一种可视化的建筑玻璃幕墙光反射影响分析方法与流程

本发明涉及计算机仿真领域，特别是涉及一种可视化的建筑玻璃幕墙光反射影响分析方法。

背景技术：

近年来，随着城市的建设和发展，越来越多的摩天楼采用玻璃幕墙作为建筑的外体装饰，这使得大楼更加美观，但也在一定程度上给城市带来了一系列新的问题，例如光污染，玻璃幕墙对光的反射可能会威胁到人们的日常生活。在建造楼宇的过程中，人们常常不恰当地使用玻璃幕墙，忽略了其产生的不良影响。这是由于目前在建筑的设计过程中，缺少有效的检测反射光影响的工具，建筑设计者无法有效预测当前建筑的反射光对于周围住宅、公用设施等敏感建筑的影响。

现实生活中的大楼外形往往丰富多样，不仅仅是常规的立方体结构，不规则建筑体(如“u”型构造)本身会存在不同部分之间的光线遮挡，且相邻的建筑体之间存在相互影响，这就对玻璃幕墙光反射的分析带来了问题。现有的一些反射光检测技术通常将带有玻璃幕墙的建筑体模型进行简化，看作是由若干个立方体的组合，没有考虑整个建筑的细节，并且忽略了玻璃立面被其他建筑遮挡的可能以及建筑本身是否存在自遮挡的问题。另外现有的工具可视化效果不理想，难以投入到实际应用中。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺点和局限性，针对实际应用场景特点，提供一种高效、便捷的可视化的建筑玻璃幕墙光反射影响分析方法，支持处理玻璃幕墙为曲面的情况，支持处理其他建筑对待分析玻璃立面的遮挡以及不规则建筑的自遮挡效应，实现自动生成玻璃幕墙光反射影响图。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种可视化的建筑玻璃幕墙光反射影响分析方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：对建筑物和道路构建三维模型，建筑物和道路构成光反射影响分析场景；

步骤2：在光反射分析场景中，选取待分析的建筑物玻璃立面作为分析对象；

步骤3：将全年太阳高度角和方位角划分区间，计算出场景中，全年时间段内对待分析玻璃立面的入射光线和反射光线造成遮挡的所有潜在遮挡建筑；

步骤4：计算建筑物自身造成玻璃立面的入射光线和反射光线被遮挡的部分；

步骤5：生成某日期太阳光线照射在玻璃立面上的反射光线形成的光反射影响图。

所述建筑物三维模型含有各个方位玻璃幕墙，玻璃幕墙分曲面和非曲面，非曲面玻璃幕墙含多块玻璃立面，整块非曲面玻璃幕墙为外立面，其包含的每块玻璃立面为内立面；曲面玻璃幕墙由一块玻璃立面构成，只有外立面。

所述步骤2具体包括：

1)区分曲面玻璃幕墙和非曲面玻璃幕墙；

2)曲面玻璃幕墙只含一块玻璃立面，只需获取整个外立面的顶点坐标，反光系数和法线向量；

3)非曲面玻璃幕墙外立面包含数个内立面且内外立面的法线相同，玻璃立面的选取是先获取玻璃幕墙外立面的法线，然后获取选中的内立面顶点坐标和对应的反光系数。

步骤3所述将全年太阳高度角划分区间，计算出场景中，全年时间段内对待分析玻璃立面入射光线造成遮挡的所有潜在遮挡建筑，具体包括：

1)对太阳高度角h进行n等分，形成n份区间；其中，0°≤h≤90°，n＝9；

2)遍历太阳高度角的n份区间，设当前太阳高度角区间为(h1,h2)；

3)从玻璃立面在水平面上的投影上分别发出与水平地面形成h1夹角和h2夹角的光线，与此光线相交的建筑物视作对玻璃立面入射光线造成遮挡的建筑物,计算出当前太阳高度角区间内造成入射光线被遮挡的所有建筑并保存计算结果。

步骤3所述将全年太阳方位角划分区间，计算出场景中，全年时间段内对待分析玻璃立面反射光线造成遮挡的所有潜在遮挡建筑，具体包括：

1)对太阳方位角α进行m等分，形成m份区间，其中，-180°≤α≤180°，m＝30；

2)遍历在建筑物模型中选取的每一块待分析玻璃立面，设当前玻璃立面为s；

3)遍历太阳方位角的n份区间，设当前太阳方位区间为(α1,α2)，α2＝α1+360/m；

4)计算玻璃立面s的法线n与正南方向的夹角β；判断α1和α2与玻璃立面s的法线n是否大于90度，大于90度合法；若α1和α2都不合法，处理下一个太阳方位角区间；若α1不合法，α2合法，更新α1为β+π/2；若α1合法，α2不合法，更新α2＝β-π/2；

5)设玻璃立面s在水平面上的投影为线段为lab，对点a取α1作为入射外边界，对点b取α2作为入射外边界；

6)已知α1，设a的入射光线向量为入射光线向量各分量计算公式如下：

x＝sinα,y＝-cosα,z＝0

利用公式计算a点反射光线为ra,采用和计算a点反射光线为同样的方法，计算b点的入射光线lb和反射光线为rb；

7)计算得出在反射光线ra,rb区间内的所有建遮挡筑建筑，保存每一个玻璃立面不同的太阳方位角区间内对应的对反射光线造成遮挡的建筑物。

所述步骤4具体包括：

1)利用待分析玻璃立面作为切割面去切分建筑物本身；

2)建筑物被切分成模块后，不包含玻璃立面的建筑物模块视作对入射光线和反射光线造成遮挡；

3)把对玻璃立面入射光线造成遮挡的建筑物模块加入到入射光线遮挡列表中，把对反射光线造成遮挡的建筑物模块加入到反射光线遮挡列表中。

所述步骤5具体包括：

1)计算某日期的太阳高度角，根据太阳高度角获取步骤3中计算得出的不同太阳高度角区间对应的遮挡建筑，同时获取步骤4中入射光线遮挡列表中保存的遮挡建筑物，将获取到的所有遮挡建筑以入射光线方向投影到玻璃立面；

2)遮挡建筑投影到玻璃立面上的区域是入射光线被遮挡部分，将玻璃立面上入射光线未被遮挡的区域以反射光线方向投影到水平面上，设水平面上的投影区域为pa；

3)计算某日期的太阳方位角，根据玻璃立面和太阳方位角，取出步骤3中保存的对玻璃立面反射光线造成遮挡的建筑物体，同时获取步骤4中反射光线遮挡列表中保存的遮挡建筑物，将获取到的遮挡建筑物以反射光线方向投影到水平面上，设地面上的投影区域为pb；

4)利用差运算计算，则光反射实际影响区域为p＝pa-pb，将区域p绘制出来，即为最终的玻璃幕墙光反射影响图。

本发明应用于城市规划，建筑环境保护领域，提供建筑物玻璃幕墙光反射影响分析。通过可视化的玻璃立面光反射影响图和影响报告分析建筑物玻璃幕墙造成的光反射影响，为建筑物规划和环境保护提供极大帮助。在操作方面也做到了简单易用，对建筑物进行环保评估时，只需要导入建筑物和周边受影响建筑的模型即可，因此本发明具有实际的应用价值。

附图说明

图1是本发明的建筑模型待分析玻璃立面的示意图；

图2是本发明的玻璃幕墙的光反射影响图生成的示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步详细描述：

本发明应用于城市规划和环境保护中对城市建筑物玻璃幕墙光反射进行分析，考虑了城市中建筑玻璃幕墙光反射的各个方面：包括入射光线被建筑物遮挡、反射光线被建筑物遮挡、以及不规则建筑体的自遮挡。玻璃立面光反射影响图的生成计算了遮挡玻璃立面的入射光线和反射光线的建筑物，还计算了造成入射光线和反射光线被遮挡的建筑物自身部分，最后生成的光反射影响图裁剪了对待分析玻璃立面的入射光线和反射光线造成遮挡的建筑物在水平面上的投影区域，生成了实际的光反射影响图。

本发明实施过程包括三个主要步骤：构建待分析的建筑物模型，选取待分析的建筑物玻璃立面，生成玻璃立面的光反射影响图。

步骤一：构建待分析的建筑物模型

建筑物三维模型需要构建各个方位玻璃幕墙，玻璃幕墙分曲面和非曲面，非曲面玻璃幕墙含多块玻璃立面，整块非曲面玻璃幕墙为外立面，其包含的每块玻璃立面为内立面；曲面玻璃幕墙由一块玻璃立面构成，只有外立面。

步骤二：选取待分析的建筑物玻璃立面

选取待分析对象是获取选中的玻璃立面数据的过程，数据来自玻璃立面所在建筑物模型，包括玻璃立面的顶点坐标，反光系数以及玻璃立面的法线向量。曲面玻璃幕墙只包含一块玻璃立面，曲面玻璃幕墙的选取只需获取整个外立面的顶点坐标，反光系数和法线向量。非曲面玻璃幕墙外立面包含多个内立面且内外立面的法线相同，玻璃立面的选取过程应先获取玻璃幕墙外立面的法线，然后获取选中的内立面顶点坐标和对应的反光系数，图1展示的是非曲面玻璃幕墙选取玻璃立面的示意图，图中圆圈所在的地方为玻璃立面。

步骤三：生成玻璃立面光反射影响图

本发明中玻璃立面光反射影响图的生成计算了对待分析玻璃立面的入射光线和反射光线造成遮挡的建筑物在水平面上的投影区域，遮挡建筑物包括玻璃立面所在建筑物自身切割出的对入射光线和反射光线的建筑物模块，利用差运算计算实际的玻璃幕墙光反射影响图。

本发明玻璃立面光反射影响图的生成主要包括三个阶段：

第一阶段:将全年太阳方位角和高度角划分离散区间，计算场景中，全年时间内对待分析玻璃立面入射光线和反射光线造成遮挡的所有潜在遮挡建筑

计算全年时间段内对待分析玻璃立面入射光线造成遮挡的所有潜在遮挡建筑的过程包括以下步骤：

1)对太阳高度角h进行n等分，形成n份区间；其中，0°≤h≤90°，n＝9；

2)遍历太阳高度角的n份区间，设当前太阳高度角区间为(h1,h2)；

3)从玻璃立面在水平面上的投影上分别发出与水平地面形成h1夹角和h2夹角的光线，与此光线相交的建筑物视作对玻璃立面入射光线造成遮挡的建筑物,计算出当前太阳高度角区间内造成入射光线被遮挡的所有建筑并保存计算结果。

计算全年时间段内对待分析玻璃立面反射光线造成遮挡的所有潜在遮挡建筑的过程包括以下步骤：

1)对太阳方位角α进行m等分，形成m份区间，其中，-180°≤α≤180°，m＝30；；

2)遍历在建筑物模型中选取的每一块待分析玻璃立面，设当前玻璃立面为s；

3)遍历太阳方位角的n份区间，设当前太阳方位区间为(α1,α2)，α2＝α1+360/m；

4)计算玻璃立面s的法线n与正南方向的夹角β；判断α1和α2与玻璃立面s的法线n是否大于90度，大于90度合法；若α1和α2都不合法，处理下一个太阳方位角区间；若α1不合法，α2合法，更新α1为β+π/2；若α1合法，α2不合法，更新α2＝β-π/2；

5)设玻璃立面s在水平面上的投影为线段为lab，对点a取α1作为入射外边界，对点b取α2作为入射外边界；

6)已知α1，设a的入射光线向量为入射光线向量各分量计算公式如下：

x＝sinα,y＝-cosα,z＝0

利用公式计算a点反射光线为ra,采用和计算a点反射光线为同样的方法，计算b点的入射光线lb和反射光线为rb；

7)计算得出在反射光线ra,rb区间内的所有建遮挡筑建筑，保存每一个玻璃立面不同的太阳方位角区间内对应的对反射光线造成遮挡的建筑物。

第二阶段:计算建筑物自身造成玻璃立面的入射光线和反射光线被遮挡的部分

系统中计算建筑物自身造成玻璃立面的入射光线和反射光线被遮挡的部分包括以下步骤

1)利用待分析玻璃立面作为切割面去切分建筑物本身；

2)建筑物被切分成模块后，不包含玻璃立面的建筑物模块视作对入射光线和反射光线造成遮挡；

3)把对玻璃立面入射光线造成遮挡的建筑物模块加入到入射光线遮挡列表中，把对反射光线造成遮挡的建筑物模块加入到反射光线遮挡列表中。

第三阶段：生成某日期太阳光线照射在玻璃立面上反射光线形成的反射影响图

(1)计算某日期的太阳高度角，设h为太阳高度角，计算公式如下：

sinh＝sinβsinθ+cosβcosθcos(15t+λ-300)

β代表地理纬度，θ表示太阳倾角，λ代表地理经度。根据太阳高度角获取第一阶段中计算得出的不同太阳高度角区间对应的遮挡建筑，同时获取第二阶段中入射光线遮挡列表中保存的遮挡建筑物，将获取到的所有遮挡建筑以入射光线方向投影到玻璃立面；

(2)遮挡建筑投影到玻璃立面上的区域是入射光线被遮挡部分，将玻璃立面上入射光线未被遮挡的区域以反射光线方向投影到水平面上，设水平面上的投影区域为pa；

(3)计算某日期的太阳方位角，设，α为太阳方位角，计算公式如下：

t代表时间，根据玻璃立面和太阳方位角，取出第一阶段中保存的对玻璃立面反射光线造成遮挡的建筑物体，同时获取第二阶段反射光线遮挡列表中保存的遮挡建筑物，将获取到的遮挡建筑物以反射光线方向投影到水平面上，设地面上的投影区域为pb；

(4)利用差运算计算，则光反射实际影响区域为p＝pa-pb，将区域p绘制出来，图2中圆圈所在地方即为最终的玻璃幕墙光反射影响图。