城市建筑建设发展模拟研究

针对城市建设建筑发展模拟存在的问题，总结出一种基于时间动画的模拟方法来反映出其动态发展变化过程。该模型能根据模拟过程的动态变化与相应的定性、定量、定位等因素指标，提出相应的规划规则用于模拟城市建设过程中的某个时间点的建设情况。同时通过与地图动画显示技术的结合，该模型可以较好展现建筑建设发展的动态情况。

1引言

城市建筑建设发展模拟是指所有意图描述城市建筑建设发展情况的交互以及动态发展过程的可操作化的模拟。在城市建筑过程中，通常模拟结果只是按照规划方案生成完成时的建设情况，而依据规划策略建设城市是一个长期的过程，该过程会按照规划策略中所规定的定性、定量、定位三方面进行。近年来，国内外学者对于城市建筑建设发展模拟进行了一些研究。王海鹰、张新长等将CA模型与三维虚拟相结合来模拟城市的发展;王春波，张军等基于事件构建时空数据模型来完成时序、空间和时空等数据间的分析以及历史数据的回溯分析。

林丹将时间维与地图动态显示技术相结合完成了时空模型建立进而进行地理对象的状态变化的追踪。本文基于规划的相关方案提出三个规划准则分别为建设周期、建设速率、建设次序。拟新建建筑物的建设并不能在将来同时完成，这样该建设过程就需要一个建设周期。由于规划以及财政经费等因素的限制，新建建筑物时所采用建设速率也会很大的不同，同时也可以通过限制新建建筑物的建设次序，来完成优先建设度高的新建建筑物建设。本文利用三个建筑建设规则并结合时间动画地图显示技术来完成建设周期内某个特定时间节点的建筑建设情况模拟以及进行动态显示建筑建设发展情况。

2规划准则及时间动画地图显示技术研究

传统GIS中的数据通常只是反映了现实世界中的某个时刻“快照”，并且多数GIS系统是采用静态数据进行表示的。由于现实世界是会伴随着时间发展变化，在诸如环境监测、地震救援等等领域中所描述的空间对象是必然会随着时间发生变化的，这就要求在对传统意义上的GIS空间数据进行组织管理时，还必须可以对其进行空间数据的历史演变过程的模拟或者回溯。本文结合规划师的交流意见以及建筑建造若干规则，利用时态GIS中的时间动画来完成整个建筑建造过程中的数据模拟与空间演变过程，使建设情况进行动态的展示并提高对建筑过程的掌控性。

2.1建筑建设发展模拟规则

在建筑建造控制中，容积率、建筑密度以及建筑排列规则的结合不仅仅计算获得了规划区域内的合理建筑物数量，同时也完成了规划的最终目标－显示规划成果。但这个规划成果是规划预计后的结果图，只是反映出截止点时的建设情况，并不能实时反映出规划过程中某个时间节点的建设情况。在建筑建设过程中，可以通过设置建设周期、建设速率以及建设次序这三个规则来完成特定时间点建设情况的数据回溯以及空间演变情况。

(1)建设周期本文所指的建设周期并不是指开发商施工开工、竣工的时间，而是指规划控制的建设开始、结束时间。通常在设置建设周期开始时间时是会默认为本年度的，并且建设周期开始和结束期间的最小刻度默认为1年。

(2)建设速率建设速率是指每年会新建设产生多少建筑物。在建设过程中可根据不同的建筑物类型来选择不同的建设速率。在这里提供三种建设速率:①同时段建设，该建设速率是指同时开工，同时完工，铁路或者公路通常可用于这类建设速率。②线性增长速率，该线性增长速率就是指每年都以固定数量来完成建筑物数量的新增，它比较适合于市政基础设施的建设，原因即为其每年都有固定的财政预算。

计算公式如(1)，在该公式中s表示时间t内新建建筑物的总数量，k表示每年建设的建筑物的固定数量，x0表示规划的起始年建成的建筑物数量。s=x0+k×t(1)③固定速率的增长速率，这种速率用来描述每年都以固定增长率建设了多少新建建筑物。计算公式如(2)，在该公式中s表示时间t内新建建筑物的总数量，x0表示规划的起始年建成的建筑物数量，v表示每年的固定建设增长速率。s=x0×(1+v)t(2)(3)建设次序建设次序是指哪些规划建设区域具有优先性，例如道路的两侧或者规定的区域。

在这里提出三类建设次序方法以供选择:①随机建设次序，建设区域并没有差别性，可以在任意地点开始建设施工。②基于“计划属性”的建设次序，“计划属性”指的是分析图层中包含有建设施工的计划属性，该属性决定了建设次序需要按照该计划分阶段实施。③基于“距离”的建设次序，是会按照与兴趣点距离的由近及远的次序来进行建设的。此建设次序中的“距离”指的是与选定的兴趣点间的距离，这些兴趣点可以是商场、操场、医院、学校、火车站，也可以是街道、居民居住小区等等。

2.2时间动画动态显示技术

时间动画是指在地图上按照一定的时间间隔以及顺序动态地显示事物的发展变化情况。动画是有轨迹形成的，轨迹则由一系列的关键帧来组成，而每个关键帧对应着某个对象属性在某时刻的快照。GIS提供了较多的动画显示方式，其中包括地图视图动画(MapView)、地图图层动画(MapLayer)以及时间图层动画(TimeLayer)。与其相对应的三种动画类型分别为AnimationTypeTimeLayer，AnimationTypeMapView以及AnimationTypeMapLayer。

在GIS中每种动画类型都对应着某种类型的关键帧，即TimeLayerKeyframe，MapViewkeyframe和MapLayerKeyframe。在建筑建设发展情况模拟中，可以通过设置关键帧动画来完成建设过程的动态显示。其算法步骤如下:

(1)设置起始时间在本文中起始时间默认设置为当年，也可以由规划师自主设置起始时间，同时根据建设周期获得规划建设截止时间，并且设置时间间隔为年。通过起始时间、终止时间以及时间间隔获取到时间轴以此作为时间窗口来完成关键帧动画的获取。

(2)计算数据回溯模式在建筑建设状况回溯过程中，可以选择不同的显示方式来进行。在建设速率选择中提供了同时段、线性增长以及指数型增长三类，建设速率的不同会导致特定时间点上建筑物建设的数量发生不同。在建设次序中提供了随机、基于“距离”建设次序以及基于“计划属性”建设次序三类，不同的建设次序会导致某个时间点建筑物的位置发生变化。在基于“距离”建设次序中需要判断建筑物距离兴趣点的远近来完成，这里就必须进行距离分析。

(3)关键帧选择在本文中是通过离散型时间来完成动态显示的，因而在设置好时间窗口以及数据回溯模式后就可以得到关键帧集合，在通过时间轴来选定需要显示出的特定时间点建筑建设发展情况，如图1所示。

3试验分析

为验证本文所提出的更新模型与方法，本文在Windows环境下，以VisualStudio2008为开发工具，集成ArcGISEngine开发包研制了城市建筑建设发展模拟原型系统，实现了动态展示城市建筑建设发展过程。本文利用土规数据以及道路图层数据来完成试验验证。将规划周期设置为2015年～2030年，建设速率类型选择线性增长速率，数值为7栋/年，建设次序类型选择随机次序。

图2呈现出的是2015、2020、2025、2030年的建设情况，2015年拟计划建成7栋建筑物，2020年为35栋，2025年为70栋，2030年完成95栋建筑物的建设。设置建设次序为按距离次序建设，按照与道路距离远近来选择优先进行建设的建筑物群，建设速率选择指数型增长速率，增长率设置为20%，2015年拟建成建筑物数量为7栋，继而求出2020年为17栋，2025年为43栋，2030年完成95栋的建设。图3展示了指数型增长速率结合距离建设次序的建筑物建设发展情况。试验结果显示:结合三个规划准则以及时间动画时态GIS技术可以完成对于建筑建造过程的动态模拟，完成某个时间节点的建设情况模拟，同时也可以进行相关数据的历史回溯。

4结语

在获取到新建建筑物群的规划布置情况后，可以通过设定建筑周期、建筑速率以及建筑次序来模拟出规划周期内特定时间点的城市规划建设情况。通过规划模拟就可以动态的观测到城市建筑的发展模拟，同时在模拟发展情况下也可以进行适当的规划微调。

(1)本文所提出的三个基本规则可以对于建筑建造过程中所涉及定性、定量、定位因素完成一定的控制，可以对于建造过程的模拟过程提供一定的规划依据。

(2)基于时间动画的建筑建造过程的模拟可以完成对于建筑建造过程的数据模拟与空间演变，同时也可以完成建筑周期内的建筑情况回溯。在模拟建筑建设未来发展情况时并没有使用预测模型，而是按照建筑的规则进行的。随着人工智能的迅猛发展，其在模拟城市发展中的优势也逐渐显现出来。因而可以尝试将多智能体等人工智能方面的先进技术手段融入之后的研究中。