CN101894210A

CN101894210A - 一种基于三维场景图像获取地块节能量的方法

Info

Publication number: CN101894210A
Application number: CN 201010207929
Authority: CN
Inventors: 王伟武; 邵宇翎; 金建伟
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2010-06-24
Publication date: 2010-11-24
Anticipated expiration: 2030-06-24
Also published as: CN101894210B

Abstract

本发明公开基于三维场景图像获取地块节能量的方法，步骤如下：(1)获取目标地块的三维场景图像，其空间分辨率≥1米；(2)将三维场景图像置于地理投影坐标系中，构建目标地块内各建筑体的平面空间定位矢量图；(3)从三维场景图像中获取目标地块内每个建筑体的高度，构建目标地块内建筑体的三维空间模型矢量图；(4)根据三维场景图像和三维空间模型矢量图获取目标地块总面积和目标地块内的各建筑体的高度，得到目标地块内建筑体的体积之和；(5)根据目标地块总面积、目标地块内各建筑体的高度、目标地块内建筑体体积之和，由公式(1)得到目标地块的节能量，ΔQ＝Cρ(SH-V)Δt (1)。本发明能快速实现城市街区室外热环境模拟，获取地块节能量。

Description

一种基于三维场景图像获取地块节能量的方法

技术领域

本发明涉及一种基于三维场景图像获取地块节能量的方法，应用于建筑热工学和建筑室外热环境研究，以及环境模拟、建筑材料、三维GIS、城市规划与建筑设计等领域。

背景技术

建筑能耗的直接影响包括建筑物与外环境交换热量、自然通风状况和自然采光水平等。而这三方面涉及的内容将构成建筑能耗的主要部分，所以降低采暖、制冷和照明这三个部分的能耗将对节能起着重要的作用。

目前，我国居住建筑的节能策略主要有以下几个方面：通过有效的组团规划、单体设计，从朝向、间距、体形上保证建筑物有足够的太阳辐射，并组织有利的自然通风；减小建筑物的体形系数及外表面积，加强外围护结构的保温隔热性能，以减少能量损失；提高门窗气密性，减少冷风渗透，提高外门窗本身的保温性能，减少外门窗本身的传热量；改善采暖和空调系统的运行效率和管理手段，减少设备能耗。但缺点是：节能尺度小，从单个建筑考虑节能问题很难对建筑群或地块节能进行研究。

减少建筑内的能耗总需求，使用新能源能使建筑热环境得以改善，从而减少建筑冷、热消耗。目前可运用软件分析空气流通是否通畅，粗略估算建筑能耗，但是现在的技术仅仅从建筑用电量或损耗量等方面去研究建筑节能问题，而没有从室外空气温度的热量交换与温度变化方面去研究；并且研究的范围只局限于建筑内部，没有考虑建筑外部空间，比如一个城市地块或城市街区的节能问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有节能主要考虑室内因素的不足，开拓性地提供一种基于三维场景图像直接获取地块节能量的方法。

本发明的构思是：城市是能源消耗的主要来源之一，随着当前全球气候变暖和城市热岛效应日益显现，城市热岛缓减和城市节能已成为当前社会经济发展的重大问题之一。本发明综合考虑了我国城市空间三维发展的趋势，以及城市室外空气热量交换与空气温度变化的热平衡基本原理，将当前城市室外空气夏季降温、冬季升温的现实需求与城市地块节能量相结合，本发明能精确计算目标地块的各种三维空间参数，包括目标地块的总面积、各建筑体的高度、各建筑体的基底面积、各建筑体的平均高度、建筑密度等，最后得出目标地块的各建筑体的体积之和，利用热交换平衡方程计算出室外气温变动情况下室外空气吸收或释放的热量值获取地块节能量。本发明原理清晰，计算严密，方法可靠，符合当前我国城市地块以规则建筑体开发为主的实际情况，可操作性强。在三维场景图像数据完备和考虑地球投影的情况下，还可用于城市片区甚至更大空间范围的节能量计算。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：该基于三维场景图像获取地块节能量的方法主要包括以下步骤：

(1)获取目标地块的三维场景图像，所述三维场景图像的空间分辨率≥1米；

(2)将所述三维场景图像置于地理投影坐标系中，在该地理投影坐标系中构建所述目标地块内的建筑体的平面空间定位矢量图；

(3)从所述三维场景图像中获取所述目标地块内的每个建筑体的高度，根据所获取的所述目标地块内的每个建筑体的高度和所述平面空间定位矢量图构建所述目标地块内的建筑体的三维空间模型矢量图；

(4)根据三维场景图像和三维空间模型矢量图获取所述目标地块的总面积和所述目标地块内的各建筑体的高度，进而得到所述目标地块内的建筑体的体积之和；

(5)根据步骤(4)所获取的所述目标地块的总面积、所述目标地块内的各建筑体的高度、所述目标地块内的建筑体的体积之和，由公式(1)得到所述目标地块的节能量，

ΔQ＝Cρ(SH-V)Δt (1)

式(1)中，ΔQ表示所述目标地块的节能量，C表示目标地块内空气的比热容，ρ表示目标地块内空气的密度，S表示目标地块的总面积，H表示目标地块内的各建筑体的平均高度，V表示所述目标地块内的建筑体的体积之和。

进一步地，本发明所述步骤(4)包括以下步骤：

1)从所述三维空间模型矢量图获取所述目标地块的总面积、各建筑体的基底面积和各建筑体的高度；

2)根据所述目标地块的总面积、各建筑体的基底面积和各建筑体的高度，按公式(2)或公式(3)获得所述目标地块内的建筑体的体积之和：

目标地块内的建筑体的体积之和＝∑(建筑体的基底面积×建筑体的高度) (2)

目标地块内的建筑体的体积之和＝各建筑体基底面积之和*建筑平均高度 (3)

＝建筑密度*地块总面积*建筑平均高度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：现有技术建立三维场景模型通常是以表达三维景观为主要目的，本发明构建了一种基于三维场景图像的地块节能量估算方法，本发明能快速实现城市街区室外热环境模拟方法，通过预测不同温度下城市街区空气温度的能量值，预测街区能耗情况，为建筑室外热环境和小区节能设计提供决策支持，填补了当前国内街区建筑外部空间节能研究的空白，在宏观街区环境模拟、规划设计、建筑与小区节能设计中应用前景非常大。本发明综合考虑了我国城市空间三维发展的趋势，以及城市室外空气热量交换与空气温度变化的热平衡基本原理，将当前城市室外空气夏季降温、冬季升温的现实需求与城市地块节能量相结合，本发明能精确计算目标地块的各种三维空间参数，包括目标地块的总面积、各建筑体的高度、各建筑体的基底面积、各建筑体的平均高度、建筑密度等，最后得出目标地块的各建筑体的体积之和，利用热交换平衡方程计算出室外气温变动情况下室外空气吸收或释放的热量值获取地块节能量。本发明原理清晰，计算严密，方法可靠，符合当前我国城市地块以规则建筑体开发为主的实际情况，可操作性强。在三维场景图像数据完备和考虑地球投影的情况下，还可用于城市片区甚至更大空间范围的节能量计算。

附图说明

图1是本发明方法的工作流程图。

图2是本发明实施例中三种三维空间坐标系的示意图。

图3是本发明实施例中三维摄像原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。

本实施例中，基于三维场景图像获取地块节能量的方法的步骤如下：

(1)获取目标地块的三维场景图像，包括正摄和斜摄各一幅。其中，三维场景图像的空间分辨率≥1米，以使三维场景图像置于地理投影坐标系中时能够达到构建三维空间模型所需的精度要求。

本发明可以利用航空遥感、卫星遥感或高空拍摄等手段获取目标地块的三维场景图像。

(2)将所获取的三维场景图像置于地理投影坐标系中，在该地理投影坐标系中构建目标地块内的各个建筑体的平面空间定位矢量图。具体如下：

第一步，创建三个视图对象，将步骤(1)得到的正摄和斜摄三维场景图像存放于其中两个视图对象内，另一个视图对象存放指北针和三维坐标轴。

第二步，将正摄三维场景图像作为背景底面图，以像素为单位，以背景底面图的X、Y轴方向的实际像素值分别作为X、Y轴的像素坐标范围，Z轴的像素坐标范围为±|(x+y)/2|。例如，如果三维场景图像在X轴、Y轴方向的实际像素值分别为2510、2010，则三维场景图像在X、Y轴方向的像素坐标范围分别为X＝[-2510，2510]，Y＝[-2010，2010]，Z＝[-2260，2260]。

第三步，如图2所示，将三维场景图像置于经纬度坐标系中，经纬度坐标为地理投影坐标系的一种。已知三维场景图像中的左下角A点的经纬度为[120.774，30.31074]，右上角B点的经纬度为[120.0876，30.31799]，根据公式(3)可以计算出A、B两点间的空间距离L：

L＝R*sqrt{(LatA-LatB)^2+[(cos((LatA+LatB)/2))^2-((LatA+LatB)/2)^2]*(LonA-LonB)^2} (3)

式(3)中，Lat代表相应点的纬度值，以弧度为单位；Lon是经度值，以弧度为单位；R为地球半径，R＝6378.137km；sqrt表示开平方根。经纬度转弧度公式LatA＝a*PI/180.0。其中PI是圆周率∏，a是经度。

通过上述计算，根据图2设定的笛卡尔坐标，得到坐标轴范围为：

X＝[-501.6，501.6]，Y＝[-401.6，401.6]，Z＝[-451.6，451.6]，单位为米。

第四步，在上述地理投影坐标系中建立矢量图层，在图层中构建建筑体的平面矢量图。

(3)从三维场景图像中获取目标地块内的每个建筑体的高度，根据所获取的目标地块内的每个建筑体的高度和所述平面空间定位矢量图构建目标地块内的建筑体的三维空间模型矢量图。具体如下：

1)利用斜摄三维场景图像获取目标地块内的每个建筑体的高度。图3为倾斜三维场景图像的构像原理图。获取建筑体高度的步骤如下：

第一步，对正摄三维场景图像和斜摄三维场景图像进行图像配准，保证两幅图像建筑物基地面的像元距离一致。

第二步，利用GPS实地观测或从规划建设资料中获取某一建筑物实际高度，获取斜摄三维场景图像中的像元距离与已知高度之间的换算系数i＝H/h，h为三维场景图像中的像元距离，即图3中的h₁；H为建筑物的实际高度，即图3中的h₂。

第三步，通过量算其他建筑体地面角点和屋顶角点获取建筑体的实际高度：H′＝h′*i＝h′*H/h。h′为其他建筑体地面角点和屋顶角点之间的距离；H′为建筑体的实际高度。

2)对目标地块内的建筑体基底的平面空间定位矢量图按高度拉升，构建目标地块内的建筑体的三维空间模型矢量图。

(4)根据三维场景图像和三维空间模型矢量图获取目标地块的总面积和目标地块内的各建筑体的高度以及建筑密度，进而得到所述目标地块内的建筑体的体积之和。具体如下：

①首先获取三维场景图像中目标点的X、Y像素坐标，判断输入的视图像素坐标是否是第一个点，如果是第一个点则创建一个模式对象用于添加第一个点，如果不是第一个点则绘制当前点和前一个点之间的线段。

②目标地块的总面积计算如下：

S_总＝0.5*abs(x1*y2-y1*x2+x2*y3-y2*x3+...+xn*y1-yn*x1) (4)

其中，S_总为目标地块的总面积；x1为第一个坐标点的x轴上的距离坐标；y1是第一个坐标点的y轴上的距离坐标；xn是第n个坐标点的x轴上的距离坐标；yn是第一个坐标点的y轴上的距离坐标；abs是返回参数(x1*y2-y1*x2+x2*y3-y2*x3+…+xn*y1-yn*x1)的绝对值。

③建筑基底面积计算如下：

S_基＝0.5*abs(x1*y2-y1*x2+x2*y3-y2*x3+...+xn*y1-yn*x1) (5)

其中，S_基是三维场景图像中单幢建筑体的基底面积；x1是第一个坐标点的x轴上的距离坐标；y1是第一个坐标点的y轴上的距离坐标；xn是第n个坐标点的x轴上的距离坐标；yn是第n个坐标点的y轴上的距离坐标；abs为返回参数的绝对值。

④建筑密度计算：先获取目标地块内各建筑体基地面积之和，通过所画的多边形查询内部的建筑，获得建筑底面积区域，计算出建筑底面积，通过求密度公式算出密度。计算如下：

D＝S_基总/S_总 (7)

其中，D为建筑密度；S_基总为目标地块内各建筑体面积之和；

2)根据所述目标地块的总面积、各建筑体的基底面积和各建筑体的高度，按公式(2)或公式(3)获得所述目标地块内的建筑体的体积之和，其中，

公式(2)：目标地块内的建筑体的体积之和＝∑(建筑体的基底面积×建筑体的高度)；

公式(3)：目标地块内的建筑体的体积之和＝各建筑体基底面积之和*建筑平均高度＝建筑密度*地块总面积*建筑平均高度

(5)根据步骤(4)所获取的目标地块的地块内的建筑体的体积之和，获取目标地块内的室外空间体积，室外气温降低或升高，由公式(8)估算目标地块的节能量，

ΔQ＝Cρ(SH-V)Δt (8)

式(1)中，ΔQ表示所述目标地块的节能量，C表示目标地块内空气的比热容，ρ表示目标地块内空气的密度，S表示目标地块的总面积，H表示目标地块内的各建筑体的平均高度，V表示所述目标地块内的建筑体的体积之和，Δt为室外气温变化值。参考文献【1】中列出了10℃，20℃，30℃，40℃空气温度下空气密度和空气比热容情况见下表。本实施例在表1所列数据基础上采用线性插值法获得计算不同温度下的空气密度和空气比热容(参见表2)。将表2中获得的不同温度下空气密度和空气比热容代入公式(8)，即可获得某温度下室外空气温度降低或升高幅度Δt内目标地块的节能量。表3为本实施例中计算的目标地块节能量计算结果(以10℃，20℃，30℃，40℃为例)。

表110℃，20℃，30℃，40℃空气温度下空气密度和比热容值

空气温度(℃)	空气密度(kg/m³)	空气比热容(kj/kg.℃)
			10	1.247	1.005
20	1.205	1.005
			30	1.155	1.005
40	1.128	1.005

参考文献【1】：许肇钧主编，传热学，机械工业出版社，1980.

表2不同空气温度下空气密度

空气温度(℃)	空气密度(kg/m³)
		10	1.247
11	1.243
		12	1.238
13	1.234
		14	1.230
15	1.226
		16	1.222
17	1.218

18	1.213
		19	1.209
20	1.205
		21	1.200
22	1.195
		23	1.190
24	1.185
		25	1.180
26	1.175
		27	1.170
28	1.165
		29	1.160
30	1.155
		31	1.152
32	1.150
		33	1.147
34	1.144
		35	1.142
36	1.139
		37	1.136
38	1.133
		39	1.131
40	1.128

表3本实施例中目标地块节能量的计算结果

Claims

1.一种基于三维场景图像获取地块节能量的方法，其特征在于包括以下步骤：

(2)将所述三维场景图像置于地理投影坐标系中，在该地理投影坐标系中构建所述目标地块内的各个建筑体的平面空间定位矢量图；

(3)从所述三维场景图像中获取所述目标地块内的每个建筑体的高度，根据所获取的所述目标地块内的各个建筑体的高度和所述平面空间定位矢量图构建所述目标地块内的建筑体的三维空间模型矢量图；

(4)根据所述三维场景图像和三维空间模型矢量图获取所述目标地块的总面积和所述目标地块内的各建筑体的高度，进而得到所述目标地块内的建筑体的体积之和；

ΔQ＝Cρ(SH-V)Δt (1)

式(1)中，ΔQ表示所述目标地块的节能量，C表示目标地块内空气的比热容，ρ表示目标地块内空气的密度，H表示步骤(4)所获取的目标地块内的各建筑体的平均高度，S表示目标地块的总面积，V表示所述目标地块内的建筑体的体积之和。

2.根据权利要求1所述的基于三维场景图像获取地块节能量的方法，其特征在于：所述步骤(4)包括以下步骤：

目标地块内的建筑体的体积之和＝∑(建筑体的基底面积×建筑体的高度)(2)

目标地块内的建筑体的体积之和＝各建筑体基底面积之和*建筑平均高度(3)

＝建筑密度*地块总面积*建筑平均高度。