本發(fā)明涉及城市規(guī)劃與城市風(fēng)環(huán)境技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法。

背景技術(shù)：

近年來，隨著我國城市化進(jìn)程不斷地向前推進(jìn)，城市規(guī)模不斷增長，城市空間形態(tài)和風(fēng)貌特征也變得更加復(fù)雜。正是由于城市物質(zhì)空間形態(tài)的改變，隨之而來的城市微氣候變化，進(jìn)一步阻礙了城市生產(chǎn)、生活和交通等污染物的大氣擴(kuò)散，導(dǎo)致了霧霾現(xiàn)象在全國大范圍、高頻度的出現(xiàn)，使得空氣污染成為嚴(yán)重威脅居民健康的頭號(hào)重大問題。因此，建設(shè)城市通風(fēng)廊道成為眾多城市應(yīng)對(duì)空間污染的一個(gè)重要手段。盡管通風(fēng)廊道并不能從根本上消除污染源，但可以在一定程度上減輕城市污染的危害。同時(shí)，城市通風(fēng)廊道也有利于改善城市的風(fēng)環(huán)境，其實(shí)際意義絕非簡單地應(yīng)對(duì)空間污染問題，而是對(duì)于城市居民的高質(zhì)量風(fēng)環(huán)境保障的一種有效技術(shù)手段。

通風(fēng)廊道劃分的技術(shù)手段主要包括遙感技術(shù)、cfd(空氣動(dòng)力學(xué))模擬以及基于城市形態(tài)學(xué)分析方法。其中，基于城市形態(tài)學(xué)分析在城市規(guī)劃領(lǐng)域里取得了較為豐碩的成果，如oke曾通過大量的研究，指出通過恰當(dāng)?shù)某鞘性O(shè)計(jì)以及合理的建筑布局影響城市微氣候，也能夠在一定程度上提高城市空氣污染的排污性能。較為著名的案例是liangchen等學(xué)者通過迎風(fēng)面密度計(jì)算和圖示化表達(dá)法確認(rèn)了九龍半島風(fēng)墻(walleffect)的存在，導(dǎo)致氣流無法滲透，阻礙了城市通風(fēng)和污染物擴(kuò)散。目前，迎風(fēng)面密度在城市通風(fēng)廊道中應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和深入，其指的是在一定用地范圍內(nèi)的建筑物，沿著固定風(fēng)向的投影面積與用地面積的比值。由于迎風(fēng)面密度計(jì)算涉及到每個(gè)單個(gè)建筑物，故而數(shù)據(jù)的計(jì)算量較大。最為重要的是，建筑物平面形態(tài)和風(fēng)向的不規(guī)則導(dǎo)致了建筑在沿著風(fēng)向的投影面積的計(jì)算過程復(fù)雜性大大增加，轉(zhuǎn)換為具體的計(jì)算問題就是如何高效和簡單地確定建筑物迎風(fēng)面的投影寬度？這一計(jì)算問題使得迎風(fēng)面密度這一指標(biāo)在城市規(guī)劃和風(fēng)環(huán)境模擬分析時(shí)帶來較大的困難，不利于較為廣泛的使用和推廣。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法，本發(fā)明能夠通過大大簡化城市迎風(fēng)面密度計(jì)算的復(fù)雜度，并有效提高計(jì)算速度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

根據(jù)本發(fā)明提出的一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法，包括以下步驟：

步驟1、將待測(cè)區(qū)劃分為k個(gè)格網(wǎng)；

步驟2、確定建筑物水平輪廓的旋轉(zhuǎn)角度，并根據(jù)旋轉(zhuǎn)角度，計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)的迎風(fēng)面密度大小；具體如下：

步驟2.1、遍歷格網(wǎng)，提取出第k個(gè)格網(wǎng)與建筑物水平輪廓相交的部分，所得結(jié)果記為集合dk；其中，1≤k≤k；

步驟2.2、確定建筑物水平輪廓的旋轉(zhuǎn)角度，對(duì)建筑物水平輪廓進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作，具體如下：

步驟a、以建筑物水平輪廓的最小外接矩形的中心為原點(diǎn)，以東西方向?yàn)閤軸，南北方向?yàn)閥軸，正東方向?yàn)閤軸的正方向，正北方向?yàn)閥軸的正方向，建立平面坐標(biāo)系；

步驟b、將建筑物水平輪廓在步驟a建立的平面坐標(biāo)系中圍繞坐標(biāo)系原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)角度θ¹，使得旋轉(zhuǎn)后建筑物水平輪廓的最小外接矩形的寬為建筑物水平輪廓未旋轉(zhuǎn)時(shí)迎風(fēng)面的投影寬度l；

步驟2.3、對(duì)旋轉(zhuǎn)后的建筑物水平輪廓計(jì)算最小外接矩形；

步驟2.4、計(jì)算最小外接矩形的寬度w；

步驟2.5、根據(jù)建筑物高度h與w，計(jì)算每個(gè)建筑物的迎風(fēng)面密度值λ；

步驟2.6、累加集合dk中每個(gè)建筑物的迎風(fēng)面密度值λ，并將累加和賦值給第k個(gè)格網(wǎng)。

作為本發(fā)明所述的一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟1中的每個(gè)格網(wǎng)的大小均相同。

作為本發(fā)明所述的一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，k為大于1的整數(shù)。

作為本發(fā)明所述的一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2.1中如果集合dk的值為空，則格網(wǎng)值為0。

作為本發(fā)明所述的一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法進(jìn)一步優(yōu)化方案，步驟2.5中的λ為建筑物高度h與w的乘積。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

(1)本發(fā)明提出了基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的城市迎風(fēng)面密度計(jì)算方法，可以大大減小計(jì)算的復(fù)雜度，有效提高軟件運(yùn)行的效率，進(jìn)而為迎風(fēng)面密度在城市規(guī)劃中廣泛應(yīng)用提供一定的條件；

(2)本發(fā)明中所需要的最小外接矩形計(jì)算方法是一種非常成熟的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)算法，在諸多應(yīng)用軟件(如arcgis、autocad等)中都有現(xiàn)成接口可供調(diào)用。因此，本發(fā)明的另一個(gè)技術(shù)效果便是：可以在很多現(xiàn)有行業(yè)軟件里進(jìn)行較為簡易的二次開發(fā)就可以計(jì)算城市的迎風(fēng)面密度，也就是說本發(fā)明的應(yīng)用推廣性非常好、技術(shù)的可移植性強(qiáng)；

(3)本發(fā)明所提出的計(jì)算方法不僅僅可以應(yīng)用在城市迎風(fēng)面的計(jì)算上，也可以為相關(guān)的應(yīng)用提供技術(shù)解決方案。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的整體流程示意圖；

圖2是迎風(fēng)面密度計(jì)算原理示意圖；

圖3是計(jì)算迎風(fēng)面的投影面積原理示意圖；

圖4是基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算示意圖；

圖5是城市迎風(fēng)面密度計(jì)算結(jié)果的分布示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：

本發(fā)明提出了一種基于建筑物水平輪廓最小外接矩形的迎風(fēng)面密度計(jì)算方法，其解決方案的核心思路是：利用現(xiàn)有的常用軟件所擁有的圖形計(jì)算接口，再通過簡單地幾何圖形操作，便可以計(jì)算得出建筑物迎風(fēng)面的投影寬度。其中，建筑物水平輪廓是指：建筑物在不考慮建筑高度的情況下，建筑物的二維平面輪廓，即建筑物的占地輪廓。

本發(fā)明重點(diǎn)是通過建立建筑物水平輪廓最小外接矩形與建筑物迎風(fēng)面的投影寬度l的關(guān)聯(lián)關(guān)系來進(jìn)行相關(guān)的分析。那么這種關(guān)聯(lián)關(guān)系建立的依據(jù)是什么以及如何去建立？

參見附圖2，在理想的情況下，建筑物為規(guī)則長方體，且風(fēng)向垂直于建筑物的某一個(gè)表面，那么此時(shí)迎風(fēng)面密度測(cè)算過程非常簡單。但實(shí)際中，建筑物平面形態(tài)和風(fēng)向的不規(guī)則導(dǎo)致了建筑物在沿著風(fēng)向上的投影面積的計(jì)算過程復(fù)雜性大大增加。那么有沒有統(tǒng)一的計(jì)算方法去應(yīng)對(duì)不同建筑物形態(tài)和風(fēng)向的高度復(fù)雜性？并且是否可以利用常見軟件中現(xiàn)有的接口函數(shù)來減少算法的復(fù)雜度和增強(qiáng)運(yùn)算的速度？

最小外接矩形(minimumboundingrectangle,mbr)，也有譯為最小邊界矩形，最小包含矩形，或最小外包矩形。最小外接矩形是指以二維坐標(biāo)表示的若干二維形狀(例如點(diǎn)、直線、多邊形)的最大范圍，即以給定的二維形狀各頂點(diǎn)中的最大橫坐標(biāo)、最小橫坐標(biāo)、最大縱坐標(biāo)、最小縱坐標(biāo)定下邊界的矩形。最小外接矩形常在地理信息系統(tǒng)中用來給出一個(gè)地理要素的大致位置。地理信息系統(tǒng)中的很多操作，例如空間查詢、空間索引，以及建立r樹都需要用到最小外接矩形。

根據(jù)迎風(fēng)面密度的定義，計(jì)算迎風(fēng)面密度的關(guān)鍵步驟是計(jì)算建筑物沿著固定風(fēng)向的投影面積，即求解建筑高度與建筑物迎風(fēng)面的投影寬度l的乘積，具體如圖3所示。這也就是將迎風(fēng)面密度計(jì)算重點(diǎn)轉(zhuǎn)換為建筑平面形態(tài)與風(fēng)向關(guān)系問題分析，即求解l值。

如何求解l的值？如圖4中的(a)和圖4中(b)所示，對(duì)于一個(gè)不規(guī)則建筑平面而言，如果將建筑平面按照一定的角度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并使得l為這個(gè)建筑物平面輪廓的最小外接矩形的寬。那么，求解l的過程可以理解為：尋找一個(gè)適合的旋轉(zhuǎn)角度θ1使得l即為旋轉(zhuǎn)后建筑物平面輪廓的最小外接矩形的寬度。

那么，如何求解需要旋轉(zhuǎn)的角度？如圖4中的(c)所示，假設(shè)風(fēng)向按照與正東方向的逆時(shí)針夾角進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計(jì)。由于旋轉(zhuǎn)前l(fā)與風(fēng)向是垂直的關(guān)系，故θ1的值即為(θ-90°)。具體實(shí)踐中，還需要根據(jù)不同象限差異進(jìn)行具體旋轉(zhuǎn)分析。

本發(fā)明的方法如下：

步驟1)參見附圖1，根據(jù)《城市通風(fēng)廊道規(guī)劃技術(shù)指南》中關(guān)于廊道尺度的建議(城市主通風(fēng)廊道應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向基本寬度應(yīng)不小于200米，次通風(fēng)廊道應(yīng)與主導(dǎo)風(fēng)向基本平行且寬度應(yīng)不小于50米)，通常將研究區(qū)域切分成200×200或者50×50米的肌理切片，分別計(jì)算每個(gè)切片在主導(dǎo)風(fēng)向上的迎風(fēng)面密度值。本案例中將研究區(qū)劃分為大小為200×200米的格網(wǎng)。

步驟2)、根據(jù)風(fēng)向角度確定計(jì)算旋轉(zhuǎn)參數(shù)。

步驟2.1)、以角度為單位，以正東方向的夾角為例，則對(duì)于研究區(qū)常年主風(fēng)向東南風(fēng)而言，需要輸入風(fēng)向的角度θ為135度。

步驟2.2)、參見附圖3，計(jì)算建筑物水平輪廓需要旋轉(zhuǎn)多少角度才能使得旋轉(zhuǎn)后建筑物水平輪廓的最小外接矩形的寬正好為建筑物迎風(fēng)面的投影寬度l，且這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度記為θ¹。

根據(jù)幾何知識(shí)，可以很容易地知道這個(gè)θ¹的值為按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)45度。

步驟3)、計(jì)算每個(gè)格網(wǎng)的迎風(fēng)面密度大小。

步驟3.1)、遍歷格網(wǎng)，對(duì)于每次遍歷所得到的格網(wǎng)g提取出建筑物水平輪廓與每個(gè)網(wǎng)格相交的部分，所得結(jié)果記為集合d；

步驟3.2)、如果集合d沒有值，即為空，則此次遍歷所得的格網(wǎng)g的值為0；

步驟3.3)、根據(jù)風(fēng)向確定集合d中每個(gè)建筑物水平輪廓需旋轉(zhuǎn)的角度θ¹對(duì)建筑物進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作；

步驟3.4)、對(duì)旋轉(zhuǎn)后的建筑物水平輪廓計(jì)算最小外接矩形；

步驟3.5)、計(jì)算最小外接矩形的寬度，記為w；

步驟3.6)、計(jì)算每個(gè)建筑物的迎風(fēng)面密度值(記為λ)，即建筑物高度h與w的乘積；

步驟3.7)、累加集合d中每個(gè)建筑物的迎風(fēng)面密度值λ，并將累加和賦值給此次遍歷所得的格網(wǎng)g。

步驟3.8)、參見附圖5，為研究區(qū)迎風(fēng)面密度在按照等級(jí)劃分情況下的可視化表達(dá)圖，顏色值越深代表迎風(fēng)面密度值越高。由此可見，圖中標(biāo)識(shí)有“a”字的地方是城市迎風(fēng)面密度非常高的地區(qū)。那么，如果在城市規(guī)劃中城市主通風(fēng)廊道選擇通過此區(qū)域，則無法構(gòu)成貫穿整個(gè)城市的主通風(fēng)廊道，如此便失去了緩解城市熱島效應(yīng)，加速污染物擴(kuò)散的目的。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對(duì)于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替代，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。