CN116756999B - 一种屋面景观系统的设计评价方法 - Google Patents

一种屋面景观系统的设计评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种屋面景观系统的设计评价方法，包括以下步骤：根据建筑参数构建建筑物的三维模型，利用曝光源模拟光照过程；将房屋的屋面均匀划分成若干个评估单元，在时长t内均匀设置n个时刻，从光照模拟开始，每隔时长获取一次屋面的正视图像，得到n+1个正视图像；计算屋面太阳能板安装面积S 3、种植喜阳植物的面积S 1和种植喜阴植物的面积S 2；评估太阳能的发电量是否能满足养殖喜阳植物、喜阴植物的用电需求，修正屋面景观设计方案。本发明确保能使太阳能发电满足屋面景观系统的维护、养殖的同时，还能最大限度的种植植物，实现清洁能源的综合利用。

Description

一种屋面景观系统的设计评价方法
技术领域
本发明涉及屋面景观设计技术领域，具体涉及一种屋面景观系统的设计评价方法。
背景技术
屋顶也被称为“建筑第五立面”，屋顶绿化近年也被不少城市用于改善城市环境面貌，提高市民生活和工作环境质量；缓解大气浮尘，净化空气；保护建筑物顶部屋面，延长屋顶、屋面建材使用寿命；缓解城市热岛效应。屋顶园林景观融建筑技术和绿化美化为一体，突出意境美。重要手段是巧妙利用主体建筑物的屋顶、平台、阳台、窗台和墙面等开辟园林场地，充分利用园林植物、微地形、水体和园林小品等造园因素，采用借景、组景、点景、障景等造园技法，创造出不同使用功能和性质的屋面园林景观。
设计屋面景观，不仅要满足美观的要求，也要从植物实际生长情况出发，不同的植物对光照的要求不同，一些喜阳植物需要适当的光照才能生长茂盛，一些喜阴植物在阳光下生长反而较差，但是不同建筑物的屋面在一天内光照条件不同，这与屋面结构息息相关。同时，太阳能在屋面景观系统也是至关重要，他可以为屋面景观的维护提供电能，实现清洁能源的利用。但是，在搭建屋面景观之前，如何合理的设计屋面景观系统是关键，所以，亟需一种在搭建屋面景观之前合理评估屋面景观系统设计的合理性并进行合理修正的方法。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种屋面景观系统的设计评价方法，从屋面光照条件出发、合理布局喜阳植物、喜阴植物种植面积和范围。
为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
提供一种屋面景观系统的设计评价方法，其包括以下步骤：
S1：获取修建建筑物时的建筑参数，根据建筑参数构建建筑物的三维模型，并根据房屋的朝向位置，在房屋的正东边方向设置曝光源，利用曝光源模拟光照过程；
S2：设置房屋的光照模拟时长t，在时长t内将曝光源从房屋正东边的地面匀速移动到正西边的地面，曝光源在时长t内在模拟出太阳日出到日落的过程；
S3：将房屋的屋面均匀划分成若干个评估单元，在时长t内均匀设置n个时刻，从光照模拟开始，每隔时长获取一次屋面的正视图像，得到n+1个正视图像；
S4：获取每个评估单元在一天内的光照系数，计算屋面太阳能板安装面积S 3、种植喜阳植物的面积S 1和种植喜阴植物的面积S 2；
S5：根据太阳能板安装面积S 3计算屋面安装太阳能板一天的发电量W，并设计屋面种植喜阳植物、喜阴植物的方案，评估太阳能的发电量是否能满足养殖喜阳植物、喜阴植物的用电需求，修正屋面景观设计方案。
进一步地，步骤S4包括：
S41：将每个正视图像进行灰度化处理，并计算正视图像上每个评估单元的灰度值：
；
其中，为评估单元中第/>个像素的灰度值，m为评估单元中像素的个数，/>为正视图像中的评估单元编号；
S42：统计n+1个正视图像中对应评估单元的灰度值数据组：，/>，···，；M为每个正视图像上的评估单元的数量；
S43：建立光照系数矩阵：
；
S44：以光照系数矩阵的列为单位，计算光照系数矩阵的列平均值，得到列平均值矩阵：
；
S45：设置评估单元一天内光照条件充足条件下的灰度阈值H 阈值；
若，则判定该评估单元/>在一天内光照充足，适合安装太阳能板，进入步骤S46，
若，则判定该评估单元/>在一天内光照不充足，适合种植植物，进入步骤S47；
S46：遍历列平均值矩阵中每个列平均值，筛选出光照充足的评估单元对应的列平均值，并根据光照充足的评估单元数量，计算可安装太阳能板的面积/>，s为单个评估单元的面积，N为筛选出光照充足的评估单元的数量；
S47：步骤S46之后，剩下光照不充足条件下的列平均值矩阵：；
S48：设置喜阴植物与喜阳植物种植分界线上的灰度阈值，计算光照不充足条件下的列平均值矩阵/>中列平均值与灰度阈值/>的差值/>，得到灰度差值矩阵/>；
S48：设置灰度差值的阈值，遍历灰度差值矩阵中每个差值，筛选出灰度差值矩阵中小于/>的差值对应的评估单元，作为种植分界线上的评估单元；
S49：计算喜阳植物种植区的面积S 1和喜阴植物种植区的面积S 2。
进一步地，步骤S49中计算面积S 1和面积S 2的方法为：
以屋面所在平面为坐标平面，建立二维坐标系，获取种植分界线上每个评估单元中心的坐标，将种植分界线上每个评估单元中心首尾相连，以喜阳植物种植区内部区域的任意点（x 0，y 0）为参考点，计算喜阳植物种植区的面积S 1和喜阴植物种植区的面积S 2：
；
其中，s u 为参考点与任意相邻两个种植分界线上评估单元中心连成的三角形面积，v为参考点与任意相邻两个种植分界线上评估单元中心连线形成的三角形数量，u为形成的三角形的编号，（x 1，y 1）、（x 2，y 2）分别为相邻两个种植分界线上评估单元中心的坐标；
；
其中，S为建筑参数中屋面设计景观的总面积。
进一步地，步骤S5包括：
S51：根据太阳能板安装面积S 3计算屋面安装太阳能板一天的发电量W：
；
其中，P 1为单位面积太阳能板的瓦数，θ为太阳能板获取太阳能的最佳倾斜角度，为发电效率，/>为发电过程的衰减率；
S52：用户选择在屋面需要种植的喜阳植物和喜阴植物种类，并设计屋面景观不同种类的喜阳植物的种植面积、不同种类的喜阴植物的种植面积，/>为用户选择的喜阳植物种类数量，/>为用户选择的喜阴植物种类数量；
S53：获取不同喜阳植物最佳生长状态的种植密度、不同喜阴植物最佳生长状态的种植密度/>；
计算屋面种植景观植物需要的耗水量D：
；
其中，为第/>种喜阳植物一天的耗水量，d为喜阳植物一天的耗水量，/>为第种喜阴植物一天的耗水量，D为喜阴植物一天的耗水量；
S54：为屋面景观供水时，根据水泵的额定流量L，计算抽取耗水量D所需的电量w：；其中，P 2为水泵的额定功率；
S55：根据耗电量w和屋面景观系统其余电器的耗电量评估、修正屋面景观的设计方案：
若≤W，则判定目前设计方案下太阳能发电能满足屋面景观的养殖需求；
若＞W，则判定目前设计方案下太阳能发电不能满足屋面景观的养殖需求；需要减少种植喜阳植物的面积，增加安装太阳能板安装面积；或减少种植喜阳植物的面积、或减少种植喜阴植物的面积，将减少出的部分设计成人行过道。
本发明的有益效果为：本发明通过建立建筑物屋面的三维模型，来模拟屋面一天内的光照情况，进而估算出屋面适合种植喜阳植物、喜阴植物以及安装太阳能板的面积，并且，通过一天内太阳能发电的电量、屋面景观系统的耗电量来综合评估利用太阳能发电是否能维护喜阳植物、喜阴植物的正常养殖，并根据评估结果来修正种植喜阳植物、喜阴植物以及安装太阳能板的面积，确保能使太阳能发电满足屋面景观系统的维护、养殖的同时，还能最大限度的种植植物，实现清洁能源的综合利用。以植物造景为主，尽量丰富绿色植物种类，同时在植物的选择上不单纯为观赏，为维护成本提供必要的数据参考。
附图说明
图1为屋面景观系统的设计评价方法的流程图。
图2为正视图像划分评估单元的示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，本方案的屋面景观系统的设计评价方法包括以下步骤：
S1：获取修建建筑物时的建筑参数，根据建筑参数构建建筑物的三维模型，三维模型可以利用Sketchup软件绘制，并根据房屋的朝向位置，在房屋的正东边方向设置曝光源，利用曝光源模拟光照过程，曝光源可以根据Sketchup软件的曝光功能设置；
S2：设置房屋的光照模拟时长t，在时长t内将曝光源从房屋正东边的地面匀速移动到正西边的地面，曝光源在时长t内在模拟出太阳日出到日落的过程；
S3：将房屋的屋面均匀划分成若干个评估单元，在时长t内均匀设置n个时刻，从光照模拟开始，每隔时长获取一次屋面的正视图像，得到n+1个正视图像；
S4：获取每个评估单元在一天内的光照系数，计算屋面太阳能板安装面积S 3、种植喜阳植物的面积S 1和种植喜阴植物的面积S 2；
步骤S4包括：
S41：将每个正视图像进行灰度化处理，并计算正视图像上每个评估单元的灰度值：
；
其中，为评估单元中第/>个像素的灰度值，m为评估单元中像素的个数，/>为正视图像中的评估单元编号；根据屋面不同位置获取的光照强度，不同位置反应出的灰度值不同，一般情况下，光照强的位置更亮，像素的灰度值更小，光照弱的位置更暗，像素的灰度值更大；
S42：统计n+1个正视图像中对应评估单元的灰度值数据组：，/>，···，；M为每个正视图像上的评估单元的数量；
S43：建立光照系数矩阵：
；
S44：以光照系数矩阵的列为单位，计算光照系数矩阵的列平均值，得到列平均值矩阵：
；
S45：设置评估单元一天内光照条件充足条件下的灰度阈值H 阈值，灰度阈值H 阈值作为评估单元是否光照充足的依据，来评估是否适合安装太阳能板；
若，则判定该评估单元/>在一天内光照充足，适合安装太阳能板，进入步骤S46，
若，则判定该评估单元/>在一天内光照不充足，适合种植植物，进入步骤S47；
S46：遍历列平均值矩阵中每个列平均值，筛选出光照充足的评估单元对应的列平均值，并根据光照充足的评估单元数量，计算可安装太阳能板的面积/>，s为单个评估单元的面积，N为筛选出光照充足的评估单元的数量；
S47：步骤S46之后，剩下光照不充足条件下的列平均值矩阵：；
S48：设置喜阴植物与喜阳植物种植分界线上的灰度阈值，计算光照不充足条件下的列平均值矩阵/>中列平均值与灰度阈值/>的差值/>，得到灰度差值矩阵/>；
S48：设置灰度差值的阈值，遍历灰度差值矩阵中每个差值，筛选出灰度差值矩阵中小于/>的差值对应的评估单元，作为种植分界线上的评估单元；
S49：计算喜阳植物种植区的面积S 1和喜阴植物种植区的面积S 2。
步骤S49中计算面积S 1和面积S 2的方法为：
如图2所示，以屋面所在平面为坐标平面，建立二维坐标系，获取种植分界线上每个评估单元中心的坐标，将种植分界线上每个评估单元中心首尾相连，以喜阳植物种植区内部区域的任意点（x 0，y 0）为参考点，计算喜阳植物种植区的面积S 1和喜阴植物种植区的面积S 2：
；
其中，s u 为参考点与任意相邻两个种植分界线上评估单元中心连成的三角形面积，v为参考点与任意相邻两个种植分界线上评估单元中心连线形成的三角形数量，u为形成的三角形的编号，（x 1，y 1）、（x 2，y 2）分别为相邻两个种植分界线上评估单元中心的坐标；
；
其中，S为建筑参数中屋面设计景观的总面积。利用将不规则图形拆除分成若干个三角形的方法，来近似求出不规则图形的面积，有效简化的面积计算的复杂程度。
如图2所示，在一般建筑屋面条件下，位于屋面中部区域的位置不易被遮挡，可以作为安装太阳能板的区域，靠近屋面的边沿区域容易被其他建筑物或墙面结构遮挡，会产生阴暗区域，适合种植喜阴植物，在阴暗区域到太阳能板安装区域之间的光照充足，但是又不会被阳光暴晒，所以适合种植喜阳植物。
S5：根据太阳能板安装面积S 3计算屋面安装太阳能板一天的发电量W，并设计屋面种植喜阳植物、喜阴植物的方案，评估太阳能的发电量是否能满足养殖喜阳植物、喜阴植物的用电需求，修正屋面景观设计方案。
步骤S5包括：
S51：根据太阳能板安装面积S 3计算屋面安装太阳能板一天的发电量W：
；
其中，P 1为单位面积太阳能板的瓦数，θ为太阳能板获取太阳能的最佳倾斜角度，为发电效率，/>为发电过程的衰减率；
S52：用户选择在屋面需要种植的喜阳植物和喜阴植物种类，并设计屋面景观不同种类的喜阳植物的种植面积、不同种类的喜阴植物的种植面积，/>为用户选择的喜阳植物种类数量，/>为用户选择的喜阴植物种类数量；
S53：获取不同喜阳植物最佳生长状态的种植密度、不同喜阴植物最佳生长状态的种植密度/>；
计算屋面种植景观植物需要的耗水量D：
；
其中，为第/>种喜阳植物一天的耗水量，d为喜阳植物一天的耗水量，/>为第种喜阴植物一天的耗水量，D为喜阴植物一天的耗水量；
对于一般的景观植物，生长所需要的水量=土壤储水量（可以根据土壤的湿度传感器测量）+种植期间自然降水量+灌水量（也就是本方案所需计算的耗水量）。也可以根据公式W=0.1×rVh计算土壤储水量，其中W为不同深度土壤贮水量，r为土壤的含水量，V为土壤容重，h为土层深度，0.1为换算系数。
S54：为屋面景观供水时，根据水泵的额定流量L，计算抽取耗水量D所需的电量w：；其中，P 2为水泵的额定功率；
S55：根据耗电量w和屋面景观系统其余电器的耗电量评估、修正屋面景观的设计方案：
若≤W，则判定目前设计方案下太阳能发电能满足屋面景观的养殖需求；
对于屋面景观系统中其余电器的耗电量，可以根据电器的用电量进行统计，例如屋面景观系统中的夜晚使用的景观灯、景观灯带等的耗电量，检测土壤湿度、温度等传感器消耗的电量等。为了满足屋面景观系统在夜晚的景观效果，常常要在屋面景观系统中各类植物上布设景观灯、景观灯带等，来提升视觉效果，这些景观灯可以通过太阳能发电进行供电。
若＞W，则判定目前设计方案下太阳能发电不能满足屋面景观的养殖需求；需要减少种植喜阳植物的面积，增加安装太阳能板安装面积；或减少种植喜阳植物的面积、减少种植喜阴植物的面积，将减少出的部分设计成人行过道，方便人们进入景观系统内进行参观。增加的太阳能板安装面积来用于安装太阳能板，增加太阳能板的数量，每天的发电量就会增加，确保太阳能板发出的电量能满足正常情况下屋面景观系统的耗电量。并且减少的植物种植面积可以降低植物每天的耗水量，降低水泵的工作量，进而减少耗电量，以及减少景观灯、景观灯带的布设。
若当地出现长时间的阴雨天气时，设计的太阳能板无法高效的发电，在设计施工时，可以将屋面景观系统的水泵、景观灯、景观灯带等耗电设备接入屋内的供电系统，利用屋内的供电系统供电。
本发明通过建立建筑物屋面的三维模型，来模拟屋面一天内的光照情况，进而估算出屋面适合种植喜阳植物、喜阴植物以及安装太阳能板的面积，并且，通过一天内太阳能发电的电量、屋面景观系统的耗电量来综合评估利用太阳能发电是否能维护喜阳植物、喜阴植物的正常养殖，并根据评估结果来修正种植喜阳植物、喜阴植物以及安装太阳能板的面积，确保能使太阳能发电满足屋面景观系统的维护、养殖的同时，还能最大限度的种植植物，实现清洁能源的综合利用。以植物造景为主，尽量丰富绿色植物种类，同时在植物的选择上不单纯为观赏，为维护成本提供必要的数据参考。

Claims (2)

1.一种屋面景观系统的设计评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取修建建筑物时的建筑参数，根据建筑参数构建建筑物的三维模型，并根据房屋的朝向位置，在房屋的正东边方向设置曝光源，利用曝光源模拟光照过程；
S2：设置房屋的光照模拟时长t，在时长t内将曝光源从房屋正东边的地面匀速移动到正西边的地面，曝光源在时长t内模拟出太阳日出到日落的过程；
S3：将房屋的屋面均匀划分成若干个评估单元，在时长t内均匀设置n个时刻，从光照模拟开始，每隔时长获取一次屋面的正视图像，得到n+1个正视图像；
S4：获取每个评估单元在一天内的光照系数，计算屋面太阳能板安装面积S3、种植喜阳植物的面积S1和种植喜阴植物的面积S2；
S5：根据太阳能板安装面积S3计算屋面安装太阳能板一天的发电量W，并设计屋面种植喜阳植物、喜阴植物的方案，评估太阳能的发电量是否能满足养殖喜阳植物、喜阴植物的用电需求，修正屋面景观设计方案；
所述步骤S4包括：
S41：将每个正视图像进行灰度化处理，并计算正视图像上每个评估单元的灰度值HI：
其中，hi为评估单元中第i个像素的灰度值，m为评估单元中像素的个数，I为正视图像中的评估单元编号；
S42：统计n+1个正视图像中对应评估单元I的灰度值数据组：
M为每个正视图像上的评估单元的数量，n为正视图像的编号；
S43：建立光照系数矩阵：
S44：以光照系数矩阵的列为单位，计算光照系数矩阵的列平均值，得到列平均值矩阵：
S45：设置评估单元一天内光照条件充足条件下的灰度阈值H阈值；
若则判定该评估单元I在一天内光照充足，适合安装太阳能板，进入步骤S46，
若则判定该评估单元I在一天内光照不充足，适合种植植物，进入步骤S47；
S46：遍历列平均值矩阵中每个列平均值，筛选出光照充足的评估单元对应的列平均值并根据光照充足的评估单元数量，计算可安装太阳能板的面积S3＝s·N，s为单个评估单元的面积，N为筛选出光照充足的评估单元的数量；
S47：步骤S46之后，剩下光照不充足条件下的列平均值矩阵：
S48：设置喜阴植物与喜阳植物种植分界线上的灰度阈值h阈值，计算光照不充足条件下的列平均值矩阵中列平均值与灰度阈值h阈值的
差值ΔH，得到灰度差值矩阵[ΔH1，ΔH2，…，ΔHM-N]；
S49：设置灰度差值的阈值ΔH阈值，遍历灰度差值矩阵中每个差值，筛选出灰度差值矩阵中小于ΔH阈值的差值对应的评估单元，作为种植分界线上的评估单元；
S410：计算喜阳植物种植区的面积S1和喜阴植物种植区的面积S2；
所述步骤S410中计算面积S1和面积S2的方法为：
以屋面所在平面为坐标平面，建立二维坐标系，获取种植分界线上每个评估单元中心的坐标，将种植分界线上每个评估单元中心首尾相连，以喜阳植物种植区内部区域的任意点(x0，y0)为参考点，计算喜阳植物种植区的面积S1和喜阴植物种植区的面积S2：
其中，su为参考点与任意相邻两个种植分界线上评估单元中心连成的三角形面积，v为参考点与任意相邻两个种植分界线上评估单元中心连线形成的三角形数量，u为形成的三角形的编号，(x1，y1)、(x2，y2)分别为相邻两个种植分界线上评估单元中心的坐标；
S2＝S-S1-S3；
其中，S为建筑参数中屋面设计景观的总面积。
2.根据权利要求1所述的屋面景观系统的设计评价方法，其特征在于，所述步骤S5包括：
S51：根据太阳能板安装面积S3计算屋面安装太阳能板一天的发电量W：
其中，P1为单位面积太阳能板的瓦数，θ为太阳能板获取太阳能的最佳倾斜角度，η为发电效率，λ为发电过程的衰减率；
S52：用户选择在屋面需要种植的喜阳植物和喜阴植物种类，并设计屋面景观不同种类的喜阳植物的种植面积(a1,a2,…aγ)、不同种类的喜阴植物的种植面积(A1,A2,…Aε)，γ为用户选择的喜阳植物种类数量，ε为用户选择的喜阴植物种类数量；
S53：获取不同喜阳植物最佳生长状态的种植密度(e1,e2,…eγ)、不同喜阴植物最佳生长状态的种植密度(E1,E2,…Eε)；
计算屋面种植景观植物需要的耗水量D：
其中，dγ为第γ种喜阳植物一天的耗水量，d为喜阳植物一天的耗水量，Dε为第ε种喜阴植物一天的耗水量，D为喜阴植物一天的耗水量；
S54：为屋面景观供水时，根据水泵的额定流量L，计算抽取耗水量D所需的电量w：其中，P2为水泵的额定功率；
S55：根据耗电量w和屋面景观系统其余电器的耗电量w′评估、修正屋面景观的设计方案：
若(w+w′)≤W，则判定目前设计方案下太阳能发电能满足屋面景观的养殖需求；
若(w+w′)＞W，则判定目前设计方案下太阳能发电不能满足屋面景观的养殖需求；需要减少种植喜阳植物的面积，增加安装太阳能板安装面积；或减少种植喜阳植物的面积、或减少种植喜阴植物的面积，将减少出的部分设计成人行过道。
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