CN105513133B - 一种城市风环境数字地图制作及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市风环境数字地图制作及显示方法，将城市测绘地形图和地形图定位坐标通过三维绘图模块进行城市三维空间模型建构；将建成的城市三维空间数字模型输入风环境CFD计算模块；采集地面风环境实时数据输入CFD计算模块件，进行可视的城市风环境全域模拟；利用栅格网点抽样选择实测校核点，利用带GPS定位功能的风环境实测设备现场测试，形成实施监测数据；根据风环境实施监测数据对风环境的整体模拟数据进行实测校核修正，形成某一时刻的城市风环境三维数据库；将建成的风环境三维数据库输入三维可视化模块；利用三维可视化模块将风环境数据库转入进行可视化处理，形成风速分布云图、风速矢量图以及建筑物外表面压力云图，利用外接设备显示。

Description

一种城市风环境数字地图制作及显示方法

技术领域

本发明涉及城市规划技术领域、建筑设计技术领域，作为建筑辅助设计、建筑群布局优化以及城市密度调整中的一种风环境数字地图制作和显示方法。

背景技术

随着社会的发展和城市化进程的逐步深化，城市中风环境变化越来越受到人们的关注。城市风环境城市作为城市微气候的重要内容，对抑制大气污染物扩散，加快热岛效应消解，创造室外环境舒适、保证人的健康与安等方面均具有重要的作用，成为了多学科研究关注的热点。

城市风环境是指城市区域内的风速风向分布。现有的对风环境数字地图的制作和显示主要集中微观尺度(500m×500m)，逻辑上由计算机科技建立网格，收集建筑信息和环境信息，利用软件进行模拟，建立可视化图形四部分构成。主要应用在微观尺度(500m×500m)的建筑风环境分析和建筑设计。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种城市风环境三维信息图，将城市或区域的风速、风向、风压信息清晰、直观的显示，利于对城市抑制大气污染物扩散，加快热岛效应消解，创造室外环境舒适、保证人的健康与安全的研究。为了实现上述目的，采用的技术路线是建立三维空间模型地图，风环境全域模拟，重点地的实地校核以及三维信息图形制作及显示。

本发明的技术方案是：一种城市风环境数字地图制作及显示方法，包括以下步骤：

1)将精度在1:1000以上的测绘地形图和地形图定位坐标输入三维矢量建模系统，通过三维绘图模块进行城市三维空间数字模型建构；

2)将建成的城市三维空间数字模型输入风环境CFD计算模块；

3)将城市地面风环境数据输入CFD计算模块，进行风环境流体力学运算；

4)利用栅格网点设定实测校核点，利用带GPS定位功能的风环境实测设备现场测试，对10％以上的栅格网点进行实测校核，记录实地监测数据；

5)根据风环境实地监测数据对风环境的整体模拟数据进行实测校核修正，形成某一时刻的城市风环境三维数据库；

6)将建成的风环境三维数据库输入三维可视化模块；

7)利用三维可视化模块将风环境数据库转入进行可视化处理，形成风速分布云图、风速矢量图以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图，图像利用系统连接的外接设备进行输出。

进一步的，所述步骤1)中：

1.1)将城市测绘地形图输入系统：测绘地形图精度在1:1000以上，包含城市建筑、等高线、道路、河流、山体的矢量分层数据；

1.2)将城市地形图定位坐标输入系统：地形图坐标系采用2000国家大地坐标系；

1.3)建立三维空间数字模型：在三维绘图模块依照定位坐标导入城市测绘地形图的相关信息，根据相关坐标按照等比例对建筑、地形、道路、河流、山体的三维分图层进行识别并三维空间建模。

进一步的，所述步骤2)具体如下：将三维空间数字模型输出为.sat格式的文件，并应用CFD计算模块中的前处理器进行三维空间模型置入，形成城市三维空间矢量模型，该模型应包含城市地理高程、道路路网，建筑轮廓，建筑高度，城市水系和城市山体6类信息。

进一步的，所述步骤3)中：

3.1)建立风环境基础数据库：获取城市近5年以上地面气象实时数据输入CFD计算模块，所述地面气象实时数据包括风频、各季节主风向、平均风速、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射信息；

3.2)在CFD计算模块进行运算，得到各个时间段内风向和风速的风环境模拟数据，并以EXCEL表格形式输出。

进一步的，所述步骤4)中：

4.1)监测点选取：宽度大于10m的道路和尺度大于50m×50m的广场为布置监测点地区；在宽度大于30m的道路两侧每隔30m设置一个风环境监测点，10m～30m的道路两侧每隔10m设置一个风环境监测点；面积大于50m×150m的广场空间每隔30m设置一个风环境监测点；

4.2)实地抽样监测：通过配置带GPS定位功能的风环境实测模块对10％以上取样率的监测点风环境实地测量，获取风环境的实测数据，所述实测数据包括温度、湿度、风速、风向、太阳辐射信息，并建立关键词、位置坐标、时间、风向、风速、温度、湿度、太阳辐射信息的重点实地监测数据；被选取的10％以上的监测点即为实测校核点。

进一步的，所述步骤5)将实地监测数据与全域模拟计算结果进行对比，若相差结果超过阈值则对软件边界参数进行修正，若模拟计算结果的风速偏高则将软件边界参数调大，若模拟计算结果的风速偏低则将软件边界参数调小；并重复3.1)和3.2)步骤，直到结果在误差范围内，最终得到某一时刻的城市风环境三维数据。

进一步的，所述步骤6)将得到的某一时刻的风环境三维数据输入三维可视化模块；利用三维可视化模块中的后期处理器将该时刻的城市风环境三维数据进行立体渲染。

进一步的，所述步骤7)中：

7.1)风环境数字地图制作：利用三维可视化模块对该时刻的城市风环境三维数据库进行可视化处理，最终生成风速分布云图、风速矢量图，以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图3类风环境数字地图；

7.2)风环境即时显示数据生成：利用三维可视化模块的图片生成器对该时刻的城市风环境三维数据库进行可视化处理，最终结果进行位置设置测点，获取该位置的风速数值设置，并导出统计分析软件进行储存分析；

7.3)显示输出：图像和数据利用系统连接的外接设备进行输出。

进一步的，步骤7)中所述外接设备为显示屏或者绘图仪。

有益效果：本发明的城市风环境数字地图制作及显示方法相比现有方法有以下几点进步：

(1)适用范围更广。由于采用了模拟与取样实测相结合的方式，不仅可以应用于目前常见的微观尺度的风环境数字地图的制作和显示方法，更可以推广到中观、宏观(500m×500m～10，000m×10，000)尺度风环境地图的制作和显示，大幅拓展了风环境数字地图的适用范畴。

(2)操作方法客观精确。从步骤流程来说，通过取样实测校正，避免了单纯依靠操作者经验判断参数造成的误差，形成了一整套严谨客观的操作步骤，提高了数字地图绘制的精确性。

(3)地图表达内容更丰富。之前的技术仅针对单一的风环境特征进行表达，如风速，风压等，本发明可以通过三维立体可视化表达，将风速分布云图、风速矢量图，以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图等图纸进行综合表达，显示效果更直观。

附图说明

图1为本发明风环境数字地图制作及显示方法结构框架图；

图2为本三维空间建模数据输入矢量分层；

图3为城市空间地形图；

图4为三维空间模型格式转化图；

图5为实时监测数据监测点选取分布图；

图6为新街口夏天下午两点行人高度处风速云图；

图7为夏季洪武北路—洪武路道路中心线行人高度出的风速变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明针对风环境数字地图制作及显示方法本身所存在的缺点，提出一种新的风环境数字地图制作及显示方法，由以下步骤组成(如图1所示)：首先，将城市测绘地形图和地形图定位坐标通过三维绘图模块进行城市三维空间模型建构；其次，将建成的城市三维空间数字模型输入风环境CFD计算模块；再次，采集地面风环境实时数据(包括风频、风向、风速等)输入CFD计算模块，进行可视化的城市风环境全域模拟；进一步，利用栅格网点抽样选择实测校核点，利用带GPS定位功能的风环境实测设备现场测试，形成实施监测数据；进一步，根据风环境实施监测数据对风环境的整体模拟数据进行实测校核修正，形成某一时刻的城市风环境三维数据库；最后，将建成的风环境三维数据库输入三维可视化模块；利用三维可视化模块将风环境数据库转入进行可视化处理，形成风速分布云图、风速矢量图以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图，并利用外接设备进行显示。应用本发明所述的方法进行城市风环境的绘图和显示，提高了目前风环境信息整合和表达的使用范畴和表现效果，工作方法更具科学性、合理性和可操作性，为基于城市风环境设计的城市规划工程领域、建筑设计领域提供了一种适用方法。

以下将结合南京新街口中心区风环境数字地图制作及显示方法为例来详细地说明本发明的技术方案。

(1)三维空间模型建构；

首先，在包含城市建筑、等高线、道路、河流、山体等矢量分层(图2)数据的南京新街口地形图(图3)上输入新街口的定位坐标。随后，建立新街口三维空间模型。在三维绘图模块依照定位坐标导入城市测绘地形图的相关信息，根据相关坐标按照等比例对建筑、地形、道路、河流、山体的三维分图层进行识别并三维空间建模。

(2)三维空间数字模型输入风环境CFD模拟软件；

将三维空间模型输出为.sat格式的文件(图4)，并应用CFD计算模块中的前处理器进行三维空间模型置入，形成城市三维空间矢量模型，该模型应包含城市地理高程、道路路网，建筑轮廓，建筑高度，城市水系和城市山体6类信息。

(3)建立风环境数据库，并进行风环境流体学计算；

将南京近5年的地面气象实时数据(包括风频、各季节主要风向、平均风速、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射信息等数据)输入CFD计算模块。在CFD计算模块进行运算，得到南京各个时间段内风向和风速的风环境模拟数据，并以EXCEL表格形式输出。

(4)获取实施监测数据；

首先，在新街口地区进行监测点选取(图5)。宽度大于10m的道路和尺度大于50m×50m的广场为布置监测点地区。在宽度大于30m的道路两侧每隔30m设置一个风环境监测点，10m～30m的道路两侧每隔10m设置一个风环境监测点；面积大于50m×150m的广场空间每隔30m设置一个风环境监测点。最终共设立355个风环境实地监测点。随后，进行实地抽样监测。通过配置带GPS定位功能的风环境实测模块对新街口355个风环境实地监测点进行风环境实地测量，获取风环境的实测数据(包括温度、湿度、风速、风向、太阳辐射信息)，并建立“关键词时间、风向、风速”的重点地实施监测数据；

(5)整体模拟数据校核并建立城市风环境三维数据库；

将新街口实地监测数据与新街口全域模拟计算结果进行对比，得出新街口风速普遍偏高因此以将“软件边界参数”调大，最终得到新街口夏天下午两点风环境三维数据。

(6)将风环境三维数据库输入三维可视化模块；

将新街口夏天下午两点风环境三维数据输入三维可视化模块。利用三维可视化模块中的后期处理器将该时刻的城市风环境三维数据进行立体渲染。

(7)风环境数字地图制作和显示；

首先，利用三维可视化模块中的后期处理器将该时刻的城市风环境三维数据进行可视化处理，形成风速分布云图、风速矢量图(图6)以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图三类风环境数字地图。利用三维可视化模块中图片生成器对某一时刻的城市风环境三维数据库进行可视化处理，使用屏幕、绘图仪等外接设备将图像进行输出。并获取该时刻的风速数值设置(图7)，导出统计分析软件进行储存于分析。

Claims (9)

1.一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)将精度在1:1000以上的测绘地形图和地形图定位坐标输入三维矢量建模系统，通过三维绘图模块进行城市三维空间数字模型建构；

2)将建成的城市三维空间数字模型输入风环境CFD计算模块；

3)将城市地面风环境数据输入CFD计算模块，进行风环境流体力学运算；

4)利用栅格网点设定实测校核点，利用带GPS定位功能的风环境实测设备现场测试，对10％以上的栅格网点进行实测校核，记录实地监测数据；

5)根据风环境实地监测数据对风环境的整体模拟数据进行实测校核修正，形成某一时刻的城市风环境三维数据库；

6)将建成的风环境三维数据库输入三维可视化模块；

7)利用三维可视化模块将风环境数据库转入进行可视化处理，形成风速分布云图、风速矢量图以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图，图像利用系统连接的外接设备进行输出。

2.根据权利要求1所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤1)中：

1.1)将城市测绘地形图输入系统：测绘地形图精度在1:1000以上，包含城市建筑、等高线、道路、河流、山体的矢量分层数据；

1.2)将城市地形图定位坐标输入系统：地形图坐标系采用2000国家大地坐标系；

1.3)建立三维空间数字模型：在三维绘图模块依照定位坐标导入城市测绘地形图的相关信息，根据相关坐标按照等比例对建筑、地形、道路、河流、山体的三维分图层进行识别并三维空间建模。

3.根据权利要求1所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤2)具体如下：将三维空间数字模型输出为.sat格式的文件，并应用CFD计算模块中的前处理器进行三维空间模型置入，形成城市三维空间矢量模型，该模型应包含城市地理高程、道路路网，建筑轮廓，建筑高度，城市水系和城市山体6类信息。

4.根据权利要求1所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤3)中：

3.1)建立风环境基础数据库：获取城市近5年以上地面气象实时数据输入CFD计算模块，所述地面气象实时数据包括风频、各季节主风向、平均风速、温度、湿度、风速、风向、太阳辐射信息；

3.2)在CFD计算模块进行运算，得到各个时间段内风向和风速的风环境模拟数据，并以EXCEL表格形式输出。

5.根据权利要求1所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤4)中：

4.1)监测点选取：宽度大于10m的道路和尺度大于50m×50m的广场为布置监测点地区；在宽度大于30m的道路两侧每隔30m设置一个风环境监测点，10m～30m的道路两侧每隔10m设置一个风环境监测点；面积大于50m×150m的广场空间每隔30m设置一个风环境监测点；

4.2)实地抽样监测：通过配置带GPS定位功能的风环境实测模块对10％以上取样率的监测点风环境实地测量，获取风环境的实测数据，所述实测数据包括温度、湿度、风速、风向、太阳辐射信息，并建立关键词、位置坐标、时间、风向、风速、温度、湿度、太阳辐射信息的重点实地监测数据；被选取的10％以上的监测点即为实测校核点。

6.根据权利要求4所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤5)将实地监测数据与全域模拟计算结果进行对比，若相差结果超过阈值则对软件边界参数进行修正，若模拟计算结果的风速偏高则将软件边界参数调大，若模拟计算结果的风速偏低则将软件边界参数调小；并重复3.1)和3.2)步骤，直到结果在误差范围内，最终得到某一时刻的城市风环境三维数据。

7.根据权利要求6所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤6)将得到的某一时刻的风环境三维数据输入三维可视化模块；利用三维可视化模块中的后期处理器将该时刻的城市风环境三维数据进行立体渲染。

8.根据权利要求7所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：所述步骤7)中：

7.1)风环境数字地图制作：利用三维可视化模块对该时刻的城市风环境三维数据库进行可视化处理，最终生成风速分布云图、风速矢量图，以及建筑物迎风面和背风面的外表面压力云图3类风环境数字地图；

7.2)风环境即时显示数据生成：利用三维可视化模块的图片生成器对该时刻的城市风环境三维数据库进行可视化处理，最终结果进行位置设置测点，获取该位置的风速数值设置，并导出统计分析软件进行储存分析；

7.3)显示输出：图像和数据利用系统连接的外接设备进行输出。

9.根据权利要求1或7所述一种城市风环境数字地图制作及显示方法，其特征在于：步骤7)中所述外接设备为显示屏或者绘图仪。