传统村落空间肌理参数化建构方法

1.本发明涉及传统村落建构技术领域，具体涉及传统村落空间肌理参数化建构方法。


背景技术：

2.传统村落文化与空间肌理并非是各自独立的，村落文化依赖于空间场所而延续。常规规划能够通过规划师个人对于文化的感知，而通过象形、隐喻等规划手法延续村落人文精神；此外，传统村落文化不是一成不变的，随着经济社会的发展、生产技术水平的提高，农村生活条件发生巨大变化，农民对美好生活的向往，促使在参数化重构过程中应考虑到现实要素。如居住环境的改善、交通方式的变化、建筑防火的需求等，与传统村落空间肌理的特征参数存在一定的差异。
3.村落空间肌理形态不仅是村落的景观要素，也是村落内部秩序构成的外在表现，肌理形态的形成受到自然环境与文化传统的双重影响，有着显著的地域性特征。常规方案在设计上更注重形式，具有很强的视觉冲击效果，在规划时通常会首先考虑地块的规整性与功能性，以便于场地、道路、建筑等的施工建设，提高土地利用效率。但规整的地块必然会损失一定的空间肌理变化所带来的趣味性，不利于村落文脉的传承。
4.传统方案在设计过程中通常采取制定用地指标、划定道路红线、规定建筑限高等手段来引导村落规划建设，这种方式能够严格保证各项用地指标符合相关要求，但也容易使得方案灵活性受限制，丧失村落原有的魅力与特色。
5.因此，本发明提出一种传统村落空间肌理参数化建构方法。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提出传统村落空间肌理参数化建构方法，用于辅助传统村落常规规划。
7.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
8.本发明提供了传统村落空间肌理参数化建构方法，包括：
9.获取村落空间肌理数据并进行预处理，利用arcgis平台形成村落空间肌理数据库；
10.基于村落空间肌理数据库确定特征参数集并获取特征参数值；
11.结合区域环境生成障碍地图，基于cityengine平台自动选取新村落肌理建构的空间位置；
12.利用所获取的特征参数值应用cityengine生成模块并创建cga规则，以生成新村落空间肌理建构方案；
13.提取新村落空间肌理建构方案中的村落空间肌理信息并进行预处理，以形成新村落空间肌理数据库；
14.将原村落空间肌理数据库与新村落空间肌理数据库进行数据对比，若对比结果相
似，则村落空间肌理建构成功；若对比结果不相似，则重新确定特征参数并获取特征参数值和/或重新创建cga生成规则。
15.进一步，获取村落空间肌理数据信息并进行预处理，利用arcgis平台以形成村落空间肌理数据库，具体包括：
16.获取村落航拍影像、实地照片、dem数据、cad数据以及gis数据，并进行数据降噪预处理；
17.数据降噪预处理包括航拍影像的校正、实地照片的筛选、村落边界的提取、肌理数据的处理；
18.应用cityengine与arcgis无缝集成，调用arcgis提供的二维shp数据，形成村落空间肌理数据库。
19.进一步，所述村落边界的提取以测绘地形图为基础，包括：
20.对有明确产权线的区域，定义村落边界以产权线确定；
21.对有明确自然边界线，以自然边界线确定，若自然边界线与村落建筑距离超过五米，则以靠近自然边界线的村落建筑边界线确定；
22.当村落建筑之间存在道路时，则先考虑建筑边界线与道路边界线的衔接，再考虑道路边界线与另一侧建筑边界线的衔接；并通过实地勘探对提取的边界线进行优化调整，以获取村落边界。
23.进一步，所述肌理数据的预处理包括道路空间肌理、地块空间肌理以及建筑空间肌理。
24.进一步，所述道路空间肌理预处理包括：
25.对道路交叉口中多余的区域进行裁切以及对转弯半径进行优化，对于距离较近的道路交叉口进行合并；
26.以道路交叉口作为节点将道路拆解成多条路段，对多条路段进行多点采样，测量各路段宽度并利用平均测量值作为该段道路的宽度；
27.将村落道路分为主要道路与次要道路以及街巷空间，对每个道路交叉口之间的道路宽度统一，对于圆弧或曲线路段则采用道格拉斯－普克算法进行直线段拟合；
28.进一步，所述地块空间肌理预处理：包括提取流程、提取原则以及地块空间肌理优化，其中，所述提取流程基于现状cad数据并按以下步骤执行：
29.提取自然要素；
30.提取单独地块；
31.提取公共空间；
32.划分组成住宅单元的建筑单元空间；
33.以每户为单位划分居住单元；
34.对各住宅单元之间的公共/模糊空间按照一定规则分解到各个居住单元；
35.确定地块分割线，完成地块空间的初步提取；
36.实地勘探，校核存在疑问的区域，完成地块空间肌理的提取；
37.所述提取原则包括：
38.确定单独地块界线；
39.对没有明确围墙界线的建筑单元，规整化处理建筑肌理；
40.对有明确围墙界线的建筑单元，以围墙线为界线；
41.对建筑存在一定相邻或相接关系的，按实际调查的空间权属进行界线划分，以产权界线为空间界线，并规整化；
42.建筑单元之间的公共空间，按临近单元的使用频率进行划分；
43.所述地块空间肌理优化包括：
44.整体肌理不变，保持优化前后的地块几何形状特征不变，且不能将原地块拆分；
45.简化地块形状，将微曲的地块边界简化为直线，剔除长度极小的边；
46.对邻接的地块单元，整体考量空间肌理关系，同时优化相邻地块；
47.进一步，对村落空间肌理数据库进行特征参数化提取，以确定特征参数集并获取特征参数值，具体包括：道路空间肌理特征参数化提取、地块空间肌理特征参数化提取、建筑空间肌理特征参数化提取；其中：
48.道路空间肌理特征参数化提取包括：整体路网形态、道路交叉口、道路长度、道路宽度、道路数量以及道路偏角；
49.地块空间肌理特征参数化提取包括：地块组团特征、地块功能构成、单体地块形态特征以及规模特征；
50.建筑空间肌理特征参数化提取包括：建筑基底形状特征以及规模特征、院落空间特征、建筑朝向特征。
51.进一步，利用所获取的特征参数值应用cityengine生成模块并创建cga生成规则，以生成村落空间肌理建构方案，还包括在cityengine中创建障碍图层，用以控制村落空间肌理生成/不生成。
52.进一步，利用所获取的特征参数值应用cityengine生成模块并创建cga生成规则，以生成村落空间肌理建构方案，还包括在cityengine中建构村落空间肌理之前，导入地形数据、纹理数据以及障碍地图，用于创建村落空间肌理建构的环境。
53.进一步，该种传统村落空间肌理参数化建构方法还包括采用单独编写cga生成规则的方式，利用道路空间肌理和环境地图实现水口空间肌理的建构。
54.进一步，该种传统村落空间肌理参数化建构方法还包括将提取的新村落空间肌理的特征参数与原村落空间肌理的特征参数进行比对，用以判断新村落空间肌理与原村落空间肌理是否协调。
55.本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
56.1)本发明将arcgis与cityengine结合，实现了多元数据的高效互通，有利于实现复杂的参数化建模，能够有效适应各类传统村落保护、发展所需的规划、建设、模拟需求，提高了工作效率与规划方案的可实施性，并降低了设计成本与方案动态调整成本。
57.2)本发明通过对传统村落空间肌理特征参数的提取与应用，能够有效深入分析村落多维度特征，生成的建构方案既能够传承传统特征又能够在优化的基础上满足现代生活需求；同时基于障碍地图与特征参数的结合，能够科学且精准的控制传统村落周边新建区域风貌，有效协调新建区域与原村落的景观形态。本发明为村落的当代发展提供了数字化的视角，强化了村落发展中对文脉、肌理等历史人文空间积淀的认识。
附图说明
58.图1为本发明流程框图；
59.图2为本发明道路肌理优化示意图；
60.图3为本发明地块空间肌理优化示意图；
61.图4为本发明一实施例中cityengine模拟生成道路空间肌理方案一展示图；
62.图5为本发明一实施例中cityengine模拟生成道路空间肌理方案二展示图；
63.图6为本发明对道路空间肌理方案二优化后的道路模拟展示图；
64.图7为本发明一实施例中提取的地块空间肌理示意图；
65.图8为本发明一实施例中cityengine控制面板示意图；
66.图9为本发明一实施例中cityengine模拟生成地块空间肌理方案一展示图；
67.图10为本发明一实施例中cityengine模拟生成地块空间肌理方案二展示图；
68.图11为本发明对地块空间肌理方案二优化后的地块肌理展示图；
69.图12为本发明建筑空间肌理中建筑基地形状示意图；
70.图13为本发明cityengine模拟生成建筑平面肌理示意图；
71.图14为本发明cityengine模拟生成村落肌理鸟瞰图；
72.图15为本发明中障碍地图展示图。
具体实施方式
73.为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例和附图，进一步阐述本发明，但下述实施例仅仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其它实施例，都属于本发明的保护范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
74.参考图1，村落空间肌理在自然生态环境、社会文化要素、地域空间系统等共同影响下形成，是村落精神文化与自然形态的外在表征，肌理的延续能够在一定程度保障村落文化的传承。村落空间肌理可解构为点(建筑肌理)、线(道路肌理)、面(地块肌理)三大部分。基于形态学视角，以定量化的方式解析、提取、概括传统村落空间肌理的内在特征，并将提取的特征参数导入参数化设计平台，让计算机基于村落现有的特征数据快速、动态地建构出与原村落肌理相契合的村落空间布局方案。
75.为此，本发明提供了传统村落空间肌理参数化建构方法，包括：
76.步骤s01，获取村落空间肌理数据信息并进行预处理，利用arcgis平台以形成村落空间肌理数据库；
77.步骤s02，对村落空间肌理数据库进行特征参数化提取，以确定特征参数集并获取特征参数值；
78.步骤s03，结合区域环境生成障碍地图，基于cityengine平台自动选取新村落肌理建构的空间位置；
79.步骤s04，利用所获取的特征参数值应用cityengine生成模块并创建cga规则，以生成村落空间肌理建构方案；
80.步骤s05，提取村落空间肌理建构方案中村落空间肌理数据信息并进行预处理，以
形成新村落空间肌理数据库；
81.步骤s06，将原村落空间肌理数据库与新村落空间肌理数据库进行数据对比，若对比结果相似，则村落空间肌理建构成功；若对比结果不相似，则重新确定特征参数并获取特征参数值和/或重新创建cga规则。
82.实验：
83.本实施例以南屏村为研究对象采用本发明传统村落空间肌理参数化建构方法对南屏村进行参数化建构。
84.在上述步骤s01中，获取南屏村航拍影像、实地照片、dem数据、cad数据以及gis数据，研究使用的影像数据主要来自locaspaceviewer下载的研究区及其周边的19级(最高级别)影像图与实地调查时航拍采集的影像，影像数据主要用于村落边界的提取与校核，以及民居等建筑屋顶的样式判断。
85.道路与建筑cad数据由安徽省城建设计研究院提供，系该院在进行南屏历史文化名村保护规划编制时测绘所得，包括道路肌理、建筑轮廓、建筑高度等信息。
86.dem数据来源于地理空间数据云，提供的数据精度为30m。
87.纹理贴图数据包括建筑墙体、门、窗、柱、屋顶、地板等纹理图案，均来自在南屏村实地调研过程中拍摄所得。
88.由于调研所取得的原始数据存在大量无关的噪音信息，不利于后期的特征分析与参数获取，因此需进行数据降噪预处理；
89.数据降噪预处理包括航拍影像的校正、实地照片的筛选、村落边界的提取、肌理数据的处理；研究以wgs84坐标系为基准，统一校正各类数据空间坐标，并基于gis平台构建传统村落空间肌理数据库。应用cityengine与arcgis无缝集成，调用arcgis提供的二维shp数据，形成村落空间肌理数据库。
90.由于参数化的空间肌理提取与建构必须有明晰的空间范围界定，因此：
91.村落边界的提取以测绘地形图为基础，包括：
92.对有明确产权线的区域，定义村落边界以产权线确定；
93.对有明确自然边界线，以自然边界线确定，若自然边界线与村落建筑距离超过五米，则以靠近自然边界线的村落建筑边界线确定；
94.当村落建筑之间存在道路时，则先考虑建筑边界线与道路边界线的衔接，再考虑道路边界线与另一侧建筑边界线的衔接；并通过实地勘探对提取的边界线进行优化调整，以获取村落边界。
95.肌理数据的预处理包括道路空间肌理、地块空间肌理以及建筑空间肌理。
96.道路空间肌理预处理包括：
97.参考图2，由于现状道路空间肌理形态较为复杂，因此需要从道路交叉口、路幅宽度、道路形态等方面进行优化处理，因此：
98.对道路交叉口中多余的区域进行裁切以及对转弯半径进行优化，对于距离较近的道路交叉口进行合并；在优化过程中允许存在一定误差，但需保证两个原则前提：一是对整个传统村落空间肌理不产生明显影响；二是优化后的形态应便于计算机模拟。
99.由于自然生长的村落道路网中，同一条道路存在着路幅宽度不一，部分地段道路线型过于曲折等问题，因此：
100.以道路交叉口作为节点将道路拆解成多条路段，对多条路段进行多点采样，测量各路段宽度并利用平均测量值作为该段道路的宽度；
101.对选中的道路进行简化处理提取骨干部分，由于研究路网的整体特征不必保留所有空间细节，因此：
102.将村落道路分为主要道路与次要道路以及街巷空间，对每个道路交叉口之间的道路宽度统一，对于圆弧或曲线路段则采用道格拉斯－普克算法进行直线段拟合；
103.地块空间肌理预处理：包括提取流程、提取原则以及地块空间肌理优化，其中，提取流程基于现状cad数据并按以下步骤执行：
104.步骤s11,提取自然要素，例如道路、水系、山体；
105.步骤s12,提取单独地块，例如农田、菜地、园地；
106.步骤s13,提取公共空间，例如村落内祠堂、水口；
107.步骤s14,划分组成住宅单元的建筑单元空间；
108.步骤s15,以每户为单位划分居住单元；
109.步骤s16,对各住宅单元之间的公共/模糊空间按照一定规则分解到各个居住单元；
110.步骤s17,确定地块分割线，完成地块空间的初步提取；
111.步骤s18,实地勘探，校核存在疑问的区域，完成地块空间肌理的提取；
112.在地块提取过程中，根据不同区域的情况，需要遵循不同的地块提取规则,提取原则包括：
113.确定单独地块界线,根据测绘地形图，结合卫星地图、航拍影像，确定村落边界范围内的菜地、园地、农田等单独地块界线。
114.对没有明确围墙界线的建筑单元，规整化处理建筑肌理；
115.对有明确围墙界线的建筑单元，以围墙线为界线；
116.对建筑存在一定相邻或相接关系的，按实际调查的空间权属进行界线划分，以产权界线为空间界线，并规整化；
117.建筑单元之间的公共空间，按临近单元的使用频率进行划分；
118.参考图3，由于根据实际信息所提取的地块肌理常存在不规则的情况，因此需要对提取的地块空间肌理采取一定的优化手段，地块空间肌理优化包括：
119.整体肌理不变，保持优化前后的地块几何形状特征不变，且不能将原地块拆分；
120.简化地块形状，将微曲的地块边界简化为直线，剔除长度极小的边；
121.对邻接的地块单元，整体考量空间肌理关系，同时优化相邻地块；
122.在实际的优化过程中，控制优化合理误差，在地块空间肌理优化过程中，不可避免会对地块面积造成变化，研究应对优化前后的地块面积进行对比，保证误差在5％以内。
123.步骤s02中，对南屏村空间肌理数据库进行特征参数化提取，以确定特征参数集并获取特征参数值，具体包括：道路空间肌理特征参数化提取、地块空间肌理特征参数化提取、建筑空间肌理特征参数化提取；其中：
124.道路空间肌理特征参数化提取包括：整体路网形态、道路交叉口、道路长度、道路宽度、道路数量以及道路偏角；下表1为南屏村道路空间肌理参数化提取成果：
125.表1
[0126][0127]
其中，参数的提取如下表2(传统村落道路空间肌理参数集)：
[0128]
表2
[0129][0130]
将提取的道路肌理参数按前文所述思路导入cityengine平台进行计算机自动模拟，生成若干种道路空间肌理方案，本实施例选择其中两组道路空间肌理方案展示如图4(方案一)、图5(方案二)所示。
[0131]
由于计算机按照规则语言自动模拟的方案存在一定的随机性与不足，因此需要在自动模拟生成的大量重构方案中挑选出较为合理的方案，并加以人工的修正。cityengine提供了较为便捷的人工交互环境，对某一道路进行修改也会实时调整其周边路网形态，有利于手动调整时对路网结构合理性的判断。因此研究在选定模拟方案后，直接在cityengine(以下简称ce)中进行调整。如图6所示，为基于方案二手动调整后的优化方案，以此作为地块骨架生成的基础。
[0132]
地块空间肌理特征参数化提取包括：地块组团特征、地块功能构成、单体地块形态特征以及规模特征；
[0133]
参考下表3，为南屏村地块空间肌理参数化提取成果：
[0134]
表3
[0135][0136]
其中，表3的参数的提取如下表4(传统村落地块空间肌理参数集)：
[0137]
表4
[0138][0139]
需要说明的是，ce提供了三种地块划分的内置函数：recursivesubdivision(递归细分)、offsetsubdivision(内退细分)、skeletonsubdivision(骨架细分)，并提供了相应的控制参数，因此在编写cga生成规则时，直接调用上述三种函数进行多种类型地块细分，即可模拟出与原村落地块肌理相匹配的新的地块空间肌理。通过对南屏村地块组团类型分统计，可以得到三种地块细分类型所占的比重，因此可以使用“占比函数”来控制各类型地块组团生成的数量。
[0140]
由于地块肌理除通过细分类型控制外，还有地块面积规模、地块最大(小)边长、公共建筑(祠堂等)地块所处区域、各类面积地块内建筑类型占比、不规则度等内容。其中部分属性可直接通过ce的控制面板进行操作如图8所示。其余属性可通过编写cga规则进行控制。
[0141]
此外，在划分出建筑地块与菜地等地块类型之后，对于祠堂所处的地块一般为村落中心，也可基于ce内置的距离函数编写相应的代码实现，核心思想即是通过判断地块与村落几何中心的距离，来选择生成各类型建筑的概率，从而能够较为准确的将祠堂等公共类型地块布置在重构的村落地块肌理的中心区域。
[0142]
根据手动调整后的路网形态与提取的地块特征参数，通过ce交互面板与cga规则配合，计算机自动模拟出若干地块划分方式，本发明选择其中两组地块空间肌理重构方案展示，分别如图9(方案一)、图10所示(方案二)。
[0143]
由于在模拟过程中，地块的生成受到地块最大最小边长、地块角度、地块规模等参数的共同作用，可能出现地块面积超出限值、地块形状不符实际等情况。因此需要对计算机重构的方案进行手动修正，本实施例选取图10中(方案二)进行人工调整，调整后方案如图11所示。
[0144]
建筑空间肌理分为平面肌理与立面肌理两方面，平面肌理包括建筑空间、庭院空间、街巷空间等，立面肌理包括台基、屋身、屋顶等信息。
[0145]
建筑空间肌理特征参数化提取包括：建筑基底形状特征以及规模特征、院落空间特征、建筑朝向特征。
[0146]
参考下表5，南屏村建筑空间肌理参数化提取成果。
[0147][0148]
需要说明的是，建筑空间肌理的建构，建立在地块细分的基础上，将建筑单体划分为若干构件，通过对每个构件编写cga规则，并按一定逻辑使其对细分后的小地块作用，从而生成新的建筑肌理。具体步骤如下：
[0149]
步骤s21，根据建筑基底的形状、规模、进深、面宽、退让等参数，对细分后地块通过setback(后退)、offset(内缩或外放)、split(分割)等命令，确定建筑主体、马头墙、及庭院、街巷的范围；
[0150]
步骤s22，根据建筑高度、层数等参数，对建筑主体基底范围通过extrude(拉伸)、comp(拆分)等命令，生成建筑的立体形态；
[0151]
步骤s23,对生成的立体各个面，根据墙体表皮、屋顶形状等参数，进一步通过texture(贴图)、i(模型替换)等命令细化建筑主体，从而完成建筑空间肌理的重构。其中建筑屋顶可直接使用ce中内置的屋顶函数roofgable(双坡屋顶)、roofhip(四坡屋顶)等直接实现。纹理贴图所使用的的源文件，均来源于在南屏村实际拍摄所得，能够最大程度保证新生成的建筑肌理与原肌理相协调。
[0152]
进一步的是，在编写cga规则重构模型的过程中，需要不断调试各项参数，并做进一步细化，直至最终生产建筑模型。
[0153]
将根据建筑肌理参数编写的cga规则赋予细分后的地块，计算机即会快速生成三维建筑模型，如图13、图14所示，cga规则在编写可通过定义变量来交互控制建筑形制、高度、贴图等熟悉，在模型生成后可通过选择某一建筑，在属性面板中进行属性变换时能够同步更新模型效果。
[0154]
由于对环境要素影响的考虑，在ce中重构村落肌理时，需要预先判断区域自然本底，制作障碍地图。例如，道路布局存在很多的限制，这些限制区域可能是生态用地，也可能是高程、坡度等地形条件极不适宜的区域，这些区域都不能出现街道或者建筑。为了在ce中模拟这些情况，需要创建一个obstaclelayer(障碍图层)来进行控制。
[0155]
因此在步骤s03中，还包括在cityengine中创建障碍图层，用以控制村落空间肌理
生成/不生成，ce默认障碍图层中深色区域代表障碍，障碍值越高，则生成道路与建筑的概率越低，浅色区域为正常。
[0156]
在一实施例中，还需对用地适宜性进行等级划分。同时提取区域范围内的生态用地将定义为障碍值最高的区域，从而阻止道路在生态用地内生成，并对各单项变量的阻值图进行归一化处理，避免某一因素影响过大。本实施例中最终将各单项阻值栅格图叠加成为障碍地图，如图15所示。
[0157]
因此，步骤s04中，在cityengine中建构村落空间肌理之前，导入地形数据、纹理数据以及障碍地图，用于创建村落空间肌理建构的环境。
[0158]
进一步的是，该种传统村落空间肌理参数化建构方法还包括采用单独编写cga生成规则的方式，并结合利用道路空间肌理和环境地图实现水口空间肌理的建构。
[0159]
该种传统村落空间肌理参数化建构方法还包括将提取的新村落空间肌理的特征参数与原村落空间肌理的特征参数进行比对，用以判断新村落空间肌理与原村落空间肌理是否协调，从而确定方案的合理、适宜性。
[0160]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。