CN104750938A - 一种基于gis的城市通风廊道识别方法及系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种基于GIS的城市通风廊道识别方法，包括以下步骤：获取预设的城市建筑模型图；将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，该若干风向至少包括该城市的常年主导风向；判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定该网格为通风网格；识别网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。本申请还公开了一种基于GIS的城市通风廊道识别系统。本申请识别出了城市的通风廊道，方法简单，识别结果准确，更为后续的城市风道研究提供了数据支持。

Description

一种基于GIS的城市通风廊道识别方法及系统

技术领域

本申请涉及城市风道领域，尤其是一种基于GIS的城市通风廊道识别方法及系统。

背景技术

地理信息系统（Geographic Information System, 简称 GIS ）是能提供存储、显示、分析地理数据功能的软件。主要包括数据输入与编辑、数据管理、数据操作以及数据显示和输出等。作为获取、处理、管理和分析地理空间数据的重要工具、技术和学科，得到了广泛关注。GIS软件在最近的30多年内取得了惊人的发展，广泛应用于资源调查、环境评估、灾害预测、国土管理、城市规划等领域中。

近年来，城市大规模的开发与发展，导致自然地貌改变、建筑密度增加、城市下垫面变得更加粗糙，从而致使我国城市的通风效果普遍呈弱化的趋势，加剧了空气污染和城市热岛效应。研究表明，通风效果的好坏决定了空气污染物的扩散范围和稀释程度，当通风效果较佳时，空气污染程度会大大降低，而当通风效果较差时，污染程度会增加。

现有技术技术中，对通风效果的研究主要包括风洞试验和数值模拟两种方法，这两种方法都集中于通风模拟，并未能识别城市的通风廊道。

发明内容

本申请提供一种基于GIS的城市通风廊道识别方法及系统，解决现有技术中难以识别城市通风廊道的问题。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种基于GIS的城市通风廊道识别方法，包括以下步骤：

获取预设的城市建筑模型图； 将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，该若干风向至少包括该城市的常年主导风向；判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定该网格为通风网格；识别网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种基于GIS的城市通风廊道识别系统，包括：

获取单元，用于获取预设的城市建筑模型图；叠加单元，用于将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；计算单元，用于计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，改若干风向至少包括该城市的常年主导风向；判断单元，用于判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定该网格为通风网格；识别单元，用于识别网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。

本申请的有益效果是，本申请通过获取预设的城市建筑模型图； 将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，该若干风向至少包括该城市的常年主导风向；判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定该网格为通风网格；识别网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。本申请先对城市建筑模型图进行网格化处理，再计算网格的平均加权风影面积密度，进而判断出网格中的通风网格，识别出网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所组成的路径，因而本申请识别出了城市的通风廊道。

附图说明

图1为实施例1的流程图；

图2为实施例2中每个网格的平均加权风影面积的效果图；

图3为实施例3中俯视状态下的部分网格模型图；

图4为实施例4中设定源网格和目标网格的效果图；

图5为实施例5中所识别的通风廊道的效果图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

一种基于GIS的城市通风廊道识别方法，如图1所示，包括以下步骤：

S101：获取预设的城市建筑模型图；

S102：将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；

S103：计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，该若干风向至少包括该城市的常年主导风向；

S104：判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定该网格为通风网格；

S105：识别网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。

城市建筑模型图是依据城市的建筑所制作的模型图，可以是dwg格式图形、gis格式图形或矢量化的图形文件。矢量格网图层是预置的，其设有多个由闭合的多段线组成的网格，网格的大小可以进行调整，在本实施例中，选用大小为50m*50m的网格。将矢量格网图层与城市建筑模型图相叠加，使矢量格网图层覆盖在城市建筑模型图的地表平面上，从而将城市建筑模型图分割为若干个网格模型图。对于跨越多个网格的建筑，也会被分割到多个网格模型图内。

计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，即算出各个风向下的风影面积，获取该城市各风向的风频，将各风向下的风影面积与其对应的风频相乘，再求和，以求得单个网格内建筑在若干风向下的平均加权风影面积，用该平均加权风影面积除于该网格的面积，即为平均加权风影面积密度。由于城市的通风廊道是基于该城市的常年主导风向，所以这里所说的若干风向至少应包括该城市的常年主导风向。之后，再判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，该预设值常取0.35-0.45，以0.35为最佳，本实施例选用0.35。由于风影面积密度的大小反映了对风的阻力，风影面积密度越大，对风的阻力越大，通风效果越差，对应的，风影面积密度越小，对风的阻力越小，通风效果越好。因而，如果网格的平均加权风影面积密度小于预设值，则该网格就是通风网格。

在判断到通风网格后，识别出网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所组成的路径，该路径即为城市通风廊道。各网格在网格模型图中都有对应的位置值或坐标值，可以判断该位置值或坐标值是否连续排列，从而识别出连续排列的通风网格，再对这些连续排列的通风网格的排列方向进行拟合，找出排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所组成的路径，从而得到城市通风廊道。

实施例2：

作为实施例1的改进，本实施例中，计算单个网格内建筑在各风向下的风影面积的步骤包括：

在单个风向的法向面上对网格模型图内的每栋建筑分别做投影，形成投影面；

将所有投影面沿此风向平移至同一平面，形成风影面；

计算风影面的面积，风影面的面积即为此风向下的风影面积。

在单个风向的法向面上对网格模型图内的每栋建筑做投影，得到建筑轮廓在风向的法向面上的投影线，投影线围合而成的就是投影面，将同一个网格内的所有投影面沿预设风向平移至同一平面，各投影面之间会出现重叠或分离的情况，从而形成该网格内建筑的风影面，利用GIS软件中多边形融合的功能，计算该风影面的面积，从而得到该网格内建筑在该单个风向上的风影面积。改变风向，重复上述步骤，从而求得该网格在各个风向上的风影面积。

如图2所示，显示了每个网格的平均加权风影面积密度的效果图，即将网格的平均加权风影面积密度显示为对应的颜色。从图中可以看出，处于建筑集中的城市区域，其平均加权风影面积密度较大，对应显示出较深的颜色，而处于建筑边缘的城市区域，其平均加权风影面积密度较大，对应显示出较浅的颜色。

实施例3：

作为实施例2的改进，在单个风向的法向面上对网格模型图内的每栋建筑分别做投影的步骤具体为：

调整预设的地表坐标系至地表坐标系中任意一极轴与单个风向相垂直，形成第二地表坐标系，重新计算网格模型图内建筑在第二地表坐标系中的坐标值；

获取单个建筑中在与单个风向相垂直的极轴上形成的距离最大的两个顶点，将两个顶点所在的竖向面投影到单个风向的法向面上。

地表坐标系是指城市建筑模型图在其地表平面上的坐标系，风向从与地表坐标系所在平面平行的方向吹过来，其与坐标系的极轴，即x轴或y轴会存在夹角，因而，调整地表坐标系至地表坐标系中任意一极轴与单个风向相垂直，形成第二地表坐标系。而建筑模型的位置不随地表坐标系而改变，其在第二地表坐标系中具有新的坐标值，再重新计算建筑在第二地表坐标系中的坐标值。由于城市内绝大多数建筑是矩形的形状或者是由矩形堆砌而成的形状，其他形状的建筑占比很少，放到基于整个城市的风道研究时，计算风影面积就只考虑矩形形状的建筑。

如图3所示，为俯视状态下的网格模型图，图中的矩形即为建筑，坐标系即为第二地表坐标系。构成矩形建筑的顶点有八个，这八个顶点在第二地表坐标系中具有对应的坐标值，只需要找到在与风向相垂直的极轴上形成的距离最大的两个顶点，即在图中的x轴上的最大横向距离的两个顶点，再将两个顶点所在的竖向面投影到单个风向的法向面上，从而形成了投影面。

在网络模型图上标注有建筑高度标记数，该建筑高度标记数包括该建筑的高度值。将同一个网格内的所有投影面沿风向平移至同一平面，各投影面之间会出现重叠或分离的情况，但是由于城市建筑多为矩形形状，其重叠的形状也可以再分割为多个矩形，通过建筑高度标记数和与该风向相垂直的极轴上形成的最大距离，可以算出每个投影面的面积，再求出重叠部分的面积，将每个投影面的面积相加，再减去重叠部分的面积，就可以求得风影面积。因而通过建筑高度标记数，可以简化运算。

实施例4：

本实施例中，识别所述网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所组成的路径的步骤包括：

在常年主导风向下，将进风部分的边缘网格设定为源网格，将出风部分的边缘网格设定为目标网格；

以常年主导风向为导向，识别从源网格到目标网格所经过的连续排列的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。

由于网格形成了网格模型图，因而网格模型图的边界，即位于网格模型图最外围的网格即为边缘网格，进风部分的边缘网格是指风吹来时，最先接触到风的那部分网格。出风部分的边缘网格，是指与进风部分的边缘网格相对的，风吹出的那部分边缘网格。

如图4所示，本实施例中，城市的常年主导风向为南风，图4最下边的一行即为进风部分的边缘网格，将最下边的一行的边缘网格设定为源网格。对应的，图2中最上边的一行即为出风部分的边缘网格，将最上边的一行的边缘网格设定为目标网格。

各网格在网格模型图中都有对应的坐标值，本实施例基于GIS成本距离工具，以常年主导风向为导向，识别从源网格到目标网格所经过的连续排列的通风网格，以及这些通风网格所形成的路径。由于已将小于预设值的网格设定为通风网格，因此，只需要把这些通风网格串起来，而不需要考虑其风影面积密度，并且使得所经过的栅格的数量最少，就形成了路径。由于这些路径是以常年主导风向为导向，在形成这些路径时，其排列方向就与该城市的常年主导风向相统一，则这些路径即为城市通风廊道。如图5所示，图中从北向南的多条黑线就是通风廊道。

考虑到城市建筑的高度差异大，会存在高度远大于平均高度的建筑。这些建筑会形成较大的风影面积，如果直接采用其风影面积，该网格可能不会被设定为通风网格，但实际情况是，该网格属于实际上通风效果比较好的网格。因此，可以采用数学统计的方法，研究区域的建筑物高度分布，根据高度分布的平均值确定迎风影面积计算高度的上限值。对于高度高于该上限值的建筑，将其高度值设定为此上限值。

进一步的，若干个风向包括东风、西风、南风、北风、东北风、东南风、西北风和西南风中的至少一个。

实施例5：

一种基于GIS的城市通风廊道识别系统，包括：

获取单元，用于获取预设的城市建筑模型图；叠加单元，用于将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；计算单元，用于计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，改若干风向至少包括该城市的常年主导风向；判断单元，用于判断网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定该网格为通风网格；识别单元，用于识别网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。

实施例6：

作为实施例5的改进，本实施例中，计算单元包括：

投影映射模块，用于在单个风向的法向面上对网格模型图内的每栋建筑分别做投影，形成投影面；投影平移模块，用于将所有投影面沿此风向平移至同一平面，形成风影面；面积计算模块，用于计算风影面的面积，风影面的面积即为此风向下的风影面积。

实施例7：

作为实施例6的改进，本实施例中，投影映射模块包括：

坐标调整模块，用于调整预设的地表坐标系至地表坐标系中任意一极轴与单个风向相垂直，形成第二地表坐标系，并重新计算网格模型图内建筑在第二地表坐标系中的坐标值；竖面投影模块，用于获取单个建筑中在与单个风向相垂直的极轴上形成的距离最大的两个顶点，将两个顶点所在的竖向面投影到单个风向的法向面上。

实施例8：

本实施例中，识别单元包括：

数据设定模块，用于在所述常年主导风向下，将进风部分的边缘网格设定为源网格，将出风部分的边缘网格设定为目标网格；廊道识别模块，用于以常年主导风向为导向，识别从源网格到目标网格所经过的连续排列的通风网格所形成的路径，该路径即为城市通风廊道。

进一步的，若干风向包括东风、西风、南风、北风、东北风、东南风、西北风和西南风中的至少一个。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1. 一种基于GIS的城市通风廊道识别方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取预设的城市建筑模型图；

将所述城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；

计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，所述若干风向至少包括该城市的常年主导风向；

判断所述网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定所述网格为通风网格；

识别所述网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，所述路径即为城市通风廊道。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积的步骤包括：

在单个风向的法向面上对所述网格模型图内的每栋建筑分别做投影，形成投影面；

将所有投影面沿此风向平移至同一平面，形成风影面；

计算所述风影面的面积，所述风影面的面积即为此风向下的风影面积。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述在单个风向的法向面上对所述网格模型图内的每栋建筑分别做投影的步骤具体为：

调整预设的地表坐标系至所述地表坐标系中任意一极轴与所述单个风向相垂直，形成第二地表坐标系，重新计算所述网格模型图内建筑在所述第二地表坐标系中的坐标值；

获取单个建筑中在与所述单个风向相垂直的极轴上形成的距离最大的两个顶点，将所述两个顶点所在的竖向面投影到所述单个风向的法向面上。

4. 根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于：所述识别所述网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所组成的路径的步骤包括：

在所述常年主导风向下，将进风部分的边缘网格设定为源网格，将出风部分的边缘网格设定为目标网格；

以所述常年主导风向为导向，识别从所述源网格到所述目标网格所经过的连续排列的通风网格所形成的路径，所述路径即为城市通风廊道。

5. 根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于：

所述若干风向还包括东风、西风、南风、北风、东北风、东南风、西北风和西南风中的至少一个。

6. 一种基于GIS的城市通风廊道识别系统，其特征在于：包括：

获取单元，用于获取预设的城市建筑模型图；

叠加单元，用于将所述城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，生成网格模型图；

计算单元，用于计算单个网格内建筑在若干风向下的风影面积，求得平均加权风影面积密度，所述若干风向至少包括该城市的常年主导风向；

判断单元，用于判断所述网格的平均加权风影面积密度是否小于预设值，若小于，则设定所述网格为通风网格；

识别单元，用于识别所述网格模型图中连续排列且排列方向与该城市的常年主导风向相同的通风网格所形成的路径，所述路径即为城市通风廊道。

7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于：所述计算单元包括：

投影映射模块，用于在单个风向的法向面上对所述网格模型图内的每栋建筑分别做投影，形成投影面；

投影平移模块，用于将所有投影面沿此风向平移至同一平面，形成风影面；

面积计算模块，用于计算所述风影面的面积，所述风影面的面积即为此风向下的风影面积。

8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于：所述投影映射模块包括：

坐标调整模块，用于调整预设的地表坐标系至所述地表坐标系中任意一极轴与所述单个风向相垂直，形成第二地表坐标系，并重新计算所述网格模型图内建筑在所述第二地表坐标系中的坐标值；

竖面投影模块，用于获取单个建筑中在与所述单个风向相垂直的极轴上形成的距离最大的两个顶点，将所述两个顶点所在的竖向面投影到所述单个风向的法向面上。

9. 根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于：所述识别单元包括：

数据设定模块，用于在所述常年主导风向下，将进风部分的边缘网格设定为源网格，将出风部分的边缘网格设定为目标网格；

廊道识别模块，用于以所述常年主导风向为导向，识别从所述源网格到所述目标网格所经过的连续排列的通风网格所形成的路径，所述路径即为城市通风廊道。

10. 根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于：

所述若干风向包括东风、西风、南风、北风、东北风、东南风、西北风和西南风中的至少一个。