基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法与流程

本发明涉及城市规划与城市风环境技术领域，特别是一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法。

背景技术：

近年来，随着我国城市化进程不断地向前推进，城市规模不断增长，城市空间形态和风貌特征也变得更加复杂。正是由于城市物质空间形态的改变，随之而来的城市微气候变化，进一步阻碍了城市生产、生活和交通等污染物的大气扩散，导致了雾霾现象在全国大范围、高频度的出现，使得空气污染成为严重威胁居民健康的头号重大问题。因此，建设城市通风廊道成为众多城市应对空间污染的一个重要手段。尽管通风廊道并不能从根本上消除污染源，但可以在一定程度上减轻城市污染的危害。同时，城市通风廊道也有利于改善城市的风环境，其实际意义绝非简单地应对空间污染问题，而是对于城市居民的高质量风环境保障的一种有效技术手段。

通风廊道划分的技术手段主要包括遥感技术、cfd(空气动力学)模拟以及基于城市形态学分析方法。其中，基于城市形态学分析在城市规划领域里取得了较为丰硕的成果，如oke曾通过大量的研究，指出通过恰当的城市设计以及合理的建筑布局影响城市微气候，也能够在一定程度上提高城市空气污染的排污性能。较为著名的案例是liangchen等学者通过迎风面密度计算和图示化表达法确认了九龙半岛风墙(walleffect)的存在，导致气流无法渗透，阻碍了城市通风和污染物扩散。目前，迎风面密度在城市通风廊道中应用已经非常广泛和深入，其指的是在一定用地范围内的建筑物，沿着固定风向的投影面积与用地面积的比值。由于迎风面密度计算涉及到每个单个建筑物，故而数据的计算量较大。最为重要的是，建筑物平面形态和风向的不规则导致了建筑在沿着风向的投影面积的计算过程复杂性大大增加，转换为具体的计算问题就是如何高效和简单地确定建筑物迎风面的投影宽度？这一计算问题使得迎风面密度这一指标在城市规划和风环境模拟分析时带来较大的困难，不利于较为广泛的使用和推广。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法，本发明能够通过大大简化城市迎风面密度计算的复杂度，并有效提高计算速度。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法，包括以下步骤：

步骤1、将待测区划分为k个格网；

步骤2、确定建筑物水平轮廓的旋转角度，并根据旋转角度，计算每个格网的迎风面密度大小；具体如下：

步骤2.1、遍历格网，提取出第k个格网与建筑物水平轮廓相交的部分，所得结果记为集合dk；其中，1≤k≤k；

步骤2.2、确定建筑物水平轮廓的旋转角度，对建筑物水平轮廓进行旋转操作，具体如下：

步骤a、以建筑物水平轮廓的最小外接矩形的中心为原点，以东西方向为x轴，南北方向为y轴，正东方向为x轴的正方向，正北方向为y轴的正方向，建立平面坐标系；

步骤b、将建筑物水平轮廓在步骤a建立的平面坐标系中围绕坐标系原点旋转角度θ¹，使得旋转后建筑物水平轮廓的最小外接矩形的宽为建筑物水平轮廓未旋转时迎风面的投影宽度l；

步骤2.3、对旋转后的建筑物水平轮廓计算最小外接矩形；

步骤2.4、计算最小外接矩形的宽度w；

步骤2.5、根据建筑物高度h与w，计算每个建筑物的迎风面密度值λ；

步骤2.6、累加集合dk中每个建筑物的迎风面密度值λ，并将累加和赋值给第k个格网。

作为本发明所述的一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法进一步优化方案，步骤1中的每个格网的大小均相同。

作为本发明所述的一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法进一步优化方案，k为大于1的整数。

作为本发明所述的一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法进一步优化方案，步骤2.1中如果集合dk的值为空，则格网值为0。

作为本发明所述的一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法进一步优化方案，步骤2.5中的λ为建筑物高度h与w的乘积。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明提出了基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的城市迎风面密度计算方法，可以大大减小计算的复杂度，有效提高软件运行的效率，进而为迎风面密度在城市规划中广泛应用提供一定的条件；

(2)本发明中所需要的最小外接矩形计算方法是一种非常成熟的计算机图形学算法，在诸多应用软件(如arcgis、autocad等)中都有现成接口可供调用。因此，本发明的另一个技术效果便是：可以在很多现有行业软件里进行较为简易的二次开发就可以计算城市的迎风面密度，也就是说本发明的应用推广性非常好、技术的可移植性强；

(3)本发明所提出的计算方法不仅仅可以应用在城市迎风面的计算上，也可以为相关的应用提供技术解决方案。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是迎风面密度计算原理示意图；

图3是计算迎风面的投影面积原理示意图；

图4是基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算示意图；

图5是城市迎风面密度计算结果的分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提出了一种基于建筑物水平轮廓最小外接矩形的迎风面密度计算方法，其解决方案的核心思路是：利用现有的常用软件所拥有的图形计算接口，再通过简单地几何图形操作，便可以计算得出建筑物迎风面的投影宽度。其中，建筑物水平轮廓是指：建筑物在不考虑建筑高度的情况下，建筑物的二维平面轮廓，即建筑物的占地轮廓。

本发明重点是通过建立建筑物水平轮廓最小外接矩形与建筑物迎风面的投影宽度l的关联关系来进行相关的分析。那么这种关联关系建立的依据是什么以及如何去建立？

参见附图2，在理想的情况下，建筑物为规则长方体，且风向垂直于建筑物的某一个表面，那么此时迎风面密度测算过程非常简单。但实际中，建筑物平面形态和风向的不规则导致了建筑物在沿着风向上的投影面积的计算过程复杂性大大增加。那么有没有统一的计算方法去应对不同建筑物形态和风向的高度复杂性？并且是否可以利用常见软件中现有的接口函数来减少算法的复杂度和增强运算的速度？

最小外接矩形(minimumboundingrectangle,mbr)，也有译为最小边界矩形，最小包含矩形，或最小外包矩形。最小外接矩形是指以二维坐标表示的若干二维形状(例如点、直线、多边形)的最大范围，即以给定的二维形状各顶点中的最大横坐标、最小横坐标、最大纵坐标、最小纵坐标定下边界的矩形。最小外接矩形常在地理信息系统中用来给出一个地理要素的大致位置。地理信息系统中的很多操作，例如空间查询、空间索引，以及建立r树都需要用到最小外接矩形。

根据迎风面密度的定义，计算迎风面密度的关键步骤是计算建筑物沿着固定风向的投影面积，即求解建筑高度与建筑物迎风面的投影宽度l的乘积，具体如图3所示。这也就是将迎风面密度计算重点转换为建筑平面形态与风向关系问题分析，即求解l值。

如何求解l的值？如图4中的(a)和图4中(b)所示，对于一个不规则建筑平面而言，如果将建筑平面按照一定的角度进行旋转，并使得l为这个建筑物平面轮廓的最小外接矩形的宽。那么，求解l的过程可以理解为：寻找一个适合的旋转角度θ1使得l即为旋转后建筑物平面轮廓的最小外接矩形的宽度。

那么，如何求解需要旋转的角度？如图4中的(c)所示，假设风向按照与正东方向的逆时针夹角进行标准化统计。由于旋转前l与风向是垂直的关系，故θ1的值即为(θ-90°)。具体实践中，还需要根据不同象限差异进行具体旋转分析。

本发明的方法如下：

步骤1)参见附图1，根据《城市通风廊道规划技术指南》中关于廊道尺度的建议(城市主通风廊道应与主导风向基本宽度应不小于200米，次通风廊道应与主导风向基本平行且宽度应不小于50米)，通常将研究区域切分成200×200或者50×50米的肌理切片，分别计算每个切片在主导风向上的迎风面密度值。本案例中将研究区划分为大小为200×200米的格网。

步骤2)、根据风向角度确定计算旋转参数。

步骤2.1)、以角度为单位，以正东方向的夹角为例，则对于研究区常年主风向东南风而言，需要输入风向的角度θ为135度。

步骤2.2)、参见附图3，计算建筑物水平轮廓需要旋转多少角度才能使得旋转后建筑物水平轮廓的最小外接矩形的宽正好为建筑物迎风面的投影宽度l，且这个旋转角度记为θ¹。

根据几何知识，可以很容易地知道这个θ¹的值为按顺时针方向旋转45度。

步骤3)、计算每个格网的迎风面密度大小。

步骤3.1)、遍历格网，对于每次遍历所得到的格网g提取出建筑物水平轮廓与每个网格相交的部分，所得结果记为集合d；

步骤3.2)、如果集合d没有值，即为空，则此次遍历所得的格网g的值为0；

步骤3.3)、根据风向确定集合d中每个建筑物水平轮廓需旋转的角度θ¹对建筑物进行旋转操作；

步骤3.4)、对旋转后的建筑物水平轮廓计算最小外接矩形；

步骤3.5)、计算最小外接矩形的宽度，记为w；

步骤3.6)、计算每个建筑物的迎风面密度值(记为λ)，即建筑物高度h与w的乘积；

步骤3.7)、累加集合d中每个建筑物的迎风面密度值λ，并将累加和赋值给此次遍历所得的格网g。

步骤3.8)、参见附图5，为研究区迎风面密度在按照等级划分情况下的可视化表达图，颜色值越深代表迎风面密度值越高。由此可见，图中标识有“a”字的地方是城市迎风面密度非常高的地区。那么，如果在城市规划中城市主通风廊道选择通过此区域，则无法构成贯穿整个城市的主通风廊道，如此便失去了缓解城市热岛效应，加速污染物扩散的目的。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。