CN105893588B - 一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，对城市空间形态三维数据进行数据简化，建立与所需数据类型相对应的图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统；建立城市空间能耗数据库，即时上传空间能耗大数据；将城市三维矢量信息模块和城市空间能耗数据库连接，从数据库导入数据和图像信息，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示城市空间能耗数字地图。本发明将城市空间能耗数据以矢量图形的方式与城市数字地图系统结合，实现城市空间能耗的空间可视化显示，通过数字地图可以掌握全城的空间能耗情况，基于计算机云数据技术，实现城市空间能耗海量数据自动计算处理，避免人工处理数据耗时费力。

Description

一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法

技术领域

本发明涉及数字地图制作方法，具体涉及一种城市空间能耗数字地图制作及显示方法。

背景技术

低碳城市已成为全球城市发展的前沿方向，而随着城市建设的高速发展，我国城市能耗逐年大幅度上升，庞大能耗成为国民经济的巨大负担，如何降低城市能源消耗、合理有效地利用能源、提高能效已成为目前及未来城市发展面临的重要问题。城市空间能耗与城市空间形态和布局密切相关，对建设低能耗城市、进行城市各用地内空间能耗相关研究至关重要。降低城市空间能耗有利于在物质空间层面促进能源节约和合理利用，获取生态环境、经济、社会的平衡，提高居民生活质量，实现城市的可持续发展。

城市空间能耗是基于城市空间形态的能源利用效率指标，具有大尺度、城市全覆盖等特征，具体指城市中以建筑为主的物质空间的能源消耗状况，主要衡量指标是不同时间段城市用地或建筑的用电量或电力负荷。城市空间能耗数字地图可以实现空间能耗数据的可视化，并精准定位到城市坐标，有效地实现城市空间能耗的可视化监测管理，从而更好地辅助城市规划工程实践和规划管理决策。

目前国内外缺乏对大尺度城市空间能耗的计算和研究，而以小尺度空间和单体建筑的能耗研究为主，尤其缺乏对空间能耗的空间定位和分布规律的研究和应用，更无应对大量空间能耗数据的地理信息图像显示技术和发明。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，将城市空间能耗数据和城市空间地图矢量信息通过不同图层映射到数据库，以数字地图的形式直观动态的查看和显示。

技术方案：本发明提供了一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，包括以下步骤：

(1)建立城市三维矢量信息模块

对城市空间形态三维数据进行数据简化，建立与所需数据类型相对应的图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统；

(2)建立城市空间能耗数据库

根据电力部门提供的智能化电表和变压器数据访问权限以及电力电网分布线路矢量文件建立城市空间能耗数据库，即时上传空间能耗大数据；

(3)建立空间能耗地图数字显示模块

将城市三维矢量信息模块和城市空间能耗数据库连接，针对城市空间能耗和城市三维矢量信息不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，从数据库导入数据和图像信息，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示城市空间能耗数字地图。

进一步，步骤(1)包括以下步骤：

(1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据；

(1.2)对得到的矢量城市空间形态三维数据进行简化与格式的转换，完成对矢量数据信息的筛选，根据所述城市全覆盖现状用地矢量图形，运用AUTOCAD软件中的格式转换命令将所有矢量数据转为多段线格式；

(1.3)根据转为多段线格式的dwg文件，在AUTOCAD中将矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓、建筑层数、用地轮廓、用地属性这六种基础数据，并建立新图层，其中道路路网、水系、建筑轮廓、用地轮廓图层均为多段线形式，建筑层数图层为标注了层数值的点形式，用地属性图层为标注了属性名称的点形式；

(1.4)将简化与处理后的矢量数据dwg文件以dxf格式进行存储，再导入ArcGIS地理信息系统，构成数字地图的底图数据信息。

进一步，步骤(2)包括以下步骤：

(2.1)建立基础能耗统计单元：根据所述建筑轮廓和建筑层数图层建立空间能耗的建筑统计单元，赋予每个建筑以唯一识别代码；

(2.2)获取城市电力能耗数据和电网线路图：电力能耗数据由城市相关电力部门提供智能化电表和变压器数据访问授权，具体操作为，将每个建筑的识别代码与电力表号挂接，建立城市建筑电力负荷信息统计空表，发送给城市电力部门，由电力部门根据建筑电力负荷信息统计表格式进行24小时用电量数据返回，统计表内容包括建筑代码、电力表号、单位名称、统计日期和统计时间，对智能化电表和变压器数据进行实时访问下载并自动以数据表形式进行存储；

(2.3)将能耗数据的电力表号转换为建筑代码：整理电力部门返回的电量数据，与步骤(2.1)所述建筑统计单元进行数据连接，具体操作为：在ArcGIS中鼠标右键点击建筑轮廓图层，点击连接(J)选项后在对话框里选择当前图层中要连接的字段为“建筑代码”，加载电力负荷信息统计表，选择表中需要进行连接的字段为“建筑代码”，确定连接数据并建立新图层，得到以建筑代码为识别的电力能耗数据信息；

(2.4)构建城市空间能耗数据库：数据库包括电力能耗数据信息和电力电网线路图形信息，所述电力能耗数据信息是步骤(2.3)得到的以建筑代码为识别的电力能耗数据信息，并以数据表格Excel形式存储，而步骤(2.1)得到的电力能耗数据表格和电力电网线路图CAD格式共同构成城市空间能耗数据库，存储并上传云端。

进一步，步骤(3)包括以下步骤：

(3.1)基于ArcGIS地理信息系统建立显示模块，将空间能耗数字地图显示模块与城市三维矢量信息模块和城市空间能耗数据库连接，在显示模块下建立数据输入单元和数据输出显示单元；

(3.2)针对城市空间能耗和城市三维矢量信息不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，通过所述数据输入单元将城市三维矢量信息和城市空间能耗计算结果导入，根据地理坐标进行数据叠合，建立的图层包括城市空间能耗图层、城市电力电网分布图层和城市空间形态三个一级图层；所述城市空间形态图层又包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、用地属性四个二级图层，所述城市空间能耗图层，将步骤(2.4)计算而得的城市空间能耗数据采用克里金法进行插值，把空间能耗数据转换为全域的等值线图；

3.3)运用ArcGIS中的Sketchup ESRI插件制作三维的空间能耗时空立方图：先在ArcCatalog中创建一个Personal Geodatabase，新建Feature class后选择“面要素”，为其指定WGS 84Web墨卡托投影坐标体系，添加高程height字段，导入城市空间能耗数据表格，并以用电负荷数据为高程，再在ArcScene中浏览三维矢量数据，鼠标点击右键属性中的Extrusion选项卡，选择height字段显示，得到城市空间能耗三维时空立方图。

更进一步，步骤(3.2)克里金插值方法函数：

式中：i表示各建筑代号，每个建筑对应一个i值，λ_i为换算系数，表示各建筑能耗值Q_i的观测值z(Q_i)对估计值Z^*(Q_o)的贡献程度；

具体操作为，运用ArcGIS软件的Spatial Analyst工具，选择插值-克里金法，属性对话框里设置输入点要素“prec”，设置Z值字段“prec”，半变异模型选择球面(Sphere)，半变异函数属性设为普通克里金(Ordinary Krigging)，输出像元得到城市空间能耗等值线图。

有益效果：1、本发明首次提出城市空间能耗数字地图的图像制作和显示技术，将城市空间能耗数据以矢量图形的方式与城市数字地图系统结合，叠合在同一个数字地图系统下，实现城市空间能耗的空间可视化显示，通过数字地图可以掌握全城的空间能耗情况，利用大数据为打造城市绿色低碳的能耗空间服务，故，是一种基于城市地理空间坐标体系且具有大尺度的城市全覆盖特征的数字地图系统；

2、本发明基于计算机云数据技术，实现城市空间能耗海量数据自动计算处理，避免人工处理数据耗时费力，减少误差提高工作效率；

3、本发明通过空间能耗数据库的建立，可以根据智能化电表和变压器即时上传的能耗大数据，因此在整体上能反映出城市能耗的不同时间段的变化，使得规划调控可以有意识地优化空间功能，错开相应谷峰；

4、本发明基于城市空间形态三维矢量数据中的建筑和用地数据，可以结合建筑强度即时反映同样建筑面积的电力能耗大小，从而判断高能耗建筑所在位置，帮助在规划设计实践中研究能耗大小与建筑或用地的耦合对应关系，有利于目标性地进行建筑节能管理控制；

5、本发明城市空间能耗数字地图通过将城市空间能耗数据以数字地图结合方式进行共享与对标，为实现对城市空间能耗的可视化查询和全面监控奠定基础；进一步地，可以显示城市用电负荷总量波动及空间分布情况，叠加分析城市空间每小时能耗动态变化，预判未来城市用电负荷总量及分布趋势，从而更好地辅助城市规划工程实践和城市建设决策管理。

附图说明

图1为本发明城市空间能耗数字地图制作和显示方法的流程图；

图2为本发明南京中心区三维矢量信息模块；

图3为南京供电部门提供的某商业建筑每日用电负荷数据统计表格局部示意图；

图4为南京中心区电力电网分布显示局部示意图；

图5为某时间段南京中心区空间能耗等值线图示意图；

图6为南京中心区空间能耗时空立方示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，如图1所示，具体包括以下操作：

1)建立城市三维矢量信息模块

本实施例以南京中心区为例，如图2所示，对南京中心区空间形态三维数据进行数据简化，建立与所需数据类型相对应的图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统。

1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的南京城市中心区现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据；

1.2)对南京中心区空间形态三维数据进行简化与格式的转换，完成对矢量数据信息的筛选。根据步骤1.1)的矢量图形，运用AUTOCAD软件中的格式转换命令将所有矢量数据转为多段线格式；

1.3)根据步骤1.2)转为多段线格式的dwg文件，在AUTOCAD中将矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓、建筑层数、用地轮廓、用地属性这六种基础数据，并建立新图层，其中道路路网、水系、建筑轮廓、用地轮廓图层均为多段线形式，建筑层数图层为标注了层数值的点形式，用地属性图层为标注了属性名称的点形式；

1.4)将步骤1.3)中简化与处理后的矢量数据dwg文件以dxf格式进行存储，再导入ArcGIS地理信息系统，构成南京中心区空间能耗数字地图的底图数据信息。

2)建立南京中心区空间能耗数据库；

根据南京市相关供电部门提供的南京中心区智能化电表和变压器数据访问权限和电力电网分布线路矢量文件，建立南京中心区空间能耗数据库，即时上传空间能耗大数据。

2.1)建立基础能耗统计单元：根据步骤1.3)中的建筑轮廓和建筑层数建立空间能耗的建筑统计单元，赋予每个建筑以唯一识别代码；

2.2)获取南京中心区电力能耗数据和电网线路图：电力能耗数据由南京市相关电力部门提供智能化电表和变压器数据访问授权，对智能化电表和变压器数据进行实时访问下载并自动以数据表形式进行存储，将步骤2.1)中的建筑识别代码与电力表号挂接，建立城市建筑电力负荷信息统计空表，发送给城市电力部门，由电力部门根据建筑电力负荷信息统计表格式进行24小时用电量数据返回，统计表内容包括建筑代码、电力表号、单位名称、统计日期、统计时间(24小时)等信息；图3所示为南京供电部门提供的2010年1月1日至2015年8月19日期间的南京某商业建筑每日(24小时每半个小时记录一次数据)用电负荷数据统计表格局部；

2.3)将能耗数据的电力表号转换为建筑代码：整理步骤2.2)中供电部门返回的南京中心区各用户电量数据表中的用户名称替换为建筑代码后，与步骤2.1)中的各建筑统计单元进行数据连接，在ArcGIS中鼠标右键点击建筑轮廓图层，点击连接(J)选项后在对话框里选择当前图层中要连接的字段为“建筑代码”，加载电力负荷信息统计表，选择表中需要进行连接的字段为“建筑代码”，确定连接数据并建立新图层，得到以建筑代码为识别的电力能耗数据信息；

2.4)构建南京中心区空间能耗数据库：数据库包括电力能耗数据信息和电力电网线路图形信息。其中电力能耗数据信息是由步骤2.3)得到的以建筑代码为识别的数据信息，并以数据表格(Excel)形式存储。电力能耗数据表格和电力电网线路图(CAD格式)共同构成南京中心区空间能耗数据库，存储并上传云端。

3)建立南京中心区空间能耗数字地图显示模块；

将南京中心区三维矢量信息模块和南京中心区空间能耗数据库连接，针对城市空间能耗和城市三维矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，从数据库导入数据和图像信息，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示南京中心区空间能耗数字地图。

3.1)基于ArcGIS地理信息系统建立显示模块，将空间能耗数字地图显示模块与南京中心区三维矢量信息模块和南京中心区空间能耗数据库连接，在显示模块下建立数据输入单元和数据输出显示单元；

3.2)针对城市空间能耗和城市三维矢量信息等不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，通过数据输入单元将城市三维矢量信息和城市空间能耗计算结果导入，根据地理坐标进行数据叠合，建立的图层包括城市空间能耗图层、城市电力电网分布图层和城市空间形态三个一级图层，所述城市空间形态图层又包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、用地属性四个二级图层；

3.3)通过数据输出显示单元将南京中心区空间能耗图层和南京中心区空间形态图层叠合，输出显示南京中心区空间能耗平面分布图，将南京中心区电力电网分布图层和南京中心区空间形态图层叠合，输出显示南京中心区能耗线路平面分布图，如图4所示；

3.4)将步骤2.3)计算而得的城市空间能耗数据采用克里金法对城市空间能耗数据进行插值，把空间能耗数据转换为全域的等值线图，具体地，运用ArcGIS软件的SpatialAnalyst工具，选择插值-克里金法，属性对话框里设置输入点要素“prec”，设置Z值字段“prec”，半变异模型选择球面(Sphere)，半变异函数属性设为普通克里金(OrdinaryKrigging)，输出像元得到等值线图，叠合城市空间形态图层后得到的南京中心区空间能耗等值线图，如图5所示；

3.5)运用ArcGIS中的ArcCatalog中创建一个Personal Geodatabase，新建Feature class后选择“面要素”，为其指定WGS 84Web墨卡托投影坐标体系，添加高程height字段，导入南京中心区空间能耗数据表格，并以用电负荷数据为高程，再在ArcScene中浏览三维矢量数据，鼠标点击右键属性中的Extrusion选项卡，选择height字段显示，得到南京中心区空间能耗三维时空立方图，如图6所示。

Claims (3)

1.一种大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)建立城市三维矢量信息模块

对城市空间形态三维数据进行数据简化，建立与所需数据类型相对应的图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统；

(2)建立城市空间能耗数据库

根据电力部门提供的智能化电表和变压器数据访问权限以及电力电网分布线路矢量文件建立城市空间能耗数据库，即时上传空间能耗大数据；

(3)建立空间能耗地图数字显示模块

将城市三维矢量信息模块和城市空间能耗数据库连接，针对城市空间能耗和城市三维矢量信息不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，从数据库导入数据和图像信息，根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示城市空间能耗数字地图；

其中，步骤(1)包括以下步骤：

(1.1)根据实际测绘及卫星遥感地图获得完整、准确的城市全覆盖现状用地矢量图形及相关地理空间坐标数据；

(1.2)对得到的矢量城市空间形态三维数据进行简化与格式的转换，完成对矢量数据信息的筛选，根据所述城市全覆盖现状用地矢量图形，运用AUTOCAD软件中的格式转换命令将所有矢量数据转为多段线格式；

(1.3)根据转为多段线格式的dwg文件，在AUTOCAD中将矢量数据提取出道路路网、水系、建筑轮廓、建筑层数、用地轮廓、用地属性这六种基础数据，并建立新图层，其中道路路网、水系、建筑轮廓、用地轮廓图层均为多段线形式，建筑层数图层为标注了层数值的点形式，用地属性图层为标注了属性名称的点形式；

(1.4)将简化与处理后的矢量数据dwg文件以dxf格式进行存储，再导入ArcGIS地理信息系统，构成数字地图的底图数据信息；

步骤(2)包括以下步骤：

(2.1)建立基础能耗统计单元：根据所述建筑轮廓和建筑层数图层建立空间能耗的建筑统计单元，赋予每个建筑以唯一识别代码；

(2.2)获取城市电力能耗数据和电网线路图：电力能耗数据由城市相关电力部门提供智能化电表和变压器数据访问授权，具体操作为，将每个建筑的识别代码与电力表号挂接，建立城市建筑电力负荷信息统计空表，发送给城市电力部门，由电力部门根据建筑电力负荷信息统计表格式进行24小时用电量数据返回，统计表内容包括建筑代码、电力表号、单位名称、统计日期和统计时间，对智能化电表和变压器数据进行实时访问下载并自动以数据表形式进行存储；

(2.3)将能耗数据的电力表号转换为建筑代码：整理电力部门返回的电量数据，与步骤(2.1)所述建筑统计单元进行数据连接，具体操作为：在ArcGIS中鼠标右键点击建筑轮廓图层，点击连接(J)选项后在对话框里选择当前图层中要连接的字段为“建筑代码”，加载电力负荷信息统计表，选择表中需要进行连接的字段为“建筑代码”，确定连接数据并建立新图层，得到以建筑代码为识别的电力能耗数据信息；

(2.4)构建城市空间能耗数据库：数据库包括电力能耗数据信息和电力电网线路图形信息，所述电力能耗数据信息是步骤(2.3)得到的以建筑代码为识别的电力能耗数据信息，并以数据表格Excel形式存储，而步骤(2.1)得到的电力能耗数据表格和电力电网线路图CAD格式共同构成城市空间能耗数据库，存储并上传云端。

2.根据权利要求1所述的大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，其特征在于：步骤(3)包括以下步骤：

(3.1)基于ArcGIS地理信息系统建立显示模块，将空间能耗数字地图显示模块与城市三维矢量信息模块和城市空间能耗数据库连接，在显示模块下建立数据输入单元和数据输出显示单元；

(3.2)针对城市空间能耗和城市三维矢量信息不同对象提出并建立不同属性的数字地图图层，通过所述数据输入单元将城市三维矢量信息和城市空间能耗计算结果导入，根据地理坐标进行数据叠合，建立的图层包括城市空间能耗图层、城市电力电网分布图层和城市空间形态三个一级图层；所述城市空间形态图层又包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、用地属性四个二级图层，所述城市空间能耗图层，将步骤(2.4)计算而得的城市空间能耗数据采用克里金法进行插值，把空间能耗数据转换为全域的等值线图；

3.3)运用ArcGIS中的Sketchup ESRI插件制作三维的空间能耗时空立方图：先在ArcCatalog中创建一个Personal Geodatabase，新建Feature class后选择“面要素”，为其指定WGS 84Web墨卡托投影坐标体系，添加高程height字段，导入城市空间能耗数据表格，并以用电负荷数据为高程，再在ArcScene中浏览三维矢量数据，鼠标点击右键属性中的Extrusion选项卡，选择height字段显示，得到城市空间能耗三维时空立方图。

3.根据权利要求2所述的大尺度城市空间能耗数字地图制作及显示方法，其特征在于：步骤(3.2)克里金插值方法函数：

式中：i表示各建筑代号，每个建筑对应一个i值，λ_i为换算系数，表示各建筑能耗值Q_i的观测值z(Q_t)对估计值的贡献程度；

具体操作为，运用ArcGIS软件的Spatial Analyst工具，选择插值-克里金法，属性对话框里设置输入点要素“prec”，设置Z值字段“prec”，半变异模型选择球面(Sphere)，半变异函数属性设为普通克里金(Ordinary Krigging)，输出像元得到城市空间能耗等值线图。