CN101320098A - 基于数字图像分析的城镇热岛特性预测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于数字图像分析城镇热岛特性的预测方法及系统，涉及环境工程领域。根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM；将建筑物的流动区域作为“节点”，将流动开口作为“支”，构建流动区域网络模型，根据流动区域网络模型建立质量守恒方程、环路压力方程、流量关系方程、热平衡方程，计算城镇建筑物间的空气质量流量、压差、空气温度，并识别每个像素所在的流动区域；计算分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布；得到下垫面图像中每个像素的比热、密度、导热系数，由此计算下垫面及各壁面温度，对城镇热岛特性进行预测。本发明应用数字图像处理技术，成功地解决了城镇室外热环境中的动态边界问题，实现优化城镇热环境的目的。

Description

基于数字图像分析的城镇热岛特性预测方法及系统

技术领域

本发明涉及环境工程领域，具体涉及一种解决城镇热岛变化规律的预测方法，并开发了相应的预测系统。

背景技术

城市热岛是一种城市气候特征，是城市对气温影响的典型特征。在人口高度密集、工业集中的城市区域，由人类活动排放的大量热量与其他人为条件下的共同作用导致城区气温高于周围郊区的气温，高温的城市处于低温郊区的包围之中，这种现象被称为“城市热岛”现象。国内外大量的研究结果表明，世界上所有城市无论规模大小，纬度高低，都存在城市热岛效应。计算机模拟技术是研究城镇热岛的主要方法之一，这种方法通常是以地区的热平衡理论为基础，分别为热环境建立相应的数学模型，实现热环境的求解。

Xianting Li研究了空气流动分布CFD与壁面能量平衡相结合的算法，提出了包括地面温度模拟和室外空气模拟的方法，模拟过程中主要集中在建筑室外的空气温度上，并将传热模型与空气流动模型耦合计算。Kazuya Takahashi对Kyoto的热环境进行了研究，对建筑和地面的壁面温度进行了测量，同时结合建筑、地面导热、辐射模型和空气流动模型进行了计算机模拟计算。王菲用室外热环境数学模型计算了济南四种不同工况下，太阳辐射作用引起的温升情况，对不同建筑密度、下垫面材料、自然通风风速的影响进行了比较。于震提出了将求解单体建筑和周围下垫面的热平衡方程组与室外空气场的CFD模拟计算相结合的方法，解决了空气场计算时间步长与下垫面计算时间步长不一致的问题。

采用上述计算机模拟技术分析城镇热环境时，还存在以下问题：

(1)目前，大多数的计算网格(地面和空气)使用相同大小网格，这样计算时间长，假定壁面温度作为CFD计算的边界条件，而并不计算壁面温度，只是单一求解CFD方程，计算的结果有很大的偏差。

(2)模拟的边界条件缺乏可靠性，如果采用测试值作为边界条件，就需要很多的测点，对每个模拟过程的边界条件都进行测量也是不现实的。

本发明针对现有技术中存在的上述问题，建立了完整的城镇热环境特性分析模型，完善了热环境参数计算方法，构建了完整的城镇热环境特性预测系统。经实验验证，本系统的预测计算结果与实验结果吻合得很好，完全符合城镇热环境中下垫面温度、空气温度的发展变化规律。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述缺陷，提出一种基于数字图像分析的城镇热岛特性预测系统及预测方法，本发明充分利用数字图像的优势，对城镇建筑群进行动态阴影分析，形成城镇动态能量分布，并将不同时刻的能量信息储存在数据文件中，在计算不同时刻的城镇热环境时，调用对应时刻的数据文件，实现了计算过程中下垫面的动态边界的设定。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于数字图像分析的城镇热岛特性预测方法，该方法包括以下实现步骤：

(1)根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM(Digital Elevation Model)。通过图像采集模块分别将城镇规划图中建筑物布局、高度、建筑材料、绿化面积等信息作为数据文件储存在DEM模型的图像数据库中，作为计算城镇辐射能量动态分布、下垫面传热和空气温度等的基本条件；

(2)将建筑物的流动区域作为“节点”，将流动开口作为“支”，构建流动区域网络模型，根据流动区域网络模型的城镇流动区域质量守恒方程、城镇流动区域网络的环路压力方程、连接开口的压差和气体流量关系方程、区域内空气的热平衡方程等一系列方程，计算城镇建筑物间的空气质量流量、压差、空气温度；

(3)调用上述方程，根据太阳直射辐射强度、地面对天空的视角系数和散射辐射强度、分析面对建筑物的辐射角系数关系、分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波辐射，计算分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布；太阳直射是根据太阳直射辐射强度、建筑物墙与太阳之间的方位角、太阳高度角等求解垂直面上和水平面上太阳直射辐射强度能量分布；太阳散射辐射是根据地面对天空的视角系数和散射辐射强度计算到地面上的散射辐射能量分布；根据建筑物和地面的某个面对周围建筑的辐射角系数关系计算周围建筑对分析面的长波辐射热量；根据分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波辐射，确定该面的反射辐射能量；

(4)调用城镇规划图中相关信息，得到下垫面图像中每个像素的比热、密度、导热系数等信息，为每个像素建立建筑物墙体和地面结构的一维导热方程，计算下垫面及各壁面温度。

本发明还设计了一个基于数字图像分析城镇热岛特性的预测系统，该系统包括，根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM，图像采集模块采集城镇规划图中相关信息作为数据文件储存在DEM模型图像数据库中；流动过程数据模型将建筑物的流动区域作为“节点”，将流动开口作为“支”，构建流动区域网络模型，根据流动区域网络模型建立一系列方程，计算城镇建筑物间的空气质量流量、压差、空气温度，并识别每个像素所在的流动区域；辐射过程数学模型调用上述一系列方程，根据太阳直射辐射强度、地面对天空的视角系数和散射辐射强度、分析面对建筑物的辐射角系数关系、分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波辐射，计算分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布。算法模块根据太阳直射辐射强度I_B、太阳位置高度角B，调用公式：I_S·Z＝I_BsinB计算建筑物垂直面上太阳直射能量I_SZ；根据建筑物墙面与太阳之间的方位角A、太阳直射辐射强度I_B和太阳位置高度角B，调用公式：I_C·Z＝I_BcosBcosA计算建筑物垂直面上的太阳直射辐射强度I_C·Z；根据散射辐射I_D、地面对天空的视角系数SVF，调用公式：Q_D＝I_D·SVF计算太阳散射辐射能量；根据辐射能量的角系数为B_ji、辐射表面面积A_j、辐射面的发射率ε、斯蒂芬一波尔兹曼常数σ，调用公式： $Q_{\mathrm{Li}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{\ϵ}}_j{A}_j\mathrm{\σ}{T}_j^4\right)$ 计算周围建筑对地面的长波辐射能量；根据周围建筑物接收到的太阳直射、散射和长波辐射后产生的反射，得到的反射辐射能量。

导热过程数学模型调用城镇规划图中相关信息，得到下垫面图像中每个像素的比热、密度、导热系数，为每个像素建立建筑物墙体和地面结构的一维导热方程，计算下垫面及各壁面温度。

本发明应用数字图像处理技术，成功地解决了城镇室外热环境中的动态边界问题，并将室外热环境数学模型和数字图像有机地结合起来，根据城镇热环境信息的图像分布，计算城镇热环境变化过程中，任意时刻下垫面温度和空气温度分布，并根据数字图像的模拟结果，调整城镇中建筑布局、高度、外形，下垫面材料属性、绿化以及水体分布等参数，实现优化城镇热环境的目的，为城镇热环境规划提供了有力的分析工具。

附图说明

图1所示为本发明城镇热岛特性预测方法原理框图

图2所示为城镇热岛特性预测方法相关参数计算流程图

具体实施方式

下面针对附图和具体实例对本发明的实施方案作具体描述。

根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM(Digital Elevation Model)。通过图像采集模块分别获取城镇规划图中建筑物布局、高度、绿化面积等信息的JPG图像，输入建筑材料的热物理特性，将其储存在DEM模型的图像数据库中，建立城镇数字高度模型DEM，作为城镇辐射能量动态分布计算、下垫面传热计算和空气温度计算的基本条件，流动区域网络模型的一系列方程分别调用对应分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布数据文件，用于计算空气温度等。

图1所示为本发明城镇热岛特性预测系统原理框图，该框图主要包括以下部分：

(1)辐射处理模块，根据城镇数字高度模型DEM，调用太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射等信息描绘直射辐射图像、散射辐射图像、长波辐射图像和反射辐射图像；调用太阳直射辐射强度、建筑物墙面与太阳之间的方位角、太阳高度角等求解分析面的垂直面上和水平面上太阳直射辐射强度能量分布；根据地面对天空的视角系数和散射辐射强度计算到地面上的散射辐射能量分布；根据建筑物和地面的分析面对周围建筑的辐射角系数关系，得到周围建筑对分析面的长波辐射热量；根据分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波辐射，确定该面的反射辐射能量。

①数据采集模块通过采集城镇规划图JPG图像后得到城市建筑物布局、高度、绿化面积等信息以及建筑材料的热物理特性，构建城镇数字高度模型DEM。根据城镇数字高度模型和太阳辐射强度，描绘包括水平面上直射图像和垂直面上直射图像的直射辐射图像，其中，太阳辐射强度由气象数据提供；

②根据气象数据获得散射辐射，在DEM图像的基础上通过天空阴影成像的方法确定天空角系数，根据散射辐射和天空角系数绘制散射辐射图像；

③根据周围建筑角系数与天空角系数的关系确定建筑角系数，根据建筑角系数描绘长波辐射图像和反射辐射图像。根据地面上某点在其半球空间范围内的视角范围，周围建筑角系数与天空角系数之和为1。

(2)导热模块根据城镇规划图绘制导热系数图像、换热系数图像、材料密度图像、材料比热图像和植被分布图像，确定材料的导热系数和比热，并将上述图像信息储存在DEM的图像数据文件库中。

(3)图像分析模块根据城镇数字高度模型DEM中建筑物的布局特点，建立由地面、建筑物外表面等围成的区域作为空气流动区域，把流动区域作为“节点”，将流动开口作为“支”，并通过各个流动区域的开口，连接各流动区域，抽象以后构建流动区域网络模型。该网络模型中包含流动区域的位置、流动区域的大小以及区域的高度等信息，把这些信息储存到DEM数据库的图像数据文件中；根据流动区域网络模型建立城镇流动区域质量守恒方程、城镇区域流动网络的环路压力方程、联接开口的压差和气体流量关系方程、区域内空气的热平衡方程等，求解上述方程得到城镇空气流量、压差、空气温度等参数，并识别每个像素所在的流动区域。对DEM数据库中的每个流动区域进行编号，根据像素所在的流动区域的编号，确定像素所在的流动区域。

构建流动网络，根据建筑规划中建筑物相关的参数建立的流动网络确定流动区域总数、流动开口总数、流动区域编号、流动开口与流动区域关系，根据建筑规划中外墙材料热物理性能确定外墙与流动区域的关系。采集模块采集流动区域总数、流动开口总数、流动区域编号、流动开口与流动区域关系、外墙与流动区域的关系、外墙材料热物理性能。辐射处理模块、导热模块、流动过程数学模型调用上述相关参数，计算出下垫面温度和空气温度随时间的动态分布规律，获得动态计算数据后，生成相应的曲线，具体描述如下。

下面是太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射、下垫面温度、空气温度等参数计算过程的具体描述。

根据周围建筑物接收到的太阳直射、散射和长波辐射，确定周围建筑物对分析面的长波辐射热量。

(1)根据太阳直射辐射强度I_B、太阳位置高度角B，算法模块调用公式：

I_S·Z＝I_BsinB(1)

计算城镇地面及建筑物水平面上接收到的太阳直射辐射能量I_S·Z。

(2)根据建筑物墙与太阳之间的方位角A、太阳直射辐射强度I_B和太阳位置高度角B，算法模块调用公式：

I_C·Z＝I_BcosBcosA(2)

计算建筑垂直面上接收到的太阳直射辐射强度I_C·Z。

(3)散射辐射也是城镇中辐射的重要组成部分，对城镇热环境会造成重要的影响，特别是天空云层较多的情况下。根据散射辐射强度I_D、地面对天空的视角系数SVF(SkyView Factor)，调用公式：

Q_D＝I_D·SVF(3)

计算得到散射辐射能量。

(4)以下对长波辐射进行分析，分析模块根据建筑物的某个面和地面的长波辐射能量的角系数、辐射表面积、辐射面的发射率，算法模块计算周围建筑物对分析面的长波辐射热量。

假设建筑物i面对于来自j面的辐射能量的角系数为B_ji、辐射表面面积A，辐射面的发射率ε、斯蒂芬一波尔兹曼常数σ、辐射表面温度K，算法模块调用公式：

$Q_{\mathrm{Li}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ji}}\left({\mathrm{\ϵ}}_j{A}_j\mathrm{\σ}{T}_j^4\right)---\left(4\right)$

计算建筑物和地面的某个i面的长波辐射热量，从而得到周围建筑物对分析面的长波辐射热量。

由于两个表面间的辐射换热存在互换性，即A_i、A_j两表面存在如下关系：

B_ijA_i＝B_jiA_j(5)

根据上述关系，可以推导出对所有建筑物的j面求和公式(6)和(7)：

$\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}{A}_i=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ji}}{A}_j---\left(6\right)$

$A_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ji}}{A}_j---\left(7\right)$

同时，在式(4)中，如果将周围建筑j面的发射率ε_j、温度T_j取平均值ε_ave、T_ave，可以得到周围建筑对分析面的长波辐射热量为：

$Q_{\mathrm{Li}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ave}}\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{ave}}^4{A}_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}---\left(8\right)$

上述公式中，

表示i面相对于周围建筑面的角系数(1-SVF)，公式(8)可以变为：

$Q_{\mathrm{Li}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ave}}\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{ave}}^4{A}_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}={\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{ave}}\mathrm{\σ}{T}_{\mathrm{ave}}^4{A}_i(1-\mathrm{SVF})---\left(9\right)$

通过分析建筑物周围不同方向上各像素对应的温度值，然后取平均值，得到建筑物周围平均温度T_ave。

(5)反射辐射分析模块根据周围建筑物某分析面接收到的太阳直射、散射和长波辐射，确定该分析面的反射辐射能量。

根据周围建筑物接收到的太阳直射、散射和长波辐射后产生的反射，此时分析面得到的反射辐射能量根据以下公式计算：

$Q_{\mathrm{Ai}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ji}}{\mathrm{\ρ}}_j(A_j{I}_{\mathrm{Dj}}+A_j{I}_{\mathrm{Bj}}+A_j{I}_{\mathrm{Lj}})---\left(10\right)$

通过分析周围不同方向上各像素接收到的反射辐射能量值，然后取平均值得到平均能量强度I_ave，同样，对接收到的不同方向上各像素接收到的能量值的总和(I_Dj+I_Bj+I_Lj)和ρ_j取平均值ρ_ave，并根据 $A_i\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}=\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ji}}{A}_j$ 相等的关系式，得到分析面的反射辐射能量：

$Q_{\mathrm{Ai}}={\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ave}}{I}_{\mathrm{ave}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{A}_j{B}_{\mathrm{ji}}=A_i{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ave}}{I}_{\mathrm{ave}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{B}_{\mathrm{ij}}=A_i{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ave}}{I}_{\mathrm{ave}}(1-\mathrm{SVF})---\left(11\right)$

(6)根据城镇数字高度模型DEM中建筑物的布局特点建立城镇内空气流动数学模型，该空气流动数学模型包括城镇流动区域质量守恒方程、城镇区域流动网络的环路压力方程、流动开口的压差和流量关系方程、区域内空气的热平衡方程式。

①建立城镇流动区域质量守恒方程

如果已知区域i的容积V_i、空气密度ρ_i、从区域i流向区域j的空气流量m_ij、从区域j流向区域i的空气流量m_ji、区域i的空气质量发生量M_i，对某个流动区域i建立质量守恒方程式为：

$V_i\frac{\∂{\mathrm{\ρ}}_i}{\∂\mathrm{\τ}}+\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(m_{\mathrm{ij}}-m_{\mathrm{ji}})=M_i---\left(12\right)$

由该方程计算空气流动质量。

②建立城镇流动区域网络的环路压力方程

利用任何闭合环路上的流动区域间的压差代数和为零的关系，建立线性无关方程组，假设通过测量已知流动开口i的总压差代数和P_i、流动开口i的压差P_hi、开口i的压力源P_si，可以建立全部环路压力平衡方程，形成的线性无关的方程组数等于换气回路网络的回路个数。流动区域间的压力差由城镇内建筑物气流分布所产生的流动开口压差[P_h]和室外风力等因素产生的压力源[P_s]组成，则某环路的压力平衡式为：

$\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{P}_i=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(P_{\mathrm{hi}}+P_{\mathrm{si}})=0---\left(13\right)$

根据该方程确定流动开口压差。

③建立流动开口的压差和流量关系式

开口流量取决于开口两侧的压差，根据测量得到的两区域间的开口压差P、开口流量系数μ、开口面积A、区域的空气密度ρ，根据伯诺里方程，建立流动开口的压差和空气质量流量关系为： $m=\mathrm{\μA}\sqrt{2\mathrm{\ρP}}---\left(14\right)$

对其离散可得n+1时刻的开口压差： $P_{n+1}=P_n-\frac{{m_n}^2}{{\mathrm{\μ}}^2{A}^2\mathrm{\ρ}}+\frac{m_n}{{\mathrm{\μ}}^2{A}^2\mathrm{\ρ}}{m}_{n+1}---\left(14.1\right)$

由此，可以确定某一时刻流动开口的压差和空气质量流量。

④建立区域内空气的热平衡式

测量空气运动所带来的热量Q_F·i、地面和周边建筑壁面吸热产生的热量Q_C·i、区域内气体的蓄热Q_i，确定其在全部路径上所有热量的代数和为：

$Q_{F\·i}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{F\·\mathrm{ij}}---\left(15\right)$

其中通过开口，空气流动实际损失的热量Q_F·ij为：

Q_F·ij＝C_Pm_ijT_i-C_Pm_jiT_j(15.1)

i区域通过所有开口的空气流动产生的热量损失的总和为：

$Q_{F\·i}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{F\·\mathrm{ij}}=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}(C_P{m}_{\mathrm{ij}}{T}_i-C_P{M}_{\mathrm{ji}}{T}_j)---\left(15.2\right)$

式中，为i区域的所有开口求和。

地面和周边建筑壁面吸热产生的热量：

$Q_{C\·i}=\underset{k}{\mathrm{\Σ}}{Q}_{C\·\mathrm{ik}}---\left(16\right)$

建立区域i内空气的热平衡式：

Q_i＝Q_F·i+Q_C·i(17)

其中

$Q_i={\mathrm{\ρ}}_i{C}_{\mathrm{pi}}{V}_i\frac{{\∂T}_i}{\∂t}---\left(17.1\right)$

离散后： ${\mathrm{\ρ}}_i{C}_{\mathrm{pi}}{V}_i\frac{{\∂T}_i}{\∂t}={\mathrm{\ρ}}_i^n{C}_{\mathrm{pi}}^n{V}_i\frac{T_i^{n+1}-T_i^n}{\mathrm{\Δt}}---\left(17.2\right)$

式中，ρ_i、C_pi、V_i、T_i分别为i区域气体的密度、比热、体积、温度，t为时间，Tⁿ⁺¹为下一时刻的温度。由此确定该区域内某一时刻的温度。

(7)建立墙体和地面结构一维导热方程，计算建筑外墙和地面之间的传热。

根据空气的热平衡式计算的区域内当时时刻τ的温度T、由导热模块根据导热图像获得的导热系数λ、比热c、以及空气密度ρ，作为物性参数，建立建筑物墙体和地面结构的一维导热方程，根据该方程确定墙体和地面传热，确定下垫面温度。

空气对辐射的直接吸收可以忽略，通过下垫面对辐射的吸收后，再传递给空气，根据散射辐射能量Q_D、直射辐射能量Q_B、周围建筑长波辐射能量Q_L、周围建筑反射辐射能量Q_A，建立热平衡方程式确定下垫面温度。Q_D、Q_B、Q_L、Q_A根据分析面面积与各辐射强度I_DI_BI_LI_A相对应。

一维导热方程为：

$\mathrm{\ρC}\frac{\∂T}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{\∂}{\∂x}\left(\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}\right)---\left(18\right)$

将时间微分项近似处理为差分格式：

$\frac{{\∂T}_i}{\∂\mathrm{\τ}}=\frac{T_i^{n+1}-T_i^n}{\mathrm{\Δ\τ}}---\left(18.1\right)$

假定边界条件为x＝0处，区域空气温度为T_i与壁面k之间的对流换热系数为α_ik，自身的长波辐射能量为Q_s，则靠近室外侧的热平衡方程式表示为：

$-\mathrm{\λ}\frac{\∂T}{\∂x}={\mathrm{\α}}_{\mathrm{ik}}(T_i-T)+(1-\mathrm{\ρ})\·(Q_D+Q_B+Q_L+Q_A)-Q_S,(x=0)---\left(19\right)$

算法模块调用上述公式进行相关计算，从而获得空气质量流量m、空气温度T、下垫面温度T、辐射能量(Q_D、Q_B、Q_L、Q_A)分布等参数。

如图2所示为本发明预测中相关参数计算流程图(图2中n表示计算过程中的步数，N表示计算过程中设定的总步数)。

(1)在初始时刻，设n＝0，假定各区域间的空气质量流量m_ij＝0，开口压差p＝0，并作为计算的初始参数；同时，算法模块调用方程(12)-(14.1)构成的线性方程组，求解得到的该方程组的解，即为下一时间步长n+1时刻流动区域网络模型的p_i ⁿ⁺¹、Δm_n+1、m_ij ⁿ⁺¹、m_ji ⁿ⁺¹(其中n表示时间步数，即计算的第n步，同理n+1即表示计算的第n+1步)。

(2)将计算得到的p_i ⁿ⁺¹、Δm_n+1、m_ij ⁿ⁺¹、m_ji ⁿ⁺¹值作为新的已知量，并根据区域空气和下垫面的第n步的初始温度，算法模块调用方程(15)-(17.2)，求解区域内空气n+1步的温度值；当全部的计算步数完成后，根据区域空气温度在各步的数值，形成温度变化曲线图。

(3)算法模块调用方程(1)-(3)，(9)，(11)，分别求解n步的直射辐射、散射辐射、长波辐射和反射辐射能量分布，并作为下垫面计算n+1步温度值时的已知量；

(4)由墙体和地面传热方程式(18)-(18.1)以及墙体和地面第n步的温度值，并结合各种辐射能量在第n步的分布值，求出各壁面和下垫面下一时刻的温度Tⁿ⁺¹；

(5)重复步骤(1)-(4)，直到计算满足所设定的时间步长N为止。

通过实验对选定区域进行测量，与该预测模型的预测结果进行比较。在城镇的不同测点针对城镇的热参数进行分析，测量数据主要包括下垫面的壁面温度，各个测点的空气温度，建筑顶部空气干球温度、湿球温度、气压等参数，并将第一组测试值作为计算模型的初始输入参数。通过测试的下垫面温度与模型的计算值进行比较。根据前面提供的下垫面的实测值，分别从前面的计算模型中提取图像中相应位置像素的下垫面计算值，对两者进行比较，另外对不同测点所在区域内的空气温度也进行了对比，如果一个流动区域只有一个测点，则用这个点的值近似代表该区域的温度值，直接比较；如果一个区域内有多个测点，可以将各个测点的空气温度按每个测点所在区域地面材料特点，划分为不同的空间，最后将这些空气温度按空间体积求得加权温度，来近似代表这个流动区域的空气温度值。城镇下垫面和流动区域的计算值与测试值的比较结果，曲线的整体趋势是一致的，能够满足城镇热环境规划过程中的需要，并能对城镇热岛进行分析。

Claims (9)

1、一种基于数字图像分析的城镇热岛特性预测方法，其特征在于，

(1)图像采集模块采集城镇规划图中相关信息作为数据文件储存在DEM模型图像数据库中，根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM；

(2)将城镇规划图建筑物的流动区域作为“节点”，将流动开口作为“支”，构建流动区域网络模型，构建流动区域网络模型的一系列方程，计算城镇建筑物间的空气质量流量、流动开口压差、空气温度，并识别每个像素所在的流动区域；

(3)根据太阳直射辐射强度、地面对天空的视角系数和散射辐射强度、分析面对建筑物的辐射角系数关系、分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波辐射，计算分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布；

(4)调用城镇规划图中材料的比热、导热系数、以及由流动区域网络模型确定的流动区域当前时刻温度，建立建筑物墙体和下垫面的一维导热方程，调用太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量，计算下垫面及各壁面温度。

2、根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，城镇规划图中相关信息包括，建筑物布局、建筑物高度、绿化面积的JPG图像，建筑材料的热物理特性。

3、根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述一系列方程包括，城镇流动区域质量守恒方程、城镇区域流动网络的环路压力方程、连接开口的压差和气体流量关系方程、区域内空气的热平衡方程。

4、根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，算法模块根据太阳直射辐射强度I_B、太阳位置高度角B，调用公式：I_S·Z＝I_BsinB计算建筑物水平面上太阳直射强度I_S·Z；根据建筑物墙面与太阳之间的方位角A、I_B和B，调用公式：I_C·Z＝I_BcosBcosA计算建筑物垂直面上的太阳直射辐射强度I_C·Z；根据太阳散射辐射强度I_D、地面对天空的视角系数SVF，调用公式：Q_D＝I_D·SVF计算太阳散射辐射能量。

5、根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，根据建筑物的某个面和地面的长波辐射能量的角系数、辐射表面积、辐射面的发射率计算分析面的长波辐射热量；根据分析面接收到的太阳直射、散射和长波辐射后产生的反射，得到分析面的反射辐射能量。

6、一种基于数字图像分析城镇热岛特性的预测系统，其特征在于，图像采集模块采集城镇规划图中相关信息作为数据文件储存在DEM模型图像数据库中，根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM；流动过程数据模型将建筑物的流动区域作为“节点”，流动开口作为“支”，构建流动区域网络模型，根据流动区域网络模型建立一系列方程，计算城镇建筑物间的空气质量流量、压差、空气温度，并识别每个像素所在的流动区域；辐射过程数学模型调用上述方程，根据太阳直射辐射强度、地面对天空的视角系数和散射辐射强度、分析面对建筑物的辐射角系数关系、分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波辐射，计算分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布；导热过程数学模型调用城镇规划图中材料的比热、导热系数、辐射能量分布、以及由流动区域网络模型确定的流动区域当前时刻温度，建立建筑物墙体和下垫面的一维导热方程，计算下垫面及各壁面温度。

7、根据权利要求6所述的预测系统，其特征在于，所述一系列方程包括，城镇流动区域质量守恒方程、城镇区域流动网络的环路压力方程、连接开口的压差和气体流量关系方程、区域内空气的热平衡方程。

8、根据权利要求6所述的预测系统，其特征在于，算法模块根据太阳直射辐射强度I_B、太阳位置高度角B，调用公式：I_S·Z＝I_BsinB计算建筑物水平面上太阳直射能量I_S·Z；根据建筑物墙面与太阳之间的方位角A、I_B和B，调用公式：I_C·Z＝I_BcosBcosA计算建筑物垂直面上的太阳直射辐射能量I_C·Z；根据太阳散射辐射强度I_D、地面对天空的视角系数SVF，调用公式：Q_D＝I_D·SVF计算太阳散射辐射能量。

9、根据权利要求6所述的预测系统，其特征在于，算法模块根据建筑物的某个面和地面的长波辐射能量的角系数、辐射表面积、辐射面的发射率、平均温度，调用公式：

计算分析面的长波辐射热量；算法模块根据分析面接收到的太阳直射、散射和长波辐射后产生的反射，调用公式：反射辐射能量＝A_iρ_aveI_ave(1-SVF)，计算分析面的反射辐射能量。

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