CN108269487B - 3d噪声地图绘制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种3D噪声地图绘制系统和方法。所述方法包括S1、以给定分辨率生成3D采样点；S2、采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算；S3、采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算；S4、基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图。实施本发明的3D噪声地图绘制方法和系统，同时考虑了室内和室外噪声，因此可以在房间水平对噪声水平进行评价。进一步地，本发明采用了意大利C.N.R.模型，并且对噪声反射以及噪声损耗进行分析，因此提高了噪声预测的准确性。更进一步地，本发明中的模型可以更换，因此提高了系统的适应性和灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及城市建设领域，更具体地说，涉及一种3D噪声地图绘制系统和方法。
背景技术
随着越来越多的人生活在城市化地区，城市中的高密度民用基础设施正在成为主要的噪声源，并影响越来越多的市民。大量研究表明，长期接触噪声将在精神上和肉体上都对人体健康产生不利影响。在暴露于高水平的噪音的人群中可以观察到睡眠障碍、听力以及心血管保护效应丧失。在城市环境中的各种噪声源中，在民用基础设施中移动车辆而产生的交通噪声被视为噪声的最大贡献者。交通噪声通常是线源，且影响大量人群。
考虑到交通噪声产生的负面影响，已经制定了一些标准以提供噪声控制的指南。例如，欧盟的“环境噪声指令2002/49/EC”要求所有的成员国需要提供战略噪声地图以让公众获得有关噪声暴露的信息(指令EU2002)。该指令要求提供指示某个高度(地面以上4米)的噪声水平的2D噪声地图。噪声地图显示了在城市中的不同位置的预测或测量噪音水平，让城市设计师快速判断的主要道路的噪声污染，从而促进决策过程。
然而，因为声音是在各个方向上传播的，因此二维地图不足以显示噪音水平相对于高度变化的差异。例如，对于高层建筑来说，底层和顶层之间的噪音水平差异可能是显着的。在3D GIS模型中，噪声地图绘制以改进的形式示出了交通噪声对真实世界的影响。3D噪声地图绘制因此也有利于虚拟设计和建设(virtual design and construction,VDC)过程中单个建筑的设计过程。VDC是使用设计建设项目的综合多学科业务模型以支持显式公共业务目标。室内环境噪声控制是设计师要考虑的主要问题之一。从室外交通噪声源产生的室内环境的3D噪声地图绘制可以为VDC过程提供该项考虑的基础。此外，对于设计者来说，必须要更新设计且再次生成噪声地图从而观察是否符合特定的声学设计目标。
总之，用于室外环境和室内环境的交通噪声产生的3D噪声在城市规划和VDC中扮演重要角色。然而，3D噪声地图绘制的当前工具不能够在细节水平(level of detail,LoD)产生噪声地图。特别地，当前的噪声地图绘制工具并不具有包括输入的内部特征的高度详细的3D GIS模型。此外，在其仿真过程中并不考虑噪声吸收和传输损耗，这限制了它们仿真从外部源到内部接收者之间的噪声传播的能力。
基于GIS的噪声地图已经有近二十年历史。通常，3D噪声地图可以通过测量或者仿真软件产生。例如，Maisonneuve等人提出的旨在利用来着具有GPS功能的移动电话的声音测量绘制噪声等值线图的NoiseTube项目(Maisonneuve,N.,Stevens,M.,Niessen,M.E.&Steels,L.,2009.NoiseTube:Measuring and mapping noise pollution with mobilephones.Information Technologies in Environmental Engineering.Springer,pp.215-228.)。然而，在NoiseTube项目中，数据可靠性成为最大的问题。此外，很难难激励人们参加这个项目，这是因为需要在他们的手机上安装软件。通常，从测量产生的噪声地图需要大量的资源投入，包括人力、设备和平台设计。并且其过程是乏味的，可能是容易出错的，这就是为什么人们现在倾向于使用仿真软件生成噪声地图。下面对专用软件供应商和学术研究人员提供的一些现有的噪声地图绘制平台的局限性进行了讨论。
传统上，噪声地图绘制是在2D GIS环境中实施的。仿真平台通常需要输入如点源或线源的位置以作为声音的障碍的多边形建筑物。2D噪声地图是用于显示在不同的位置的噪声水平，或验证噪声源影响的人群。此外，Fortin等人开发了使用OrbisGIS的用于城市环境的开源交通噪声地图绘制工具。他们开发的网格系统将研究区域划分为小块从而实现并行计算(Fortin,N.,Bocher,E.,Picaut,J.,Petit,G.&Dutilleux,G.,2012.An opensourcetool to build urban noise maps in a GIS.Open Source Geospatial Research andEducation Symposium(OGRS).Yverdon-les-Bains.)。值得注意的是，Fortin等人也建筑物的外墙上的噪声反射，从而得到更精确的结果。
和Szczodrak等人建议了一种采用超级计算机集群实现噪声地图绘制的计算方法(
A.&Szczodrak,M.,2009.Software for calculation of noise maps implemented on supercomputer.TaskQuarterly,13(4),363-377)。通过使用超级计算机集群，他们开发的平台可以在一个小时内建立一个大区域的噪声地图，这是与其他需要几小时的计算过程的其他想法相比，是一个巨大的进步。Cho等人介绍了完全符合ISO 9613标准的室外声音仿真，以及增强其适应性的辅助方法，例如由于在倍频带中的起伏地形导致的声音衰减计算，在声源的近场的几何发散，以及短期风的影响(Cho,D.S.,Kim,J.H.,Choi,T.M.,Kim,B.H.&Manvell,D.,2004.Highway traffic noise prediction using method fully compliant with ISO9613:comparison with measurements.Applied Acoustics,65(9),883-892)。Diggory和Oakes描述了可预测通过受到在此偏离自由流交通条件产生的环状交叉路口控制的道路交叉口的交通流量产生的噪声水平的计算机仿真模型(Diggory,I.S.&Oakes,B.,1980.Computer simulation model for the prediction of traffic noiselevels.Applied Acoustics,13(1),19-31)。
上述的研究工作主要集中在2D环境中的噪声预测模型的开发和测试。然而，2D噪声地图的能力有限，如无法显示在不同高度的噪声差异。
三维噪声地图绘制为城市规划师和室内设计师提供了关于噪声的更全面的知识。近年来，一些专门的噪声地图软件已经研发出3D地形上的噪声地图。例如，CadnaA和SoundPlan是目前广泛使用的用于显示3D地形上的噪声地图的噪声地图绘制工具。他们还支持移动物体的建筑噪音地图。来自Autodesk的Ecotect软件可以显示城市的小区域的3D噪声传播地图。然而，这些噪声地图绘制工具是商业化的，只支持有限的数据输入格式。此外，它们不易变化。例如，他们的仿真引擎对用户来说通常是“黑盒子”，不能很容易地修改。并且它们均不能显示室外噪声对建筑物内部特征的影响，这限制了他们在单个建筑的VDC过程中的应用。
学术界在噪声地图绘制上所做的努力也有报道。例如，
和Sivertunb开发了利用北欧预测方法(Nordic Prediction Method)的噪声地图GIS工具(
F.&Sivertunb,
2010.Road traffic noise:GIS tools for noise mapping and a casestudy for
region.The International Archives of the Photogrammetry,RemoteSensing and Spatial Information Sciences,34)。他们使用
区域的数据集ArcGIS测试他们的方法。然而，该平台的输出是2D噪声地图集，而3D噪声地图是不同高度上的2D噪声地图的简单集合。kurakula等人建议了在荷兰采用标准噪声水平计算方法实现噪声地图绘制的方法(Kurakula,V.,Skidmore,A.,Kluijver,H.,Stoter,J.,Dabrowska-Zielinska,K.&Kuffer,M.,2007.A GIS-based approach for 3D noise modelling using 3D citymodels.MSc Proposal,University of Southampton,UK)。从3D GIS模型，作者开发的方法以2m*2m的间隔生成采样点，并计算每个采样点的噪声水平。然后在GIS中使用插值法来生成完整的三维噪声地图。这些方法的缺点是，他们不能够链接室外环境与室内功能。此外，它们不允许用户改变3D GIS模型变设计，这使得他们的方法难以用于VDC过程。
建筑声学分析是在建筑中获得合理的声学水平的建筑设计和评价过程。该领域中已经出现了一些室内环境的噪声地图绘制研究成果。Probst提供了一种在工作场所的预测声压水平的系统(framework)(Probst,F.,2012.Prediction of sound pressure levelsat workplaces.Acoustics 2012.Nantes,France)。Probst中,工作场所的噪声声源主要是机械噪声声源，其使用声线跟踪技术(Ray Tracing technique)确定室内的声音传播路径。
因此，现有的建筑物噪声地图绘制方法无法在同一平台上仿真室外噪声和室内噪声。并且其也不允许用户在仿真平台上更新设计，以满足特定的噪声控制目标。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种可以同时仿真室内和室外噪声从而生成详细的3D噪声地图的3D噪声地图绘制系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种3D噪声地图绘制方法，包括：
S1、以给定分辨率生成3D采样点；
S2、采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算；
S3、采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算；
S4、基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S1包括：
S11、在3D GIS模型的表面基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成所述3D GIS模型的3D采样点。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S11进一步包括：
S111、在所述3D GIS模型上生成由均匀分布的垂直和水平线构成的空间网格；
S112、使用3D线和曲面的交叉功能，将所述空间网格所述3D GIS模型之间形成的交叉点形成均匀分布的采样点。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S2包括：
S21、采用意大利C.N.R.模型进行室外噪声水平计算且进行一阶反射分析。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S21进一步包括：
S211、执行视线分析以确定直接曝露在噪声声源的点集；
S212、使用意大利C.N.R.模型计算可见点的噪声水平；
S213、使用图像源法仿真噪声传播路径以生成一阶噪声仿真；
S214、结合所述可见点的噪声水平和所述一阶噪声仿真进行所述室外噪声水平计算。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S3包括：
S31、采用意大利C.N.R.模型进行室内噪声水平计算且进行噪声传输损耗分析。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S31进一步包括：
S311、采用视线分析和3D交叉法对穿过表面的噪声进行仿真；
S312、从BIM中检索所述表面的传输损耗并进行所述室内噪声水平计算。
在本发明所述的3D噪声地图绘制方法中，所述步骤S4进一步包括：
S41、基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算并存储全部所述3D采样点的噪声水平；
S42、采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图；
S43、接收用户是否可以接受室内噪声水平的判断且基于所述室内噪声水平计算的最大噪声水平提供更新建议；
S44、基于所述更新建议更改BIM和GIS中的模型。
本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是：构造一种3D噪声地图绘制系统，包括：
数据处理模块，用于生成具有特定分辨率的3D采样点；
室外噪声水平计算模块，用于采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算；
室内噪声水平计算模块，用于采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算；
结果报告模块，用于基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图。
在本发明所述的3D噪声地图绘制系统中，
所述数据处理模块进一步用于在3D GIS模型的表面基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成所述3D GIS模型的3D采样点；
所述室外噪声水平计算模块进一步用于采用意大利C.N.R.模型进行室外噪声水平计算且采用图像源法进行一阶反射分析；
所述室内噪声水平计算模块进一步用于采用意大利C.N.R.模型进行室内噪声水平计算且基于BIM检索进行噪声传输损耗分析；
所述结果报告模块进一步用于采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图；以及基于用户建议更新BIM和GIS中的模型。
实施本发明的3D噪声地图绘制方法和系统，同时考虑了室内和室外噪声，因此可以在房间水平对噪声水平进行评价。进一步地，本发明采用了意大利C.N.R.模型，并且对噪声反射以及噪声损耗进行分析，因此提高了噪声预测的准确性。更进一步地，本发明中的模型可以更换，因此提高了系统的适应性和灵活性。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明的3D噪声地图绘制系统的第一实施例的原理框图；
图2是基于传输损耗进行所述室内噪声水平计算的流程图；
图3是本发明的3D噪声地图绘制方法的第一实施例的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
适当的数据采集是某些现有技术的瓶颈。例如，
和Sivertunb从2D足迹挤压以及激光扫描数据生成3D GIS模型。该生成的模型无法获得内部特征。此外，声学仿真中的某些参数(如传输损耗)通常是由单值估计，因此不能反映现实世界的情况。因此在本发明的优选实施例中，结合BIM与3D GIS来解决这些问题。
建筑信息建模(Building Information Modelling,BIM)是管理建筑物或设施的整个生命周期内的全部相关信息的过程和产品。包含在BIM中的信息主要由两部分组成：(1)几何信息，包括建筑构件如内墙、窗户和公共设施的详细3D表示；(2)语义信息，如维修记录、材料类型和所有者信息。通过将BIM与3D GIS结合，可以在高度细节水平生成具有几何信息(即，内部特征)和语义信息(即，在不同的表面上的不同的传输损耗)的3D GIS模型。使用该模型，可以在房间水平执行3D噪声地图绘制，其允许城市设计者更好地评估基础设施的噪声影响，以让建筑师更好地在VDC过程中集成噪声。
BIM与3D GIS的集成是通过开发数据集成引擎以允许在BIM和GIS之间的主数据模式之间的双向转换实现的。在本申请中，采用国际工业标准(Industry FoundationClasses,IFC)作为BIM的表征数据模式，而采用城市地理标记语言(City GeographyMarkup Language,CityGML)作为3D GIS的表征数据模式，因为它们是中性文件格式并且在这两个领域中得到广泛支持。自从1994年由buildingSMART研发之后，IFC模式已广泛应用在建筑、工程和建设(Architecture,Engineering and Construction,AEC)领域中的信息交换。IFC是公认的BIM最重要的数据模式且得到大多数BIM软件支持。CityGML是开放地理空间联盟(Open Geospatial Consortium,OGC)官方标准，且得到许多GIS平台，如ArcGIS的支持。
IFC和CityGML的双向转换允许BIM和GIS之间的信息交换，从而实现两领域集成。开发出的BIM-GIS集成引擎主要由四个部分组成：(1)IFC和CityGML解析器，其从IFC文件和CityGML文件提取信息以用于数据转换；(2)数据转换模块，它是集成引擎中最关键的部分，能够将IFC的扫描立体表示和建设立体表示几何转换成CityGML的界面表示；(3)IFC和CityGML生成器，其用于从所述转换模块接收数据并且生成对应的IFCC或CityGML文件；和(4)的更新模块，用于更新BIM中的现有模型并且在3D GIS中反应其改变，以用于进一步的分析。对于BIM-GIS集成引擎的详细介绍可以参见我们的在先研究结果(Cheng,J.C.P.&Deng,Y.,2012.Mapping BIM models and 3D GIS models using instance-based andlinguistic schema matching methods.12th International Conference onConstruction Applications of Virtual Reality.Taipei；Cheng,J.C.P.,Deng,Y.&Du,Q.,2013.Mapping between BIM models and 3D GIS city models of different levelsof detail.13th International Conference on Construction Applications ofVirtual Reality.London,UK)。该BIM-GIS集成引擎允许AEC行业的设计者在3D GIS环境中放置BIM模型以进行噪声仿真。
该BIM-GIS集成引擎允许在GIS之后实现模型更新，从而在考虑噪声效应的VDC过程之后引入更多的灵活性。模型更新系统设计用于充分利用BIM和GIS的优点。BIM软件，如Autodesk Revit一方面于3D模型的强大编辑功能，且与语义information.GIS软件有很强的关联；另一方面设计成显示地理环境中的目标且允许处理海量数据。当发起更新过程时，GIS软件发送更改请求，调用相应的BIM模型。如果没有这样的BIM模型存在，将3D GIS环境中的CityGML模型发送到BIM-GIS集成引擎之后以转换成IFC文件。当BIM软件接收IFC文件时，其可以打开BIM模型并进行更改。修订后的BIM模型导出到BIM-GIS集成引擎且更新CityGML文件，在GIS软件中示出修改的内容。
在采用的系统中，模型更新功能是以ArcGIS和Autodesk Revit(Autodesk 2014b)开发的。转换引擎是一个独立的Java文件，可以从外部命令调用。当IFC或CityGML文件发送到转换该引擎，该转换引擎将文件转换到另一数据格式，且调用相应的软件打开转换后的文件。
计算3D GIS模型的不同位置的噪声水平高度依赖于适当的噪声预测模型。噪声预测模型的研发已经超过50年，且还在不断变化。这些模型考虑了民用基础设施上的轻型和重型车辆的交通流量、车辆的平均速度、以及接收点与道路之间的距离。道路工程师，声学工程师和城市规划师已经利用交通噪声预测模型很长时间了。一些模型已被确认为噪声评价的法律标准。
例如，街道噪声防护指南是德国的道路噪声评价标准。美国交通联邦公路管理局(Transportation Federal Highway Administration,FHWA)采用FHWA道路交通噪声预测模型。这些模型基于道路参数(如车流量和速度)评估噪声水平。对于噪声预测模型的综述可以参见已公开的文献(Steele,C.,2001.A critical review of some traffic noiseprediction models.Applied Acoustics,62(3),271-287)。
在先的研究工作已经应用了交通噪声预测模型。例如，
和Sivertunb利用了北欧预测方法，Szczodrak和
采用了欧盟成员国推荐的Harmonoise模型。这些交通噪声预测模型往往会产生等价连续噪声水平Leq，其表示一段设定时间内的噪声水平的表征值。某些模型将考虑频率方差，因为人耳对高频比低频更加敏感。可使用考虑声音中频率分布的A权重分级来调整等价噪声水平(Pierre Jr,R.L.S.,Maguire,D.J.&Automotive,C.S.,2004.The impact of a-weighting sound pressure levelmeasurements during the evaluation of noise exposure.Conference NOISE-CON.Baltimore,Maryland,USA,12-14)。在A权重分级中，声音频率翻倍相当于噪声水平增加10dB。例如4000Hz的噪声水平的权重比4000Hz的噪声水平的权重高10dB。调整后的等价连续噪声水平Leq称为LAeq。
在本申请的一个实施例中，可以采用德国RSL 90模型和法国NMPB模型作为本申请的交通噪声预测模型。在本申请的一个优选实施例中，基于以下理由，采用意大利国家研究会开发的意大利C.N.R.模型(Cannelli,G.,Glück,K.&Santoboni,S.,1983.Amathematical model for evaluation and prediction of the mean energy level oftraffic noise in Italian towns.Acta Acustica united with Acustica,53(1),31-36)。首先，意大利C.N.R.模型测量交通的平均能量水平。Cannelli的报道指出对于220个采样点，预测噪声水平和测量噪声水平之间的关联性是显著的(r＝0.96)。其次，意大利C.N.R.模型与其他交通噪声预测模型相比结果更加保守(即在相同的参数上具有更高的噪音级)。其满足城市规划与VDC过程的噪声评价目的。第三，意大利C.N.R.模型还考虑了道路几何结构以及路面材料。在给定的交通条件下，以dB为单位的噪声水平计算如下：
其中QL和QP分别是每小时轻型和重型车辆的交通流量；
d0是参考距离，其设置成25米；
α涉及单个车辆，而β是重型车辆的权重，建议设置成α＝35.1dBβ＝6。
ΔLV是道路交通的平均流速的修正值，可以选用表格1中定义的数值；
ΔLF和ΔLB是靠近观察点或者在相反方向上的反射表面的修正值，在各种情况下，分别设置ΔLF＝+2.5dBA，ΔLB＝+1.5dBA。
ΔLS是路面的修正值，对于水泥路，ΔLS＝+1.5dBA。
ΔLG是道路坡度大于5％的修正值，对于每个大于5％的坡度，修正值为+0.6dBA；
ΔLVB是考虑出现交通灯或者慢行交通时的系数，分别为+1.0dBA和-1.5dBA。
意大利C.N.R.模型还为直接曝露在噪声声源的位置提供了噪声水平值。在3D GIS环境中，等式(1)中的参数d可以很容易地计算出来。然而，也应该进行反射分析，以提高噪声预测的准确性。
表格1：平均流速的修正值
当声音撞击表面时，它的部分入射能量(E)和声音强度水平(LAeq)会被表面反射或被表面所吸收。给定反射表面的吸收系数(λ)和散射系数(θ)，反射能量(ER)的计算如下：
ER＝E(1-λ)(1-θ) (2)
吸收系数(λ)和散射系数(θ)的值与反射表面的材料相关。例如，对于砖壁，λ＝0.03且θ＝0.1。由于声音强度水平LI与参考强度ref.SoundIntensity成分贝标度关系，并且定义如下：
其中国际通用的参考声音强度定义为ref.SoundIntensity＝10-12W/m2。
在检测情况下，SoundIntensity＝ER，因此在分贝标度之后碰撞点Rs的声音强度形式的声音损耗如下：
将Rs作为新的点源，则Rs的声音强度如下：
在与点源Rs的距离为r的接收点，声音强度水平dBA给出如下：
在此，rray是反射声线的总传输距离。如果接收点已经具有声音强度水平，那么组合声音强度水平可以计算如下
当声音能量撞击表面时，除了反射，一些能量也会传送到表面的另一边。表面的另一面也会有降低的声音强度水平。声音传输中的损耗称为传输损失(TL)。传输损耗的存在是制造噪声绝缘材料的基础。材料的特性对传输损耗有重要影响。
已经进行了一些研究，以确定不同的材料的传输损耗。传输损耗值与传输声音的倍频带中心频率相关。表2示出了，传输损耗值在不同的频率上有很大的变化。由于意大利C.N.R.模型是更多考虑高频噪声的A-权重模型，因此，在本申请中考虑了4000Hz频率的传输损耗值。
表格2 不同建筑材料的传输损耗值
采用S表示室外噪声声源，R’表示室内噪声声源，dsr表示室S和R’之间的距离，在R’处的声音强度为
在此，TLs是反射表面的传输损耗。如果声线传输通过多个表面，传输损耗值将累积并且在接收点确定声音强度水平。
本申请建议的3D噪声地图绘制系统在使用ArcObjects的ArcGIS和使用Revit API的Autodesk Revit中实现。所述3D噪声地图绘制系统采用来自BIM-GIS集成的高度详尽的3D GIS模型作为输入，且为特定的噪声声源(线源)生成室外环境和室内环境噪声地图。生成的噪声地图还可以用于城市规划和VDC过程之后单个建筑的决策。为了实现其功能，3D噪声地图绘制系统包括以下四个模块：
(1)数据处理模块，用于生成具有特定分辨率(例如1m*1m)的3D采样点。在本发明的一个优选实施例中，所述3D噪声地图绘制系统可以采用3D GIS模型。在该实施例中，所述数据处理模块可以用于在3D GIS模型的表面基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成所述3DGIS模型的3D采样点。
(2)室外噪声水平计算模块，采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算。在本发明的一个优选实施例中，所述室外噪声水平计算模块进一步用于采用意大利C.N.R.模型进行室外噪声水平计算且采用图像源法进行一阶反射分析。
(3)室内噪声水平计算模块，采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算。在本发明的一个优选实施例中，所述室内噪声水平计算模块进一步用于采用意大利C.N.R.模型进行室内噪声水平计算且基于BIM检索进行噪声传输损耗分析。
(4)结果报告模块，基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图。在本发明的一个优选实施例中，所述结果报告模块可以用于采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图；以及基于用户建议更新BIM和GIS中的模型。
该3D噪声地图绘制系统的原理框图如图1所示。在本发明的一个优选实施例中，上述四个模块采用来自BIM和GIS模型的信息为室外和室内环境生成详细的噪声地图。
下面对各个模块的功能分别说明如下：
1、数据处理模块
噪声地图生成的第一步是在3D GIS模型的表面上以给定分辨率生成采样点。这些采样点就像虚拟的麦克风一样示出在3D GIS模型上不同位置的噪声分布。值得注意的是，一些语义信息也应该用于生成的采样点，例如可以在反射分析中使用的原始表面的ID。在本申请中的3D噪声地图绘制系统中，由于输入是在地理上具有高LoD的3D GIS模型，因此我们需要仔细地选择用于为外部特征和内部特征生成采样点的方法。
在本申请中，基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成采样点。在所述数据处理模块启动之后，在所述3D GIS模型上生成由均匀分布的垂直和水平线构成的空间网格。该空间网格均匀地分布在空间中。使用3D线和曲面的交叉功能，将所述空间网格和所述3D GIS模型之间形成的交叉点形成均匀分布的采样点。很显然，采样点的分辨率是由空间网格的分辨率决定的。该方法可以用于3D GIS模型的外部特征和内部特征的采样点的生成。交叉过程也可记录作为采样点的原始表面的表面。
2.室外噪声水平计算模块
在本申请中，室外噪声水平计算模块可以采用交通噪声预测模型进行室外噪声水平计算。该交通噪声预测模型可以是德国RSL 90模型、法国NMPB模型或者意大利C.N.R.模型。
下面以意大利C.N.R.模型为例进行详细说明。室外噪声水平计算需要考虑：(i)直接曝露在噪声声源的点的噪声水平的声音传播仿真；(ii)噪声的表面反射的第一阶仿真。等式(1)-(8)可以用于确定第一阶仿真的噪声水平。
对于意大利C.N.R.模型给定噪声声源及其参数，所述室外噪声水平计算模块首先将执行视线分析以确定直接曝露在噪声声源的点集。所述室外噪声水平计算模块将给出相对噪声声源可见以及不可见的结果。接着使用意大利C.N.R.模型计算可见点的噪声水平。
交通噪声源通常是线源，因此，我们考虑相同的参数(即，每小时轻型和重型车辆的交通流量、路面和平均流量速度等)。不同的路段可能有不同的参数。在考虑噪声水平计算的线源时，应为这些作为采样点源的线源生成采样点。将每个路段的中心线选为线源的形状。均匀分布的采样点从中心线产生的。
值得注意的是，视线分析也决定了用于一阶仿真的潜在反射表面。在计算机上仿真噪声传播路径的一个有效方法是使用图像源法，其通过考虑镜像源相对于反射面的位置生成的虚拟源计算出传播路径(Allen,J.B.&Berkley,D.A.,1979.Image method forefficiently simulating small‐room acoustics.The Journal of the AcousticalSociety of America,65(4),943-950)。所述图像源法可以快速确定考虑反射的从源到目标接收者之间的传播路径。在3D GIS模型中使用图像源法遵循相同的逻辑。考虑位于位置(XS,YS,ZS)的源点PS以及反射表面M,按照如下等式进行定义：
(PM-PM0)·N＝0 (9)
在此PM＝(XM,YM,ZM)表示M上的任意点，PM0＝(XM0,YM0,ZM0)表示M上的已知点，N是M的标准值。P的像源P’可以按照如下等式计算
P'＝P+2(PM0-P)·N (10)
反射表面M的吸收系数(λ)和散射系数(θ)可以从BIM模型从检索以计算等式(4)中示出的噪声水平下降(ΔLAeq)。特别地，建筑模型外的点是相对于反射表面的像源。接着可以生成反射声线，其可以用于使用等式(2)-(7)的一阶噪声仿真。表格3中示出了噪声计算中不同参数的取值。
表格3 噪声计算参数取值
3.室内噪声水平计算模块
室内噪声水平计算遵循和室外噪声水平计算类似的过程。由于传输损耗被认为是内点，对于室内环境中的每个点，均保持发射表面的附加记录。当声线从噪声声源传送到内部采样点，其将穿过表面，这些表面的传输损耗将从BIM模型中检索并且在接收噪声水平计算中使用。
利用视线分析和3D交叉法对穿过表面的噪声进行仿真。对于来自噪声声源的每个声线，将确定所述声线和3D GIS模型之间的交叉以确定发射表面。发射表面的传输损耗值可从BIM检索到且用于接收点的噪声水平计算。由于室内环境的复杂性，在内部表面上的声音反射在本申请中将不予考虑。在图2中示出了其算法。值得注意的是，在本申请中，通过从BIM集成数据，在噪声水平计算中还可以考虑墙壁和窗户的不同损耗值，表格4中示出了不同材料在BIM中的传输损耗值。
表格4 BIM模型中不同材料的传输损耗值
4.结果报告模块
采用以上模块，可以计算全部的采样点的噪声水平并向其存储在文件数据库中。ArcGIS可以显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图。3D噪声地图显示在3D环境中，相对于噪声源的噪声分布。在宏观上，城市规划者可以使用该3D噪声地图来观察在现有的基础设施或计划的基础设施上的噪声影响。如果在3D噪声地图上观察到某些区域的噪声水平超标，可以指定并执行某些措施，例如放置隔音板或者控制某些道路的交通流。
在微观尺度上，在靠近交通源的单个建筑物的虚拟设计过程中，设计师可以了解室内噪声水平是否符合设计要求。例如，世界卫生组织推荐的(WHO)房间的噪声水平不应超过35分贝，以保证清晰的交谈。
在本申请中，可以提供了图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)，以允许用户判断是否是可以接受的室内噪声水平，并提供更新的建议。该更新建议是基于室内环境中的最大噪声水平的计算过程。该GUI可以建议修改界面材料或者交通控制。接着设计者可以使用所述结果报告和模型更新模块更新BIM和GIS中的模型。
下面对本申请的3D噪声地图绘制系统的性能和优点讨论如下。
3D噪声地图的生成对计算能力的要求很高。例如，即使是简单的场景，也包括超过300000个采样点和超过一百万条声线的传输分析。该模型的总计算时间约为8分钟。为了在噪声地图绘制分辨率和计算时间之间取得折衷，需要为输入模型选择合适的细节水平(LoD)。LoD的选择涉及三个方面：(1)输入3D模型的LoD，(2)采样点的分辨率和(3)在噪声仿真中的反射阶数。
输入3D模型的LoD是指包含在3D模型，尤其是输入模型的几何结构细节。一个常用的LoD的定义是来自CityGML模式(
G.,Kolbe,T.H.,Czerwinski,A.&Nagel,C.,2008.OpenGIS city geography markup language(CityGML)encoding standard:OpenGeospatial Consortium Inc)。在CityGML中，为3D建筑定义了四个LoD.LoD1模型是具有平屋顶的块体模型(block model)。LoD2模型在建筑块上增加了屋顶结构。LoD3模型具有详细的墙壁和屋顶结构，并且其上伴随开口(即门窗)。LoD4模型在LoD3模型的基础上增加建筑内部特征，例如内壁和房间。在3D噪声地图上，在高阶LOD模型需要更多的处理时间，但有时用户可能无需在如此高阶的LOD模型中的信息。
例如为了评价很大的城区中的室外噪声分布，更适合采用LoD2模型作为输入。如果输入LoD4模型，处理时间将显著增加，而对于应用目的来说，其带来的好处却很少。对于不同LoD模型中表示的相同建筑，生成的采样点的数量区别非常明显。对于单个源，采样点生成时间和噪声水平计算时间显著不同。用户应根据具体应用需求仔细选择模型输入。
采样点的分辨率对计算时间也有重要的影响。事实上，在一个极端的例子中，计算时间是到采样分辨率的平方。为了尽可能准确地绘制噪声地图，建议采用较高的分辨率。然而，用户必须在分辨率选择和计算时间之间做出权衡。例如，可以分别使用0.2m和1m的分辨率。很显然，处理时间与采样分辨率的平方成反比。然而，较低分辨率中的模式可能不会反映建筑中全部位置的全部噪声水平评价。
在本申请中，还考虑了噪声在表面上的一阶反射，这在很多相关工作中并没有报告(
F.&Sivertunb,
2010.Road traffic noise:GIS tools for noisemapping and a case study for
region.The International Archives of thePhotogrammetry,Remote Sensing and Spatial Information Sciences,34；Fortin,N.,Bocher,E.,Picaut,J.,Petit,G.&Dutilleux,G.,2012.An opensource tool to buildurban noise maps in a GIS.Open Source Geospatial Research and EducationSymposium(OGRS).Yverdon-les-Bains)。考虑到计算时间问题，在本申请中仅考虑了一次时间反射。例如，一个反射分析识别了用于一次时间反射的39个反射表面。使用图像源法估计产生39个新的噪声源，因此反射声线数量认为是一阶声线的39倍。如果考虑更多的反射，将生成另一39*39个点源，而计算时间将成倍增加。
对于高阶反射，噪声声线的行进距离将非常地大，导致接收到的噪声水平相对较小。根据等式(6)和(7)，增加的噪声的小值可以被忽略。例如，假设声线的二阶反射在接收点生成70dBA的噪声水平，而一阶声线将产生90dBA的噪声水平。一阶和二阶噪声水平的组合将是90.04dBA，这与一阶噪声仿真相比，增加量非常小。因此，在本申请中，将反射次数限制为一次。
在本申请中，其目的是提供一种使用BIM-GIS集成引擎构建详细的3D噪声地图的通用系统。在本申请中，所述3D噪声地图绘制系统的四个功能模块可以通用于3DGIS环境中的噪声地图绘制。
在本申请的3D噪声地图绘制系统中，选择意大利C.N.R.模型进行噪声水平计算。为了改进该意大利C.N.R.模型的精确度，可以输入一些本地环境数据。等式(1)中的参数α和β对本地环境敏感，因此可以使用仿真环境的测量数据找出其最优解。此外，可以采用可靠的交通模型来估计轻型和重型车辆的交通流量(Fortin,N.,Bocher,E.,Picaut,J.,Petit,G.&Dutilleux,G.,2012.An opensource tool to build urban noise maps in aGIS.Open Source Geospatial Research and Education Symposium(OGRS).Yverdon-les-Bains)。
在本申请中，反射分析是基于对在城市的不同位置的噪声水平的A-权总平均值，但是，我们不考虑声音的传播时间或者声音的衍射。我们假设平均噪声能量在同一时间到达表面。
虽然噪声预测模型的选择对于噪声仿真平台的准确性是至关重要的，但是平台的来源开放性质允许用户修改室内和室外噪声水平计算模块中的预测模型。其他的噪声预测模型的选择包括德国RSL 90模型和法国NMPB模型，其也可以精确的用于噪声水平计算。用户可以选择的更加适合仿真场景的噪声预测模型使得噪声仿真平台具有灵活性。
实施本发明的3D噪声地图绘制系统，同时考虑了室内和室外噪声，因此可以在房间水平对噪声水平进行评价。进一步地，本发明采用了意大利C.N.R.模型，并且对噪声反射以及噪声损耗进行分析，因此提高了噪声预测的准确性。更进一步地，本发明中的模型可以更换，因此提高了系统的适应性和灵活性。
如图3所示，本发明还涉及一种3D噪声地图绘制方法。所述3D噪声地图绘制方法包括以下步骤。在步骤S1中，以给定分辨率生成3D采样点。在本发明的一个优选实施例中，可以采用3D GIS模型，在3D GIS模型的表面基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成所述3D GIS模型的3D采样点。在本申请的优选实施例中，可以先在所述3D GIS模型上生成由均匀分布的垂直和水平线构成的空间网格。该空间网格均匀地分布在空间中。然后使用3D线和曲面的交叉功能，将所述空间网格和所述3D GIS模型之间形成的交叉点形成均匀分布的采样点。很显然，采样点的分辨率是由空间网格的分辨率决定的。本领域技术人员知悉，上述步骤的具体执行方式可以参照上文中数据处理模块的功能进行操作，在此就不再累述。
在步骤S2中，采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算。在本发明的一个优选实施例中，可以采用意大利C.N.R.模型进行室外噪声水平计算且进行一阶反射分析。在本申请的其他优选实施例中，也可以采用德国RSL 90模型、法国NMPB模型。
在本申请的优选实施例中，对于意大利C.N.R.模型给定噪声声源及其参数，首先可以执行视线分析以确定直接曝露在噪声声源的点集。接着使用意大利C.N.R.模型计算可见点的噪声水平。随后，使用图像源法仿真噪声传播路径以生成一阶噪声仿真，并结合所述可见点的噪声水平和所述一阶噪声仿真进行所述室外噪声水平计算。本领域技术人员知悉，上述步骤的具体执行方式可以参照上文中室外噪声水平计算模块的功能进行操作，在此就不再累述。
在步骤S3中，采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算。在本发明的一个优选实施例中，同样可以采用意大利C.N.R.模型进行室内噪声水平计算且进行噪声传输损耗分析。首先，可以采用视线分析和3D交叉法对穿过表面的噪声进行仿真；然后从BIM中检索所述表面的传输损耗并进行所述室内噪声水平计算。在本申请中，通过从BIM集成数据，在噪声水平计算中还可以考虑墙壁和窗户的不同损耗值。不同的传输损耗值可以参照表格4中的BIM模型中的不同材料的传输损耗值计算。本领域技术人员知悉，上述步骤的具体执行方式可以参照上文中室内噪声水平计算模块的功能进行操作，在此就不再累述。
在所述步骤S4中，基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图。在本发明的一个优选实施例中，首先基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算并存储全部所述3D采样点的噪声水平。然后可以采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图。在本发明进一步的优选实施例中，可以提供图形用户界面(Graphical User Interface，GUI)，以允许用户判断是否是可以接受的室内噪声水平，并提供更新的建议。该更新建议是基于室内环境中的最大噪声水平的计算过程。该GUI可以建议修改界面材料或者交通控制。接着设计者可以使用所述结果报告和模型更新模块更新BIM和GIS中的模型。本领域技术人员知悉，上述步骤的具体执行方式可以参照上文中结果报告模块的功能进行操作，在此就不再累述。
实施本发明的3D噪声地图绘制方法，同时考虑了室内和室外噪声，因此可以在房间水平对噪声水平进行评价。进一步地，本发明采用了意大利C.N.R.模型，并且对噪声反射以及噪声损耗进行分析，因此提高了噪声预测的准确性。更进一步地，本发明中的模型可以更换，因此提高了系统的适应性和灵活性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种3D噪声地图绘制方法，其特征在于，包括：
S1、以给定分辨率生成3D采样点；
S2、采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算；
S3、采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算；
S4、基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图；
所述步骤S1包括：S11、在3D GIS模型的表面基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成所述3DGIS模型的3D采样点；
所述步骤S2包括：S21、采用意大利C.N.R.模型进行室外噪声水平计算且进行一阶反射分析；
所述步骤S3包括：S31、采用意大利C.N.R.模型进行室内噪声水平计算且进行噪声传输损耗分析；
所述步骤S11进一步包括：
S111、在所述3D GIS模型上生成由均匀分布的垂直和水平线构成的空间网格；
S112、使用3D线和曲面的交叉功能，将所述空间网格所述3D GIS模型之间形成的交叉点形成均匀分布的采样点；
所述步骤S21进一步包括：
S211、执行视线分析以确定直接曝露在噪声声源的点集；
S212、使用意大利C.N.R.模型计算可见点的噪声水平；
S213、使用图像源法仿真噪声传播路径以生成一阶噪声仿真；
S214、结合所述可见点的噪声水平和所述一阶噪声仿真进行所述室外噪声水平计算；
所述步骤S31进一步包括：
S311、采用视线分析和3D交叉法对穿过表面的噪声进行仿真；
S312、从BIM中检索所述表面的传输损耗并进行所述室内噪声水平计算；
所述步骤S4进一步包括：
S41、基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算并存储全部所述3D采样点的噪声水平；
S42、采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图；
S43、接收用户是否可以接受室内噪声水平的判断且基于所述室内噪声水平计算的最大噪声水平提供更新建议；
S44、基于所述更新建议更改BIM和GIS中的模型。
2.一种3D噪声地图绘制系统，其特征在于，包括：
数据处理模块，用于生成具有特定分辨率的3D采样点；
室外噪声水平计算模块，用于采用交通噪声预测模型进行室外3D采样点的室外噪声水平计算；
室内噪声水平计算模块，用于采用交通噪声预测模型进行室内3D采样点的室内噪声水平计算；
结果报告模块，用于基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算生成显示全部所述3D采样点的噪声水平的3D噪声地图；
所述数据处理模块进一步用于在3D GIS模型的表面基于ArcGIS的3D线和曲面交叉生成所述3D GIS模型的3D采样点；
所述室外噪声水平计算模块进一步用于采用意大利C.N.R.模型进行室外噪声水平计算且采用图像源法进行一阶反射分析；
所述室内噪声水平计算模块进一步用于采用意大利C.N.R.模型进行室内噪声水平计算且基于BIM检索进行噪声传输损耗分析；
所述结果报告模块进一步用于采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图；以及基于用户建议更新BIM和GIS中的模型；
其中所述数据处理模块进一步用于在所述3D GIS模型上生成由均匀分布的垂直和水平线构成的空间网格；使用3D线和曲面的交叉功能，将所述空间网格所述3D GIS模型之间形成的交叉点形成均匀分布的采样点；
所述室外噪声水平计算模块进一步用于执行视线分析以确定直接曝露在噪声声源的点集；使用意大利C.N.R.模型计算可见点的噪声水平；使用图像源法仿真噪声传播路径以生成一阶噪声仿真；结合所述可见点的噪声水平和所述一阶噪声仿真进行所述室外噪声水平计算；
所述室内噪声水平计算模块进一步采用视线分析和3D交叉法对穿过表面的噪声进行仿真；从BIM中检索所述表面的传输损耗并进行所述室内噪声水平计算；
所述结果报告模块进一步用于基于所述室外噪声水平计算和所述室内噪声水平计算并存储全部所述3D采样点的噪声水平；采用ArcGIS生成并显示以不同颜色代表不同的噪声水平的3D噪声地图；接收用户是否可以接受室内噪声水平的判断且基于所述室内噪声水平计算的最大噪声水平提供更新建议；基于所述更新建议更改BIM和GIS中的模型。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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