CN110175345B - 一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，通过设置监测点，将道路划分成一系列污染线源；构建道路周边建筑物三维模型集合，记录三维模型集合中的所有三角形面片获取三角形面片集合；将线源集合中各线源点与监测点连成直线，判断各直线和建筑物三角形面片集合是否存在交点，分别记录为遮挡状态和不遮挡状态；针对两种状态，通过优化的CALINE4模型分别计算各线源点对监测点的污染值；将集合中的点与监测点之间的所有扩散污染值进行加和，得到整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度。优点是：在三维场景下将建筑物对机动车尾气扩散的遮挡作用引入到扩散模拟当中，使模拟的尾气污染传输规律更贴近真实扩散情况，获得更合理的污染模拟值。

Description

一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法
技术领域
本发明涉及地理信息技术领域，尤其涉及一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法。
背景技术
机动车尾气排放是城市空气污染的主要因素之一，探求机动车尾气扩散规律并寻求控制策略以最小化其对环境的影响一直是国内外研究的热点和难点。机动车尾气的扩散是一种持续性的相对低矮空间持续线源扩散，目前，高斯模型是最为常用的扩散模拟模型，很多模型由其发展而来，用于模拟平直公路和低矮街道上汽车尾气扩散过程，如GM(General Motors，GM)模型、HIWAY(Highway，HIWAY)模型、CALINE(California LineSource Dispersion Mode)模型等。其中，CALINE模型的由于参数标定的便捷性、良好的精度及可对不同区域进行自适应调整的特性而被广泛使用，至今已经发展至第四代模型CALINE4模型.
CALINE4是基于高斯扩散方程和混合区域概念并综合考虑污染物沉积与沉降速率的一种线源污染扩散模型，可预测公路两侧150m范围内多至20个受点上的污染物浓度水平。采用CALINE4模型计算道路两侧污染物浓度时，均假设监测点与道路之间为开阔地带，机动车尾气可在不受阻碍的条件下直接扩散至监测点，然而，在真实的三维场景中，由于监测点与道路之间通常存在遮挡，如建筑物、树木等，此时应用该模型进行扩散模拟时，由于没有考虑建筑物遮挡对机动车尾气的扩散的阻碍作用，通常会导致监测点污染模拟浓度过大，与实际情况产生较大误差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，包括如下步骤，
S1、设置监测点，并依据监测点将道路划分成一系列污染线源，得到线源集合Ls，所述线源集合由若干线源点Lsi组成；
S2、构建道路周边相关的建筑物三维模型集合；
S4、记录构成建筑物三维模型集合中的所有三角形面片，构建三角形面片集合；
S5、将线源集合Ls中各线源点Lsi分别与监测点连接成直线，并分别判断各直线和建筑物三角形面片集合是否存在交点，若存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点不可视，记录为遮挡状态；若不存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点可视，记录为不遮挡状态；
S6、针对上述两种状态，通过优化的CALINE4模型分别计算各线源点对监测点的污染值；
S7、将集合Ls中的点与监测点之间的所有扩散污染值进行加和，得到整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度。
优选的，步骤S1中，所述线源集合表示如下，
Figure GDA0002118346290000022
其中，t为道路单元编号，n为根据多车道情况精分的段数，n+1为整条线源包含的点数。
优选的，步骤S6中通过优化的CALINE4模型计算得到的任一污染线源点对监测点的污染值Ct如下，
Figure GDA0002118346290000021
其中，α为三维遮挡系数；Qt为线源的源强，单位mg/(m·s)；u为近地面风速，单位m/s；σy为水平扩散参数；σz为垂直方向扩散参数；z为待测点距地面的高度，单位为m；y1、y2为有限线源两端点的纵坐标，且y2>y1。
优选的，对于根据监测点划分出的一系列线源，若线源与监测点之间无遮挡，则认为该线源产生的机动车尾气正常扩散至监测点，该线源为有效线源，α＝1；若线源与监测点之间有遮挡，则认为该线源产生的机动车尾气对监测点无影响，该线源为无效线源，α＝0。
优选的，整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度C如下，
C＝∑Ct。
本发明的有益效果是：1、在三维场景下将建筑物对机动车尾气扩散的遮挡作用引入到机动车尾气的扩散模拟当中，获得更加合理的污染模拟值。2、在真实三维场景下机动车尾气扩散模拟的同时，又顾及了遮挡物对机动车尾气扩散的影响。3、与传统的CALINE4模型相比，更加贴近真实的场景，获取的尾气污染传输规律更加贴近真实的扩散情况。
附图说明
图1是本发明模拟方法的流程图；
图2是实施例二中传统的CALINE4模型示意图；
图3是实施例二中监测点位于物体遮挡范围外的示意图；
图4是实施例二中监测点位于物体遮挡范围内的示意图；
图5是实施例二中优化的CALINE 4模型的示意图；
图6是实施例三中实验区范围的示意图；
图7是实施例三中机动车尾气扩散线源的示意图；
图8是实施例三中传统CALINE4模型下机动车尾气扩散模拟效果的示意图；
图9是实施例三中本发明模拟方法下机动车尾气扩散模拟效果的示意图。
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，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方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本发明提供了一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，所述方法包括如下步骤：
S1、设置监测点，并依据监测点将道路划分成一系列污染线源，得到线源集合Ls，所述线源集合由若干线源点Lsi组成；
S2、构建道路周边相关的建筑物三维模型集合；
S4、记录构成建筑物三维模型集合中的所有三角形面片，构建三角形面片集合；
S5、将线源集合Ls中各线源点Lsi分别与监测点连接成直线，并分别判断各直线和建筑物三角形面片集合是否存在交点，若存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点不可视，记录为遮挡状态；若不存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点可视，记录为不遮挡状态；
S6、针对上述两种状态，通过优化的CALINE4模型分别计算各线源点对监测点的污染值；
S7、将集合Ls中的点与监测点之间的所有扩散污染值进行加和，得到整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度。
本实施例中，所述线源集合表示如下，
Figure GDA0002118346290000043
其中，t为道路单元编号，n为根据多车道情况精分的段数，n+1为整条线源包含的点数。
本实施例中，步骤S6中通过优化的CALINE4模型计算得到的任一污染线源点对监测点的污染值Ct如下，
Figure GDA0002118346290000041
其中，α为三维遮挡系数；Qt为线源的源强，单位mg/(m·s)；u为近地面风速，单位m/s；σy为水平扩散参数；σz为垂直方向扩散参数；z为待测点距地面的高度，单位为m；y1、y2为有限线源两端点的纵坐标，且y2>y1。
本实施例中，对于根据监测点划分出的一系列线源，若线源与监测点之间无遮挡，则认为该线源产生的机动车尾气正常扩散至监测点，该线源为有效线源，α＝1；若线源与监测点之间有遮挡，则认为该线源产生的机动车尾气对监测点无影响，该线源为无效线源，α＝0。
本实施例中，线源的源强Qt如下，
Figure GDA0002118346290000042
其中，V为该条道路上的总车流量(辆/h)，Fi为同一类型的机动车流量占总车流量的百分比，Ei为该类机动车的综合排放因子(g/(辆*km))，d为车辆类型数。《公路建设项目环境影响评价规范》(JTG B03-2006)中给出了三种类型的机动车在不同速度条件下污染物的排放情况，如表1所示：
表1
Figure GDA0002118346290000051
本实施例中，根据国标《GB/T13201-91》，扩散参数σy、σz可用下式计算：
Figure GDA0002118346290000052
其中，α1、α2、γ1、γ2值参考见表2。
表2
Figure GDA0002118346290000053
Figure GDA0002118346290000061
本实施例中，表2中的稳定度等级确定：首先根据云量和太阳高度角确定太阳辐射等级(见表3)，再根据近地面风速和太阳辐射等级确定大气稳定度等级(见表4)。
表3
Figure GDA0002118346290000062
表4
Figure GDA0002118346290000063
Figure GDA0002118346290000071
本实施例中，整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度C如下，
C＝∑Ct
本实施例中，通过采用上述方法，在三维场景下将建筑物对机动车尾气扩散的遮挡作用引入到机动车尾气的扩散模拟当中，获得更加合理的污染模拟值；在真实三维场景下机动车尾气扩散模拟的同时，又顾及了遮挡物对机动车尾气扩散的影响，获取更加贴近真实情况的道路污染源在监测点处产生的污染浓度。
实施例二
如图2至图5所示，污染物的扩散模拟是将机动车看做一个污染排放源，其在道路移动过程中尾气的持续排放为沿道路的流动线源扩散。具体计算污染物浓度时，传统CALINE4模型的方法为：将道路划分若干单元，依据这些单元形成一系列线源，分别计算各线源排放的污染物对监测点的浓度贡献，然后再求和计算，得到整条道路流动线源在监测点产生的污染浓度。传统CALINE4模型的方法实施如下，如图2所示：第一个线源所在的道路单元位于公路中轴线，以及与监测点O至公路垂直延伸线的交点处，道路单元的长度与道路自身宽度相等，即第一个道路单元为正方形，如图2中C，其他道路单元的长度可由下式计算：
Figure GDA0002118346290000072
其中，Lc为道路单元的长度；W为道路宽度；x为道路单元编号；Lf为道路单元长度增长因子，Lf可由下式计算：
Figure GDA0002118346290000073
其中，θ为道路与风向的夹角。
随着道路单元离监测点距离逐渐增加，该单元中尾气的排放对监测点的影响则减小。计算监测点的污染浓度时，以监测点O为原点，风向为x轴正方向，与风向垂直方向为y轴正方向，将线源可以看作通过对应道路单元中心、方向与风向垂直(y轴方向)、长度为该道路单元在y轴上的投影的有限线源，如图2中y1y2所示，则该线源对监测点污染的贡献可由下式计算得到。
Figure GDA0002118346290000081
其中，Qt为该线源的源强，mg/(m·s)；u为近地面风速，m/s；σy为水平扩散参数；σz为垂直方向扩散参数；z为待测点距地面的共度，单位为m；y1、y2为有限线源两端点的纵坐标(y2>y1)。
整条道路污染线源在监测点产生的污染浓度可由式下式计算：
C＝∑Ct
式中，C为空间点(x,y,z)的污染物浓度，mg/m3；t为线源所对应道路单元的编号。
本实施例中，传统的CALINE4模型假设的条件是开阔、通畅的道路及周边场地。但在真实的三维场景中，监测点与道路之间通常存在遮挡物体，如建筑物、树木等。如图3和图4所示，当监测点处于这些物体的遮挡范围外时，传统CALINE4模型能够较好的模拟监测点的机动车尾气扩散浓度值，当监测点处于这些物体的遮挡范围内时，建筑物会阻挡住机动车尾气的扩散，此时应用传统CALINE4模型模拟监测点的机动车尾气扩散污染浓度会使计算结果偏大。
本实施例中，本发明提供的模拟方法，将维建筑物遮挡的影响条件引入到扩散方程中，同时将原有与道路单位数量相等的有限线源进一步精分，尽量还原多车道道路环境下机动车污染有限线源的影响效果。如图5所示，首先，根据监测点O，并依据该点将道路划分成一系列污染线源，得到线源集合
Figure GDA0002118346290000082
其中，t为道路单元编号，n为根据多车道情况精分的段数，n+1为整条线源包含的点数，如图5中n＝4，即原来的污染线源被精分为4段，共包含5个点。然后，构建道路周边相关的建筑物三维模型集合S，记录构成集合S中三维模型的所有三角形面片，构建三角形面片集合K，如图5中仅有一个建筑物构成集合S，K即为该建筑物四个面的三角面片集合；将线源中点集合Ls的各线源点Lsi与监测点O连接成直线，并判断各直线和建筑物三角形面片集合K是否存在交点，若存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点O不可视，记录为遮挡状态；若不存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点O可视，记录为不遮挡状态。如图5中，Ls11与监测点O不可视，Ls1n+1与监测点O可视。则任一线源点对监测点污染值Ct通过优化的CALINE4模型计算得到，
Figure GDA0002118346290000091
其中，α为遮挡系数，对于划分出的一系列线源段，若某线源与监测点之间无遮挡，即通视，则认为该线源产生的机动车尾气正常扩散至监测点，该线源称为有效线源；若某线源与监测点之间存在遮挡，即不通视，则认为该线源产生的机动车尾气对监测点无影响，该线源称为无效线源。α取值可由下式计算。
Figure GDA0002118346290000092
则整条道路污染源在待测点产生的污染浓度可由下式计算：
C＝∑Ct
实施例三
如图6至图9所示，本实施例中，对比传统CALINE4模型方法以及本发明提供的模拟方法，并在三维场景下进行机动车尾气污染扩散的动态可视化模拟。如图6和图7所示，实验中选择北京郊区一个快速道路作为扩散线源进行验证，并设置长、宽、高分别为420、280、20米的三维空间作为实验区，实验区周围有稀疏的建筑。设置风向为北风，与道路的夹角为40°，风力大小为4.55米/秒。实验中采用显卡为Quadro M2000M，显存容量为4G，计算机处理器为2.9GHZ Quad-core，物理内存大小为16G。实验在64位windows 7系统下，采用vs2013.net编程环境。
本实施例中，利用传统CALINE4模型和本发明的模拟方法进行机动车尾气扩散的可视化效果对比；结果如图8和图9所示，从图8中可以看出污染物随风向逐步扩散，扩散浓度在以道路污染线源为中心，按距离远近逐步衰减，建筑物淹没其中，也未对污染物扩散产生任何影响，与线源空间距离相近的地方其污染浓度也一致，形成有规律分布的条带状可视化效果；从图9可以看出污染物同样随风向逐步扩散，扩散浓度在以道路污染线源为中心，按距离远近逐步衰减，但是建筑物对污染物扩散产生明显影响，在建筑物外围边界处对污染物扩散形成明显阻断效果，处于建筑遮挡处的监测点污染物浓度明显降低，更符合污染物真实传输扩散规律。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
本发明通过提供一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，通过使用该模拟方法，在三维场景下将建筑物对机动车尾气扩散的遮挡作用引入到机动车尾气的扩散模拟当中，获得更加合理的污染模拟值；在真实三维场景下机动车尾气扩散模拟的同时，又顾及了遮挡物对机动车尾气扩散的影响，与传统的CALINE4模型相比，更加贴近真实的场景，获取的尾气污染传输规律更加贴近真实的扩散情况。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，其特征在于：包括如下步骤，
S1、设置监测点，并依据监测点将道路划分成一系列污染线源，得到线源集合Ls，所述线源集合由若干线源点Lsi组成；
S2、构建道路周边相关的建筑物三维模型集合；
S3、记录构成建筑物三维模型集合中的所有三角形面片，构建三角形面片集合；
S4、将线源集合Ls中各线源点Lsi分别与监测点连接成直线，并分别判断各直线和建筑物三角形面片集合是否存在交点，若存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点不可视，记录为遮挡状态；若不存在交点，则说明该直线对应的线源点Lsi与监测点可视，记录为不遮挡状态；
S5、针对上述两种状态，通过优化的CALINE4模型分别计算各线源点对监测点的污染值；
S6、将集合Ls中的点与监测点之间的所有扩散污染值进行加和，得到整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度；
步骤S1中，所述线源集合表示如下，
Figure FDA0002340812800000012
其中，t为道路单元编号，n为根据多车道情况精分的段数，n+1为整条线源包含的点数；
步骤S5中通过优化的CALINE4模型计算得到的任一污染线源对监测点的污染值Ct如下，
Figure FDA0002340812800000011
其中，α为三维遮挡系数；Qt为线源的源强，单位mg/(m·s)；u为近地面风速，单位m/s；σy为水平扩散参数；σz为垂直方向扩散参数；z为待测点距地面的高度，单位为m；y1、y2为污染线源两端点的纵坐标，且y2>y1；
对于根据监测点划分出的一系列线源，若线源与监测点之间无遮挡，则认为该线源产生的机动车尾气正常扩散至监测点，该线源为有效线源，α＝1；若线源与监测点之间有遮挡，则认为该线源产生的机动车尾气对监测点无影响，该线源为无效线源，α＝0。
2.根据权利要求1所述的三维场景下机动车尾气扩散的模拟方法，其特征在于：整条道路污染源在监测点处产生的污染浓度C如下，
C＝∑Ct；
其中，t为线源所对应道路单元的编号。
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