CN105006006A - 一种城市高温区通风廊道的计算方法及系统 - Google Patents

Abstract

一种城市高温区通风廊道的计算方法，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；计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同；找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。本申请还公开了一种城市高温区通风廊道的计算系统。计算出城市高温区的通风廊道，为疏散高温区的热量奠定基础。

Description

一种城市高温区通风廊道的计算方法及系统

技术领域

本申请涉及图像识别技术，特别是一种城市高温区通风廊道的计算方法及系统。

背景技术

随着社会的发展，我国城镇化水平急速提升，城市大规模的开发与发展，导致自然地貌的改变，建筑密度和人口密度急剧增加，致使我国的城市风速普遍呈现减小的趋势，引起空气污染和城市热岛效应的加剧。因此，城市通风廊道的建设对城市的环境改善具有重大意义。

现有技术中，为识别城市的通风廊道，已有较多的方法。但是，这些方法所识别出的通风廊道都是基于整个城市的。城市范围内往往存在建筑和人口密度较高、人类活动强烈的区域，这些区域的热岛效应很高，形成高温区，而现有技术鲜有针对高温区进行通风廊道识别的。

发明内容

本申请提供一种城市高温区通风廊道的计算方法及系统，识别城市高温区的通风廊道，为疏散高温区的热量奠定基础。

根据本申请的第一方面，本申请提供一种城市高温区通风廊道的计算方法，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；计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。

根据本申请的第二方面，本申请提供一种城市高温区通风廊道的计算系统，包括：

模型获取模块，用于获取预设的城市建筑模型图；网格叠加模块，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；风影计算模块，用于计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；栅格处理模块，用于将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；高温设定模块，用于找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；高温风道模块，用于以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。

本申请的有益效果是，本申请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；计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。因而本申请通过计算经过成本栅格图中的高温区所形成的风影面积累计最小的路径，从而计算出城市高温区的通风廊道，为疏散高温区的热量奠定基础。

附图说明

图1为实施例1的流程图；

图2为实施例1中成本栅格图的示意图；

图3为实施例2中设定源数据和目标数据的高温计算区的示意图；

图4为实施例2中包含高温区的通风廊道的高温计算区的示意图。

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：

一种城市高温区通风廊道的计算方法，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：计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；

S104：将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；

S105：找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；

S106：以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。

城市建筑模型图是依据城市的建筑物所制作的模型图，可以是dwg格式图形、gis格式图形或矢量化的图形文件。格网是由闭合的多段线组成，其大小可以进行调整，在本实施例中，选用网孔大小为50m*50m的格网。将城市建筑模型图与预设的矢量格网图层相叠加，使格网覆盖在城市建筑模型图的地表平面上，生成网格模型图，并将城市建筑模型图分割到若干单个网格内，对于跨越多个网格的建筑物，也会被分割到多个网格。再计算单个网格内建筑在预设风向下的风影面积。

对网格模型图进行栅格化处理，将网格模型图转换为成本栅格图1，并保证栅格化后的栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积，这便于后续的计算。

结合城市的遥感反演地表温度图或者气象部门测定的城市地温分布图，从而确定该城市的高温区22，进而找出成本栅格图1中的高温区22。

基于遥感影像反演地表温度主要包括以下步骤：1.对Landsat 8遥感影像进行预处理，主要包括辐射定标、大气校正和几何校正；2.计算亮度温度：将遥感影像的DN值转换为星上辐射强度，通过Plank函数求解出两个热红外波段的星上亮度温度；3.计算地表比辐射率：通过遥感卫星的可见光波段运算，将影像进行分类，大致分为四个类别：水面、建筑、裸土和植被。采用决策树的方法，首先计算NDVI植被覆盖指数，根据阈值区分出植被，其次根据MNDWI改进型归一化水体指数，根据阈值分离出水体，再次根据NDBI归一化建筑指数分离出建筑，最后将剩下的类型归类为裸土，根据不同分类分别计算相应的比辐射率指数；4.计算大气水汽透射率：根据MODIS数据第2和19波段反演大气水分含量，通过大气水汽含量进一步估算出大气透射率；5.将亮度温度、地表比辐射率和大气水汽透射率代入劈窗算法中，反演地表温度。

如图2所示，设定包含城市高温区22的高温计算区21，即选定一块包含城市高温区22的计算区域。图中选定的范围即为高温计算区21，颜色显示较深的即为高温区22。其中，设定的高温计算区21的形状可以是任何规则的形状。

以预设风向为导向，计算经过高温计算区21所形成的风影面积累计最小的路径，就是以此方向为主导，在高温计算区21内寻路，每经过一个栅格像元就累计叠加其风影面积。风影面积的大小反映出该栅格像元内建筑对风的阻力，因此，经过高温计算区21所形成的风影面积累计最小的路径是风阻力最小的路径，该路径也就是高温区22的通风廊道。

实施例2：

在实施例1的基础上，本实施例中，步骤S106以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径的步骤具体为：

将高温计算区21进风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为源数据，将高温计算区21出风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为目标数据；以预设风向为导向，计算从源数据到目标数据所经过成本栅格图1中的高温区22所形成的风影面积累计最小的路径。

由于高温计算区21就是由栅格像元构成，因而高温计算区21的边缘，即位于高温计算区21最外围的栅格像元即为边缘栅格像元，进风部分的边缘栅格像元是指风吹来时，最先接触到风的那部分栅格像元。出风部分的边缘栅格像元，是指与进风部分的边缘栅格像元相对的，风吹出的那部分栅格像元。

如图3和图4所示，预设风向为南风，图3中最下边的一行即为高温计算区21进风部分的的边缘栅格像元，将最下边的一行的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为源数据。对应的，图3中最上边的一行即为高温计算区21出风部分的边缘栅格像元，将最上边的一行的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为目标数据。就以预设风向为导向，计算从源数据到目标数据所经过成本栅格图1中的高温计算区21所形成的风影面积累计最小的路径。图4中穿过高温区22的线条即为该高温区的通风廊道3。

进一步的，步骤S103计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积的步骤具体为：

在预设风向的法向面上对单个网格内的每栋建筑物分别做投影，形成投影面；将所有投影面沿预设风向平移至同一平面，形成风影面；计算风影面的面积，该风影面的面积即为单个网格内建筑在预设风向下的风影面积。

在风向的法向面上对单个网格内的每栋建筑物做投影，得到建筑物轮廓在风向法向面上的投影线，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物的风影面，计算该风影面的面积，从而得到该网格内建筑物在该预设风向上的风影面积。

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，最小路径就不会考虑此栅格像元，但实际情况是，该栅格像元属于实际上通风效果比较好的栅格像元。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风影面积计算高度的上限值。对于高度大于该上限值的建筑，将其高度值设定为此上限值。这样可以避免因建筑高度过高而导致该栅格像元的风影面积过大，进而不被最小路径选择的问题。

在其他实施例中，设定的高温计算区21的形状为矩形，且其一边与预设风向垂直。由于栅格像元本身是方形的，上述设定便于计算从源数据到目标数据所经过成本栅格图1中的高温区22所形成的风影面积累计最小的路径，可以提升计算速度。

在另外一些实施例中，还包括步骤S107:以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积在该方向的累积数值，累计数值低于预设值的的区域即为通风效果较好的区域。

将高温计算区21进风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为源数据，将高温计算区21出风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为目标数据；以预设风向为导向，计算高温区域相对于源数据的成本距离栅格图，计算高温区域相对于目标数据的成本距离栅格图，然后将二者通过廊道分析工具计算高温计算区所形成的风影面积在该方向上的累计数值。累计数值低于预设值的的区域即为通风效果较好的区域4。如图4中，通风效果较好的区域4相对其他区域具有更大的通风空间，该区域不同于上述计算出的通风廊道。该方法可用于研究区域的通风效果的整体评估，得到区域通风效果的宏观认识。

实施例3：

在上述实施例的基础上，本实施例在步骤S106以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径的步骤之后，还包括：

保存高温区22通风廊道的图像位置；以预设风向为导向，计算经过成本栅格图1所形成的风影面积累计最小的路径，该路径为城市通风廊道；保存城市通风廊道的图像位置；筛选出与城市通风廊道存在位置交集的高温区通风廊道。

计算出高温区22的通风廊道后，可保存该通风廊道在图像中的位置。再以计算经过成本栅格图1所形成的风影面积累计最小的路径，该路径为城市通风廊道，即通过上述方法计算整个城市的通风廊道，再保存城市通风廊道的图像位置，筛选出与城市通风廊道存在位置交集的高温区通风廊道，这些通风廊道与城市通风廊道相连，从城市通风廊道经过的风会吹进高温区通风廊道，从而为进一步疏散高温区22的热量奠定基础。

进一步的，在步骤S106以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径之前，还包括：将栅格像元值中的零值替换为特定标记值。

由于在后续的风道计算阶段会涉及到乘法运算，针对风影面积为零值的网格，如果不对零值进行修正，将会导致计算出错。因此，需先剔除栅像元值中的零值，即将风影面积的零值替换为特定标记值，这一特定标记值可以是较小的数值，如0.01-0.001之间的数值，即该数值本身不是零值，而其对结果产生的影响在本领域技术人员看来，是可以忽略的，本领域技术人员应该理解此表述。

实施例4：

一种城市高温区通风廊道的计算系统，包括：

模型获取模块，用于获取预设的城市建筑模型图；网格叠加模块，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；风影计算模块，用于计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；栅格处理模块，用于将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；高温设定模块，用于找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；高温风道模块，用于以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。

实施例5：

高温风道模块用于将高温计算区进风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为源数据，将高温计算区出风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为目标数据；以预设风向为导向，计算从源数据到目标数据所经过成本栅格图中的高温区所形成的风影面积累计最小的路径。

进一步的，风影计算模块用于在预设风向的法向面上对单个网格内的每栋建筑物分别做投影，形成投影面；将所有投影面沿预设风向平移至同一平面，形成风影面；计算风影面的面积，该风影面的面积即为单个网格内建筑在预设风向下的风影面积。

实施例6：

在上述实施例的基础上，还包括风道筛选模块，用于保存高温区通风廊道的图像位置；以预设风向为导向，计算经过成本栅格图所形成的风影面积累计最小的路径，该路径为城市通风廊道；保存城市通风廊道的图像位置；筛选出与城市通风廊道存在位置交集的高温区通风廊道。

进一步的，还包括：像元标记模块，以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径之前， 用于将栅格像元值中的零值替换为特定标记值。

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. 一种城市高温区通风廊道的计算方法，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；

计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；

将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；

找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；

以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。

2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径的步骤具体为：

将高温计算区进风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为源数据，将高温计算区出风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为目标数据；以预设风向为导向，计算从源数据到目标数据所经过成本栅格图中的高温区所形成的风影面积累计最小的路径。

3. 根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积的步骤具体为：

在预设风向的法向面上对单个网格内的每栋建筑物分别做投影，形成投影面；将所有投影面沿预设风向平移至同一平面，形成风影面；计算风影面的面积，该风影面的面积即为单个网格内建筑在预设风向下的风影面积。

4. 根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于： 

在以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径的步骤之后，还包括：

保存高温区通风廊道的图像位置；以预设风向为导向，计算经过成本栅格图所形成的风影面积累计最小的路径，该路径为城市通风廊道；保存城市通风廊道的图像位置；筛选出与城市通风廊道存在位置交集的高温区通风廊道。

5. 根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于：

所述以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径的步骤之前，还包括：

将栅格像元值中的零值替换为特定标记值。

6. 一种城市高温区通风廊道的计算系统，其特征在于：包括：

模型获取模块，用于获取预设的城市建筑模型图；

网格叠加模块，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；

风影计算模块，用于计算网格模型图中单个网格内建筑在预设风向下的风影面积；

栅格处理模块，用于将网格模型图转换为成本栅格图，栅格像元的大小与单个网格的大小相同，栅格像元值为其对应的单个网格的风影面积；

高温设定模块，用于找出成本栅格图中的城市高温区，设定包含城市高温区的高温计算区；

高温风道模块，用于以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径，该路径即为高温区通风廊道。

7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于：

高温风道模块用于将高温计算区进风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为源数据，将高温计算区出风部分的边缘栅格像元的中心点组成的矢量点集设定为目标数据；以预设风向为导向，计算从源数据到目标数据所经过成本栅格图中的高温区所形成的风影面积累计最小的路径。

8. 根据权利要求7所述的系统，其特征在于：

风影计算模块用于在预设风向的法向面上对单个网格内的每栋建筑物分别做投影，形成投影面；将所有投影面沿预设风向平移至同一平面，形成风影面；计算风影面的面积，该风影面的面积即为单个网格内建筑在预设风向下的风影面积。

9. 根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于：还包括：

风道筛选模块，用于保存高温区通风廊道的图像位置；以预设风向为导向，计算经过成本栅格图所形成的风影面积累计最小的路径，该路径为城市通风廊道；保存城市通风廊道的图像位置；筛选出与城市通风廊道存在位置交集的高温区通风廊道。

10. 根据权利要求6-8任意一项所述的系统，其特征在于：还包括：像元标记模块，以预设风向为导向，计算经过高温计算区所形成的风影面积累计最小的路径之前， 用于将栅格像元值中的零值替换为特定标记值。