空间的侵蚀,大都市区在制定城市增长边界等空间政策时宜参考此种发展模式,基于生态空间胁迫分析的城市增长过程建模是一种有用的规划决策情景分析工具。     

山城眺望空间OSCA模型构建及应用

山体是大自然赋予城市的天然景观资源,通过山与城市中建筑群构成的山城空间关系,可形成多类型的眺望景观。当前山城眺望景观在建设热潮中不断被破坏,逐渐消失在林立的高楼中,需要进行一定的控制和保护。以济南市中心城区为例,基于眺望控制分区,寻找城市建筑发展演变、分区建设的规律,结合元胞自动机与多智能体,提出基于眺望景观控制下的山城眺望空间CA-OSCA模型（Overlooking Space Cellular Automata）,构建山城眺望空间演变模型。利用GIS等数据分析平台,对模拟结果进行分析,构建真实城市空间下的未来山城眺望空间景观三维模型,以更加直观、真实地方法探讨在眺望景观分区控制的影响下,未来城市空间结构的发展模式,最终为未来山城眺望景观空间的控制与保护以及眺望景观保护下,山城城市未来空间发展结构提出发展策略。     

居住区典型地物热环境的日变化及其相互影响分析

居住区热环境状况是影响局地微气候变化的重要因素,研究居住区地物的热环境特征,对于了解和改善微气候具有重要意义。为了更好地揭示居住区热环境特征,本研究使用热红外成像仪对北京市某校园居住区进行观测,获取了夏季不同天气状况下（晴天、阴天、多云）的24 h热红外影像数据。依据各天气数据和地物属性,系统分析了各地物日变化规律,并通过垂线法判定邻近地物的温度边界范围,进而揭示出地物间温度交互特征。结果如下：① 太阳辐射是影响地物白天温度变化的主要因素,与地物温度呈正相关性;在多云天气下,地物的最高温度滞后至16:00出现,且地物温度曲线呈现连续的“锯齿状”升降趋势,云层的大量运动是导致多云天气下的地物温度波动变化的关键因素;沥青道路在夜间的温度均高于其他地物,并且夜间持续放热,提生周围环境温度;阴影能够有效减少地物吸收的太阳辐射量,降低地物表面温度;植被的冠层厚度与地物温度呈负相关性,因此增加居住区内绿植的冠层厚度,增大区域阴影面积有助于改善局地微气候;② 树木和裸土在06:00和14:00的温度交互作用强烈,表明在地物交界处,全天持续发生显著的热量交换;而夜间至凌晨,草坪与人行道持续进行热量交换,帮助降低路面温度,缓解周围高温状况。     

顾及土地生态安全的环鄱阳湖城市群土地利用情景模拟

在国家大力推进新型城镇化和落实城市群空间规划的背景下,评价城市群土地生态安全水平,并以此为限制条件预测城市群未来土地利用格局,对城市群可持续发展具有重要意义。本文以环鄱阳湖城市群为研究对象,对城市群土地生态安全格局和变化进行分析,根据土地生态安全评价结果设置自然发展情景和生态保护情景,结合多分类Logistic回归和多标准评价方法(MCE),构建CA-Markov模型,预测2种情景下2030年土地利用格局并进行对比分析。研究结果表明:①2005、2010和2015年,环鄱阳湖城市群网格平均生态安全值分别为0.574、0.573和0.571,空间布局上呈现"中部低、东西高"的特征;②预测2030年,自然发展情景下新增城镇用地主要位于九江市、上饶市和南昌市,生态保护情景下限制城镇用地和其他建设用地向土地生态安全高值区扩展,使得城镇用地和其他建设用地扩展更加集中;③预测生态保护情景下,高生态安全区面积比自然发展情景下多39.39%且分布更加均匀,包括鄱阳湖周边区域、九江市中部以及新余市和吉安市,城市群生态安全得到有效保护。该研究可为环鄱阳湖城市群土地利用规划及生态保护提供参考。     

基于全景真三维技术的新型智慧城市时空信息基础设施探索

我国新型智慧城市的建设对城市时空信息基础设施提出了更高的要求,迫切需要加强包括大数据、云计算等新技术的深入应用。本文重点探讨基于多传感器技术(包括机载激光扫描技术、多角度倾斜摄影技术在内的航空摄影)和高度自动化后处理新技术的全景真三维技术特点及优势,并以北京城市副中心为例,探索基于全景真三维技术的智慧城市时空信息基础设施建设及其应用。实践表明,全景真三维技术能够快速提供真实统一、高精度、多层次的城市模型数据,为城市规划、建设、治理和运营提供了事半功倍的信息化手段,是一种构建新型智慧城市时空信息基础设施的新思路。     

北京市潜在风道的数值模拟与综合识别

过去从局地尺度和微尺度优化规划和建筑设计的角度,城市规划与建筑学科的研究者提出了构建城市区域通风廊道的思想。但对目前的特大城市和城市群而言,无论城市热岛还是污染物输送都可能涉及更大尺度范围的区域影响。结合自然地理资源条件,对城市外围待发展区域的风道识别和规划,可能更具有现实意义。本文基于空气动力学粗糙长度计算通风指数,从动力学角度初步识别出北京不同区域的通风潜力：① 利用数值模拟输出的1月和7月平均水平风场发现,在背景风较强的冬季,水平风速的分布与下垫面的粗糙度保持高度一致,在北京城区东北方向存在一条明显的风道,在通过城区时受城市下垫面的拖曳影响出现显著的风速下降,在城市下风方向风速又有所回升;② 与热力分析对比发现,夏季城市外的低温区域与盛行风向相悖,偏南方向上的补偿空间面积比冬季小且与作用空间的温差也小,流向城市的可利用风资源匮乏;③ 基于近地面温度和粗糙长度加权计算后得到通风指数,冬季为0~0.25,夏季为0~0.60,数值越小通风能力越强,受季节热力差异影响,冬季通风能力显著优于夏季。④ 进一步结合数值模拟的风速分布,将通风评价结果划分为4个等级,从北京市全域尺度分冬、夏两季识别了北京市的潜在风道,冬季贯穿南北的风道全长约200 km,从城市外围引入风资源,可有效提高城市自净能力,而在背景风较弱的夏季,风道贯通性较差,气流疏导能力弱,亟待区域联动优化城市群发展规划。     

基于3Ds Max与Sketch Up的联合三维建模方法及其应用

提出了运用三维建模软件3Ds Max和Google Sketch Up对校园内地物进行联合建模的新方法。将该方法应用于虚拟三维校园建设,通过对模型进行三维场景的导入与规划,从而创建一套完整的三维场景;运用C#语言及Arc GIS Engine组件进行二次开发,实现了系统的三维浏览、属性查询、动画制作等基本功能。实验表明:本文提出的联合建模方法融合了3Ds Max软件和Sketch Up软件的优点,避免了多软件建模造成的格式不匹配问题,缩短了建模周期,降低了场景建模的难度。为大范围三维场景的快速构建提供了一种便捷的解决方案。     

基于政府大数据的北京城市空间发展模式分析

城市的发展都有各自的特征。这些特征通常是受城市发展过程中政府决策及规划政策的影响而形成。作为我国首都,同时也是人口最稠密的城市,北京市的城市建设用地在过去20年快速城镇化进程中持续扩张。笔者认为,北京市城市扩张期间,城市建设用地开发模式有特定的规律和空间特征。本文中,笔者采用非负矩阵分解(NMF)的方法,对北京市建设用地规划许可发放数据进行挖掘,以此识别城市空间发展模式。笔者发现这个阶段包含了两种主要发展模式,同时也结合诸多辅助信息对这两种模式进行了深入的分析和解释。本文中使用的城市空间发展模式识别方法可以推广到其他区域的城市研究中,对城市设计及政府决策工作起到较大作用。     

地区级实景三维模型色彩均衡方法实验

自2020年起各省相继启动"实景三维中国"建设,小面积单一场景实景三维建模向地区级全域实景三维建模转变成为一种常态,因量变引起的小区域建模中易被忽略的技术问题也日益凸显,如三维模型成果色彩不均衡问题。由于采集设备、天气情况、地形地貌及航摄状态等诸多要素的影响,地区级实景三维模型成果整体的目视效果往往存在差异。本文以济宁市主城区实景三维建模项目为例,探讨地区级实景三维模型成果色彩均衡的技术方法。结果表明:采用基于模型纹理贴图色彩均衡的方法可以有效提高模型成果整体的目视效果,同时相较于基于原始影像预处理的模型色彩均衡方法,该方法效率提高了9倍。     

基于模糊层次分析法的资源开发优化布局研究

本文以济南北跨城市规划区为例,采用模糊层次分析法及GIS空间分析技术,构建了"先建后采、先采后建、只建不采和只采不建"四种情境下的资源开发与城市建设适宜性评价模型,选取了对研究区综合效益影响较大的9个因子,采用德尔菲法确定了各情境下单因子内部的效益性评价分值,通过赋值叠加处理,得到不同情境下各评价单元的因子赋值结果,最...