[發(fā)明專利]基于數(shù)字圖像分析的城鎮(zhèn)熱島特性預(yù)測方法及系統(tǒng)

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810069965.0
• 申請日: 2008-07-11
• 公開（公告）號: CN101320098A
• 公開（公告）日: 2008-12-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅慶;李百戰(zhàn);姚潤明;盧軍;丁勇;李楠;劉紅
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶大學(xué)
• 主分類號: G01W1/00
• 分類號: G01W1/00
• 代理公司: 重慶華科專利事務(wù)所
• 代理人: 康海燕

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)境工程領(lǐng)域，具體涉及一種解決城鎮(zhèn)熱島變化規(guī)律的預(yù)測方法，并開 發(fā)了相應(yīng)的預(yù)測系統(tǒng)。

背景技術(shù)

城市熱島是一種城市氣候特征，是城市對氣溫影響的典型特征。在人口高度密集、工 業(yè)集中的城市區(qū)域，由人類活動排放的大量熱量與其他人為條件下的共同作用導(dǎo)致城區(qū)氣 溫高于周圍郊區(qū)的氣溫，高溫的城市處于低溫郊區(qū)的包圍之中，這種現(xiàn)象被稱為“城市熱 島”現(xiàn)象。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果表明，世界上所有城市無論規(guī)模大小，緯度高低，都存 在城市熱島效應(yīng)。計算機模擬技術(shù)是研究城鎮(zhèn)熱島的主要方法之一，這種方法通常是以地 區(qū)的熱平衡理論為基礎(chǔ)，分別為熱環(huán)境建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)熱環(huán)境的求解。

Xianting?Li研究了空氣流動分布CFD與壁面能量平衡相結(jié)合的算法，提出了包括地 面溫度模擬和室外空氣模擬的方法，模擬過程中主要集中在建筑室外的空氣溫度上，并將 傳熱模型與空氣流動模型耦合計算。Kazuya?Takahashi對Kyoto的熱環(huán)境進行了研究，對 建筑和地面的壁面溫度進行了測量，同時結(jié)合建筑、地面導(dǎo)熱、輻射模型和空氣流動模型 進行了計算機模擬計算。王菲用室外熱環(huán)境數(shù)學(xué)模型計算了濟南四種不同工況下，太陽輻 射作用引起的溫升情況，對不同建筑密度、下墊面材料、自然通風(fēng)風(fēng)速的影響進行了比較。 于震提出了將求解單體建筑和周圍下墊面的熱平衡方程組與室外空氣場的CFD模擬計算相 結(jié)合的方法，解決了空氣場計算時間步長與下墊面計算時間步長不一致的問題。

采用上述計算機模擬技術(shù)分析城鎮(zhèn)熱環(huán)境時，還存在以下問題：

(1)目前，大多數(shù)的計算網(wǎng)格(地面和空氣)使用相同大小網(wǎng)格，這樣計算時間長， 假定壁面溫度作為CFD計算的邊界條件，而并不計算壁面溫度，只是單一求解CFD方程， 計算的結(jié)果有很大的偏差。

(2)模擬的邊界條件缺乏可靠性，如果采用測試值作為邊界條件，就需要很多的測 點，對每個模擬過程的邊界條件都進行測量也是不現(xiàn)實的。

本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，建立了完整的城鎮(zhèn)熱環(huán)境特性分析模型，完 善了熱環(huán)境參數(shù)計算方法，構(gòu)建了完整的城鎮(zhèn)熱環(huán)境特性預(yù)測系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證，本系統(tǒng) 的預(yù)測計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合得很好，完全符合城鎮(zhèn)熱環(huán)境中下墊面溫度、空氣溫度的 發(fā)展變化規(guī)律。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，提出一種基于數(shù)字圖像分 析的城鎮(zhèn)熱島特性預(yù)測系統(tǒng)及預(yù)測方法，本發(fā)明充分利用數(shù)字圖像的優(yōu)勢，對城鎮(zhèn)建筑群 進行動態(tài)陰影分析，形成城鎮(zhèn)動態(tài)能量分布，并將不同時刻的能量信息儲存在數(shù)據(jù)文件中， 在計算不同時刻的城鎮(zhèn)熱環(huán)境時，調(diào)用對應(yīng)時刻的數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)了計算過程中下墊面的 動態(tài)邊界的設(shè)定。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計一種基于數(shù)字圖像分析的城鎮(zhèn)熱島特性 預(yù)測方法，該方法包括以下實現(xiàn)步驟：

(1)根據(jù)城鎮(zhèn)規(guī)劃圖建立城鎮(zhèn)數(shù)字高度模型DEM(Digital?Elevation?Model)。通過 圖像采集模塊分別將城鎮(zhèn)規(guī)劃圖中建筑物布局、高度、建筑材料、綠化面積等信息作為數(shù) 據(jù)文件儲存在DEM模型的圖像數(shù)據(jù)庫中，作為計算城鎮(zhèn)輻射能量動態(tài)分布、下墊面?zhèn)鳠岷? 空氣溫度等的基本條件；

(2)將建筑物的流動區(qū)域作為“節(jié)點”，將流動開口作為“支”，構(gòu)建流動區(qū)域網(wǎng)絡(luò) 模型，根據(jù)流動區(qū)域網(wǎng)絡(luò)模型的城鎮(zhèn)流動區(qū)域質(zhì)量守恒方程、城鎮(zhèn)流動區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的環(huán)路壓 力方程、連接開口的壓差和氣體流量關(guān)系方程、區(qū)域內(nèi)空氣的熱平衡方程等一系列方程， 計算城鎮(zhèn)建筑物間的空氣質(zhì)量流量、壓差、空氣溫度；

(3)調(diào)用上述方程，根據(jù)太陽直射輻射強度、地面對天空的視角系數(shù)和散射輻射強 度、分析面對建筑物的輻射角系數(shù)關(guān)系、分析面周圍建筑物接收到太陽直射、散射和長波 輻射，計算分析面的太陽直射、太陽散射、長波輻射、反射輻射能量分布；太陽直射是根 據(jù)太陽直射輻射強度、建筑物墻與太陽之間的方位角、太陽高度角等求解垂直面上和水平 面上太陽直射輻射強度能量分布；太陽散射輻射是根據(jù)地面對天空的視角系數(shù)和散射輻射 強度計算到地面上的散射輻射能量分布；根據(jù)建筑物和地面的某個面對周圍建筑的輻射角 系數(shù)關(guān)系計算周圍建筑對分析面的長波輻射熱量；根據(jù)分析面周圍建筑物接收到太陽直 射、散射和長波輻射，確定該面的反射輻射能量；