CN105975591B - 一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法和系统，方法包括：分别采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据；将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统形成数字地图的底图模块；对采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析；针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。本发明将城市全域能耗数据以矢量图形的方式结合城市三维空间形态，有助于对城市全域能耗进行空间落实定位和空间形态耦合分析，面向城市规划和建筑设计工程实践领域，能够辅助城市工程实践和城市建设决策管理。

Description

一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法和系统

技术领域

本发明涉及一种数字地图，更具体涉及一种城市全域能耗数字地图的制作方法和显示方法，以及能耗数字地图系统。

背景技术

目前低碳城市已成为全球城市发展的前沿方向，城市发展面临如何降低城市能源消耗、合理有效地利用能源、提高能效利用效率等重要问题。城市能耗在空间分布上主要分为城市街区静态能耗和城市道路动态能耗两种，其中城市街区静态能耗以建筑电力能源消耗为主要衡量指标，而城市道路动态能耗以机动车石油能源消耗为主要衡量指标。电力能耗和石油能耗都是国家能源战略中的关键内容，对研究全覆盖的城市全域能源消耗规律、研究城市空间与能源消耗的相关性、指导城市空间可持续发展有重要作用。

城市街区静态能耗和城市道路动态能耗都具有大尺度空间分布特征，是构成城市全域能耗信息数据的主要组成部分。城市全域能耗数字地图可以实现城市能耗大数据存储、分析和可视化读取，通过精准定位到城市地理空间坐标，有效地实现城市全域能耗的实时监测管理和分析研究，有助于城市规划工程实践，辅助城市管理决策。

目前国内外很多城市已有对城市道路动态能耗的测算和信息监测系统，但一般用于城市道路信息管理和交通流量控制，而且目前国内尚无对城市街区静态能耗的测算研究，更没有在城市全域视角下将两者结合进行分析研究，尤其缺乏对城市全域能耗的可视化地图显示应用及相关专利。

本发明首度关注城市全域能耗领域的数字地图图像制作和显示技术，将城市全域能耗数据以矢量图形的方式结合城市三维空间形态，有助于对城市全域能耗进行空间落实定位和空间形态耦合分析，进而揭示全域能耗空间分布特点和规律；本发明的优势在于城市全域能耗数字地图基于城市地理空间坐标体系，是一种具有大尺度城市全覆盖特征的全域能耗数字地图系统；本发明的另一优势在于，基于互联网技术和计算机信息技术实现城市全域能耗数据信息的实时采集、存储和即时上传，有利于实现全域能耗即时显示和实时监测；本发明将城市全域能耗数据与数字地图结合方式进行共享与对标，在此基础上进行空间分析和模拟预测，面向城市规划和建筑设计工程实践领域，作为辅助城市工程实践、城市建设决策管理的一种实用方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是：提供一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法和系统，将城市全域能耗数据和城市三维空间形态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。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，包括以下步骤：

1)采集城市全域能耗信息：分别采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，并将所采集的数据传送至数据中心；

2)建立城市三维矢量信息底图：将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统形成数字地图的底图模块，所述三维矢量信息数据至少包括道路路网、建筑轮廓、用地轮廓和用地属性；

3)城市全域能耗数据分析：从数据中心获取采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，并将分析结果存储至数据中心；

4)城市全域能耗数字地图显示：将底图模块和数据中心连接，针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。

进一步地，步骤1)中城市街区用电能耗数据采集方法为：以道路围合而成的独立街区为用电数据统计单元，对某一时刻街区内所有建筑的电力负荷进行统计计算；建筑电力负荷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，采集获取，或者直接从其提供的数据访问接口获取。

进一步地，步骤1)中城市道路油耗数据采集方法为：以城市单条连续的机动车道路为车辆油耗数据统计单元，对某一时刻道路上行驶的所有机动车辆的油耗进行统计计算；机动车油耗数据通过道路路段配置的微波车辆检测器，根据车辆回波信号获取车型、车速和流量数据，再根据不同车型油耗率转换为油耗数据，或者直接从城市道路交通管理相关部门提供的数据访问接口获取。

进一步地，步骤2)中城市三维矢量信息数据从市售的地图矢量数据中获取或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后提取获得。

进一步地，从卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据中获取城市三维矢量信息数据的方法具体包括：

2.1)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；

2.2)根据步骤2.1)的矢量图形，在图像处理软件中建立与所需数据类型相对应的图元，得到城市空间形态三维矢量数据；

2.3)将所有矢量数据转为多段线格式，再从三维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。

进一步地，步骤3)中对城市全域能耗数据分析的方法具体包括：

3.1)在地里信息处理系统软件中建立街区轮廓图层和道路中心线图层；

3.2)获取城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，导入地里信息系统软件，分别将数据定位关联到街区轮廓图层和道路中心线图层上；

3.3)对城市全域能耗要素进行克里金插值处理，生成表面栅格数据，得到以城市全域能耗空间分布分析结果；

3.4)根据的空间分布分析结果进行热点聚类分析，生成热点聚类分析结果。

进一步地，步骤4)中所建立的数字地图图层包括城市全域能耗实时信息、城市全域能耗数据分析和城市空间形态底图三个一级图层，其中，所述城市全域能耗实时信息图层，包含城市街区的建筑电力负荷实时数据和城市机动车燃油消耗实时数据两个二级图层；所述城市全域能耗数据分析图层，包含城市全域能耗地理空间分布分析和城市全域能耗热点聚类分析两个二级图层；所述城市空间形态底图图层，包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、建筑强度、建筑密度、用地属性六个二级图层；根据要显示的数字地图内容有选择地进行图层的开和关，叠加不同图层后进行地图的显示查看。

进一步地，地图的显示提供二维地图查看和三维地图查看方式，通过运用ArcGIS中的Sketchup ESRI插件制作三维的城市全域能耗时空立方图。

一种城市全域能耗数字地图系统，包括：数据中心，城市全域能耗信息采集模块，城市三维矢量信息底图模块，城市全域能耗数据分析模块，以及城市全域能耗数字地图显示；所述城市全域能耗信息采集模块，与数据中心连接，包括城市街区用电能耗数据采集子模块和城市道路油耗数据采集子模块，分别用于采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，并将所采集的数据传送至数据中心；

所述城市三维矢量信息底图模块，基于地理信息系统建立，导入有城市三维矢量信息数据，所述三维矢量信息数据至少包括道路路网、建筑轮廓、用地轮廓和用地属性；

所述城市全域能耗数据分析模块，与数据中心连接，用于从数据中心获取采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，并将分析结果存储至数据中心；

所述城市全域能耗数字地图显示模块，与数据中心连接，用于针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明首度关注城市全域能耗领域的数字地图图像制作和显示技术，将城市全域能耗数据以矢量图形的方式结合城市三维空间形态，有助于对城市全域能耗进行空间落实定位和空间形态耦合分析，进而揭示全域能耗空间分布特点和规律；

2.本发明城市全域能耗数字地图基于城市地理空间坐标体系，是一种具有大尺度城市全覆盖特征的全域能耗数字地图系统；

3.本发明基于互联网技术和计算机信息技术实现城市全域能耗数据信息的实时采集、存储和即时上传，有利于实现全域能耗即时显示和实时监测；

4.本发明将城市全域能耗数据与数字地图结合方式进行共享与对标，可在此基础上进行空间分析和模拟预测，面向城市规划和建筑设计工程实践领域，作为辅助城市工程实践、城市建设决策管理的一种实用方法。

附图说明

图1是本发明城市全域能耗数字地图制作流程图；

图2是基于某城市中心区三维矢量信息建立的数字地图底图模块示意图；

图3是某城市中心区全域能耗空间分布分析结果示意图；

图4是某城市中心区全域能耗热点聚类分析结果示意图；

图5是某城市中心区全域能耗时空立方图示意图。

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。

本发明实施例公开的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，首先，分别采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，并将所采集的数据传送至数据中心；然后，将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统形成数字地图的底图模块；接着，从数据中心获取采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，并将分析结果存储至数据中心；最后，将底图模块和数据中心连接，针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。

相应地，本发明实施例公开的一种城市全域能耗数字地图系统，主要包括数据中心，城市全域能耗信息采集模块，城市三维矢量信息底图模块，城市全域能耗数据分析模块，以及城市全域能耗数字地图显示模块。城市全域能耗信息采集模块，与数据中心连接，包括城市街区用电能耗数据采集子模块和城市道路油耗数据采集子模块，分别用于采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，并将所采集的数据传送至数据中心；城市三维矢量信息底图模块，基于地理信息系统建立，导入有城市三维矢量信息数据；城市全域能耗数据分析模块，与数据中心连接，用于从数据中心获取采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，并将分析结果存储至数据中心；城市全域能耗数字地图显示模块，与数据中心连接，用于针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。

下面结合附图，对某城市市中心的全域能耗数字地图建立的具体过程进行详细介绍，如图1所示，包括如下步骤：

1)建立城市全域能耗信息采集模块；

城市全域能耗信息采集模块包括城市街区用电能耗数据采集子模块和城市道路油耗数据采集子模块，两个子模块分别通过以太网电缆线或无线路由器与计算机数据中心进行连接。具体为：

1.1)建立城市街区用电能耗数据采集子模块：以道路围合而成的独立街区为用电数据统计单元，对某一时刻街区内所有建筑的电力负荷进行统计计算。建筑电力负荷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，并自动实时以数据表格形式存储；建筑电力负荷数据也可以直接从城市相关电力部门提供的数据接口获取。

1.2)建立城市道路油耗数据采集子模块：以城市单条连续的机动车道路为车辆油耗数据统计单元，对某一时刻道路上行驶的所有机动车辆的油耗进行统计计算。机动车油耗数据通过道路路段配置的微波车辆检测器(RTMS)根据车辆回波信号获取车型、车速和流量数据，再根据不同车型油耗率转换为油耗数据，并自动实时以数据表格形式存储；机动车油耗数据也可以直接从城市道路交通管理相关部门提供的数据接口获取。

1.3)将步骤1.1)城市街区用电能耗数据采集子模块和步骤1.2)城市道路油耗数据采集子模块，分别通过以太网电缆线或无线路由器与计算机数据中心进行连接，将采集的能耗数据上传到计算机，构建某城市中心区全域能耗信息采集模块。

2)建立城市三维矢量信息底图模块；

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矢量图元，转换为城市三维矢量信息数据，导入地理信息系统，形成数字地图的底图模块。城市三维矢量信息数据也可以来源于市场上已加工好的地图矢量数据或者对卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行处理后获取。本例中采用从原始地图数据进行加工方式获取，具体包括：

2.1)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；

2.2)对上述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。根据步骤2.1)的矢量图形，在AUTOCAD软件中建立与所需数据类型相对应的图元，得到该城市中心区的空间形态三维矢量数据，以DWG格式存储；

2.3)用AUTOCAD软件打开上述DWG文件，运用格式转换命令将所有矢量数据转为多段线格式。再将三维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；

2.4)将步骤2.3)中简化与处理后的矢量数据DWG文件以DXF格式进行存储，导入ArcGIS地理信息系统，构成制作该城市中心区全域能耗数字地图的底图信息模块，如图2所示。

3)建立城市全域能耗数据分析模块；

城市全域能耗数据分析模块与计算机数据中心连接进行信息交互，根据实时采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，将分析结果即时上传并存储到计算机数据中心。具体为：

3.1)在AUTOCAD中将所述步骤2.2)三维矢量数据中的街区轮廓线转换成闭合多段线，将道路中心线在交叉点处打断为不连续的多段线，以DXF格式存储后导入ArcGIS软件，新建街区轮廓图层和道路中心线图层；

3.2)将城市全域能耗数据分析模块与计算机数据中心连接，下载实时城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，导入ArcGIS软件，分别将数据定位关联到步骤3.1)的街区轮廓图层和道路中心线图层上；具体地：首先为每个街区轮廓和道路中心线赋予唯一识别代码，其中街区识别代码与街区统计单元的电力表号挂接，道路识别代码与道路统计单元挂接。分别右键点击街区轮廓图层和道路中心线图层，点选连接(J)选项后选择要连接的数据为识别代码，点击确认后自动生成带能耗数据的两个新图层，合并后得到城市全域能耗实时数据信息图层；

3.3)对步骤3.2)的城市全域能耗实时数据进行地理空间分布分析。具体地：在ArcGIS软件的ArcToolbox工具中执行Kriging命令(克里金插值算法)，设置输入点要素类型为Feature set(要素类)，对城市全域能耗要素进行克里金插值处理，生成表面栅格数据，即得到以城市全域能耗空间分布分析结果，上传并存储到计算机数据中心；全域能耗空间分布分析结果叠加到底图上的显示效果如图3所示。

3.4)根据所述步骤3.3)的空间分布分析结果进行热点聚类分析。具体地，在ArcToolbox工具中选择patial Statistics Tools(空间统计工具)执行热点聚类分析命令(即Getis-Ord Gi分析)，输入要素图层为步骤3.3)得到的表面栅格图层，选择克里金插值属性为输入要素，生成热点聚类分析结果，上传并存储到计算机数据中心。热点聚类分析结果叠加到底图上的显示效果如图4所示。

4)建立城市全域能耗数字地图显示模块；

将城市三维矢量信息底图模块和城市全域能耗数据中心连接，针对城市全域实时能耗数据和城市全域能耗分析结果提出并建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，导出显示城市全域能耗数字地图。具体为：

4.1)基于ArcGIS地理信息系统建立数字地图显示模块，将城市全域能耗地图底图模块通过数据中心与城市全域能耗信息采集模块、城市全域能耗数据分析模块连接，构建数字地图信息系统，实现数据输入和输出显示，地图显示模块提供二维地图查看和三维地图查看；

4.2)针对城市全域能耗和城市空间形态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，分别导入城市全域能耗数据和城市三维矢量数据信息，根据地理坐标进行数据叠合。建立的图层包括城市全域能耗实时信息、城市全域能耗数据分析和城市空间形态底图3个一级图层。其中，所述城市全域能耗实时信息图层，包含城市街区的建筑电力负荷实时数据和城市机动车燃油消耗实时数据2个二级图层；所述城市全域能耗数据分析图层，包含城市全域能耗地理空间分布分析和城市全域能耗热点聚类分析2个二级图层；所述城市空间形态底图图层，包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、建筑层数、用地轮廓、用地属性6个二级图层；

4.3)根据要显示的数字地图内容有选择地进行图层的开和关，叠加不同图层后进行二维地图的显示查看，实现二维平面上的城市全域能耗实时信息可视化；

4.4)运用ArcGIS中的Sketchup ESRI插件制作三维的城市全域能耗时空立方图。具体地，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，导入某一时刻改城市中心区全域能耗数据为高程，进而在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，即可显示某一时刻城市全域能耗三维时空立方图，实现三维立体的城市全域能耗实时可视化，如图5所示。

Claims (8)

1.一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，包括以下步骤：

1）采集城市全域能耗信息：分别采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，并将所采集的数据传送至数据中心；

2）建立城市三维矢量信息底图：将城市三维矢量信息数据导入地理信息系统形成数字地图的底图模块，所述三维矢量信息数据至少包括道路路网、建筑轮廓、用地轮廓和用地属性；

3）城市全域能耗数据分析：从数据中心获取采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，并将分析结果存储至数据中心；具体包括：

3.1）在地里信息处理系统软件中建立街区轮廓图层和道路中心线图层；

3.2）获取城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，导入地里信息系统软件，分别将数据定位关联到街区轮廓图层和道路中心线图层上；

3.3）对城市全域能耗要素进行克里金插值处理，生成表面栅格数据，得到以城市全域能耗空间分布分析结果；

3.4）根据的空间分布分析结果进行热点聚类分析，生成热点聚类分析结果；

4）城市全域能耗数字地图显示：将底图模块和数据中心连接，针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。

2.根据权利要求1所述的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，步骤1）中城市街区用电能耗数据采集方法为：以道路围合而成的独立街区为用电数据统计单元，对某一时刻街区内所有建筑的电力负荷进行统计计算；建筑电力负荷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，采集获取，或者直接从其提供的数据访问接口获取。

3.根据权利要求1所述的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，步骤1）中城市道路油耗数据采集方法为：以城市单条连续的机动车道路为车辆油耗数据统计单元，对某一时刻道路上行驶的所有机动车辆的油耗进行统计计算；机动车油耗数据通过道路路段配置的微波车辆检测器，根据车辆回波信号获取车型、车速和流量数据，再根据不同车型油耗率转换为油耗数据，或者直接从城市道路交通管理相关部门提供的数据访问接口获取。

4.根据权利要求1所述的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，步骤2）中城市三维矢量信息数据从市售的地图矢量数据中获取或者根据卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据进行简化与格式转换后提取获得。

5.根据权利要求4所述的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，从卫星遥感地图获得的城市空间形态三维数据中获取城市三维矢量信息数据的方法具体包括：

2.1）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；

2.2）根据步骤2.1）的矢量图形，在图像处理软件中建立与所需数据类型相对应的图元，得到城市空间形态三维矢量数据；

2.3）将所有矢量数据转为多段线格式，再从三维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。

6.根据权利要求1所述的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，步骤4）中所建立的数字地图图层包括城市全域能耗实时信息、城市全域能耗数据分析和城市空间形态底图三个一级图层，其中，所述城市全域能耗实时信息图层，包含城市街区的建筑电力负荷实时数据和城市机动车燃油消耗实时数据两个二级图层；所述城市全域能耗数据分析图层，包含城市全域能耗地理空间分布分析和城市全域能耗热点聚类分析两个二级图层；所述城市空间形态底图图层，包含道路路网、水网体系、建轮廓筑、建筑强度、建筑密度、用地属性六个二级图层；根据要显示的数字地图内容有选择地进行图层的开和关，叠加不同图层后进行地图的显示查看。

7.根据权利要求6所述的一种城市全域能耗数字地图制作及显示方法，其特征是，地图的显示提供二维地图查看和三维地图查看方式，通过运用ArcGIS中的Sketchup ESRI插件制作三维的城市全域能耗时空立方图。

8.一种采用如权利要求1-7任一项所述的城市全域能耗数字地图制作及显示方法的城市全域能耗数字地图系统，其特征是，包括：数据中心，城市全域能耗信息采集模块，城市三维矢量信息底图模块，城市全域能耗数据分析模块，以及城市全域能耗数字地图显示模块；

所述城市全域能耗信息采集模块，与数据中心连接，包括城市街区用电能耗数据采集子模块和城市道路油耗数据采集子模块，分别用于采集城市街区用电能耗数据和城市道路油耗数据，并将所采集的数据传送至数据中心；

所述城市三维矢量信息底图模块，基于地理信息系统建立，导入有城市三维矢量信息数据，所述三维矢量信息数据至少包括道路路网、建筑轮廓、用地轮廓和用地属性；

所述城市全域能耗数据分析模块，与数据中心连接，用于从数据中心获取采集的街区用电能耗数据和道路油耗数据进行自动模拟分析，并将分析结果存储至数据中心；

所述城市全域能耗数字地图显示模块，与数据中心连接，用于针对城市全域能耗数据和城市全域能耗分析结果建立不同属性的数字地图图层，将数据和图像信息根据地理坐标进行数据叠合后，显示城市全域能耗数字地图。