CN111783317A - 一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法 - Google Patents

一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及地理信息技术领域，尤其是一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，包括下述步骤：S1、将地物的轮廓表达为统一走向的多边形；S2、将步骤S1地物的多边形进行打散，并提取所有的轮廓边；S3、通过外侧法线单位矢量获得地物每条所述轮廓边的地物外侧法线方向；S4、根据步骤S3中每条所述轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角判断地物迎风面；S5、根据步骤S4中的所述地物迎风面计算地物迎风边投影长度，并通过所述地物迎风边投影长度及地物的高度计算获得地物的迎风面积。本发明能够快速准确计算多种不同的规则或非规则地物迎风面。

Description

一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法
技术领域
本发明涉及地理信息技术领域，尤其是一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法。
背景技术
迎风面积是风荷载的一个主要参数，在对风荷载的受力分析中起到关键性的作用，在地物迎风面的计算中，现有技术可以通过栅格数据DEM、最小外接矩形等间接计算及利用GIS计算城市规划中的风环境等地物迎风面计算方法。但是在DEM方法中缺点为流程繁琐，算法复杂、效率低、精度取决于栅格分辨率，因此精度有限；最小外接矩形的缺点：人为引入误差，精度低；利用GIS计算城市规划中的风环境需要大量的人力工作，效率低，不适合处理大数据。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，能够快速准确计算多种不同的规则或非规则地物迎风面。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，包括下述步骤：
S1、地物数据的预处理：将地物的轮廓表达为统一走向的多边形；
S2、轮廓边的提取：将步骤S1地物的多边形进行打散，并提取所有的轮廓边；
S3、地物朝向的计算：根据步骤S1的多边形走向，通过外侧法线单位矢量获得地物每条所述轮廓边的地物外侧法线方向；
S4、地物风面的判断：根据步骤S3中每条所述轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角判断地物迎风面；
S5、地物迎风面面积的计算：根据步骤S4中的所述地物迎风面计算地物迎风边投影长度，并通过所述地物迎风边投影长度及地物的高度计算获得地物的迎风面积。
进一步地，在步骤S1中，将地物的轮廓先转成封闭的多边形，通过所述多边形导入GIS并进行拓扑检查，以构成统一走向的多边形。
进一步地，在步骤S2中，在所述多边形的折点处进行分割，以对步骤S1的所述多边形进行打散。
进一步地，在步骤S3中，将多边形走向统一为顺时针方向或逆时针方向，地物外侧法线的方向通过象限角表示并利用标准笛卡尔坐标系获得轮廓边的方向。
进一步地，在步骤S3中，对于顺时针表示轮廓边的方向，所述轮廓边逆时针旋转90度后为地物外侧法线方向；对于逆时针表示轮廓边的方向，所述轮廓边顺时针旋转90度后为地物外侧法线方向。
进一步地，在步骤S4中，每条所述轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角为a，
其中，当cos(a)>0，该轮廓边对应的面为地物迎风面，
当cos(a)<0，该轮廓边对应的面为地物背风面，
当abs(a)＝90，轮廓边对应的面与风向平行。
进一步地，在步骤S5中，所述地物迎风边投影长度计算公式为：
L1＝w1*cos(a1) 公式(1)
其中，L1为地物迎风边投影长度，w1为地物迎风面对应边的长度，a1为地物迎风面对应轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角，且cos(a1)>0；
进一步地，当cos(a2)<0时，L2＝w*cos(a2) 公式(2)
其中，L2为地物背风边投影长度，w2为地物背风面对应边的长度，a2为地物背风面对应轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角。
进一步地，所述地物的迎风面积计算公式为：
Area1＝L1*h 公式(3)
其中，Area1为地物迎风面面积，L1为地物迎风边投影长度，cos(a1)>0，h为地物的高度。
进一步地，当cos(a2)<0时，Area2＝L2*h 公式(4)
其中，Area2为地物背风面面积，L2为地物背风边投影长度，h为地物的高度。
本发明的有益效果是：
1.通过走向统一的封闭的多边形表达地物，以便于后序地图的统一处理，利用拓扑规则对地物的轮廓边进行分析，通过对轮廓边的地物外侧法线方向能够判断出地物每轮廓条边的朝向，以获得地物迎风面对应的轮廓边；在地物的迎风面中引入地物外侧法线方向与方向的之间的角度，能够获得物迎风面投影，物迎风面投影是风直接吹到的地物的轮廓边投影到垂直风向的长度，根据物迎风面投影能够计算出地物迎风面面积。本发明的数据全部基于矢量数据和矢量空间分析，是一种端到端的方法，中间不需要人为参与，能够尽可能的减少人为误差；而且本发明流程清晰，适用于程序开发，算法编写，脚本处理，适用于在CAD、GIS等软件中利用脚本建模，自动处理大规模数据，迎风面面积计算速度快，效率高，适合处理大数据和数据库。同时本发明的算法严密，精度高，可以达到优于毫米级的精度，由于本方法本身没有误差，结果精度仅取决于数据源误差。
2.由于cos(a)>0，该轮廓边对应的面为地物迎风面，cos(a)<0，该轮廓边对应的面为地物背风面，abs(a)＝90，轮廓边对应的面与风向平行。能够通过相同的公式计算地物迎风边投影长及地物背风边投影长度，同时也能够计算地物迎风面面积和地物背风面面积，为地物提供不同的影响参数。进一步的，利用地物外侧法线方向与光照方向之间的夹角还能够进行朝阳检查及阴影提取。
附图说明
图1是本发明一较佳实施方式的基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法的流程图。
图2是本发明一较佳实施方式的基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法的地物投影示意图。
图中，1-地物，2-轮廓线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
请同时参见图1及图2，本发明一较佳实施方式的基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法包括下述步骤：
S1、地物1数据的预处理：将地物1的轮廓表达为统一走向的多边形。
在步骤S1中，将地物1的轮廓先转成封闭的多边形，通过多边形导入GIS并进行拓扑检查，以构成统一走向的多边形。本实施例中通过走向统一的封闭的多边形表达地物1，以便于后序地图的统一处理。
S2、轮廓边2的提取：将步骤S1地物1的多边形进行打散，并提取所有的轮廓边2。
在步骤S2中，在步骤S2中，在多边形的折点处进行分割，以对步骤S1的多边形进行打散。
S3、地物1朝向的计算：根据步骤S1的多边形走向，通过外侧法线单位矢量获得地物1每条轮廓边2的地物1外侧法线方向。
在步骤S3中，将多边形走向统一为顺时针方向或逆时针方向，地物1外侧法线的方向通过象限角表示并利用标准笛卡尔坐标系获得轮廓边2的方向。
对于顺时针表示轮廓边2的方向，轮廓边2逆时针旋转90度后为地物1外侧法线方向；对于逆时针表示轮廓边2的方向，轮廓边2顺时针旋转90度后为地物1外侧法线方向。如图2所示，本实施例中，通过顺时针表示轮廓边2的方向，并采用右手坐标系获取地物1外侧法线方向。
S4、地物1风面的判断：根据步骤S3中每条轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角判断地物1迎风面。
在步骤S4中，每条轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角为a，
其中，当cos(a)>0，该轮廓边2对应的面为地物1迎风面，即轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角为0<a<90度时，轮廓边2对应的面为地物1迎风面。
当cos(a)<0，该轮廓边2对应的面为地物1背风面，即轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角为90<a<180度时，轮廓边2对应的面为地物1迎风面。
当abs(a)＝90，轮廓边2对应的面与风向平行。
S5、地物1迎风面面积的计算：根据步骤S4中的地物1迎风面计算地物1迎风边投影长度，并通过地物1迎风边投影长度及地物1的高度计算获得地物1的迎风面积。
本实施例中，在步骤S5中，地物1迎风边投影长度计算公式为：
L1＝w1*cos(a1)公式(1)
其中，L1为地物1迎风边投影长度(单位mm)，w1为地物1迎风面对应边的长度(单位mm)，a1为地物1迎风面对应轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角(单位°)，且cos(a1)>0。
地物1的迎风面积计算公式为：
Area1＝L1*h 公式(3)
其中，Area1为地物1迎风面面积(单位：mm2)，L1为地物1迎风边投影长度(单位mm)，cos(a1)>0，h为地物1的高度(单位：mm)。
本实施例中，由于cos(a)>0，该轮廓边2对应的面为地物1迎风面，cos(a)<0，该轮廓边2对应的面为地物1背风面，abs(a)＝90，轮廓边2对应的面与风向平行。能够通过相同的公式不同的参数计算地物1迎风边投影长及地物1背风边投影长度，同时也能够计算地物1迎风面面积和地物1背风面面积，为地物1提供不同的影响参数。
在计算地物1背风边投影长度时，取cos(a2)<0对应的轮廓边2，根据
L2＝w*cos(a2) 公式(2)
其中，L2为地物1背风边投影长度(单位：mm)，w2为地物1背风面对应边的长度(单位：mm)，a2为地物1背风面对应轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角(单位：°)。
而地物1的迎风面积计算公式为：
Area2＝L2*h 公式(4)
其中，Area2为地物1背风面面积(单位：mm2)，L2为地物1背风边投影长度(单位：mm)，h为地物1的高度(单位：mm)。
通过本申请的方法利用地物1外侧法线方向与光照方向之间的夹角还能够进行朝阳检查及阴影提取。
本实施例中的数据全部基于矢量数据和矢量空间分析，是一种端到端的方法，中间不需要人为参与，能够尽可能的减少人为误差；而且本发明流程清晰，适用于程序开发，算法编写，脚本处理，适用于在CAD、GIS等软件中利用脚本建模自动处理大规模数据，迎风面面积计算速度快，效率高，适合处理大数据和数据库。同时本发明的算法严密，精度高，可以达到优于毫米级的精度，由于方法本身没有误差，结果精度仅取决于数据源误差。
本实施例的基于矢量数据的地物1朝向及迎风面计算方法步骤为：
A1、将地物1的轮廓先转成封闭的多边形，通过多边形导入GIS并进行拓扑检查，以构成统一走向的多边形。
A2、将步骤S1地物1的多边形在折点处进行分割，以步骤S1地物1的多边形进行打散，并提取打散后多边形中所有的轮廓边2。
A3、根据步骤S1的多边形走向，通过顺时针表示轮廓边2的方向，轮廓边2逆时针旋转90度后为地物1外侧法线方向，并采用右手坐标系获取地物1外侧法线方向。
A4、获取轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角a为0<a<90度中轮廓边2对应的面为地物1迎风面；根据地物1迎风边投影长度计算公式：
L1＝w1*cos(a1) 公式(1)
其中，w1为地物1迎风面对应边的长度，a1为地物1迎风面对应轮廓边2的地物1外侧法线方向与风向之间的夹角(单位°)，以计算得地物1迎风边投影长度L1(单位mm)。
根据地物1的迎风面积计算公式：
Area1＝L1*h 公式(3)
其中，L1为地物1迎风边投影长度(单位mm)，h为地物1的高度(单位mm)，以计算得地物1迎风面面积Area1(单位mm2)。

Claims (10)

1.一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于，包括下述步骤：
S1、地物数据的预处理：将地物的轮廓表达为统一走向的多边形；
S2、轮廓边的提取：将步骤S1地物的多边形进行打散，并提取所有的轮廓边；
S3、地物朝向的计算：根据步骤S1的多边形走向，通过外侧法线单位矢量获得地物每条所述轮廓边的地物外侧法线方向；
S4、地物风面的判断：根据步骤S3中每条所述轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角判断地物迎风面；
S5、地物迎风面面积的计算：根据步骤S4中的所述地物迎风面计算地物迎风边投影长度，并通过所述地物迎风边投影长度及地物的高度计算获得地物的迎风面积。
2.根据权利要求1所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：在步骤S1中，将地物的轮廓先转成封闭的多边形，通过所述多边形导入GIS并进行拓扑检查，以构成统一走向的多边形。
3.根据权利要求1所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：在步骤S2中，在所述多边形的折点处进行分割，以对步骤S1的所述多边形进行打散。
4.根据权利要求1所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：在步骤S3中，将多边形走向统一为顺时针方向或逆时针方向，地物外侧法线的方向通过象限角表示并利用标准笛卡尔坐标系获得轮廓边的方向。
5.根据权利要求4所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：在步骤S3中，对于顺时针表示轮廓边的方向，所述轮廓边逆时针旋转90度后为地物外侧法线方向；对于逆时针表示轮廓边的方向，所述轮廓边顺时针旋转90度后为地物外侧法线方向。
6.根据权利要求1所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：在步骤S4中，每条所述轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角为a，
其中，当cos(a)>0，该轮廓边对应的面为地物迎风面，
当cos(a)<0，该轮廓边对应的面为地物背风面，
当abs(a)＝90，轮廓边对应的面与风向平行。
7.根据权利要求6所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：在步骤S5中，所述地物迎风边投影长度计算公式为：
L1＝w1*cos(a1) 公式(1)
其中，L1为地物迎风边投影长度，w1为地物迎风面对应边的长度，a1为地物迎风面对应轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角，且cos(a1)>0；
8.根据权利要求6所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：当cos(a2)<0时，L2＝w*cos(a2) 公式(2)
其中，L2为地物背风边投影长度，w2为地物背风面对应边的长度，a2为地物背风面对应轮廓边的地物外侧法线方向与风向之间的夹角。
9.根据权利要求7所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：所述地物的迎风面积计算公式为：
Area1＝L1*h 公式(3)
其中，Area1为地物迎风面面积，L1为地物迎风边投影长度，cos(a1)>0，h为地物的高度。
10.根据权利要求8所述的一种基于空间矢量数据的地物朝向及迎风面计算方法，其特征在于：当cos(a2)<0时，Area2＝L2*h 公式(4)
其中，Area2为地物背风面面积，L2为地物背风边投影长度，h为地物的高度。
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