[发明专利]基于数字图像分析的城镇热岛特性预测方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及环境工程领域，具体涉及一种解决城镇热岛变化规律的预测方法，并开 发了相应的预测系统。

背景技术

城市热岛是一种城市气候特征，是城市对气温影响的典型特征。在人口高度密集、工 业集中的城市区域，由人类活动排放的大量热量与其他人为条件下的共同作用导致城区气 温高于周围郊区的气温，高温的城市处于低温郊区的包围之中，这种现象被称为“城市热 岛”现象。国内外大量的研究结果表明，世界上所有城市无论规模大小，纬度高低，都存 在城市热岛效应。计算机模拟技术是研究城镇热岛的主要方法之一，这种方法通常是以地 区的热平衡理论为基础，分别为热环境建立相应的数学模型，实现热环境的求解。

Xianting Li研究了空气流动分布CFD与壁面能量平衡相结合的算法，提出了包括地 面温度模拟和室外空气模拟的方法，模拟过程中主要集中在建筑室外的空气温度上，并将 传热模型与空气流动模型耦合计算。Kazuya Takahashi对Kyoto的热环境进行了研究，对 建筑和地面的壁面温度进行了测量，同时结合建筑、地面导热、辐射模型和空气流动模型 进行了计算机模拟计算。王菲用室外热环境数学模型计算了济南四种不同工况下，太阳辐 射作用引起的温升情况，对不同建筑密度、下垫面材料、自然通风风速的影响进行了比较。 于震提出了将求解单体建筑和周围下垫面的热平衡方程组与室外空气场的CFD模拟计算相 结合的方法，解决了空气场计算时间步长与下垫面计算时间步长不一致的问题。

采用上述计算机模拟技术分析城镇热环境时，还存在以下问题：

(1)目前，大多数的计算网格(地面和空气)使用相同大小网格，这样计算时间长， 假定壁面温度作为CFD计算的边界条件，而并不计算壁面温度，只是单一求解CFD方程， 计算的结果有很大的偏差。

(2)模拟的边界条件缺乏可靠性，如果采用测试值作为边界条件，就需要很多的测 点，对每个模拟过程的边界条件都进行测量也是不现实的。

本发明针对现有技术中存在的上述问题，建立了完整的城镇热环境特性分析模型，完 善了热环境参数计算方法，构建了完整的城镇热环境特性预测系统。经实验验证，本系统 的预测计算结果与实验结果吻合得很好，完全符合城镇热环境中下垫面温度、空气温度的 发展变化规律。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的上述缺陷，提出一种基于数字图像分 析的城镇热岛特性预测系统及预测方法，本发明充分利用数字图像的优势，对城镇建筑群 进行动态阴影分析，形成城镇动态能量分布，并将不同时刻的能量信息储存在数据文件中， 在计算不同时刻的城镇热环境时，调用对应时刻的数据文件，实现了计算过程中下垫面的 动态边界的设定。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，设计一种基于数字图像分析的城镇热岛特性 预测方法，该方法包括以下实现步骤：

(1)根据城镇规划图建立城镇数字高度模型DEM(Digital Elevation Model)。通过 图像采集模块分别将城镇规划图中建筑物布局、高度、建筑材料、绿化面积等信息作为数 据文件储存在DEM模型的图像数据库中，作为计算城镇辐射能量动态分布、下垫面传热和 空气温度等的基本条件；

(2)将建筑物的流动区域作为“节点”，将流动开口作为“支”，构建流动区域网络 模型，根据流动区域网络模型的城镇流动区域质量守恒方程、城镇流动区域网络的环路压 力方程、连接开口的压差和气体流量关系方程、区域内空气的热平衡方程等一系列方程， 计算城镇建筑物间的空气质量流量、压差、空气温度；

(3)调用上述方程，根据太阳直射辐射强度、地面对天空的视角系数和散射辐射强 度、分析面对建筑物的辐射角系数关系、分析面周围建筑物接收到太阳直射、散射和长波 辐射，计算分析面的太阳直射、太阳散射、长波辐射、反射辐射能量分布；太阳直射是根 据太阳直射辐射强度、建筑物墙与太阳之间的方位角、太阳高度角等求解垂直面上和水平 面上太阳直射辐射强度能量分布；太阳散射辐射是根据地面对天空的视角系数和散射辐射 强度计算到地面上的散射辐射能量分布；根据建筑物和地面的某个面对周围建筑的辐射角 系数关系计算周围建筑对分析面的长波辐射热量；根据分析面周围建筑物接收到太阳直 射、散射和长波辐射，确定该面的反射辐射能量；